TW201312587A - 用於核燃料組件之下部噴嘴 - Google Patents

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TW201312587A
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Dirk Blavius
Erhard Friedrich
Werner Meier
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Abstract

一種用於核燃料組件(2)之下部噴嘴(12)，該下部噴嘴為具有一軸(A-A)的類型，該下部噴嘴(12)包括：一橫向之下部繫板(16)，用於引導冷凝劑通過該下部繫板(16)；一管狀之裙板(18)，自該下部繫板(16)之周圍軸向地延伸，該裙板(18)劃定一軸向之殼體(24)，該殼體(24)之一端由該下部繫板所封閉，另一端為敞開；一碎屑過濾器(20)，經設置而軸向地插入於該殼體(24)；以及一卡扣之彈性元件(38)，用於插入後維持該碎屑過濾器(20)於殼體(24)之中，該彈性元件(38)係設置用於軸向地推移該碎屑過濾器(20)朝向該下部繫板(16)。

Description

用於核燃料組件之下部噴嘴
本發明係關於一種下部噴嘴，特別是關於一種用於核燃料組件之下部噴嘴。
核燃料組件係用於輕水式反應爐(Light Water Reactor，LWR)，亦即是沸水式反應爐(Boiling Water Reactor，BWR)或壓水式反應爐(Pressurized Water Reactor,PWR)。習知之核燃料組件包括一束縱向延伸的燃料棒棒彼此平行並被設置為柵格、一下部噴嘴及一上部噴嘴位於核燃料組件的縱向端、以及一用於連接下部噴嘴與上部噴嘴的結構體。
在操作時，核燃料組件被放置在核子反應爐芯使得該等核燃料棒垂直地延伸。此時，冷卻劑流體經由下部噴嘴進入核燃料組件，在該等燃料棒之間以高速縱向地往上流動，再經由上部噴嘴離開核燃料組件。水係被用於輕水式反應爐之用於熱交換之冷卻劑以及核子反應的減速劑。
冷卻劑中的小碎屑可能會損害這些燃料棒，而導致核反應爐需要進行停機更換核燃料組件中受損的燃料棒，或者是更換整個核燃料組件。然而，核燃料組件相當昂貴，且將核反應爐停機對業者而言成本極高。為了降低此類風險，在習知的技術中，碎屑過濾器被安裝在該等燃料棒之上游處用於捕捉碎屑。傳統的輕水式反應爐的核燃料組件的下部噴嘴便有安裝此類碎屑過濾器。
US 4,684,495揭露一種用於輕水式燃料組件的下部噴嘴，此下部噴嘴包括一下部繫板、一裙板自下部繫板軸向地延伸並 界定出一殼體及一卡扣於殼體中的碎屑過濾器。
本發明為解決習知技術之問題所採用之技術手段為一種用於核燃料組件(2)之下部噴嘴(12)，下部噴嘴為具有一軸(A-A)的類型，下部噴嘴(12)包含：一橫向之下部繫板(16)，用於引導冷凝劑通過下部繫板(16)；一管狀之裙板(18)自下部繫板(16)之周圍軸向地延伸，裙板(18)劃定一軸向之殼體(24)，殼體(24)之一端由下部繫板(16)所封閉，另一端為敞開；一碎屑過濾器(20)，軸向地插入而設置於殼體(24)中；一卡扣之彈性元件(38)，用於插入後維持碎屑過濾器(20)於殼體(24)之中，其中彈性元件(38)係設置用於軸向地推移碎屑過濾器(20)朝著下部繫板(16)。
在本發明的一實施例中，其中彈性元件(38)係設置用於橫向地將碎屑過濾器(20)置中於殼體(24)之中。
在本發明的一實施例中，其中彈性元件(38)係設置用於封閉位於碎屑過濾器(20)之一側面(34)以及殼體(24)之一內面(28)之間的空隙。
在本發明的一實施例中，其中彈性元件(38)係卡扣於相對應之凹槽(40)之中。
