TWI443681B - 用於製造核子反應爐用之間隔件的方法 - Google Patents

用於製造核子反應爐用之間隔件的方法 Download PDF

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Description

用於製造核子反應爐用之間隔件的方法
本發明係關於一種製造用於將許多燃料棒固持在一輕水型核子裝置中之一反應爐、尤其為沸水式反應爐(boiling water reactor, BWR)或壓水式反應爐(pressurised water reactor, PWR)中之間隔件的方法。
本發明係關於一種製造用於固持許多意欲置於一核子裝置中之長燃料棒之間隔件的方法，其中該間隔件封閉許多小格，該等小格各自具有一縱軸且經配置以容納一燃料棒以致該燃料棒平行於該縱軸，其中各小格係由一具有一上緣及一下緣之套筒狀部件形成，其中該套筒狀部件包含許多基本上平行於該縱軸以鄰接欲容納在小格中之燃料棒的長接觸表面。
在用於上文所述類型之核子裝置之反應爐中，大量長燃料單元配置於反應爐核心中。各燃料單元包含許多長燃料棒。各燃料棒包含一長護套管及許多堆疊配置於護套管中之燃料丸塊(fuel pellet)。燃料單元中之燃料棒藉由許多間隔件、例如3至10個間隔件聚攏在一起，該等間隔件沿燃料單元之長度分布。各間隔件界定容納燃料棒之小格。因此，該等間隔件將燃料棒固持在燃料單元中之正確位置且保證在操作反應爐期間維持燃料棒之間的恆定相互距離。
在沸水式反應爐中，燃料棒通常封閉在所謂盒之箱中。 各盒包含較大量之燃料棒且連同此等燃料棒形成可吊入及吊出反應爐核心中之所謂燃料總成。各燃料總成可包含一或多個燃料單元。US-A-5,875,223中描述具有四個所述燃料單元之燃料總成。該核心浸沒於冷卻劑、通常為水中，其用作冷卻劑及緩和劑兩者。燃料單元及燃料棒通常基本上垂直地配置於反應爐中。
存在許多不同類型之間隔件，例如由交叉板形成之間隔件，由具有支撐點及彈簧構件之敞開式元件形成小格之間隔件，及由互相焊接在一起之套筒狀部件形成之間隔件。當今所使用之間隔件通常由鋯基合金(Zircaloy)、鎳基合金(Inconel)、此等合金之組合或不鏽鋼製造。
JP-6-148370中描述用於沸水式反應爐之套筒間隔件。各套筒具有用於鄰接貫穿整個套筒之燃料棒之向內彎曲。該等向內彎曲僅處在套筒之一小部分長度上。根據一實施例，各套筒亦在下端具備坡口。根據另一實施例，各套筒在套筒下端具有波形。
JP-7-225291中描述用於沸水式反應爐之另一套筒間隔件。圓柱形套筒在此情況下具備向上延伸之具有三角形或矩形突出之上方的下游端。套筒之下端看來為直的。各套筒亦可包含向內彎曲，該等向內彎曲僅處在套筒之一部分長度上以用於鄰接貫穿整個套筒之燃料棒。
US-5,331,679中描述具有基本上圓柱形套筒之套筒間隔件之另一變體。該間隔件係藉由繞間隔件之外圓周之帶狀物固持在一起。各套筒具有較短之向內彎曲，該等向內 彎曲連同彈簧元件形成與貫穿整個套筒之燃料棒之鄰接點。
