TW201312590A

TW201312590A - 核燃料組件之繫板及上端部噴嘴以及包含該繫板之核燃料組件

Info

Publication number: TW201312590A
Application number: TW101117849A
Authority: TW
Inventors: Erhard Friedrich; Dieter Umlauft; Dirk Blavius; Klaus Kurzer
Original assignee: Areva Np
Priority date: 2011-05-20
Filing date: 2012-05-18
Publication date: 2013-03-16
Also published as: TW201312588A; TW201330002A

Abstract

核燃料組件之繫板（22）由交錯的分隔柵（24，26）所組成，於該些分隔柵（24，26）之間所劃定出多數個管狀導引格體（28），每一導引格體（28）允許一燃料棒（4）貫穿而通過該繫板（22）。該些分隔柵（24，26）之間有劃定多數個管狀流動格體（30，32），該多數個管狀流動格體（30，32）與該些導引格體（28）相分隔，每一流動格體（30，32）允許冷卻劑流通過該繫板（22）。導引格體（28）及流動格體（30，32）為配置於由重複圖樣（P）所建構的一柵格之節點，該重複圖樣（P）包含四個角節點在一方形柵格之建構，及一中心節點位於四個角節點之中心，而具有一個導引格體（28）在每個角節點，而由一對平行的分隔柵（24）所分離，該分隔柵（24）與一對平行分隔柵（26）交錯，其中該兩對的分隔柵在該中心節點劃定出四個牆構之中心流動格體（32）。

Description

核燃料組件之繫板及上端部噴嘴以及包含該繫板之核燃料組件

本發明係關於一種使用於核燃料組件的繫板，特別是關於一種使用於沸水反應器的燃料組件之上端部噴嘴的繫板。

一沸水反應器(boiling water reactor,BWR)的核燃料組件習知地包含：一成束的燃料棒；以及至少一個管狀水通道，被裝設於一管狀燃料通道中。每一個水通道取代成束的核燃料棒之至少一個燃料棒。

每一個燃料棒包含一管狀護套，其承接一成疊之核子燃料片狀件(pellets)且以端塞(plug)封閉其端部。

燃料組件包含多數個分隔柵，沿著燃料組件而分布，以維持該些多數個燃料棒之間的橫向分隔關係。每一個分隔柵包含一導引格體，該導引格體通常有一燃料棒延伸穿過其中。

燃料組件包含：一位於燃料通道上端部的上端部噴嘴；及一位於燃料通道下端部的下端部噴嘴。燃料棒由該上端部噴嘴延伸至該下端部噴嘴。每一個噴嘴具有用以容納各別的燃料棒端塞的導引格體，以及使冷卻劑流通過噴嘴的通道。

在操作上，該燃料組件被垂直定向於核子反應爐核心中，而冷卻劑在燃料棒之間向上流動。冷卻劑於水通道及燃料通道由燃料組件的下端部流動至上端部。冷卻劑經由燃料通道的下端部噴嘴進入，而由燃料通道的上端部噴嘴離開。

本發明之一目的為提供一種繫板之上端部噴嘴，以限制該上端部噴嘴之壓降，該上端部噴嘴同時具有足夠的強度。

緣此，本發明提出一種核燃料組件之繫板，由交錯的分隔柵所組成，於該些分隔柵之間所劃定出多數個管狀導引格體，每一導引格體允許一燃料棒貫穿而通過該繫板，其中該些分隔柵之間有劃定出多數個管狀流動格體與該些導引格體相分隔，每一流動格體允許冷卻劑流通過繫板，導引格體及流動格體為配置於由重複圖樣所建構之一柵格之節點，該重複圖形包含四個角節點為一方形柵格所建構而一中心節點位於四個角節點之中心，而具有一個導引格體在每一個角節點，而由一對平行的分隔柵所分離，該對分隔柵與一對平行的分隔柵交錯，其中該兩對的分隔柵在該中心節點劃定出四個牆構之中心流動格體。