在本發明的一實施例中，其中些彈性元件(38)係可套合於碎屑過濾器(20)之側面(34)及殼體(24)之內面(28)之其中一面，而凹槽(40)設置在另一面。
在本發明的一實施例中，其中彈性元件(38)係套合於碎屑過濾器(20)之側面(34)。
在本發明的一實施例中，其中些垂直地延長於軸(A-A)的彈性元件(38)更包括二組側向構件(44,46)以及一中央構件(42)，側向構件(44,46)抵靠於碎屑過濾器(20)之側面(34)其中之一以及殼體(24)之內面(28)，且中央構件(42)自側面(34)凸 出並卡扣在形成於內面(28)之凹槽(40)。
在本發明的一實施例中，其中些彈性元件(38)係藉由橫向地抵靠於一壁面上而卡扣，因此產生一具有一軸向分量的軸向反作用力，反作用力軸向地推移碎屑過濾器(20)朝下部繫板(16)。
在本發明的一實施例中，其中彈性元件(38)更包括一凸部(52)夾扣碎屑過濾器(20)之一側緣，使碎屑過濾器(20)軸向地維持於殼體(24)中。
在本發明的一實施例中，其中碎屑過濾器(20)與下部繫板(16)係保持一距離。
在本發明的一實施例中，其中裙板具有一肩部(58)，彈性元件(38)推移碎屑過濾器(20)而抵於肩部(58)。
在本發明的一實施例中，一個核燃料組件，包括一下部噴嘴(12)，下部噴嘴(12)如申請專利範圍第1項或第2項中任一項所述之下方噴嘴。
經由本發明所採用之技術手段，提供一改良式下部噴嘴，可以更有效率的過濾碎屑，並且能夠輕易地以低成本製造。
本發明所採用的具體實施例，將藉由以下之實施例及附呈圖式作進一步之說明。
如第1圖所示，一核燃料組件2係沿著中央之軸L縱向地延長。
在使用時，核燃料組件2基本上係沿著軸L垂直地延伸而設於核反應爐的核心之中。在此處，”下部”、”上部”、”橫向”、”軸向”及”縱向”係根據核燃料組件在反應爐之位置作為參考。
核燃料組件2係用於輕水式反應爐(LWR)之中，其包括一 束核燃料棒4。核燃料棒4縱向地延伸而平行於軸L。
每個核燃料棒4包括一管狀護套(tubular cladding)。管狀護套內填充堆疊的核燃料丸，其末端以下端塞(end plugs)封閉。核燃料棒4係被排列成柵格。
該核燃料組件2包括一支撐核燃料棒之格架10。格架10沿著核燃料棒4分佈，在第1圖中，只有兩個格架10是可視的。格架10的功能係用於軸向且橫向地維持核燃料棒4之間保持一橫向空間。
核燃料組件2包括一位於下端之下部噴嘴12以及一位於上端之上部噴嘴14。核燃料棒12自下部噴嘴12向上部噴嘴14延伸。
在操作時，冷卻劑經由下部噴嘴12進入核燃料組件2，以高速縱向地向上流通於核燃料棒4之間，並經由上部噴嘴14而離開核燃料組件2。
請參閱第2圖及第3圖所示。在下部噴嘴12套合至該核燃料組件2時，下部噴嘴12為沿著與L共軸之軸A-A而延伸。下部噴嘴12包括一下部繫板16、一裙板18以及一碎屑過濾器20。
下部繫板16縱向地沿著軸A-A延伸，其具有一通孔22供冷卻劑流經下部繫板16。
裙板18係為管狀，自下部繫板16周圍軸向地向下延伸。裙板18劃定一內殼體24。裙板18係為四個側壁26互相連接所形成，每個側壁26具有一內面28劃定出殼體24。
殼體24之上部軸向末端係由下部繫板16所封閉，而另一下部軸向末端為敞開。裙板18的下部末端劃定一開口32。
碎屑過濾器20收容於殼體24之中。其係經過開口32而軸向地朝上插設於殼體24中。
當冷卻劑中含有碎屑時，碎屑過濾器20可供冷卻劑流經 時攔住碎屑。
碎屑過濾器20之外形為板狀，其具有二對置之正面33和側面34。碎屑過濾器20具有一截面與殼體24相容。在本實施例中，碎屑過濾器20具有四組側面34。
