TW201312589A - 燃料棒間具有不同間距的核燃料組件 - Google Patents

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Abstract

一種核燃料組件（2），為包含燃料棒束（4）的類型。根據本發明的一個態樣，燃料棒設置於第一柵格以及第二柵格，該第一柵格為在燃料組件的最低部分的燃料棒（4）之間具有非均勻間距，而該第二柵格為在燃料組件的最高部分的燃料棒（4）之間以一均勻間距設置。應用於沸水反應器的核燃料組件。

Description

燃料棒間具有不同間距的核燃料組件
本發明係關於一用於沸水反應器的核燃料組件，進一步地為關於一種於燃料棒間具有不同間距的核燃料組件。
美國專利US 5 572 560揭露一種核燃料組件，其包含具有自燃料組件的一底端部分的均勻間距至燃料組件的一頂端部分的均勻間距，且沿著燃料組件的長度變化間距的一燃料棒束，以容許在核燃料組件容置在核燃料組件之頂端部分具有漸增的截面的水通道。
在上部分提供具有增加截面的水通道是為了對於使所有燃料棒位置為等化之水-燃料比率以增進中子效率。
然而，這樣並沒有考慮臨界能量表現，並且臨界能量表現可能被這些設置阻礙。
本發明之目在於提供一種達到中子效率與臨界能量表現之間具有良好折衷的核燃料組件。
為達此目的，本發明提出一種用於沸水反應器的核燃料組件，其包含一燃料棒束，燃料棒束包括一組設置於在燃料組件的最低部分的燃料棒之間具有一非均勻間距的一第一柵格的燃料棒，該組燃料棒以一均勻間距設置在燃料組件的最高部分的燃料棒之間的一第二柵格。
根據其他實施例，核燃料組件包含以下一個或多個個別的或藉由任何技術能夠結合的特徵：-該組燃料棒之間的間距沿著燃料組件的長度單調地變化；-在該最低部分中，該組燃料棒的燃料棒設置於以冷卻劑/ 緩和劑間隙分隔的群組；-每個群組的燃料棒係於規則的柵格排列中；-每個群組的該燃料棒於該群組的該燃料棒之間具有一均勻間距；-冷卻劑/緩和劑間隙相較於該燃料棒之間的通道或相較於每個群組的燃料棒的列為寬；-核燃料組件包括至少一個冷卻劑/緩和劑間隙，自該燃料棒束的一中心區域朝向其周邊實質上放射狀地延伸；-核燃料組件包括至少一個環狀的冷卻劑/緩和劑間隙-核燃料組件包括至少兩個彼此平行延伸的冷卻劑/緩和劑間隙；-核燃料組件包括至少一個管狀水通道，於該燃料棒束中替換至少一個燃料棒；-至少一個環狀的冷卻劑/緩和劑間隙圍繞水通道；-水通道為沿著該燃料組件的長度而具有固定之截面；-核燃料組件包括至少一個個別燃料棒，自該最低部分的第一柵格且/或自該燃料組件的最高部分的第二柵格偏離；-具有非均勻間距的最低部分朝向具有均勻間距的最高部分之間的過渡區域定位於該燃料組件的活動區域的30%至70%的高度之間；以及-所有的該燃料棒(4)為全長燃料棒。
本發明及其優點可藉由以下例子及圖式之敘述而加以了解。
如圖1所示，核燃料組件2為沿著一縱向軸L延伸。使用時，燃料組件2放置於核子反應爐的核底並且縱向軸L實質上垂直地延伸。
以下，方位名詞諸如「頂」、「底」、「下」、「上」、「縱向」、 「橫向」、及「垂直」為參照垂直地延伸的縱向組件軸L的使用位置使用。
核燃料組件2包含一縱向延伸的燃料棒束4。燃料棒4典型地為均一長度。
每個燃料棒4為具有固定之截面。每個燃料棒4包括一填有堆疊的核燃料丸的管狀電鍍層，組成燃料組件的活動區域，並且以端塞封閉其端部。燃料棒4設置於一柵格中。
燃料棒4展現一樣的截面。在一選擇性的實施例中，燃料棒4展現不同的截面。
核燃料組件2包含沿著燃料棒4的長度分佈的分隔柵6。分隔柵6與燃料棒4在一柵格排列中維持分隔的關係並且縱向地及橫向地支撐燃料棒4。燃料棒4傳統上接觸彈簧且/或自孔的側壁凸伸而用於支撐燃料棒4的突出物而延伸穿過分隔柵6的孔。