繫板可能包括一個或數個以下所述之特徵，採取單一獨立項或技術上可實行之組合：在本發明的一實施例中，該中心流動格體具有一大於導引格體之橫截面。

在本發明的一實施例中，每一導引格體具有一方形之橫截面。

在本發明的一實施例中，每一中心流動格體具有一方形之橫截面。

在本發明的一實施例中，該重複圖樣為一3x3陣列，由一方形或一矩形之柵格所建構，而具有四個該導引格體在該重複圖樣之節點，該中心流動格體在該中心節點，而該四個中間流動格體在四個中間側邊角節點，該些中間側邊角節點在該些角節點之間。

在本發明的一實施例中，每一中間流動格體具有一大於導引格體之橫截面。

在本發明的一實施例中，每一中間流動格體具有一矩形之橫截面。

在本發明的一實施例中，該些導引格體及該些流動格體定位於重複圖樣之角節點，該重複圖樣由一組四個平行分隔柵所劃定，該組四個平行分隔柵交錯於一組四個平行分隔柵，其中在每一組平行分隔柵中，在該些成對平行分隔柵之間劃定出該中心流動格體，在該些平行分隔柵之間的間距係大於該些劃定出導引隔體之成對之平行分隔柵之間之間距。

在本發明的一實施例中，包括多數個平面導引格體部，劃定出多數個導引格體側壁。

在本發明的一實施例中，包括具有多數個導引格體之多數個分隔柵，該些導引隔體劃定出多數個相對於導引格體向內彎曲之導引格體側壁。

在本發明的一實施例中，包括具有多數個導引格體部之多數個分隔柵，該些導引隔體劃定出多數個相對於導引格體向外彎曲之導引格體側壁。

在本發明的一實施例中，包括具有多數個導引格體部之多數個分隔柵，該些導引格體部劃定出多數個導引格體之側壁，提供有多數個凹部，該些凹部由導引格體部所突出，該導引格體部在對應的導引格體之內側。

在本發明的一實施例中，同時關於一核燃料棒之上端部噴嘴，其包含一核燃料組件之繫板，該核燃料組件之繫板如申請專利範圍所有請求項所述。

在本發明的一實施例中，同時關於一核燃料組件，其包含一核燃料組件之繫板，該核燃料組件之繫板如申請專利範圍所有請求項。

本發明的一實施例中，更關於一核燃料組件，其包含一核燃料之上端部噴嘴，該上端部噴嘴如申請專利範圍所有請求項；以及一成束之燃料棒，其中該導引格體容納該成束之燃料棒之至少一個之燃料棒，具有一橫向間隙在該燃料棒與該導引格體之側壁之間。

藉由閱讀以下所述之舉例及參考附圖的方式，更加了解本發明及其特徵。

如第1圖所示，核燃料組件2沿著一縱向的中心軸L而延伸。

使用時，核燃料組件2以一實質上垂直延伸的中心軸L而設置於一核子反應爐的芯部。在下文中，「下端部」、「上端部」、「軸向」、及「橫向」係指在該核子反應爐中之核燃料組件2之位置。

該核燃料組件2係用於一沸水反應器(BWR)，包含：一成束之部分長度(圖未示)及全長之核燃料棒4；以及一管狀水通道6，經圍設於一管狀燃料通道8中。該核燃料棒4、該水通道6、及該燃料通道8縱向平行於中心軸L而延伸。

每一燃料棒4包括：一管狀護套10，填充有一成疊之核燃料片狀件(pellets)，並在其下端部及上端部分別封設一下部端塞12及一上部端塞14。燃料棒4配置於一柵格，水通道6取代在該柵格中之某些燃料棒4。

核燃料組件2包含一支承燃料棒之分隔柵體16，其沿著該燃料棒4而分布，在第1圖僅顯示出一個分隔柵體16。分隔柵體16之功能為維持該些燃料棒4兩兩之間在軸向地與橫向地橫向間隔。

核燃料組件2包含一下端部噴嘴18及一上端部噴嘴20，分別位於燃料通道8之下端部及上端部。燃料棒4自下端部噴嘴18延伸至上端部噴嘴20。

在沸水反應器之核燃料組件中，核燃料組件之底部噴嘴以及上端部噴嘴，係配置為在運作時幫助冷卻劑經過該核燃料組件之導通，該底部噴嘴接收冷卻劑，而上端部噴嘴排出來自於該核燃料組件之冷卻劑。

