EA040419B1

EA040419B1 - FUEL ASSEMBLY

Info

Publication number: EA040419B1
Application number: EA201991956
Authority: EA
Inventors: Аарон Тотмейер; Сергей М. Башкирцев; Алексей Г. Морозов
Original assignee: Лайтбридж Корпорейшн
Priority date: 2014-09-16
Filing date: 2015-09-16
Publication date: 2022-05-30

Description

Заявка на данное изобретение является обычной заявкой на патент США № 62/050985, дата подачи 16 сентября 2014 г. Кроме того, эта заявка является частичным продолжением находящейся на рассмотрении заявки на патент США № 14/081056, поданной заявителем по данной заявке, с датой подачи 15 ноября 2013 г., по которой испрашивается приоритет предварительной заявки на патент США № 61/821918 с датой подачи 10 мая 2013 г. Кроме того, заявка является частичным продолжением находящейся на рассмотрении заявки на патент США № 13/695792, поданной заявителем по данной заявке (дата подачи 3 июня 2013 г.), которая находится на национальной стадии PCT/US2011/036034 (дата подачи 11 мая 2011 г.), по которой, в свою очередь, испрашивается приоритет заявки на патент США № 61/444990, дата подачи 21 февраля 2011 г. Заявка № 61/393499, дата подачи 15 октября 2010 г., и заявка на патент США № 61/333467, дата подачи 11 мая 2010 г. Полное содержание всех вышеупомянутых заявок включено в настоящее описание посредством ссылки.The application for this invention is the ordinary application for US patent No. 62/050985, filed on September 16, 2014. In addition, this application is a partial continuation of the pending application for US patent No. 14/081056, filed by the applicant for this application, with the date filed November 15, 2013, which claims the priority of U.S. provisional application No. 61/821918, filed May 10, 2013. In addition, the application is a partial continuation of the pending application for U.S. patent No. 13/695792, filed by the applicant under this application (Filing date June 3, 2013), which is in the national stage PCT/US2011/036034 (Filing date May 11, 2011), which in turn claims priority of US Patent Application No. 61/444990, filed on February 21, 2011. Application No. 61/393499, filed on October 15, 2010, and U.S. Patent Application No. 61/333467, filed on May 11, 2010. The entire contents of all of the aforementioned applications are incorporated herein by vom links.

Область техники, к которой относится изобретениеThe field of technology to which the invention belongs

Настоящее изобретение, вообще, относится к ядерным реакторам и сборкам ядерного топлива, используемым в активной зоне ядерных реакторов. В частности, настоящее изобретение относится к канадским тяжеловодным реакторам на природном уране (CANDU) и тепловыделяющим сборкам, предназначенным для использования в этих реакторах.The present invention generally relates to nuclear reactors and nuclear fuel assemblies used in the core of nuclear reactors. In particular, the present invention relates to Canadian heavy water natural uranium (CANDU) reactors and fuel assemblies intended for use in these reactors.

Уровень техникиState of the art

На фиг. 1А и 1В представлены упрощенные виды в разрезе примеров традиционных тепловыделяющих сборок 10. Фиг. 1А отображает тепловыделяющую сборку 10 для легководного реактора с водой под давлением (PWR), фиг. 1В иллюстрирует тепловыделяющую сборку 10 водоохлаждаемого водоводяного энергетического реактора (VVER). Представленная на фиг. 1А сборка 10 тепловыделяющих стержней содержит тепловыделяющие стержни, собранные вместе в виде квадратной сетки. Тепловыделяющая сборка 10 реактора PWR, показанная на фиг. 10, содержит пучок самодистанционирующихся тепловыделяющих стержней, который может быть охарактеризован как имеющий квадратную форму поперечного сечения. Представленная на фиг. 1В тепловыделяющая сборка 10 содержит тепловыделяющие стержни, размещенные в треугольной сетке. Тепловыделяющая сборка 10 реактора VVER на фиг. 1В содержит пучок самодистанционирующихся тепловыделяющих стержней, который может быть охарактеризован как имеющий в поперечном сечении форму правильного шестиугольника.In FIG. 1A and 1B are simplified sectional views of examples of conventional fuel assemblies 10. FIG. 1A shows a fuel assembly 10 for a pressurized light water reactor (PWR), FIG. 1B illustrates a fuel assembly 10 for a water-cooled pressurized water reactor (VVER). Shown in FIG. 1A, the fuel rod assembly 10 comprises fuel rods assembled together in a square grid. The PWR fuel assembly 10 shown in FIG. 10 contains a bundle of self-spaced fuel rods that can be characterized as having a square cross-sectional shape. Shown in FIG. 1B, fuel assembly 10 includes fuel rods arranged in a triangular grid. The fuel assembly 10 of the VVER reactor in FIG. 1B contains a bundle of self-spaced fuel rods that can be characterized as having a regular hexagon shape in cross section.

