CN85105728A - 具有改进端塞组件的核反应堆燃料棒 - Google Patents

Abstract

本发明论述了一种包含有包壳管的核燃料棒。该包壳管内装核燃料和加压气体，并有两个用端塞密封的端部。每个端塞(30，32)有一个内空腔(52/72)，该空腔与包壳管(28)的内部是气体流通的。它一部分由装配到包壳管(28)内的端塞内段(40/62)所限定，一部分由端塞外段(38/60)所限定。端塞外段处在包壳管的外面并形成一个下凹的或扩大的空腔区。下端塞(32)内有一个垫圈(58)，它防止核燃料碎片进入空腔但保持空腔和包壳管之间的气体流通。

Description

本发明概括地论述了核反应堆的燃料组件，比较详细地论述了具有改进端塞组件的核燃料棒。

正如在技术上众所周知的，用于核反应堆燃料组件中的燃料棒包含有许多园柱形的核燃料芯块，如用U-235加浓的UO₂构成的芯块，它们首尾相连地排列在一个管状包壳部件中。该管状包壳部件是一个细长的，最好是用锆合金制成的薄壁管，用端塞将它的两端封闭住。这种端塞最好用和燃料管相同的材料制成。

同样也是众所周知的，如果燃料棒内部加压，就可以提高核反应堆的总效率，並延长其燃料棒的使用寿命。因而在制造燃料棒时，将一种惰性气体，例如氦气，在压力下注入燃料管中，然后在管端焊上端塞使管子密封。在核反应堆运行期间，由于产生气体，管子内部压力增强，在接近燃料棒寿期终了时，内部压力可高达68大气压。

在反应堆运行时，燃料棒外部的冷却剂的较高压力（约170大气压）通常抵消了燃料棒的内部压力。但是在停堆时，外部的冷却剂压力降为零，于是燃料棒的内部压力使管子向外膨胀。如果燃料棒在其燃料管端插入实心端塞，並在管端和塞子周边的接合处进行焊接，那么管子的这种向外膨胀导致产生应力集中的部位，並使最大不连续性应力点集中在焊缝处。只要管子材料和应力处于疲劳寿命极限内，焊缝就不会破裂。但是，如果焊缝有缺陷或者材料由于氢化和（或）辐照硬化而失去延性，则焊缝可能破裂。

一种解决办法是在端塞内做出一个空腔，为裂变气体集聚提供额外的空间，並在燃料管端和端塞上加工出来的薄的部分之间进行焊接。在美国第№3，679，545号专利说明书中透露了一种照这样设计的端塞。从应力的观点以及从焊接的观点来看，这种设计具有一些优点。从应力的观点来看，端塞中空腔所提供的附加空间降低了累积气体的压力，从而在某种程度上减小了在停堆时燃料管的膨胀。此外，虽然这种设计有着同样的不连续性应力，但是端塞和燃料管焊接而引起的应力集中不发生在最大不连续性应力点上，这是因为最大不连续性应力点沿着端塞进一步外移，位于空腔中了。这样，最大不连续性应力不像实心端塞设计中的情况那样要增加一个应力集中系数。从焊接的观点来看，厚度近乎相等的零件比起厚度有很大差别的零件更容易焊接在一起。

但是，为了使端塞和燃料芯块热绝缘，要用陶瓷芯块来替代某些燃料芯块，这样，上述设计的某些优点就被抵消了。这些陶瓷芯块在燃料管中占去了宝贵的燃料芯块空间。而且这种上述设计没有采取措施来防止燃料芯块碎片落入垂直放置的燃料棒下端的端塞空腔中。在端塞空腔中的碎片带来了如何从端塞排出由这些碎片产生的热量的附加问题。

本发明的主要目的是要提供一种具有改进端塞的燃料棒。这种端塞使燃料棒能容纳累积的裂变气体，而不增加燃料棒长度或取出燃料芯块。

因此，本发明归结于一种包含有管状部件的燃料棒。这种管状部件装有核燃料和加压气体，並且在其两端密封连接两个端塞。其特点是：至少一个端塞有一个装配在上述管状部件的邻近端部内的内段;一个向外延伸了管状部件的外段;和一个与管状部件的内部相连通的内部空腔。这个内部空腔包括一个上述外段里的外区和一个上述内段里的内区，上述外区比上述内区凹进一些。这样，体现本发明的这种端塞或每一个端塞不仅有一个空腔，该空腔增加了裂变气体的可用空间，並使最大不连续性应力点的位置远离端塞和管状部件间的焊缝，而且它的空腔又很有利地下凹，使得裂变气体的空间扩大到最大，並且该空腔在最大不连续性应力区中具有光滑的外形，使最大不连续性应力分布在较广的区域内。此外，这种端塞在下凹空腔处有减薄了的壁厚，这提供了一定的柔性，从而减轻了在焊缝处高应力的集中。

