TW571320B - Fuel assembly for a pressurized-water reactor - Google Patents

Description

571320 五、發明說明（1) 本發明揭示一種用於壓水式反應器之燃料總成。爲橫 向地安裝燃料總成之燃料棒束（fuel rod bundle)，多數 間隔器（s p a c e r)分佈在燃料棒之長度周圍。在其底部上 ，燃料總成具有腳墊（Foot piece)，在其上部上來支架燃 料棒。頂蓋（headpiece)是在燃料總成之頂部。如果燃料 總成安裝在反應器壓力槽（reactor pressure vessel)內， 其等配置在下核心柵（1〇wer core grid)及上核心柵（upper core grid)之間，接合在腳墊及頂蓋處之固定孔的固定鎖 自核心柵來突出。核心柵以及腳墊及頂蓋通常是以沃斯 田鐵（austenitic steel)來製成。兩種主要材料使用於間 隔器，即仍是沃斯田鐵鋼及锆合金。銷合金除了銷做爲 其主要成分之外，其也包含錫、鐵、鉻及視需要地含鎳 。因爲沃斯田鐵鋼具有很高中子吸收性，所以鉻合金間 隔器通常也使用。這兩種材料具有不同熱膨脹性。鍩合 金之熱膨脹係數約5xl(T6mm/mm°C，而沃斯田鐵鋼具 有熱膨脹係數約1 8 X 1 0 -6 m m / m m °C。因此，在作業中， 間隔器在水平或徑向方向中膨脹程度比較核心柵更小， 使得在個別燃料總成間所存在間隙空間在加熱在作業溫 度時大小增加。這種特別缺點在於燃料總成橫向彎曲之 自由度增加，例如，非均勻壓力條件所造成。這可導致 不僅個別燃料總成之彎曲，而且全部燃料總成彎曲在其 一半徑上，即，在核心套（core shroud)之內壁內配置成 一條線的全部燃料元件，使得燃料總成中間區域會發 生自設定位置偏離10-2 0mm，結果累積增加間隙空間 571320 五、發明說明（2) 。使用如此變形之燃料總成，難於使得控制棒來移動到 導管內，而且會延遲反應器之緊急停機。更進一步，在 原有存在之緩和條件（moderation condition)中有改變， 其導致非期望功率變化。 燃料總成之彎曲自由度，不僅在於間隔器及核心柵間 之不同熱膨脹而且也在兩種進一步之效應而增加。爲允 許反應器之安全裝載（loading)及卸載（unloading)，在燃 料總成間所要求裝載間隙約1 mm，即，邊緣長度或間隔 器節距（s p a c e r p i t c h)比較核心柵節距更少於該量。間隙 大小增加之進一步效應是由於在中子輻射下鉻合金成長 之性質。該成長也會徑向地往外導出，使得在長時間中 子輻射之後，間隔器具有比較開始狀態時更大之節距。 雖然在長時間作業期間之後，間隙空間之大小根據不同 熱膨脹係數的增加，在作業狀態中局部受到補償，但是 在反應器冷卻卸載狀態中，徑向成長之間隔器將減少裝 載間隙的大小，而造成難於移動所要更換之燃料總成。 爲避免這種情形，在開始時就提供具有減少對應其成長 之節距的間隔器。因此，在間隔器尙未發生明顯成長之 初始作業期期間，新燃料總成之間隔器的節距減小導致 現存在燃料總成間之間隙空間大小增加。 迄今，所提出解決這問題所採用途徑，在於所設計燃 料總成結構儘可能地扭轉剛性，尤其，增加控制棒導管 之壁厚及強化在導管及間隔器間之連接部。 本發明之目的在提供一種燃料總成，具有間隔器，其 571320 五、發明說明（3) 使得反應器壓力槽內所安裝燃料棒間現存間隙空間大小 之增加抵消，而燃料總成不需要強化措施。 