一沸水反應器之底部噴嘴一般係包括：一入口噴嘴；一下端部繫板；及一位於該入口噴嘴及該下端部繫板之間之過渡區，藉此進入該入口噴嘴之冷卻劑接連經由過渡區、經由該繫板，並在其些下端部由該下端部繫板所固定或支承之個別燃料棒之周圍而向上流動。下端部繫板典型地包括一殘屑過濾器，通常位於過渡區，並在該下端部繫板之下方。

下端部噴嘴18係經調整而將該燃料組件2定位於該下端部核心繫板中，以允許冷卻劑流經該下端部噴嘴18而進入燃料通道8，並攔接殘屑及支撐燃料棒4。

一沸水反應器之上端部噴嘴典型地包括：一繫板，該繫板具有多數個孔洞，該些孔洞以提供一出口，使冷卻劑流出核燃料組件；及一手柄桿。一個或超過一個的水且/或燃料棒一般係使用作為結構構件，而由某些機構而堅固地固定至該下端部繫板及上端部繫板，以藉由該手柄桿而舉起該沸水反應器之核燃料組件，並維持在下端部噴嘴與上端部噴嘴之間的一固定距離。上端部噴嘴通常連接於燃料通道，以使燃料通道能沿著核燃料組件被舉出於核反應爐核心。上端部噴嘴及燃料通道能夠相分離，以允許燃料通道被舉離該燃料組件。燃料棒之上部端塞通常將用為側向限制端塞的繫板孔洞予以貫穿。

上端部噴嘴20經調置而允許冷卻劑流通過繫板22以離開燃料通道8，並允許燃料棒之上部端塞14貫穿繫板22。

如第2圖所示，上端部噴嘴20包含由多數個交錯之分隔柵24、26所組成之繫板22，該交錯之分隔柵24、26之間劃定出各別分離的管狀導引格體28及管狀流動格體30、32，且置於通常柵格之節點的中心。每個導引格體28作為容納個別燃料棒4之上部端塞14(為了清楚只示出一個)。每一流動格體30、32係為了允許冷卻劑流通過繫板22。繫板22包含一中心開孔34以允許水通道6貫穿繫板22。中心開孔34取代柵格中的導引格體28及流動格體30、32。

繫板22包含二組分隔柵24、26。每組之該些分隔柵24、26兩兩平行且相互隔開。每一組分隔柵24、26直角地交錯於另一組分隔柵以劃定出導引格體28及流動格體30、32。

繫板22包含：一組第一分隔柵24，延伸於一第一橫切方向T1；及一組第二分隔柵26延伸於一垂直於第一橫切方向T1之第二橫切方向T2。

每一導引格體28及每一流動格體30、32係由兩相鄰之第一分隔柵24及兩相鄰之第二分隔柵26之交錯所劃定。每一導引格體28及每一流動格體30、32具有四個側壁，每個側壁由一個別之分隔柵24、26所構成。

如第3圖所示(其為第2圖之繫板之局部放大圖)，該些導引格體28及該些流動格體30、32設置於通常柵格之節點的中心，該柵格為由一重複的圖樣P所界定，該圖樣P包括以正方形柵格所建構之四角節點以及一位於該四角節點的中心之中心節點，其中該圖樣P之每個角節點具有一個導引格體，其由一對平行相隔的第一分隔柵24交錯於一對平行相隔的第二分隔柵26，以及一位於該圖樣P之中心節點的流動格體32所分隔開。

中心流動格體32為由一對第一分隔柵24及一對第二分隔柵26交錯而劃定出。中心流動格體32具有四個側壁。每一側壁為由該第一分隔柵24與該第二分隔柵26之兩個交錯對之個別分隔柵的部分而界定出。

繫板22更包括中間流動格體30，介於在重複的圖樣P之連續的導引格體之間。更具體而言，圖樣P包括一方形或矩形柵格建構之3x3陣列節點，其具有四個導引格體28於中心節點，且中心流動格體32位於中心節點而四個中間流動格體30位於中間側邊節點。