При размещении этих сборок в трубе 12 образуются незанятые сегменты, не используемые сборкой тепловыделяющих стержней, показанные на фигуре заштрихованной зоной 14, расположенной между трубой 12 и квадратом 14 на фиг. 1А и между трубой 12 и шестиугольником 16 на фиг. 1В.When these assemblies are placed in the tube 12, unoccupied segments are formed not used by the fuel rod assembly, shown in the figure by the shaded area 14 located between the tube 12 and the square 14 in FIG. 1A and between pipe 12 and hexagon 16 in FIG. 1B.

В соответствии с воплощениями изобретения сборка тепловыделяющих стержней в квадратной сетке занимает приблизительно 63,7% площади описанной окружности (например, сечения трубы 12), в то время как сборка в треугольной сетке занимает приблизительно 82,7% площади описанной окружности (например, сечения трубы 12).In accordance with embodiments of the invention, the fuel rod assembly in a square grid occupies approximately 63.7% of the area of the circumscribed circle (for example, the section of the pipe 12), while the assembly in the triangular grid occupies approximately 82.7% of the area of the circumscribed circle (for example, the section of the pipe 12).

Известно использование незанятого объема для решения проблем разбухания тепловыделяющего стержня и тепловыделяющей сборки во время выгорания топлива. Известно также заполнение этих пустых зон выгорающим поглотителем и т.п.It is known to use unoccupied volume to solve fuel rod and fuel assembly swelling problems during fuel burnup. It is also known to fill these void zones with a burnable poison or the like.

Сущность изобретенияThe essence of the invention

В соответствии с изобретением тепловыделяющая сборка для использования во внутренней конструкции активной зоны ядерного реактора может содержать множество тепловыделяющих элементов, при этом указанное множество тепловыделяющих элементов размещены по повторяющемуся шаблону смешанной сетки, который включает в себя повторяющийся шаблон первой сетки и повторяющийся шаблон второй сетки, отличающийся от повторяющегося шаблона первой сетки, каждый из множества тепловыделяющих элементов имеет продольную осевую линию, и продольные осевые линии подмножества тепловыделяющих элементов из указанного множества тепловыделяющих элементов отделены от продольных осевых линий соседних тепловыделяющих элементов одинаковым расстоянием между осевыми линиями, а диаметр описанной окружности для каждого тепловыделяющего элемента из указанного подмножества равен указанному расстоянию между осевыми линиями.In accordance with the invention, a fuel assembly for use in the internal structure of a nuclear reactor core may comprise a plurality of fuel elements, said plurality of fuel elements being arranged in a mixed grid repeating pattern, which includes a first grid repeating pattern and a second grid repeating pattern different from repeating pattern of the first grid, each of the plurality of fuel elements has a longitudinal axial line, and the longitudinal axial lines of a subset of fuel elements from the specified plurality of fuel elements are separated from the longitudinal axial lines of neighboring fuel elements by the same distance between the axial lines, and the diameter of the circumscribed circle for each fuel element from of the specified subset is equal to the specified distance between the centerlines.

Согласно воплощениям продольная осевая линия каждого из указанного множества тепловыделяющих элементов повторяющегося шаблона первой сетки может быть отделена от продольной осевой линии соседних тепловыделяющих элементов одинаковым расстоянием между осевыми линиями, при этом диаметр описанной окружности каждого из тепловыделяющих элементов повторяющегося шаблона первой сетки равен расстоянию между осевыми линиями.According to embodiments, the longitudinal axial line of each of the said plurality of fuel elements of the repeating pattern of the first grid can be separated from the longitudinal axial line of neighboring fuel elements by the same distance between the axial lines, while the circumscribed circle diameter of each of the fuel elements of the repeating pattern of the first grid is equal to the distance between the axial lines.

В соответствии с воплощениями продольная осевая линия каждого из множества тепловыделяющих элементов повторяющегося шаблона второй сетки может быть отделена от продольной осевой линии соседних тепловыделяющих элементов одинаковым расстоянием между осевыми линиями, при этом диаметр описанной окружности каждого из тепловыделяющих элементов повторяющегося шаблона первой сетки равен расстоянию между осевыми линиями.In accordance with embodiments, the longitudinal center line of each of the plurality of fuel elements of the repeating pattern of the second grid can be separated from the longitudinal center line of adjacent fuel elements by the same distance between the center lines, while the circumscribed circle diameter of each of the fuel elements of the repeating pattern of the first grid is equal to the distance between the center lines .

В соответствии с воплощениями тепловыделяющий элемент, размещенный в повторяющемся шаблоне первой сетки с первой группой тепловыделяющих элементов, одновременно может располагаться в повторяющемся шаблоне второй сетки со второй группой тепловыделяющих элементов.According to embodiments, a fuel element placed in the repeating pattern of the first grid with the first group of fuel elements can simultaneously be located in the repeating pattern of the second grid with the second group of fuel elements.

- 1 040419- 1 040419

Повторяющийся шаблон первой сетки и повторяющийся шаблон второй сетки могут чередоваться один с другим. Сеточные шаблоны могут чередоваться один с другим на основе соотношения один к одному вдоль любого радиуса от центра тепловыделяющей сборки к внешнему периметру.The repeating pattern of the first grid and the repeating pattern of the second grid may alternate with each other. The grid patterns may alternate with each other on a one-to-one basis along any radius from the center of the fuel assembly to the outer perimeter.