本目的是以具有申請專利第1項之燃料總成的特徵來 獲得。根據專利請求項，較佳地定位在燃料總成之中間 區域內的至少其一間隔器是由第一部份及第二部份來形 成’第一部份其放置在相對燃料總成縱向中心軸之徑向 外側上，及第二部份在第二徑向內部份；比較鉻合金， 第二部份是由锆合金來構成，而第一部份是由具有在徑 向方向中受中子蝠射所造成較低成長及較高熱膨脹係數 之金屬材料來構成。比較習用間隔器，完全由锆合金所 構成之所提供架構中的外部第一間隔器部份在加熱到作 業溫度時’膨脹程度較大，結果比較習用設計，在間 隔器及核心柵間之熱膨脹差異減少。第一部份材料之 膨脹係數愈接近核心柵材料之熱膨脹係數，則本減少 變得愈明顯。如果就在開始時第一及第二部份間沒有 確定游隙（play)，則由於外部部份之較大膨脹係數而形 成這種遊隙。因此’中子輻射所造成內部部份之徑向 成長’可能沒有外部部份之徑向加寬。因此，內部部 份之成長沒有影響間隔器之節距。因而，間隔器節距 減少來補償在燃料元件間的間隙空間大小之成長及增 加’不必要用於新燃料總成。因此，燃料總成間之初 始間隙空間可限定在裝載間隙。在此情形中，則僅在 核心柵及間隔器之外部部份間的不同熱膨脹，具有增 加間隙空間大小之作用。然而，如果間隔器之外部部份 是由和核心柵相同材料所構成，即較佳地沃斯田鐵鋼， 571320 五、發明說明（4) 則因爲熱而間隙空間大小增加之程度減少。因此，燃料成 間之間隙空間，即使在作業溫度也大致限制在裝載間隙。 在第一較佳變動例實施例中，第一及第二部份是分離 部份’其相互沒有固定地連接。爲確保外部部份固定在 徑向外部控制棒導管，爲本目的所提供各自槽室配置在 外部部份之內側。然後，第二部份固定在離內側更遠之 控制棒導管。在兩部份間不需要有連接部。 在第二較佳實施例中，第二部份是由相互形成交叉地 安裝之腹板來形成，多數腹板是由在軸向方向中相互分 離之兩局部腹板（partial web)所構成，即，在其間餘留明 顯地延伸在整個腹板長度上之中間空間的游隙。在各該 中間空間中，有第一部份之材料所構成的膨脹腹板，其 端固定在第一部份之內側。以此架構，第一部份機械式 地連接到第二部份。膨脹腹板形成大小，使得在其等及 局部腹板間可相對移動。當加熱到作業溫度時，膨脹腹 板膨脹，如同其所連接之第一部份，以致核心柵熱膨脹 所造成在燃料總成間的間隙大小增加至少局部地受到補 償。爲使用具有可能最低中子吸收性之材料，尤其沃斯 田鐵鋼來用於第一部份，較佳地第一部份是僅自邊緣腹 板所形成之框架。雖然框架經由所交織成第二部份之柵 的膨脹腹板來連接到第二部份，而爲進一步增加間隔器 之機械穩定度，一些腹板及局部腹板之端區域以作用在 個別邊緣腹板之縱向方向中之正鎖定連接部，而依靠橫 向傾斜在第一部份處來固定。在腹板或局部腹板及框架 571320 五、發明說明（5) 間之這種連接部，允許在腹板之縱向方向中腹板或局部 腹板及框架間的相對移動。因此，當加熱到作業溫度時 ，框架可膨脹而沒有阻礙。 兹參照附圖所示之範例實施例，來作更詳細地說明本 發明，其中： 第1圖表示反應器壓力槽之縱剖面圖； 第2圖表示沸水反應器之燃料總成； 第3圖表示間隔器第一範例實施例之兩部份的透視圖； 第4圖表示第3圖所示在已組裝狀態之間隔器的透視圖； 第5圖表示間隔器進一步範例實施例之兩部份的透視 圖， 第6圖表示第5圖所示在已組裝狀態之間隔器圖； 第7圖是第6圖所示間隔器之變化例； 第8圖是第6圖所示間隔器之部份圖示； 第9圖是具有控制棒管及共配置有控制棒之間隔器的 部份平面圖示；及 第1 0圖表示習用燃料總成及根據本發明燃料總成之 間隙空間條件的圖像。 