每一中間流動格體30在一個橫向方向T1、T2為由兩個連續的導引格體28所劃定，以及在其他橫切方向T2、T1為由兩個連續的中心流動格體32所劃定。

每一中心流動格體32置中於方形圖樣P而由四個導引格體28圍繞：四個導引格體28形成一方形，中心流動格體32位於該方形之中心。中心流動格體32同時也被四個中間流動格體30圍繞，每一中間流動格體30劃定出該中心流動格體32之一側壁。

圖樣P之該些導引格體28及該些流動格體30、32被兩個第一分隔柵24及兩個第二分隔柵26所分隔，並以直角交錯出四壁中心流動格體30。

繫板之每一導引格體28及每一流動格體30、32為由兩對之交錯分隔柵24、26所劃定。

每一第一分隔柵24及每一第二分隔柵26分隔出一列之導引格體28，該導引格體28與中間流動格體30交替，另一方面分隔出一列之中間流動格體30，中間流動格體30與中心流動格體32交替。

成對的平行分隔柵24、26劃定出導引格體28，該些成對的平行分隔柵24、26之間具有一小間隙E1，成對的平行分隔柵24、26劃定出中心流動格體32，該些平行分隔柵24、26之間具有一大於該小間隙E1之大間隙E2。

由於該些不同的間隙E1、E2，該導引格體28及該流動格體30、32具有不同的橫截面。導引格體28是同一的及具有一方形橫截面。該中心流動格體32具有一側邊尺寸，該側邊尺寸大於導引格體28之側邊尺寸。每一中心流動格體32具有一橫截面，該橫截面大於每一導引格體28的橫截面。

每一個中間流動格體30具有二個平行側壁，每一側壁與相鄰之中心流動格體32共有；以及二個平行側壁，每一側壁與相鄰之導引格體28共有。該中間流動格體30具有矩形的橫截面。該些短側壁係與導引格體28共有之側壁。每一中間流動格體30具有一橫截面，該橫截面大於該導引格體之橫截面。

參閱第2圖，該繫板22之導引格體28及流動格體30、32為由在每一橫切方向T1、T2包含導引格體28的混合列36所界定，該導引格體28與相鄰的流動格體30交替，上述之混和列36與流動列38交替，每一流動列38專門地包括流動格體30、32，即中間流動格體30與中心流動格體32交替。

該繫板22包括：第一混合列36及第一流動列38，該第一混合列36及該第一流動列38於第一橫切方向T1延伸，並且於第二橫切方向T2交替；第二混合列42及第二流動列40，該第二混合列42及該二流動列40於第二橫切方向T2延伸，並且於第一橫切方向T1交替。

每一中間流動格體30被插入於二個導引格體28之間，該二個導引格體28在一個第一及第二橫切方向T1、T2之混合列36、42中。每一中心流動格體設置於一第一流動列38與一第二流動列40之交錯位置。

每一分隔柵24、26分隔一混合列36、42及一相鄰的流動列38、40。每一第一分隔柵24分隔一第一混合列36及一第一流動列38，而每一第二分隔柵分隔一第二混合列42及一第二流動列40。

該繫板22包含二個分隔柵，該二個分隔柵位於每一對相鄰混合列之間，在該第一橫切方向T1及該第二橫切方向T2。所以每一對相鄰的第一混合列36被二個平行間隔的第一分隔柵24所分隔，而每一對相鄰的第二混合列42被二個平行間隔的第二分隔柵26所分隔。

在每一橫切方向T1、T2，分隔柵24、26之間的間隔係固定的，係二者擇一地為大或小：在每一橫切方向T1、T2，繫板22具有一小間隙E1，該小間隙E1在每一對平行相鄰之分隔柵24、26之間，該分隔柵24、26之間劃定出一混合列36、42；以及一大間隙E2在每一對平行相鄰的分隔柵24、26之間，該些分隔柵24、26之間劃定出一流動列38、40。該小間隙E1係小於該大間隙E2。