В соответствии с воплощениями множество тепловыделяющих элементов может размещаться по концентрическим окружностям, причем повторяющийся шаблон первой сетки и повторяющийся шаблон второй сетки могут чередоваться один с другим вдоль одной или большего числа концентрических окружностей. Сеточные шаблоны могут чередоваться один с другим на основе соотношения три к одному.According to embodiments, a plurality of fuel elements may be arranged in concentric circles, wherein the repeating pattern of the first grid and the repeating pattern of the second grid may alternate with each other along one or more concentric circles. Grid patterns can be interleaved with one another on a three-to-one basis.

В соответствии с воплощениями повторяющийся шаблон первой сетки может представлять собой повторяющийся шаблон прямоугольной сетки, или шаблон изометрической сетки, или шаблон сетки в форме параллелограмма, или шаблон треугольной сетки, или шаблон сетки в форме равностороннего треугольника. Шаблон первой сетки может быть прямоугольным, а шаблон второй сетки - треугольным.According to embodiments, the repeating first grid pattern may be a repeating rectangular grid pattern, or an isometric grid pattern, or a parallelogram-shaped grid pattern, or a triangular grid pattern, or an equilateral triangle-shaped grid pattern. The first grid pattern may be rectangular and the second grid pattern may be triangular.

В соответствии с воплощениями повторяющийся шаблон смешанной сетки также может включать в себя шаблон третьей сетки.According to embodiments, the repeated mixed grid pattern may also include a third grid pattern.

Согласно воплощениям множество тепловыделяющих элементов может представлять собой четырехлепестковые тепловыделяющие стержни, или таблетированные цилиндрические тепловыделяющие стержни, или тепловыделяющие стержни с выгорающим поглотителем.According to embodiments, the plurality of fuel elements may be four-lobed fuel rods, or preformed cylindrical fuel rods, or burnable poison fuel rods.

Тепловыделяющие элементы могут быть спирально закрученными тепловыделяющими элементами, имеющими многолепестковую форму, которая включает спиральные ребра.The fuel elements may be helically wound fuel elements having a multi-lobed shape that includes helical fins.

Множество тепловыделяющих элементов также содержат внешнюю границу, ограничивающую указанное множество тепловыделяющих элементов. Указанной внешней границей может быть кожух.The plurality of fuel elements also contain an outer boundary delimiting said plurality of fuel elements. Said outer boundary may be a shell.

Количество тепловыделяющих элементов может быть равно 61, а внешней границей является кожух, ограничивающий указанные 61 тепловыделяющие элементы, при этом кожух имеет поперечное сечение в форме окружности или двенадцатиугольника.The number of fuel elements can be equal to 61, and the outer boundary is the casing, limiting these 61 fuel elements, while the casing has a cross section in the form of a circle or a dodecagon.

Количество тепловыделяющих элементов может быть равно 19, а указанная внешняя граница имеет форму окружности, ограничивающей снаружи указанные 19 тепловыделяющих элементов.The number of fuel elements can be equal to 19, and the specified outer boundary has the shape of a circle, limiting the outside of the specified 19 fuel elements.

Множество тепловыделяющих элементов могут занимать по меньшей мере 83% площади поперечного сечения окружности, которая ограничивает тепловыделяющие элементы.The plurality of fuel elements may occupy at least 83% of the cross-sectional area of the circle that defines the fuel elements.

Эти и другие аспекты различных воплощений настоящего изобретения, а также способы работы и функции взаимосвязанных элементов конструкции, комбинация частей и экономичность изготовления будут более очевидными из нижеследующего описания и приложенных пунктов формулы со ссылками на сопровождающие чертежи, которые все вместе образуют часть настоящего описания, в котором одинаковыми ссылочными номерами позиции обозначены соответствующие элементы на различных фигурах. В одном воплощении изобретения иллюстрируемые здесь элементы конструкции изображены в масштабе. Следует, однако, ясно понимать, что чертежи служат лишь для иллюстрации и описания, но не для ограничения объема изобретения. Кроме того, следует принимать во внимание, что конструктивные особенности, показанные на чертежах или раскрытые при описании любого одного воплощения, могут быть использованы также и в других воплощениях. Используемая в описании и пунктах формулы форма единственного числа включает также множество определяемых объектов, если контекст явно не подразумевает иное.These and other aspects of the various embodiments of the present invention, as well as the modes of operation and functions of the interrelated structural elements, the combination of parts and the economy of manufacture will be more apparent from the following description and the appended claims with reference to the accompanying drawings, which together form a part of the present description, in which the same reference numerals designate corresponding elements in the various figures. In one embodiment of the invention, the structural elements illustrated here are shown to scale. It should, however, be clearly understood that the drawings serve only to illustrate and describe and not to limit the scope of the invention. In addition, it should be appreciated that the features shown in the drawings or disclosed in the description of any one embodiment may be used in other embodiments as well. As used in the description and claims, the singular form also includes the plurality of entities being defined, unless the context clearly dictates otherwise.