如自第1圖可見，沸水式反應器之燃料總成1配置在 核心套3內，其配置在反應器壓力槽2內之上及下核心 柵4 · 5間。在燃料總成之頂部處，有頂蓋6 ;而在燃料 總成之底部處，有腳墊7，其兩端處相互遠離，而在轉 角（第2圖）處具有四個固定孔。自核心柵4.5所突出之 中心鎖（未圖示）突出到兩對角相對固定孔8內。燃料總 571320 五、發明說明（6) 成1或燃料棒束之燃料棒9以間隔器來橫向地固定。燃 料總成也包含多數控制棒導管1 2。間隔器及燃料總成之 整個外周圍也大致橫剖面形成正方形，而且具有多數槽 室13，例如18x18，如在第2圖所示，或9x9如在第 13圖所示，其中通過燃料棒9及控制棒導管。突面（boss)l 4及 彈簧21自室壁向內突出來固定燃料棒（第9圖）。 第3-7圖所示間隔器10a、10b及10c具有兩不同部份 ，艮P，徑向外部第一部份15a、15b、15c及第一部份所 包圍之內部部份16a、16b、16c。第一部份是以核心柵 4.5之相同材料來製成，即，沃斯田鐵鋼，而第二部份 是由鉻合金所製成。在全部間隔器中，槽室1 3大致是 正方形橫剖面。 在間隔器1 〇a之情形中（第3圖、第4圖），第一部份 1 5 a是由形成正方形之單一列槽室來形成。在外側上， 部份1 5a四個邊緣腹板1 7及在內側上以四個內腹板1 8 來界定。槽室13間之隔間（partition)，在本情形中，以 直角地延伸到兩相互關聯邊緣及內腹板1 7、1 8的腹板 來形成。在各部份15a之內轉角中，有槽室13’，以該 槽室來固定部份1 5a到四個控制棒導管1 2(在各情形中 ，僅在第3圖及第4圖可見其一）。爲此目的，徑向加寬 區域20以及包圍它們之槽室13’及/或腹板一起形成有效 內凹（active undercut)，爲此目的而提供在控制棒導管12 處。間隔器1 〇a之第二部份1 6a，在各情形中，是由六 個縱向腹板22及六個橫向腹板23所構成，其相互交 571320 五、發明說明（7) 叉地安裝，而且其長度和七個槽室之寬度一致。邊緣腹 板24比較縱向及橫腹板22及23短小兩槽室寬度，安 裝在腹板23及23之端邊緣。整體而言，結果是一種充 塡第一部份1 5 a內部空間之結構。這兩部1 5 a、1 6 a可 相互地緊密地或具有小餘隙地安裝在一起。 在第5圖及第6圖所示間隔器1 0 b之情形中，如同第 3圖、第4圖所示範例實施例之內部部份1 6b，是由锆 合金所製成而相互成交叉地安裝的腹板2 5來構成。腹 板2 5全部具有相同長度，因此，部份1 6 a之橫剖面大 致是正方形。在各情形中，兩中心及兩外部腹板是由兩 局部腹板2 5 a所形成，其在其間餘留中間空間2 6游隙 。由沃斯田鐵鋼所製成膨脹腹板2 7安裝在各中間空間 2 6內’而且以其端側來焊接在第一部份1 5 b。第一及外 部部份1 5b是框架28，其自邊緣腹板3 1來形成；而且 在已安裝狀態（第6圖）中包圍內部第二部份1 6b。腹板 2 7可具有和腹板2 5相同長度，或可比較這些腹板稍微 長；在後者情形中，在腹板2 5之端邊緣及框架2 8之內 側2 9間有小游隙。爲增加間隔器之穩定性，腹板2 7之 端區域可以在框2 8之個別邊緣腹板3 1縱向方向3 0中 作用的正鎖定連接部，依靠橫向傾斜在第一部份1 5 b上 來固定。例如，這可以在全部或一些腹板上一體形成及 延伸到框架28內所對應設計孔隙之一個或以上的固定 耳32來實施。在固定耳32及孔隙33之邊緣間有游隙 ，以致加熱時框架2 8可無阻礙地膨脹。