碎屑過濾器20以示意之方式呈現圖式說明。在本實施例中，碎屑過濾器20包括一周圍框架以及一延伸橫越框架之濾網21(部分示於第1圖及第3圖)。濾網21界定流體通道之形狀、流量大小、及/或方向，並可供冷卻劑流經濾網時攔截碎屑。
碎屑過濾器20的每個側面34劃定出與對應內面28之空隙35，該內面28為劃定該殼體24。空隙35的寬度越小越好，但仍需保留一定之空間供碎屑過濾器20插設於殼體24中。
下部噴嘴12包括一固定機構36用於固定碎屑過濾器20於殼體24中。
固定機構36包括卡扣之彈性元件38以及卡扣之凹槽40。當碎屑過濾器20插入於殼體24時，每個彈性元件38卡扣於相對應之凹槽40。每個彈性元件38卡扣於相對應之凹槽40軸向地維持碎屑過濾器20，避免碎屑過濾器20被非故意地被移除於殼體24中。
彈性元件38更設置用於封閉位於裙板18之內面28以及碎屑過濾器20的側面34之間的空隙35。每個彈性元件38基本上在側面34以及內面28之間垂直地沿著軸A-A延長至空隙35的整體長度而封閉空隙35。
彈性元件38設置於碎屑過濾器20之上，凹槽40則形成於裙板18。每個彈性元件38係各別地套合於碎屑過濾器20的側面34，而每個凹槽40係各自地形成於裙板18之側壁26之內面28。如圖所示，碎屑過濾器20具有一彈性元件套合於各個側面34。
每個彈性元件38以及每個凹槽40皆為相同。請參照第4圖及第5圖，本文將進一步解釋彈性元件38以及相對應之凹槽40。
彈性元件38及凹槽40係被設置用於封閉在碎屑過濾器20之側面34以及殼體24之內面24之間的空隙35，使得碎屑過濾器20軸向地朝上推移以及自內面28橫向地推移，使得碎屑過濾器20置中於殼體24中。
彈性元件38為一具有高機械強度特性之金屬片，金屬的材質可為鎳合金、麻田散鐵不鏽鋼(Martensitic stainless steel)或是析出硬化不鏽鋼(Precipitation-Hardening Stainless Steels)。彈性元件38係被成形且延長於一延伸方向S，並被定向為平行於碎屑過濾器20之相對應側面34之上部及下部緣端(垂直於第4圖的平面)。
彈性元件38包括一中央構件42，其位於側向下部構件44以及側向上部構件46之間。下部構件44和上部構件46係抵靠於側面34。中央構件42係為凸出而賦予彈性元件38可壓縮性。彈性元件38可將中央構件42推向側面34藉由而被壓緊。
中央構件42包括相互之間呈一角度的一下部部分48及一上部部分50，且與每個下部構件44及上部構件46呈一角度。下部部分48自下部構件44傾斜向上延長，並且向外地遠離側面34。上部部分50自上部構件46傾斜向下延伸，並且向外地遠離側面34。下部部分48與上部部分50相互地連接於中央構件之頂點處。
彈性元件38包括一夾扣特徵(gripping feature)用於夾扣一碎屑過濾器20之側面34之下部緣端，使得碎屑過濾器20軸向地維持。在本實施例中，夾扣特徵為一凸部52，以相對於下部分48稍微銳利之角度自下部構件44延伸。
彈性元件38係以任何適當的方式套合於碎屑過濾器20。較佳地，該下部構件44係關於該碎屑過濾器20而固定，而該上部構件46係自由地沿著側面34滑動，而使得中央構件42可作彈性變形。在本實施例中，當彈性元件38係設置於碎屑過濾器20之正面33與側面34兩處凸部52向下彎曲，而相對應之偏轉力導致彈性元件38抵靠於側面34，而使碎屑過濾器20軸向地維持。
在另一實施例中，下部構件44可藉由銲接、螺固或鉚合之方式固定於碎屑過濾器20。
請參照第4圖，凹槽40係設置用於容置彈性元件38之中央構件42。凹槽40係由一下部壁54及一上部壁56而劃定於側壁26的內面28中。