在工作时，下端塞包含一个防止核燃料进入空腔，而允许气体在空腔和管状部件内部间流通的垫圈。

现在参阅附图来说明所推荐的本发明的具体装置，它仅作为例子，其中：

图一是一个包含有燃料棒的核燃料组件的局部剖面正视图，为了清楚起见，一些零件被断开了;

图2是体现本发明的一个燃料棒的放大局部剖视图;

图3是一个垫圈的放大透视图，该垫圈与图2燃料棒中所用的是一样的;

图4是代表本发明另一个实施例的一种燃料棒下端部的局部剖视图。

在下面的说明中，同样的参考号表示在图纸不同视图中同样的或相对应的零件。诸如“向前”，“向后”，“左”，“右”，“向上”，“向下”以及相类似的用语是作为方便的词语，而不把它们看作为限制术语。

现在来参阅图纸，特别是图1，图中说明的，一般用数字10表示的燃料组件包括有：下部端结构或底端件12，它将组件支承在反应堆（未表示）堆芯区中的下部堆芯板（未表示）上;从底端件12向上伸出的有规则排列的控制棒导向管或套管14;沿导向套管14轴向放置的许多横向格板16;用格板16横向隔开和轴向支承的许多细长燃料棒18（为了清楚起见，仅表示了其中的一根）;一根放置在燃料组件中心的仪表管20;和固定在导向管14上端的带有压紧装置的上部端结构或顶端件22。应该注意到，图中虽然将燃料棒18的下端表示为高于底端件12並留有一定间隔，但是它们可能是放置並支承在底端件上的。

为了构成燃料组件10，横向格板16在予定向的轴向间隔位置上被固定到导向套管14上;燃料棒18从下面穿过格板16插入;然后将底端件12用金属螺钉24适当地固定到导向套管的下端;再把顶端件22固定到导向套管14的上端部分。为了控制裂变过程，许多控制棒（图中未表示）可在燃料组件10的控制棒导向套管14中往复地移动。

现在来参阅图2，图中表示的燃料棒18包括了一个管状包壳部件28，和许多头尾相连地放置在管状部件中的园柱形核燃料芯块26。比如用U-235加浓的UO₂。包壳28是一个细长的薄壁管，最好用锆合金制成，在其两端用体现本发明的端塞30和32封闭。端塞30，32最好用和燃料管28相同的材料制成。它们将核燃料和加压惰性气体密封在燃料管28内。在燃料管28内燃料芯块组件26和一个端塞（比如上端塞30）之间设置一个贮气腔34，在贮气腔34内放置一个螺旋弹簧36以保持芯块26紧密地叠在一起並把芯块牢固地支靠在另一个端塞即下端塞32上而固定就位。

改进端塞组件的上端塞30包含一个外段38和一个内段40。外段的最大外径基本上和与端塞30相连接的燃料管28的外径相同。内段的外径稍小于燃料管28的内径。在端塞30的外段38和内段40的环形汇合区周围，有一个外部的环形台肩42，当上端塞30压配合进入燃料管的上端部分46时，燃料管28的上端44就紧靠在这个台肩上。在台肩42处，环缝焊接48把管子28的上端部分46牢固地连接和密封到上端塞30上。一个轴向小孔50穿过外段38的端壁。在加压焊接室中，惰性气体通过轴向孔50注入到燃料管28中，随后用焊接将孔的外端密封住。

上端塞30是空心的，在里面有一个空腔52，它增加了贮气腔34裂变气体膨胀的空间。外段38内空腔52的外区54比内段40内空腔的内区56凹进一些，从而使端塞30中裂变气体空间扩展到最大，並且由于停堆时燃料管28膨胀减小，使最大不连接性应力区A的位置从焊缝48处产生的应力集中点向外移。此外，限定空腔52范围的上端塞30的内部形状在最大不连续性应力区内含有平滑的过渡段，使应力在较广区域内分布而不是集中在一点上。另外，在下凹室腔52的外区54，端塞30有较薄的壁厚，使得端塞具有一定的柔性，减轻了高应力在焊缝48处的集中。

体现本发明的端塞组件还包括下端塞32和垫圈58。下端塞32基本上包含一个有着一般V形截面的外段60和一个直径比外段60最大直径要小的园柱形的内段62。内段62的外径稍小于燃料管28的内径，当下端塞32压配合进入管子28的下端部分68时，管子的下端64支撑在下端塞32的外部环形台肩66上，这个台肩做在下端塞32的外段62和内段64的环形汇合区周围。环缝焊接70将端塞32连接和密封到燃料管28的下端部分68上。

和上端塞30相类似，下端塞32是空心的，它有一个空腔72，它同样增加了由芯块26产生的裂变气体的膨胀空间。外段60内的空腔72的外径区74比内段62内的空腔72的内区76凹进一些，从而使下端塞32内的裂变气体空间扩展到最大，並且使最大不连续性应力区B的位置从焊缝70处的应力集中点外移，这个应力集中点是由于停堆时燃料管28的膨胀而在焊缝70处产生的。此外，限定空腔72范围的下端塞32的内部形状在最大不连续性应力区中含有平滑的过渡段，从而使应力有较广的分布而不是集中在一点上。另外，在下凹空腔72的外区74，端塞32    较薄的壁厚，使得下端塞32具有一定的柔性，减轻了高应力在焊缝70上的集中。