Краткое описание чертежейBrief description of the drawings

Воплощения настоящего изобретения, а также другие характерные особенности изобретения будут лучше раскрыты в нижеследующем описании со ссылками на сопровождающие чертежи.Embodiments of the present invention, as well as other features of the invention, will be better described in the following description with reference to the accompanying drawings.

Фиг. 1А - упрощенный вид в поперечном разрезе традиционной тепловыделяющей сборки, содержащей тепловыделяющие стержни, образующие в сборке квадратную сетку.Fig. 1A is a simplified cross-sectional view of a conventional fuel assembly containing fuel rods forming a square grid in the assembly.

Фиг. 1В - упрощенный вид в поперечном разрезе традиционной тепловыделяющей сборки, содержащей тепловыделяющие стержни, образующие в сборке треугольную сетку.Fig. 1B is a simplified cross-sectional view of a conventional fuel assembly containing fuel rods forming a triangular mesh in the assembly.

Фиг. 2 - упрощенный вид в поперечном разрезе схемы размещения элементов самодистанционированной тепловыделяющей сборки, образованной из 61 тепловыделяющего стержня в смешанной квадратно-треугольной сетке, в соответствии с изобретением.Fig. 2 is a simplified cross-sectional view of the layout of elements of a self-spaced fuel assembly formed from 61 fuel rods in a mixed square-triangular grid, in accordance with the invention.

Фиг. 3 - упрощенный вид в поперечном разрезе схемы размещения элементов самодистанционированной тепловыделяющей сборки, образованной из 19 тепловыделяющих стержней в смешанной квадратно-треугольной сетке, в соответствии с изобретением.Fig. 3 is a simplified cross-sectional view of the arrangement of elements of a self-spaced fuel assembly formed from 19 fuel rods in a mixed square-triangular grid, in accordance with the invention.

Фиг. 4 - вид в разрезе одного воплощения тепловыделяющей сборки в начальном исходном положении по осевой линии тепловыделяющей сборки, называемом здесь первоначальным положением с нулевым углом (0°).Fig. 4 is a sectional view of one embodiment of a fuel assembly in an initial home position along the centerline of the fuel assembly, referred to herein as the zero angle (0°) initial position.

Фиг. 5 - вид в разрезе тепловыделяющей сборки, показанной на фиг. 4, при повороте стержней тепловыделяющей сборки на 30° или при дольном перемещении на 1/12 шага вращения по отношению к первоначальному нулевому 0° положению, показанному на фиг. 4.Fig. 5 is a sectional view of the fuel assembly shown in FIG. 4, when the fuel assembly rods are rotated 30° or longitudinally moved 1/12 of the pitch of rotation with respect to the initial zero 0° position shown in FIG. 4.

Фиг. 6 - вид в разрезе тепловыделяющей сборки, показанной на фиг. 4, при повороте стержней тепловыделяющей сборки на 60° или при дольном перемещении на 1/6 шага вращения по отношению к первоначальному положению с нулевым (0°), показанному на фиг. 4.Fig. 6 is a sectional view of the fuel assembly shown in FIG. 4, when the fuel assembly rods are rotated by 60° or longitudinally moved by 1/6 of the pitch of rotation with respect to the initial zero (0°) position shown in FIG. 4.

- 2 040419- 2 040419

Подробное описаниеDetailed description

Описанные здесь воплощения могут увеличить энергию и/или глубину выгорания ядерного топлива (продолжительность работы до выгрузки) тепловыделяющей сборки реакторов CANDU и/или реактора в целом, с сохранением при этом или увеличением уровня безопасности. В соответствии с воплощениями это может быть достигнуто за счет использования тепловыделяющих сборок, изготовленных из спирально закрученных, самодистанционированных монолитных тепловыделяющих стержней, например тепловыделяющих стержней из сплава уран-цирконий (U-Zr), полученных методом выдавливания через фильеру, описанных в находящихся на рассмотрении заявках на патент США № 14/081056 и 13/995792, полное содержание которых включено в настоящее описание посредством ссылки.The embodiments described herein can increase the energy and/or the nuclear fuel burnup (duration of operation before unloading) of the fuel assembly of CANDU reactors and/or the reactor as a whole, while maintaining or increasing the level of safety. In accordance with embodiments, this can be achieved through the use of fuel assemblies made from helically wound, self-spaced, monolithic fuel rods, such as uranium-zirconium (U-Zr) alloy fuel rods obtained by extrusion through a die, described in pending applications for US patent No. 14/081056 and 13/995792, the entire content of which is incorporated into the present description by reference.