更進一步，在 571320 五、發明說明（8 ) 其一腹板25上可設計兩個固定耳32a，其相互間隔分開 ;或一個固定耳，其延伸過腹板25相當大高度範圍， 這些固定耳和所對應設計在框架28內之孔隙33a，33b相 互作用。在部份1 6b及框架2 8間產生正鎖定連接部之 另一可能性，圖示在第8圖。在框架28之內側29上， 有突出部3 9，其在腹板縱向方向中相互間隔分離，而且 在其間包圍具有游隙之單一部份輻射25的端緣區域。 游隙確保框架2 8可無阻礙地膨脹。在第8圖所示實例 中’突出部定位在框架2 8之上及下緣的區域內，而且 以油壓然後向內彎曲來製成。 在反應器壓力槽2或具有燃料總成之核心套3的裝載 期間’爲確保在燃料總成間安全裝載及隨後之卸載，需 要所謂裝載間隙34(第10圖）約1mm。當因爲中子輻射 之結果造成材料成長所以使用習用銷合金時，間隙之大 小將減少。爲製造原因，成長發生在間隔器之腹板的縱 向方向中’即，後者大小膨脹。因此，如果在長期作業 期間之後’燃料總成需要更換，則裝載間隙34之大小 減少的量和間隔器上之材料成長一致。現在材料成長通 常在初始時就已考慮在內，而使用間隔器10、10’具有 所對應減少之節距（或邊緣長度）。因此，在裝載時，兩 鄰接習用間隔器10、10’之間有間隙，其由所需要裝載 之間隙3 4及考慮材料成長之補償間隙3 6來構成。在第 1 〇圖中’所表示間隙空間條件未照比例，自間隔器1 〇’ 至間隔層1 〇之對應距離以虛線4 0表示。虛線4 1 -10- 571320 五、發明說明（9) 表示間隔器1 〇f在間隙空間限定在裝載間隙3 4之狀態中 的位置。在作業中該區域之溫度達到2 5 0 °C。在加熱到 作業溫度期間，核心柵4、5固定燃料總成，而核心套3 膨脹。由於在核心柵4 · 5及習用間隔器間之不同熱膨脹 一沃斯田鐵鋼具有熱膨脹係數約18xl(T6mm/mm°C，而 锆合金具有熱膨脹係數約僅5x1 (T6mm°C -出現在裝載 狀態中之間隙3 5再次增加膨脹間隙3 7之大小。因此， 出現在上述高溫之作業間隙3 8非常大於裝載間隙34。 如果在核心套3之壁間線性地延伸的整個燃料總成裝置 或一列或條輻燃料元件受到在其一側上之負載，例如由 於以高流動速度來流動之冷卻水的壓力差異，個別燃料 總成會由於出現在其間之很寬的間隙3 8而彎曲，而且 由於累積作用會形成間隙空間l〇-20mm。這方面之缺點 ，在於包圍燃料棒之水量在對應區域內增加，增加減緩 作用以致於輸出。然而，輸出之增加在燃料棒之設計中 不考慮，而因而在所述範圍內有沸騰轉變輸出過量之危 險。進一步之缺點，在於很大彎曲之原因，控制棒移到 到其導管內受阻，使得反應器之緊急停機延遲。以配置 上述間隔器之燃料總成，這種彎曲僅可能在減小程度。 間隔器1 0之徑向外部部份由核心柵4、5之沃斯田鐵鋼 來製成的事實，表示當加熱時，其水平膨脹程度和核心 柵4、5之程度相同。因此，比較具有完全地由锆合金 構成之間隔器的習用設計，膨脹間隙3 7之大小減少。 沃斯田鐵鋼具有中子吸收性大於鍩合金之缺點，其具有 -11- 571320 五、發明說明（1〇) 不良影響中子經濟’可以相關之間隔器僅使用在燃料總 成之中間區域內的事實來減輕，甚至本型式之單一向隔 器在本區域內可能就足夠。 雖然間隔描1之內部弟一部份1 6 a、b仍受到材料成長 ，但是這僅影響個別燃料總成本身。這是因爲內部部份 1 6 a、b在徑向或水平方向中成長，成爲至少在作業狀態 中出現其及外部部份間的間隙。