核燃料組件2包含分別地設置於核燃料組件的底端及上端的一下噴嘴8以及一上噴嘴10。燃料棒4為自下噴嘴8延伸至上噴嘴10。
核燃料組件2為適配使用於沸水反應器(BWR)的類型。
更具體來說，核燃料組件2包含縱向地延伸而替代燃料棒4的柵格中至少一個燃料棒4的管狀水通道12。水通道12設置用來引導自該燃料棒束4分離的冷卻劑/緩和劑(例如，水)。
水通道12沿著燃料組件之長度而具有固定的截面。在一選擇性的實施例中，水通道12具有沿著燃料組件之長度而具有變化的截面。
水通道12傳統上連接下噴嘴8及上噴嘴10。分隔柵6傳統上牢固水通道12。
核燃料組件2更包括一縱向地延伸並且圍繞燃料棒束4及水通道12的管狀燃料通道14。燃料通道14設置用來引導燃 料棒4之間的束中的冷卻劑/緩和劑(例如，水)。
在圖1至圖4所示的例子中，燃料棒4設置於一10×10的陣列中。水通道12替代燃料棒4的3×3的陣列。水通道12相對於燃料通道14為偏心。在圖5所示的例子中，水通道於一11×11的陣列的中心替代一3×3的陣列。
使用時，核燃料組件2垂直地定位於核子反應器的核心內，並冷卻劑/緩和劑經下噴嘴8朝上噴嘴10流入水通道12及燃料通道14，如圖1中箭頭F所示。冷卻劑/緩和劑當流過燃料棒4時逐漸地局部蒸發。蒸發的比例對於液體自底部至頂部為增加。冷卻劑/緩和劑的真空含量自底部至頂部為逐漸增加。
以下，相鄰的燃料棒之間的間隔或間距與相鄰的燃料棒的中心線之間的間隔或間距有關。
具有均勻間距的燃料棒的柵格、陣列、或群組指定於燃料棒的柵格、陣列、或群組以與每對相鄰的節點間一樣間隔設置於柵格的節點。
具有非均勻間距的燃料棒的柵格、陣列、或群組指定於燃料棒的柵格、陣列、或群組以柵格的節點之非均勻分佈以及以每對相鄰燃料棒間的不同間隔設置於柵格的節點。
根據本發明的一態樣，燃料棒4以燃料棒4之間的非均勻間距設置於核燃料組件2的最低部分中的第一柵格(圖2)以及以燃料棒4之間的均勻間距P設置於核燃料組件2的最高部分中的第二柵格(圖3)。
由於沿著核燃料組件2長度的燃料棒束4的整體柵格排列的修改，至少一些燃料棒4之間的間隔沿著核燃料組件2長度變化。
較佳地，間隔為沿著燃料組件的長度單調地變化。每對相鄰地燃料棒之間的間距不為常數也不沿著燃料組件的長度增 加或減少。
圖2為圖1之核燃料組件之最低部分之沿著II-II之截面圖。在最低部分中，燃料棒4設置於具有非均勻間距的第一柵格。在相鄰的燃料棒4的中心線之間的間隔於至少一些對的燃料棒4之間不一致。
如所示，燃料棒4聚集於燃料棒4的群組16，每個群組16於其燃料棒4之間具有一非均勻間距。每個群組16的燃料棒4設置於一於兩個柵格排列方向的燃料棒之間具有一非均勻間距P1的一規則方形柵格排列。
冷卻劑/緩和劑間隙18定義於燃料棒4的群組16之間。每對相鄰的群組16以延伸於所述兩群組16的相面對的燃料棒4之間的冷卻劑/緩和劑間隙18分隔。
劃定冷卻劑/緩和劑間隙18的兩個不同的群組16的相鄰的燃料棒4具有不同於每個群組16的燃料棒4之間的間距P1的間隔P2。較佳地，劃定冷卻劑/緩和劑間隙18的不同群組16的燃料棒4之間的間隔P2高於每個群組16的燃料棒4之間的間距P1。
因此，每對相鄰的群組16以具有比每個群組16的燃料棒4的列之間的通道寬的冷卻劑/緩和劑間隙18分隔。
圖3為圖1之核燃料組件2之最高部分之沿著III-III之截面圖。在最高部分中，燃料棒4設置於具有與每對相鄰的燃料棒4相同的均勻間距P的第二柵格。
在表示的實施例中，最高部分的第二柵格為一規則方型柵格。
本發明不限於10×10束的燃料棒。燃料棒束可於一方型陣列(例如，8×8、9×9、…、13×13)中包含不同數量的燃料棒或具有諸如矩形陣列或六角形陣列的任何其他陣列圖案。