В реакторах CANDU обычно используют очень короткие тепловыделяющие сборки (например, порядка 50 см). Воплощения согласно настоящему изобретению обеспечивают получение частично или полностью самодистанционированных сборок тепловыделяющих стержней реакторов CANDU. Например, некоторые из описанных здесь тепловыделяющих сборок обеспечивают самодистанционирование всех тепловыделяющих стержней друг относительно друга (например, ребром к ребру). Однако альтернативные воплощения могут включать размещения стержней без самодистанционирования. Воплощения могут содержать каркас, представляющий собой кожух, или другой канал или устройство, окружающее весь пучок тепловыделяющих стержней или часть этого пучка (именуемый здесь в общем случае кожухом), и лучше используют располагаемое пространство внутри кожуха, чем это возможно в известных аналогах. Например, как будет описано более подробно ниже, воплощения используют квадратнотреугольную сетку тепловыделяющих стержней в схеме их размещения.CANDU reactors typically use very short fuel assemblies (eg, on the order of 50 cm). Embodiments of the present invention provide partially or fully self-spaced fuel rod assemblies for CANDU reactors. For example, some of the fuel assemblies described herein provide for all fuel rods to be self-spaced from each other (eg, edge-to-edge). However, alternative embodiments may include rod placements without self-spacing. Embodiments may include a housing frame or other conduit or device surrounding all or part of the fuel rod bundle (generally referred to herein as a housing) and make better use of the available space within the housing than is possible in the prior art. For example, as will be described in more detail below, embodiments use a square triangular grid of fuel rods in their layout.

На фиг. 2 представлен упрощенный вид в разрезе одного воплощения самодистанционированной тепловыделяющей сборки 100. Тепловыделяющая сборка может содержать 61 тепловыделяющий стержень 102 в квадратно-треугольной сетке, однако возможны и другие конфигурации. Тепловыделяющая сборка, представленная на фиг. 2, может быть снабжена такой же или подобной оболочкой, как и сборка из 43 гибких элементов CANDU (CANFLEX) усовершенствованного реактора CANDU. В то время как традиционная сборка CANFLEX содержит 43 тепловыделяющих элемента, каждый с внешним диаметром приблизительно равным 13,5 мм, тепловыделяющая сборка 100, представленная на фиг. 2, может содержать 61 тепловыделяющий элемент 102, каждый их которых имеет внешний диаметр приблизительно равный 11,5 мм. Однако могут быть использованы и другие количества и размеры тепловыделяющих элементов.In FIG. 2 is a simplified sectional view of one embodiment of a self-spaced fuel assembly 100. The fuel assembly may include 61 fuel rods 102 in a square triangular grid, but other configurations are possible. The fuel assembly shown in Fig. 2 can be provided with the same or similar sheath as the 43 CANDU flexible element (CANFLEX) assembly of the advanced CANDU reactor. While the traditional CANFLEX assembly contains 43 fuel elements, each with an outer diameter of approximately 13.5 mm, the fuel assembly 100 shown in FIG. 2 may contain 61 fuel elements 102, each having an outer diameter of approximately 11.5 mm. However, other numbers and sizes of fuel elements may be used.

Тепловыделяющая сборка 2 может быть размещена в кожухе 104. Например, кожух 104 может иметь поперечное сечение в форме двенадцатиугольника, однако могут быть предусмотрены и другие формы сечения. В соответствии с воплощениями радиус R окружности, описанной вокруг тепловыделяющих элементов 102, может быть меньше или равен 51 мм. В соответствии с этими воплощениями внутренний радиус кожуха 104 может составлять приблизительно 51,7 мм, однако возможны и другие воплощения. Кожух 104 может иметь форму двенадцатиугольника, а поперечное расстояние h между противоположными гранями может составлять 100 мм (<99,99 мм). В соответствии с воплощениями квадратно-треугольная сетка из 61 тепловыделяющего элемента образует внешний периметр, который занимает приблизительно 95,5% площади описанной окружности (например, кожух 104 или канал реактора).Fuel assembly 2 may be housed in housing 104. For example, housing 104 may have a dodecagonal cross-section, but other cross-sectional shapes may be provided. According to embodiments, the radius R of the circle circumscribed around the fuel elements 102 may be less than or equal to 51 mm. In accordance with these embodiments, the inner radius of the casing 104 may be approximately 51.7 mm, but other embodiments are possible. The casing 104 may be dodecagonal in shape and the transverse distance h between opposite faces may be 100 mm (<99.99 mm). In accordance with embodiments, a square-triangular grid of 61 fuel elements forms an outer perimeter that occupies approximately 95.5% of the area of the circumscribed circle (eg, shroud 104 or reactor channel).

Как показано на фиг. 3, центральная зона 19 размещения тепловыделяющих стержней 102 может почти точно вмещаться в трубу. В соответствии с воплощениями радиус R19 окружности, описанной вокруг центральных тепловыделяющих стержней 19, может иметь диаметр 3,922 мм, однако возможны другие размеры.As shown in FIG. 3, the central zone 19 for accommodating the fuel rods 102 can almost exactly fit into the tube. According to embodiments, the radius R19 of the circumscribed circle around the central fuel rods 19 may have a diameter of 3.922 mm, but other dimensions are possible.