如果這種間隙沒有自初 始時來提供，由於外部部份1 5a、b由沃斯田鐵鋼所構 成之結果，則其形成膨脹大於內部部份1 6a、b之程度 。因此，整體而言，在作業狀態中出現之間隙空間大致 限制在裝載間隙34。因此，燃料總成或整列燃料總成之 彎曲僅可能比較習用設計更小的程度。 參考符號表列 1 燃料總成 2 反應器壓力槽 3 核心套 4 上核心柵 5 下核心柵 6 頂蓋 7 腳墊 8 孔 9 燃料棒 10 間隔器 12 控制棒導管 -12- 571320 五、發明說明（11 ) 13 槽 室 14 支 架 15 第 一 部 份 16 第 二 部 份 3 1、 1 7、24 邊 緣 腹 板 18 內 腹 板 19 腹 板 20 1^ 域 2 1 彈 簧 25、 11、23 腹 板 26 中 間 空 間 27 膨 脹 腹 板 28 框 架 29 內 側 30 縱 向 方 向 32 固 定 耳 33 孔 隙 34 裝 載 間 隙 3 5 間 隙 36 補 償 間 隙 37 膨 脹 間 隙 3 8 作 業 間 隙 39 突 出 部 40、 4 1 虛 線 -13-

Claims (1)

1. 571320 q( U Ίί -、申請專利範圍 第9 1 1 1 9788號「用於壓水式反應器之燃料總成」專利案 (91年12月修正） 六申請專利範圍： 1· 一種用於壓水式反應器之燃料總成，具有橫向地固 定在間隔器（1 0 )之槽室（1 3 )內的燃料棒（9 )、及控制 棒導管（1 2 )、及頂蓋及腳墊（6、7 )，其以該頂蓋及 腳墊分別地固定在反應器壓力槽內側之上及下核心 冊（4、5 );其特徵在於至少其一間隔器（1 0 )具有第 一部份（1 5 )，其放置在相對該燃料總成之縱向中心 軸之徑向外側上，及第二部份（1 6 )，其放置在徑向 內側上，而且完全受該第一部份所包圍，該第二部 份（16)由鉻合金所構成，而該第一部份（1)由金屬材 料所構成，比較該第二部份之鉻合金，其在徑向方 向中具有由中子輻射所造成之較低成長及更高熱膨 脹係數。 · 2·如申請專利範圍第1項之燃料總成，其中該第一部 份（1 5 )是由該核心柵（4、5 )相同之材料來構成。 3. 如申請專利範圍第1項之燃料總成，其中該第一部 份（1 5 )是由沃斯田鐵鋼來構成。 4. 如申請專利範圍第2項之燃料總成，其中該第一部 份（1 5 )是由沃斯田鐵鋼來構成。 5·如申請專利範圍第1至 4項中任一項之燃料總成’ 其中該至少一間隔器（1 0)配置在該燃料總成之中閫 571320 六、申請專利範圍 區域內。 6·如申請專利範圍第1至第4項中任一項之燃料總成 ’其中該第一及第三部份是分離部份，個別槽室 (13')配置在該第一部份（15a)內側上，其各軸向地 固定徑向外部控制棒導導管。 ?·如申請專利範圍第1至第4項中任一項之燃料總成 ’其中該第二部份（25 )是由相互交叉地安裝之腹板 (2 5 )所形成，該多數腹板是由兩局部腹板（2 5 a )所構 成’在該兩局部腹板間餘有游隙之空間（26 )延伸過 整個腹板長度，而且其中配置由該第一部份（15b)之 材料所構成及具有其端固定在該第一部份（1 5b )之內 側（29)處的膨脹腹板。 8·如申請專利範圍第 7項之燃料總成，其中該第一部 份（1 5 b )是由邊緣腹板所形成之框架（2 8 )。 9.如申請專利範圍第 8項之燃料總成，其中該至少一 些腹板（2 5 )及該局部腹板（2 5 a )之端區域，以在該對 應邊緣腹板之縱向方向（30)中作用之正鎖定連接部 ，而依靠著橫向傾斜在該第一部份（1 5 c )來固定。