彈性元件38及凹槽40在空隙35的方向S而實質延伸於整個長度，而該空隙35為在碎屑過濾器20之側面34以及殼體24之內面28之間。彈性元件38係以中央構件42卡扣於凹槽40中的方式設置。詳細而言，彈性元件38藉由凸起之中央構件42的下部部分48橫向地抵靠在下部壁54而設置。較佳地，彈性元件38及凹槽40之下部壁54彼此沿著一接觸線接觸，此接觸線基本上在整個凹槽40之長度上延伸。
彈性元件38封閉碎屑過濾器20之側面34以及內面28之間的空隙35，可隔絕經由碎屑過濾器20分流的冷卻劑或碎屑。
彈性元件38更可設置用於橫向地推移碎屑過濾器20而遠離內面28。緣此，當碎屑過濾器20被插入殼體24時，彈性元件38係可被壓縮。
彈性元件38係被設置用於朝著下部繫板16而軸向地推移碎屑過濾器20。
在本實施例中，下部部分48向外及向上傾斜而被壓於下部壁54。藉由這樣的設置，一反作用力向內及向上施於碎屑 過濾器20。反作用力具有一朝內之橫向分量以及一朝上之軸向分量。
藉由橫向分量，散佈在碎屑過濾器2周圍之彈性元件38得以將碎屑過濾器20置中於殼體24之中。藉由軸向分量，彈性元件38得以對碎屑過濾器20朝下部繫板16軸向地向上推。因此，彈性元件38以一有效率的方法軸向地維持碎屑過濾器20於殼體24之中，且能避免碎屑過濾器20受非故意的遷移。
然而，藉由將碎屑過濾器20向下拉而超過彈性元件38的夾持力，碎屑過濾器20可被隨意的移除。因此，當碎屑過濾器20受損時，能夠簡易的抽出受損之碎屑過濾器，並軸向地向上插入新碎屑過濾器於殼體24中進行簡易的更換，使得碎屑過濾器容易替換。
在本實施例中，彈性元件38係被抵靠於碎屑過濾器20的側面34，並卡扣在形成於殼體24之內面28處的凹槽40之中。然而，彈性元件38也可被抵靠在殼體24之內面28，並卡扣在形成於碎屑過濾器20之側面34之凹槽40中。
如第4圖所示，裙板18包括一內部方形周圍肩部58軸向地位於下部繫板16以及凹槽40之間。肩部係與下部繫板16有一距離。肩部58面朝下。肩部58具有一內周略短於碎屑過濾器20之外周。藉由彈性元件38的作用，碎屑過濾器20之上部正面33的外周軸向地鄰接。
由於彈性元件38，碎屑過濾器20係因此被軸向地夾持於凹槽40的下部壁54以及肩部58之間以避免軸向的位移。碎屑過濾器20係與下部繫板16保持一軸向距離，可適當的導引冷卻劑通過下部繫板16。
再者，上部正面33的外周被押於肩部58上，而產生一附加的封閉接觸，避免從碎屑過濾器20的旁路並經由空隙35而 來的碎屑。
本發明之可用於核燃料組件之下部噴嘴可適用於沸水式反應爐和壓水式反應爐之中。
本發明可用於核燃料組件之下部噴嘴也可適用於其他類型之輕水式反應爐，例如VVER壓水式反應爐(Water-Water Energetic Reactor)。
緣此，大體而言，本發明不只適用於下部噴嘴，更能夠普遍地適用於應用在水冷式反應爐之中用於核燃料組件之下部和上部噴嘴。
2‧‧‧核燃料組件
4‧‧‧核燃料棒
10‧‧‧格架
12‧‧‧下部噴嘴
14‧‧‧上部噴嘴
16‧‧‧下部繫板
18‧‧‧裙板
20‧‧‧碎屑過濾器
21‧‧‧濾網
22‧‧‧通孔
24‧‧‧殼體
26‧‧‧側壁
28‧‧‧內面
32‧‧‧開口
33‧‧‧上部正面
34‧‧‧側面
35‧‧‧空隙
36‧‧‧固定機構
38‧‧‧彈性元件
40‧‧‧凹槽
42‧‧‧中央構件
44,46‧‧‧側向構件
48‧‧‧下部部分
50‧‧‧上部部分
52‧‧‧凸部
54‧‧‧下部壁
56‧‧‧上部壁
58‧‧‧肩部
A-A‧‧‧軸
L‧‧‧軸
S‧‧‧方向
第1圖係顯示依據本發明之一實施例的一輕水式反應爐核燃料組件的側剖視示意圖；第2圖係顯示依據本發明之實施例的一用於核燃料組件之下部噴嘴的側剖視圖；第3圖係顯示依據本發明之實施例的一用於核燃料組件之下部噴嘴的仰視圖。