本發明不限於單一個水通道替換燃料棒的3×3陣列。水通 道可以展現替換其他數量的燃料棒(2×2、3×3、4×4、…)的一方形截面或一不同的截面，例如，一矩形或一圓形截面。核燃料組件可包含一個以上的水通道或一選擇性的水結構，例如，兩個或更多個的分離水通道或水棒。
在圖2所示的實施例中，10×10束的燃料棒4為四個以冷卻劑/緩和劑間隙18分離於四個群組16，每個群組的5×5陣列在每個節點具有一燃料棒(除了替換水通道12的位置)。每個冷卻劑/緩和劑間隙18自水通道12朝燃料通道14的面的中心實質上放射狀地延伸。
冷卻劑/緩和劑間隙18可能以不同的其他圖案定義。
在圖4中的不同表示中，一環狀的冷卻劑/緩和劑間隙20形成於燃料棒4的環狀周邊群組22與一燃料棒4的中心群組24之間的核燃料組件2的底部部分。
在這例子中，周邊群組22包含燃料棒的兩列，並且中心群組24以位於柵格的中心6×6陣列界定。水通道12替換中心群組24中的3×3陣列。水通道12的兩相鄰側以燃料棒4的兩列自周邊群組22分離，並且水通道12的兩剩餘相鄰側以燃料棒4的單一列自周邊群組22分離。
周邊群組22的燃料棒4以燃料棒4之間的一均勻間距P3設置於一規則方形柵格排列中。中心群組24的燃料棒4以燃料棒4之間的一均勻間距P4設置於一規則方形柵格排列中。群組22，24的相鄰的燃料棒4於其兩者之間的群組22，24的柵格的橫向方向上具有一間隔P5。
在圖5中的不同表示中，燃料棒束4包含核燃料組件2低部份中彼此平行沿伸的冷卻劑/緩和劑間隙30。
更具體來說，在圖5的例子中，核燃料組件2包含設置於一11×11陣列中的一燃料棒束4以及替換中心3×3陣列的一水通道12。燃料棒束分開於四個位於燃料棒束的角落的一5×5 陣列中的燃料棒束4的角落群組26。每對角落群組26以一4×1陣列中的燃料棒4的中間群組28分離。兩平行的冷卻劑/緩和劑間隙30設置於中間群組28的每一側，於每個中間群組28與每個相鄰的角落群組26之間。
每個角落群組26的燃料棒4以一均勻間距P6的設置於規則方形柵格排列。每個中間群組28的燃料棒4之間的間隔P7與相鄰角落群組26的相鄰燃料棒4一樣。
每對相鄰平行的冷卻劑/緩和劑間隙30以燃料棒4的一單一列分隔。再一個替代中，兩個平行的冷卻劑/緩和劑間隙30可藉由包括兩個或更多列的燃料棒的燃料棒的中間群組分隔。
在圖2、圖4及圖5所示的實施例中，不同群組16的間距為相同，並且相鄰的群組16之間的間隔相同。在一替代或選擇中，群組可具有不同的間距且/或群組之間的間隔可能不同。
此外，在圖2、圖4及圖5所示的實施例中，每個群組16，22，24，26，28與規則方形柵格排列中的燃料棒4具有均勻間距。在一替代或選擇中，至少一個群組16，22，24，26，28的燃料棒還可以非均勻間距設置於的不同的規則柵格排列中，例如，在柵格的兩個橫向方向中的規則柵格排列具有兩個不同的間距。
燃料棒間的間隔變化可持續地沿著燃料組件的長度一步一步地或不連貫地操作。在任何情況中，間距變化自核燃料組件的非均勻間距最低部分朝核燃料組件的非均勻間距最高部分單調地操作。
間距變化的或間距變化的步驟可於兩相鄰的分隔柵6之間的間隔操作。
圖6表示操作於兩相鄰的分隔柵6之間的間隔中的單一間距的間距變化的一實施例。
間距變化下的分隔柵6定義用於具有非均勻間距的柵格中的燃料棒的孔，並且間距變化上的分隔柵6定義用於具有均勻間距的柵格中的燃料棒的孔。
根據本發明的核燃料組件能達到中子效率間的良好折衷，例如，最大化燃料組件截面上的總分裂率而藉此最大化反應率以及臨界能量表現，例如，最大化核燃料能量可能在燃料棒周圍的冷卻薄膜之前中斷，因此而潛在地導致燃料棒損害。
典型地，具有一些U-235濃縮的燃料棒以及相鄰於大的冷卻劑/緩和劑的區域，例如，外部列的燃料棒以及接後於水通道的燃料棒，相較被其他燃料棒圍繞的燃料棒具有較大的能量。