如上文所提及，燃料單元中間隔件之數目可能為約3至10個。每一燃料棒基本上貫穿燃料單元中之所有間隔件。希望燃料棒不彎曲或不經受垂直於其縱軸之負荷。為此目的，有必要使間隔件中之每一小格與其他間隔件中之相應小格配置成直線。為達成此目的，在製造間隔件期間使用心軸配置。根據先前技術，間隔件係由一起焊接成間隔件之許多套筒構件製成。接著，將間隔件置於包含與間隔件中之小格數目一樣多之心軸的一心軸組上，以致每一小格中配置一個心軸。間隔件置於心軸組上後，將間隔件熱處理以致間隔件之形狀適合於心軸組中之心軸。若心軸以相同的相互距離配置且相互平行，則該方法有可能製造可置於燃料單元中以致燃料棒不經受垂直於縱軸之任何張力之間隔件。然而，已證實，當間隔件配置於心軸組上時，心軸組中之心軸可能稍微彎曲。此將導致熱處理後之最終結果視熱處理前小格之相互位置而定。因此，並非所有相互製造之間隔件均會具有處於相同的相互位置之小格。
本發明之一目的在於提供一種製造間隔件之方法，藉由該方法，小格之相對位置對於用該方法製造之所有間隔件均相同。
根據本發明之第一觀點，提供一種製造間隔件以將至少一些長燃料棒固持在經配置以置於核子裝置中之燃料單 元中的方法，其中各間隔件包含許多小格，該等小格各自具有縱軸且經配置以容納燃料棒以致燃料棒平行於縱軸，且其中該等小格之每一者包含許多基本上平行於縱軸之鄰接表面以鄰接欲容納在小格中之燃料棒。該方法包含提供至少兩個間隔件之步驟，且特徵為以下步驟：提供包含複數個具有相應縱軸之心軸之心軸組，該等心軸配置於共用基座上且該等心軸以縱軸基本上相互平行被配置，將至少兩個間隔件以一個位於另一個上之方式配置於該心軸組上以致心軸穿過所有間隔件中之所有小格被配置，其中心軸之縱軸基本上平行於小格之縱軸以致以一個在另一個之上方式配置之小格由共同之心軸貫穿，及當間隔件配置於心軸組上時將間隔件熱處理以致間隔件中之小格適合於心軸。
在與先前技術相同之方式中，相對於心軸之相對位置而言小格之相對位置將導致單獨心軸經受來自間隔件之作用力。此將導致心軸彎曲。然而，在本發明之方法中，單獨心軸之彎曲將小於先前技術，因為一個接一個配置之不同間隔件中之相應小格將在不同方向上移位。舉例而言，在一個方向上經受第一間隔件之作用力的心軸可能在基本上相反方向上經受第二間隔件之作用力。作用於心軸上之作用力將為每一間隔件施加於心軸之作用力之總和。藉由一個接一個配置許多間隔件，單獨心軸將因此不會如先前技術般彎曲。因此，間隔件中小格位置之校正將以比根據先前技術之方法好之方式進行，因為在隨後熱處理中間隔 件之小格將適合於心軸之位置。
心軸組中之心軸可呈管狀。當然也可能將實心心軸配置於心軸組中，但藉由使其呈管狀，在熱處理期間能更快地加熱心軸，此使得熱處理時間比實心心軸短。
如上文所提及，在熱處理之前將至少兩個間隔件配置於心軸組上。然而，已發現當在熱處理之前將至少三個間隔件配置於心軸組上時達成更好效果。此可由以下事實解釋：當至少三個間隔件以一個在另一個之上的方式配置於心軸組上時，間隔件對心軸組中之單獨心軸的作用力更有可能基本上互相抵消。
可在間隔件配置於心軸組上之前將心軸組上之心軸置於第一位置，在該第一位置處有可能將間隔件配置於心軸組上而不使心軸與間隔件接觸。間隔件配置於心軸組上後，可藉由在開始熱處理之前將心軸組上之心軸繞其縱軸旋轉來將心軸置於第二位置，在該第二位置處心軸與小格中之鄰接表面接觸。藉由該方法，將間隔件配置於心軸組上變得更為方便，因為該配置可在間隔件與心軸之間無摩擦阻力之情況下進行。為達成所欲目的，需要垂直於縱軸之每一心軸之形狀不為圓形。
心軸組上之每一心軸可在垂直於心軸之縱軸之橫截面上具有平截圓形之形狀。平截圓形意謂心軸之橫截面之外部形狀由與平直部分相連之圓形區段構成。在心軸橫截面為其他形狀情況下亦有可能達成相同效果。
熱處理可於在範圍650℃至740℃中且較佳在範圍 690℃至720℃中之溫度下執行。已證實此等溫度範圍有利於達成間隔件之小格對心軸之所需適合。在熱處理之前，應變自心軸傳遞至間隔件。在熱處理期間，間隔件中之內在張力被釋放，且間隔件中之小格之間的相對距離適合於心軸組上之心軸之間的相對距離。