与下端塞32相关联的垫圈58适合于防止燃料碎片从燃料管28落入下端塞的空腔72中。正如以下将要解释的，虽然为了防止燃料碎片进入，垫圈58的一端实际上是封闭的，但是它有办法使裂变气体从燃料管进入端塞的空腔72内。

在图2，图3中所示的推荐结构中，垫圈58有一个其下端或外端是敞口的园柱形侧壁78，它还有一个端壁82，该端壁与垫圈侧壁的上端或内端相连接並将其封闭，它贴近燃料管28内的燃料芯块26放置。垫圈58被装配到在下端塞32的内段62内的空腔72的内区76中，其敞口的外端80靠在一个内部的环形凸缘84上，这个凸缘做在端塞32内靠近内段62与外段60的环形汇合区。

垫圈侧壁78的外径稍大于下端塞32内段62的内径。此外，侧壁78有一个在轴向裂开侧壁的槽86。由于这种结构，当垫圈58装入端塞32中时，在端塞32装在燃料管28中的情况下，垫圈58受到一个径向弹力使它固定就位。

从凸缘84到端塞内段62的内边缘88的距离小于垫圈侧壁78上槽86的长度和侧壁的高度;这样，如图2中所见，垫圈侧壁78的内边缘90向内延伸超出内段62的内边缘88，並且槽86的相应内端92露出在燃料管28的内部。这造成了一个间隙，裂变气体可通过它膨胀进入下端塞32的空腔72中去。因为气体是有压力的，它也能在垫圈侧壁86的外表面94和端塞内段62的内表面96之间进入空腔72。垫圈侧壁78的内边缘90也使相邻的燃料芯块26保持不与下端塞32接触，从而使传到端塞的热量最小。

图4描述了另一种垫圈98，它适合于压入到下端塞32内段62内的空腔72的内区76中。垫圈98最好用氧化锆材料制成，它有一个允许燃料管28来的裂变气体进入空腔72而能防止燃料碎片通过的小直径中心孔100。

因为两种垫圈58和98都装在下端塞32内，它们起了使端塞长度减至最小的作用，而这又使燃料管28内有效的燃料和贮气腔的长度达到最大。此外，使用任何种垫圈可将靠近的芯块隔开，不与端塞接触，从而没有必要用陶瓷芯块来把端塞和燃料芯块热绝缘开来。这样，避免了燃料芯块的替代。使用本发明的端塞组件而增加的额外裂变气体空间约相当于一个燃料芯块所占据的空间。

Claims (7)

1、一种包括管状部件的燃燃料棒，该管状部件内装核燃料和加压气体，並且在其两端密封连接着两个端塞，其特点是：至少一个上述端塞(30，32)有一个装配在上述管状部件(28)的邻近端部内的内段(40或62)；一个向外延伸管状部件的外段(38或60)；和一个与管状部件的内部相连通的内部空腔(52或72)；这个内部空腔包括一个上述外段内的外区(54或74)和一个上述内段里的内区(56或76)，上述外区比内区凹进一些。

2、按照权利要求1做出的一种核燃料棒，其特点是：上述外段（38或60）的最大外径基本上等于上述管状部件（28）的外径，上述内段（40或62）的直径小于上述外段的直径。

3、按照权利要求1或2做出的一种核燃料棒，其中燃料棒处于垂直位置，並且在使用时至少有一个上述端塞处在燃料棒的下端。其特点是：在上述空腔（72）的内区（76）中装入了一个垫圈（58或98），这个垫圈允许气体在上述管状部件（28）和空腔之间流通，同时防止管状部件中的核燃料进入上述空腔（72）中。

4、按照权利要求3做出的一种核燃料棒，其特点是：上述垫圈（58）包含一个装配在端塞（32）的上述内段（62）中的空心园柱部分（78）。一个实际上封闭了园柱部分靠近管状部件（28）内部那一面的内端壁（82），以及允许气体在管状部件（28）内部和上述空腔（72）之间流通的开口装置（92）。

5、按照权利要求4做出的一种核燃料棒，其特点是：上述空心园柱部分（78）有一个向管状部件（28）内部延伸超出端塞（32）内段（62）的内边缘（90），並在园柱部分开了一个槽（86），这个槽从园柱部分的外端轴向延伸到上述内边缘。

6、按照权利要求5做出的一种核燃料棒，其特点是：带有轴向槽（86）的上述空心园柱部分（78），在装配到上述内段（62）里以前，其外径稍大于上述内段（62）的内径。

7、按照权利要求3到6中任意一个做出的一种核燃料棒，其特点是：端塞的上述内段（62）有一个在轴向支承上述垫圈（58）的内部凸缘（84）。

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