Как показано на фиг. 2 и 3, тепловыделяющие элементы могут быть расположены по повторяющимся шаблонам (далее - шаблон) первой и второй сетки, смешанным один с другим с образованием сетки, называемой здесь квадратно-треугольной сеткой. Шаблон первой сетки включает ряды и колонки тепловыделяющих элементов, расположенные по квадратам, при этом расстояние между рядами и колонками от одной центральной линии до другой равно общему диаметру d описанной окружности тепловыделяющих элементов (см. позицию 106 на фиг. 3 для примера первой квадратной сетки). Шаблон второй сетки включает равносторонние треугольники, у которых длина каждой стороны каждого треугольника (т.е. расстояние между соседними тепловыделяющими элементами от одной центральной линии до другой, образующих вершины каждого треугольника) является общим описанным диаметром d тепловыделяющих элементов (см. позицию 108 на фиг. 3 для примера второй треугольной сетки). Таким образом, шаблон второй/треугольной сетки 108 отличается от шаблона 106 первой/квадратной сетки. В соответствии с альтернативными воплощениями могут быть также использованы шаблоны дополнительной и/или альтернативной сетки (например, шаблоны прямоугольной сетки, шаблоны изометрической сетки, шаблоны сетки в форме параллелограмма, другие шаблоны регулярно повторяющейся сетки) без выхода за пределы объема настоящего изобретения. Согласно воплощениям выбранные тепловыделяющие элементы 102 могут быть размещены по шаблону квадратной сетки с одной группой расположенных по окружности тепловыделяющих элементов и одновременно могут быть расположены по шаблону треугольной сетки с другой группой расположенных по окружности тепловыделяющих элеменAs shown in FIG. 2 and 3, the fuel elements may be arranged in repeating patterns (hereinafter referred to as the pattern) of the first and second grid, mixed with one another to form a grid, referred to herein as a square-triangular grid. The first grid template includes rows and columns of fuel elements arranged in squares, with the distance between the rows and columns from one center line to the other equal to the total diameter d of the circumcircle of the fuel elements (see position 106 in Fig. 3 for an example of the first square grid) . The second grid pattern includes equilateral triangles, in which the length of each side of each triangle (i.e., the distance between adjacent fuel elements from one center line to another, forming the vertices of each triangle) is the total circumscribed diameter d of the fuel elements (see reference 108 in FIG. .3 for the example of the second triangular grid). Thus, the second/triangular grid pattern 108 is different from the first/square grid pattern 106. In accordance with alternative embodiments, additional and/or alternative grid patterns (e.g., rectangular grid patterns, isometric grid patterns, parallelogram-shaped grid patterns, other regularly repeating grid patterns) may also be used without departing from the scope of the present invention. In embodiments, selected fuel elements 102 may be arranged in a square grid pattern with one group of circumferentially arranged fuel elements, and simultaneously may be arranged in a triangular grid pattern with another group of circumferentially arranged fuel elements.

- 3 040419 тов. Однако возможны иные конфигурации.- 3 040419 item. However, other configurations are possible.

Шаблоны квадратной 106 и треугольной 108 сеток, иллюстрируемые на фиг. 2 и 3, могут чередоваться один с другим, если смотреть с одной или более позиций. Например, шаблоны квадратной 106 и треугольной 108 сеток могут чередоваться один с другим (но необязательно на основе соотношения один к одному) вдоль любого выбранного радиуса от центра 110 тепловыделяющей сборки к внешнему периметру, например к кожуху 104. Дополнительно или в качестве альтернативы, тепловыделяющие элементы 102 могут быть размещены по концентрическим окружностям, и шаблоны квадратной и треугольной сеток могут чередоваться один с другим (но не обязательно на основе соотношения один к одному) в направлении вдоль любой одной из концентрических окружностей.The square 106 and triangular 108 grid patterns illustrated in FIG. 2 and 3 may alternate with one another when viewed from one or more positions. For example, the square 106 and triangular 108 grid patterns may alternate (but not necessarily on a one-to-one basis) along any chosen radius from the fuel assembly center 110 to an outer perimeter, such as the shroud 104. Additionally or alternatively, the fuel elements 102 may be placed on concentric circles, and the square and triangular grid patterns may alternate (but not necessarily on a one-to-one basis) in a direction along any one of the concentric circles.

Как отмечено выше, тепловыделяющие элементы могут быть самодистанционирующимися. В соответствии с воплощениями изобретения самодистанционирование может быть показателем диаметра описанной окружности для тепловыделяющего стержня, независимо от выбранной формы тепловыделяющего стержня, однако возможны и другие конфигурации. Согласно определенным воплощениям тепловыделяющие стержни 102 могут иметь любую форму со спирально закрученными ребрами (например, труба с ребрами, квадратного сечения и т.д.). Однако могут быть возможными другие формы, такие как круговое поперечное сечение, поперечные сечения геометрически правильной формы и т.п.As noted above, the fuel elements may be self-spaced. In accordance with embodiments of the invention, the self-spacing may be an indication of the diameter of the circumscribed circle for the fuel rod, regardless of the selected shape of the fuel rod, however, other configurations are possible. According to certain embodiments, the fuel rods 102 may be of any shape with helically wound fins (eg, finned tube, square section, etc.). However, other shapes may be possible, such as a circular cross section, geometrically shaped cross sections, and the like.