第4圖為顯示一繫板22之一第一分隔柵24及一第二分隔柵26之側視圖。多數個第一分隔柵24及多數個第二分隔柵26具有多數個上邊緣44及多數個下邊緣46。該些第一分隔柵24及該些第二分隔柵26提供有多數個由其該些邊緣所組成之內接卡槽48、50。該第一分隔柵24提供有多數個卡槽48，在其上邊緣44，而該第二分隔柵提供有多數個卡槽50，在其下邊緣46。在組裝繫板22時，該些分隔柵24、26藉由該些卡槽50、48相互配合而連接。

該卡槽48、50沿每一分隔柵24、26之導引格體部52而界定，該導引格體部52與該流動格體部54交替。在組裝繫板22時，每一導引格體部52形成有一側壁，該側壁使導引格體28與中間流動格體30相分隔，每一流動格體部54形成一側壁，該側壁使中間流動格體30與中心流動格體32相分隔。每一導引格體28由四個導引格體部52所劃定，每一中心流動格體32由四個流動格體部54所劃定，而每一中間流動格體30由二個相面對的導引格體部52所劃定，該二個相面對的導引格體部52垂直交錯於二個相面對的流動格體部54。

如第1圖所示，該燃料棒之上部端塞14具有一之徑，該直徑小於燃料棒4之直徑。因此，繫板22能提供多數個具有小橫截面之導引格體28及多數個具有大橫截面之流動格體30、32。即提供具有大橫截面之中心流動格體32，該中心流動格體32由兩對交錯之分隔柵所劃定，在由每四個導引格體28為一組所界定之方形之中心，另外中間流動格體30在導引格體28之間並圍設於中心流動格體32。該圖樣P容許低壓降。

繫板22由交錯的分隔柵相互交錯所組成。此允許使繫板22保持有高的強度。使用高機械性質之金屬製造分隔柵，例如鎳合金、麻田散鐵、或快速硬化之不銹鋼，從而容許使用薄的分隔柵及減少更多的壓降。甚至為了減少繫板22的壓力損失，舉例來說分隔柵24、26之下邊緣46及上邊緣44可被挖槽或鋸圓，機械地或藉由電子束或雷射。

繫板22更容許在四個側壁之間引導效率高的燃料棒之端塞具有較簡單的製造作業，及幾何圖型的控制注重於提供多數個導引格體及多數個流動格體，經由在一大規模的繫板鑽孔及流動通道。此外，由於使流動格體30、32之橫截面面積相較於一大規模繫板中的流動通道為減少，繫板22限制殘屑進入及外來物質經由上端部噴嘴20進入核燃料組件2，特別是在沒有運作的情況下，像是搬運、儲藏、及拆卸或在冷卻劑停止向上流動時，停工之反應爐。此具體地防止大的殘屑(大於幾毫米)掉入核燃料組件2。

在第2至4圖的實施例中，該導引格體部52是平面的。每一導引格體28係經由四個平面的側壁所劃定。

較佳地，每一導引格體28具有橫切向尺寸，以容許容納一燃料棒之上部端塞14，該且導引格體28與該上部端塞14具有一間隙。二者擇一地，每一導引格體部28具有橫切向尺寸，以容許至少兩個相面對的側壁與燃料棒之上部端塞14具有一線性接觸。

有利地，每一分隔柵24、26係平面的以限制流動阻力。該些分隔柵24、26能因此節能，例如，藉由削減一金屬薄片而呈一顯示出低壓降及高強度之繫板22。

第5圖為顯示本發明之一實施例之繫板之局部上視圖，每一導引格體部52相對於該些導引格體28為向外彎曲，該些導引格體28由導引格體部52所劃定，以使每一導引格體28展示一實質地圓型之橫截面以緊密地配適於該燃料棒之上部端塞14之外表面，該上部端塞14將該導引格體28予以貫穿。相對於第2至4圖中之實施例，該中心流動格體32之橫截面面積相較於中間流動格體30及導引格體28為增加。

第6圖為顯示本發明之一實施例之繫板22之局部上視圖，每一導引格體部52相對於導引格體28為向內彎曲，該導引格體28由該導引格體部52所劃定，如以線性接觸於燃料棒之上部端塞14，該上部端塞14將該導引格體28予以貫穿。中心流動格體32之橫截面面積為縮減的，以改善殘屑及外來物質停留於該繫板22。