第4圖係顯示依據本發明之實施例的一用於核燃料組件之下部噴嘴的放大視圖，用於描述夾持彈性元件及密封彈性元件。
第5圖係顯示依據本發明之實施例的一用於核燃料組件之下部噴嘴之夾持彈性元件及密封彈性元件的部份透視圖。
4‧‧‧核燃料棒
12‧‧‧下部噴嘴
16‧‧‧下部繫板
18‧‧‧裙板
20‧‧‧碎屑過濾器
22‧‧‧通孔
24‧‧‧殼體
26‧‧‧側壁
28‧‧‧內面
32‧‧‧開口
33‧‧‧上部正面
34‧‧‧側面
35‧‧‧空隙
36‧‧‧固定機構
38‧‧‧彈性元件
40‧‧‧凹槽
58‧‧‧肩部
A-A‧‧‧軸

Claims (12)

  1. 一種用於核燃料組件(2)之下部噴嘴(12)，該下部噴嘴為具有一軸(A-A)的類型，該下部噴嘴(12)包含：一橫向之下部繫板(16)，用於引導冷凝劑通過該下部繫板(16)；一管狀之裙板(18)自該下部繫板(16)之周圍軸向地延伸，該裙板(18)劃定一軸向之殼體(24)，該殼體(24)之一端由該下部繫板(16)所封閉，另一端為敞開；一碎屑過濾器(20)，軸向地插入而設置於該殼體(24)中；一卡扣之彈性元件(38)，用於插入後維持該碎屑過濾器(20)於殼體(24)之中，其中該彈性元件(38)係設置用於軸向地推移該碎屑過濾器(20)朝著下部繫板(16)。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之下部噴嘴，其中該彈性元件(38)係設置用於橫向地將該碎屑過濾器(20)置中於該殼體(24)之中。
  3. 如申請專利範圍第1項或第2項任一項所述之下部噴嘴，其中該彈性元件(38)係設置用於封閉位於該碎屑過濾器(20)之一側面(34)以及該殼體(24)之一內面(28)之間的空隙。
  4. 如申請專利範圍前述任一項所述之下部噴嘴，其中該些彈性元件(38)係卡扣於相對應之凹槽(40)之中。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之下部噴嘴，其中該些彈性元件(38)係可套合於該碎屑過濾器(20)之該側面(34)及該殼體(24)之該內面(28)之其中一面，而凹槽(40)設置在另一面。
  6. 如申請專利範圍前述任一項所述之下部噴嘴，其中該些彈性元件(38)係套合於該碎屑過濾器(20)之該側面(34)。
  7. 如申請專利範圍前述任一項所述之下部噴嘴，其中該些垂直地延長於軸(A-A)的彈性元件(38)更包括二組側向構件(44,46)以及一中央構件(42)，該些側向構件(44,46)抵靠於該碎屑過濾器(20)之該側面(34)其中之一以及該殼體(24)之該內面(28)，且該中央構件(42)自該側面(34)凸出並卡扣在形成於該內面(28) 之凹槽(40)。
  8. 如申請專利範圍前述任一項所述之下部噴嘴，其中該些彈性元件(38)係藉由橫向地抵靠於一壁面上而卡扣，因此產生一具有一軸向分量的軸向反作用力，該反作用力軸向地推移該碎屑過濾器(20)朝該下部繫板(16)。
  9. 如申請專利範圍前述任一項所述之下部噴嘴，其中該些彈性元件(38)更包括一凸部(52)夾扣該碎屑過濾器(20)之一側緣，使該碎屑過濾器(20)軸向地維持於該殼體(24)中。
  10. 如申請專利範圍前述任一項所述之下部噴嘴，其中該碎屑過濾器(20)與該下部繫板(16)係保持一距離。
  11. 如申請專利範圍第1項或第2項中任一項所述之下部噴嘴，其中該裙板具有一肩部(58)，該些彈性元件(38)推移該碎屑過濾器(20)而抵於該肩部(58)。
  12. 一個核燃料組件，包括一下部噴嘴(12)，該下部噴嘴(12)如申請專利範圍第1項或第2項中任一項所述之下方噴嘴。
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