此外，在沸水反應器核燃料組件，當流動向上地經過核燃料組件時冷卻劑逐漸地部分轉換為蒸汽，藉此冷卻劑流動中的真空含量逐漸向上地增加，並且燃料棒冷卻變成低效率的。
燃料棒之間的非均勻間距排列允許提供一冷卻劑的非均勻分布。換句話說，非均勻間距允許提供較寬的冷卻劑/緩和劑間隙而導致更多的冷卻劑被引導至相關於相鄰於燃料棒的冷卻劑/緩和劑間隙，以及較少的冷卻劑被引導至相關於不相鄰於燃料棒的冷卻劑/緩和劑間隙。燃料棒周圍的冷卻劑/緩和劑間隙的數量比例與熱中子數量增加，因此導致增加的分裂速率並且因而改善燃料利用。
特別是，冷卻劑/緩和劑間隙定位於最近的中間燃料棒列，其局部燃料棒能量為燃料束中最高的，並且冷卻劑/緩和劑間隙為最有效率的。
最高部分中的均勻燃料棒間隙增加燃料棒組件的臨界能量表現。
事實上，冷卻劑的真空含量於最高部分中增加，並且冷卻劑普遍地變得效率更低。均勻燃料棒間距於有利於最高部分中 均勻的冷卻劑分佈。其被認為關於臨界能量表現在冷卻劑為高真空的燃料棒組件的最高部分為較好的。相反地，最高部分中的冷卻劑/緩和劑間隙的產生會導致較低的冷卻劑於非相鄰於冷卻劑/緩和劑間隙的周圍，藉此臨界能量將會降低而降低燃料組件整體的燃料效率。
此外非均質冷卻劑分佈的中子效能隨著冷卻劑的真空含量增加而變小。非均勻間距所提供的正面中子效果維持於對於臨界能量表現之有害影響效果為小的最低部分中。
因此，核燃料組件的最低部分中的非均質燃料棒間距以及最高部分中的均質燃料棒間距於中子效率與臨界能量表現之間為良好的折衷，特別是當具有非均勻間距的最低部分朝向具有均勻間距的最高部分之間的過渡區域定位於包含燃料或活動區域的30%至70%的一高度之間。
事實上，自具有非均勻間距柵格的最低部分朝向具有均勻間距柵格的最高部分的過渡區域應該位於乾式表現獲得的靜油量消耗且中子效率最大的燃量活動區域。這些間距變化可能圍繞設置於軸向活動區域的中心，但是這些具有非均勻間距柵格的最低部分朝向具有核燃料組件的均勻間距柵格的最高部分的過渡區域將並且依上噴嘴與下噴嘴之間的選擇軸向分隔柵位置而定。
本發明特別有利於沸水反應器型態的核燃料組件。
在圖1至圖6所示的實施例中，燃料棒為實質上等長的全長燃料棒。
在選擇性的實施例中，燃料棒束包含長度較全長燃料棒束為短的部分長度燃料棒。其可能有不同種類的部分長度燃料棒，例如，長度為不一致。燃料棒(包括部分長度燃料棒及全長燃料棒)以非均勻間距設置於在核燃料組件的最低部分中的第一柵格。依據部分長度燃料棒的總長度而定，在燃料組件的 最高部分中具有均勻間距的柵格可以包括只是剩餘的全長燃料棒，或全部附加的，或部分長度燃料棒的一部分。
在圖1至圖6所示的實施例中，所有燃料棒以非均勻間距設置於最低部分中的第一柵格以及以均勻間距設置於最高部分中的第二柵格。
在選擇性的實施例中，燃料棒束包含至少一個自該燃料組件的最低部分的第一柵格且/或自最高部分中的第二柵格的均勻間距偏離的個別燃料棒，如此以創造局部的不一致。這樣的燃料棒為例如燃料棒設置於一朝束的中心偏離以維持所述燃料棒與所述燃料通道之間的必然間隙的燃料束的角落。
然而，除了來自創造局部不均勻的偏離燃料棒，剩餘燃料棒束的燃料棒設置於在最低部分的非均勻間距的一第一柵格以及以均勻間距設置於在最高部分的一第二柵格。
因此，以一般的方式，核燃料組件包含一包括至少一個設置在位於最低部分的非均勻間距的第一二維柵格及位於最高部分的均勻間距的第二二維柵格的燃料棒。
以上提及的選擇可以結合以提供包含不但是全長燃料棒及部分長度燃料棒的燃料棒束，而且是局部偏離的個別燃料棒。
2‧‧‧核燃料組件
4‧‧‧燃料棒
6‧‧‧分隔柵
8‧‧‧下噴嘴
10‧‧‧上噴嘴
12‧‧‧水通道
14‧‧‧燃料通道
16‧‧‧群組
18‧‧‧冷卻劑/緩和劑間隙
20‧‧‧冷卻劑/緩和劑間隙
22‧‧‧周邊群組
24‧‧‧中心群組
26‧‧‧角落群組
28‧‧‧中間群組
30‧‧‧冷卻劑/緩和劑間隙