На фиг. 4-6 представлены виды в поперечном разрезе воплощений тепловыделяющей сборки 200, содержащей четырехлепестковые тепловыделяющие стержни 202, такие как описаны в находящихся на рассмотрении заявках на патент США № 14/081056 и № 13/695792, поданных заявителем по данной заявке, содержание которых полностью включено в настоящее описание посредством ссылки. В соответствии с другим аспектом определенные формы тепловыделяющих стержней, такие как четырехлепестковая конструкция, могут быть стандартизированы для различных реакторов. Например, тепловыделяющие стержни, имеющие четырехлепестковый профиль с диаметром описанной окружности 12±1 мм, и их незначительные модификации могут быть стандартом для различных реакторов, таких как реакторы PWR и CANDU.In FIG. 4-6 are cross-sectional views of embodiments of a fuel assembly 200 comprising four-lobed fuel rods 202, such as those described in pending U.S. Patent Applications Nos. to the present description by reference. In another aspect, certain fuel rod shapes, such as the four-blade design, can be standardized across reactors. For example, fuel rods having a four-blade profile with a circumscribed circle diameter of 12±1 mm and minor modifications thereof may be the standard for various reactors such as PWR and CANDU reactors.

На фиг. 4 представлена тепловыделяющая сборка 200 в первоначальном положении отсчета, называемом здесь первоначальным положением с нулевым углом. Указанное первоначальное положение с нулевым углом может находиться в любой точке вдоль тепловыделяющих стержней 202 и может повторяться с регулярными интервалами.In FIG. 4 shows the fuel assembly 200 in its initial reference position, referred to herein as the zero angle initial position. This zero angle initial position may be at any point along the fuel rods 202 and may be repeated at regular intervals.

Фиг. 5 иллюстрирует тепловыделяющую сборку 200, показанную на фиг. 4, в положении поворота лепестков 204 тепловыделяющих стержней на 30° (в частности, перемещение в долях на 1/12 шага вращения тепловыделяющего стержня) по отношению к позиции на фиг. 4.Fig. 5 illustrates the fuel assembly 200 shown in FIG. 4, in the position of rotation of the fuel rod petals 204 by 30° (in particular, the movement in fractions of 1/12 of the fuel rod rotation pitch) with respect to the position in FIG. 4.

Фиг. 6 иллюстрирует тепловыделяющую сборку 200, показанную на фиг. 4, в положении поворота лепестков 204 тепловыделяющих стержней на 60° (в частности, перемещение в долях на 1/6 шага вращения тепловыделяющего стержня) по отношению к позиции на фиг. 4. Вращательный поворот на 90° лепестков 204 или дольное перемещение на 1/4 шага вращения тепловыделяющего стержня от положения на фиг. 4 воспроизводит предварительное первоначальное положение с углом, равным 0°, показанное на фиг. 4.Fig. 6 illustrates the fuel assembly 200 shown in FIG. 4, in the position of rotation of the fuel rod petals 204 by 60° (in particular, the movement in fractions of 1/6 of the fuel rod rotation pitch) with respect to the position in FIG. 4. Rotational 90° rotation of the petals 204 or longitudinal movement of 1/4 pitch of rotation of the fuel rod from the position in FIG. 4 reproduces the 0° preliminary home position shown in FIG. 4.

На фиг. 4-6 позицией 202' обозначено восемь тепловыделяющих стержней, которые находятся в пределах поперечного сечения сборки и не имеют контакта с другими тепловыделяющими стержнями 202 или кожухом 206. В положениях между иллюстрируемыми на фиг. 4-6 отсутствует контакт между тепловыделяющими стержнями по их длине или с кожухом 206. Соответственно, тепловыделяющая сборка является самодистанционирующейся, а все тепловыделяющие стержни самодистанционированными по длине сборки.In FIG. 4-6, reference numeral 202' denotes eight fuel rods that are within the cross section of the assembly and are not in contact with other fuel rods 202 or casing 206. At positions between those illustrated in FIG. 4-6, there is no contact between the fuel rods along their length or with the casing 206. Accordingly, the fuel assembly is self-spaced and all fuel rods are self-spaced along the length of the assembly.

Как было отмечено выше, тепловыделяющие стержни могут представлять собой тепловыделяющие четырехлепестковые стержни, описанные в находящихся на рассмотрении заявках на патент США № 14/081056 и № 13/695792, поданных заявителем по данной заявке. Однако в соответствии с альтернативными воплощениями любой из тепловыделяющих четырехлепестковых стержней в вышеупомянутых тепловыделяющих сборках можно заменить стандартными таблетированными цилиндрическими тепловыделяющими стержнями (из урана или тория) или стержнями с выгорающим поглотителем (например, содержащими гадолиний (Gd), эрбий (Er) и/или диспрозий (Dy)).As noted above, the fuel rods may be four lobe fuel rods as described in pending US Patent Applications No. 14/081056 and No. 13/695792 filed by the Applicant in this application. However, in accordance with alternative embodiments, any of the four-lobed fuel rods in the aforementioned fuel assemblies can be replaced with standard preformed cylindrical fuel rods (of uranium or thorium) or burnable poison rods (for example, containing gadolinium (Gd), erbium (Er) and / or dysprosium (Dy)).