第7圖及第8圖為顯示本發明之一實施例之一繫板22之局部上視圖及該繫板22之分隔柵24、26之側視圖，該些分隔柵24、26之導引格體部52由相對於導引格體28向內突出所構成，該導引格體部52具有一凹部56。每一凹部56由對應的導引格體部52所構成(如，壓印而成)。每一凹部56之構成由導引格體部52與燃料棒之上部端塞14之接觸面積所界定，該上部端塞將導引格體28予以貫穿。每一凹部56由對應的導引格體部52所構成，在該些分隔柵24、26之下邊緣46及上邊緣44之間。該凹部56容許增加橫向的支承在燃料棒之上端部噴嘴14。

第9圖為顯示本發明之一實施例之一繫板22之分隔柵24、26之側視圖，該些分隔柵24、26組成具有一彈性地可伸縮的彈簧58，該彈簧58沿分隔柵24、26之邊緣延伸出，在上邊緣44，標示於該些導引格體部52。每一彈簧58沿一導引格體部52延伸出，以接觸燃料棒之端塞，該燃料棒之端塞將一導引格體28予以貫穿，該導引格體28由該些導引格體部52所劃定，且該彈簧58橫向地定位於對應的燃料棒4。每一彈簧58包含：一彈性伸縮片60，該彈性伸縮片60沿導引格體部52延伸出；以及一硬式接觸突62由彈性伸縮片60所構成，以接觸燃料棒之端塞，該燃料棒之端塞貫穿於對應的導引格體28，該導引格體28由該些導引格體部52所劃定。此一實施例可使用於例如將燃料棒4之上部端塞14固定在繫板22。

這些容許在導引格體28之每一側壁與燃料棒之上部端塞14的一線性接觸或一接觸區域的實施例改善燃料棒的上部端塞14之導引以及防止繫板22與上部端塞14之間的磨損。

如果核燃料組件2中設有不同長度之燃料棒，該部分長度的燃料棒通常於其下端部藉由下部繫板固定，而其上端部藉由對應的分隔柵體16保持定位。該些定位超過該些部分長度之燃料棒的導引格體28具有繫板22之其他導引格體28之幾何圖型，但其作用類似於流動格體。

本發明係特別應用在一上部繫板，特別是一沸水反應爐之核燃料組件之繫板。更普遍地，其應用於噴嘴，即下端部噴嘴及上端部噴嘴。

2‧‧‧核燃料組件

4‧‧‧燃料棒

6‧‧‧水通道

8‧‧‧燃料通道

10‧‧‧護套

12、14‧‧‧端塞

16‧‧‧分隔柵體

18‧‧‧下端部噴嘴

20‧‧‧上端部噴嘴

22‧‧‧繫板

24、26‧‧‧分隔柵

28‧‧‧導引格體

30、32‧‧‧流動格體

34‧‧‧中心開孔

36、42‧‧‧混合列

38、40‧‧‧流動列

44、46‧‧‧邊緣

48、50‧‧‧卡槽

52‧‧‧導引格體部

54‧‧‧流動格體部

56‧‧‧凹部

58‧‧‧彈簧

60‧‧‧彈性伸縮片

62‧‧‧硬式接觸突

E1、E2‧‧‧間隙

P‧‧‧圖樣

L‧‧‧中心軸

T1、T2‧‧‧橫切方向

第1圖係顯示本發明之一實施例之核燃料組件包含上端部噴嘴及繫板之截面剖視圖。

第2圖係顯示本發明之一實施例之繫板之上視圖。

第3圖係顯示本發明之一實施例之繫板之局部上視圖。

第4圖係顯示本發明之一實施例之繫板之分隔柵之局部側視圖。

第5圖係顯示本發明之其他實施例之繫板之局部上視圖。

第6圖係顯示本發明之其他實施例之繫板之局部上視圖。

第7圖係顯示本發明之其他實施例之繫板之局部上視圖。

第8圖係顯示本發明之第7圖之實施例之繫板之分隔柵之局部側視圖。

第9圖係顯示本發明之其他實施例之繫板之分隔柵之局部側視圖。

14‧‧‧端塞