L‧‧‧縱向軸
F‧‧‧箭頭
P、P1、P3、P4、P6‧‧‧間距
P2、P5、P7‧‧‧間隔
圖1係為本發明之一核燃料組件之側視立面圖。
圖2、圖3係分別為第1圖之核燃料組件之沿著II-II及III-III之截面圖。
圖4、圖5係為本發明之其他實施例之類似於圖2之燃料組件之圖。
圖6係為本發明之一核燃料組件之局部側視圖。
2‧‧‧核燃料組件
4‧‧‧燃料棒
12‧‧‧水通道
14‧‧‧燃料通道
16‧‧‧群組
18‧‧‧冷卻劑/緩和劑間隙
P1‧‧‧間距
P2‧‧‧間隔

Claims (15)

  1. 一種用於沸水反應器的核燃料組件，包含：一燃料棒束(4)，包括一組燃料棒，設置於一第一柵格，該第一柵格為在該燃料組件的最低部分的燃料棒(4)之間具有一非均勻間距，該組燃料棒(4)設置於一第二柵格，該第二柵格為在該燃料組件的最高部分的燃料棒(4)之間具有一均勻間距。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之核燃料組件(2)，其中該組燃料棒之間的間距沿著該燃料組件的長度單調地變化。
  3. 如申請專利範圍第1或2項所述之核燃料組件(2)，其中，在該最低部分中，該組燃料棒的燃料棒(4)設置於以冷卻劑/緩和劑間隙(18，20，30)分隔的群組(16，22，24，26，28)。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之核燃料組件(2)，其中每個群組(16，22，24，26，28)的該燃料棒(4)係於規則的柵格排列中。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之核燃料組件(2)，其中每個群組(16，22，24，26，28)的該燃料棒(4)於該群組(16，22，24，26，28)的該燃料棒(4)之間具有一均勻間距。
  6. 如申請專利範圍第3至5項中任一項所述之核燃料組件(2)，其中該冷卻劑/緩和劑間隙(18，20，30)相較於該燃料棒(4)之間的通道或相較於每個群組(16，22，24，26，28)的燃料棒(4)的列為寬。
  7. 如申請專利範圍第3至6項中任一項所述之核燃料組件(2)，包括至少一個冷卻劑/緩和劑間隙(18，30)，自該燃料棒束(4)的一中心區域朝向其周邊實質上放射狀地延伸。
  8. 如申請專利範圍第3至7項中任一項所述之核燃料組件(2)，包括至少一個環狀的冷卻劑/緩和劑間隙(20)。
  9. 如申請專利範圍第3至8項中任一項所述之核燃料組件(2)，包括至少兩個彼此平行延伸的冷卻劑/緩和劑間隙(30)。
  10. 如申請專利範圍第1至9項中任一項所述之核燃料組件(2)，包括至少一個管狀水通道(12)，於該燃料棒束(4)中替換至少一個燃料棒(4)。
  11. 如申請專利範圍第8項連同第10項所述之核燃料組件(2)，其中至少一個環狀的冷卻劑/緩和劑間隙(20)圍繞該水通道(12)。
  12. 如申請專利範圍第10至11項所述之核燃料組件(2)，其中該水通道(12)為沿著該燃料組件(2)的長度而具有固定之截面。
  13. 如申請專利範圍第1至12項中任一項所述之核燃料組件(2)，包括至少一個個別燃料棒，自該最低部分的第一柵格且/或自該燃料組件(2)的最高部分的第二柵格偏離。
  14. 如申請專利範圍第1至13項中任一項所述之核燃料組件(2)，其中具有非均勻間距的最低部分朝向具有均勻間距的最高部分之間的過渡區域定位於該燃料組件的活動區域的30%至70%的高度之間。
  15. 如申請專利範圍第1至14項中任一項所述之核燃料組件(2)，其中所有的該燃料棒(4)為全長燃料棒。
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