Используемый в настоящем описании термин кожух охватывает ряд различных конструкций, которые могут охватывать пучок тепловыделяющих стержней частично или полностью. Например, в соответствии с воплощениями кожух может быть выполнен в виде сплошного двенадцатигранного кожуха, перфорированного или с щелевыми отверстиями. В качестве альтернативы кожух может содержать отдельные полосы, или бандажную ленту, или заклепочное соединение на цилиндрической оболочке (например, сплошной или сетчатой с щелевыми отверстиями). Кроме того, термин кожух может охватывать другие подобные структуры и конструкции, которые очевидны для специалиста среднего уровня в данной области техники на основе данного описания.As used herein, the term shroud encompasses a number of different structures that may partially or completely enclose the fuel rod bundle. For example, in accordance with the embodiments of the casing can be made in the form of a solid twelve-sided casing, perforated or with slotted holes. Alternatively, the casing may comprise separate strips, or a bandage tape, or a riveted connection on a cylindrical shell (for example, solid or mesh with slotted holes). In addition, the term housing may cover other similar structures and designs that are obvious to a person of ordinary skill in the art based on this description.

Описанные выше иллюстрированные воплощения представлены для демонстрации конструктивных и функциональных принципов настоящего изобретения, а не в качестве ограничения. С другой стороны, принципы настоящего изобретения предполагают включение любого или всех изменений, вариантовThe illustrated embodiments described above are presented to demonstrate the structural and functional principles of the present invention, and not as a limitation. On the other hand, the principles of the present invention are intended to include any or all changes, variations

--

Claims

and/or substitutions within the spirit and scope of the following claims.

CLAIM

1. A fuel assembly for use in the internal structure of a nuclear reactor core, containing a plurality of fuel elements, wherein said plurality of fuel elements are arranged in a repeating mixed grid pattern, which includes a repeating pattern of the first grid and a repeating pattern of the second grid, different from the pattern of the first grids;

each of the plurality of fuel elements has a longitudinal center line; and the longitudinal axial lines of the subset of fuel elements from the specified set of fuel elements are separated from the longitudinal axial lines of neighboring fuel elements by the same distance between the axial lines, and the diameter of the circumscribed circle for each fuel element from the specified subset is equal to the specified distance between the axial lines.

2. The fuel assembly according to claim 1, in which the longitudinal axial line of each of the specified plurality of fuel elements of the repeating pattern of the first grid is separated from the longitudinal axial line of adjacent fuel elements by the same distance between the axial lines and the diameter of the circumscribed circle of each of the fuel elements of the repeating pattern of the first grid is equal to distance between center lines.

3. The fuel assembly according to claim 2, in which the longitudinal axial line of each of the plurality of fuel elements of the repeating pattern of the second grid is separated from the longitudinal axial line of adjacent fuel elements by the same distance between the axial lines and the circumscribed circle diameter of each of the fuel elements of the repeating pattern of the first grid is equal to the distance between the center lines.

4. The fuel assembly according to claim 1, wherein the fuel element placed in the repeating pattern of the first grid with the first group of fuel elements is simultaneously located in the repeating pattern of the second grid with the second group of fuel elements.

5. The fuel assembly of claim 1, wherein the first grid repeating pattern and the second grid repeating pattern alternate with each other.

6. The fuel assembly of claim 1, wherein the first grid repeating pattern and the second grid repeating pattern alternate with one another on a one-to-one basis along any radius from the center of the fuel assembly to the outer perimeter.

7. The fuel assembly of claim 1, wherein said plurality of fuel elements are arranged in concentric circles and the first grid repeating pattern and the second grid repeating pattern alternate with each other along one or more concentric circles.

8. The fuel assembly of claim 7, wherein the first grid pattern and the second grid pattern alternate along one or more concentric circles in a three-to-one ratio.

9. The fuel assembly of claim 1, wherein the repeating first grid pattern is a rectangular grid pattern, or an isometric grid pattern, or a parallelogram-shaped grid pattern, or a triangular grid pattern, or an equilateral triangle-shaped grid pattern.

10. The fuel assembly of claim 1, wherein the first grid repeating pattern is a rectangular grid pattern and the second grid repeating pattern is a triangular grid pattern.

11. The fuel assembly of claim 1, wherein said repeated mixed grid pattern also includes a third grid pattern.

12. The fuel assembly of claim 1, wherein said plurality of fuel elements are four-lobed fuel rods, or preformed cylindrical fuel rods, or burnable poison fuel rods.

13. The fuel assembly of claim 1, wherein said plurality of fuel elements are helically wound fuel elements having a multi-lobed shape that includes helical fins.

14. The fuel assembly of claim 1, wherein said plurality of fuel elements also comprises an outer boundary delimiting said plurality of fuel elements.

15. The fuel assembly of claim 14, wherein said outer boundary is a shell.

16. The fuel assembly according to claim 14, wherein said plurality of fuel elements consists of 61 fuel elements and the outer boundary is a shroud delimiting said 61 fuel elements, wherein the shroud has a circular cross-section

-