熱處理可持續17至23小時，且較佳為19至21小時。已證明所提及之時間範圍適合於間隔件中之張力釋放。此結果在於上文所提及之溫度範圍內執行熱處理之情況下尤其確實。
提供間隔件之步驟可包含為各間隔件提供一組具有上緣及下緣之套筒狀部件，以將各組套筒狀部件連接於間隔件以致各套筒狀部件形成間隔件中之小格的步驟。用該方法可製造間隔件中之各小格以致其適合欲配置穿過小格之燃料棒。然而，小格之相對位置在不同間隔件之間可有所不同。
每一套筒狀部件可基本上具有圓柱體之形狀。圓柱形套筒狀部件較易於製造。
或者，垂直於每一套筒狀部件之縱軸之橫截面可基本上具有八邊形之形狀。在套筒狀部件具有該橫截面之情況下，與套筒狀部件具有基本上圓形橫截面之情況相比，更容易將套筒狀部件連接於間隔件。
套筒狀部件可並排連接。或者，套筒狀部件可與套筒狀部件之間的其他部件連接在一起，以形成用於小格之間的冷卻水之較大通道。
套筒狀部件可藉由焊接連接。焊接不太複雜，但仍然為連接套筒狀部件之有力方式。
提供該間隔件之步驟可包含提供一組直板，及交叉連接該等板以致藉由交叉板之間的間隔形成小格之步驟。以此方式製造之間隔件通常稱為蛋盒(egg-box)間隔件。在隨後配置於心軸組上及隨後熱處理期間，由直板構成之壁將彎曲以致小格適合於心軸組。
間隔件之材料可由鋯基合金、鎳基合金及不鏽鋼之任一者組成。亦有可能在間隔件中使用其他適合用於核子反應爐的材料。
在本發明之以下較佳具體實例中，本發明將參考所附圖式進行描述。
在以下關於本發明之較佳具體實例之描述中，不同圖中之類似部件將用相同參考標記表示。
圖1示意性地顯示欲配置用本發明之方法製造之間隔件的反應爐1。反應爐1包含一反應爐槽2，其封閉一核心3，該核心3包含許多燃料總成4。冷卻劑流過該反應爐槽，該冷卻劑在通過反應爐槽2期間被加熱。分別經由第一管道10及第二管道12將水蒸汽自反應爐槽2傳輸至能量提取單元11及自能量提取單元11傳輸至反應爐槽2。在能量提取單元11中，熱能係來源於冷卻劑。能量提取單元11可例如包含一渦輪及一冷凝器(圖中未示)。反應爐1可為沸水型(BWR)，其中水係用作冷卻劑，且其 中水在反應爐槽2中汽化，且作為水蒸汽傳輸至能量提取單元11以驅動流動渦輪機(stream turbine)。或者，反應爐1可為壓水型(PWR)，其中水係用作冷卻劑且其中冷卻水係導向熱交換器用於汽化在包含渦輪之另一迴路中之另一介質。
圖2示意性地顯示用於沸水式反應爐之燃料總成4。在所示之具體實例中，燃料總成4包含四個燃料單元20，其各包含許多燃料棒5且置於盒21內之附帶間隔中。冷卻通道處在此等間隔與四個燃料單元20之間。各燃料單元20藉由許多(通常為3至10個)間隔件30固持在一起。
圖3示意性地顯示用於壓水式反應爐之燃料總成4。燃料總成4包含一燃料單元20，其包含許多燃料棒5。燃料單元20中之燃料棒5藉由間隔件30固持在一起。
圖4及5示意性地顯示本發明之第一具體實例之間隔件30。圖4顯示間隔件30之側面視圖，而圖5顯示間隔件30之俯視圖。間隔件30封閉許多小格31，其各具有當燃料單元20置於反應爐1中時意欲基本上垂直之縱軸x。各小格31在所述之具體實例中經配置以容納燃料棒5以致該燃料棒平行於縱軸x。各小格31由一套筒狀部件32形成，套筒狀部件32各具有一上緣33及一下緣34。套筒狀部件32亦包含四個長鄰接表面35，在所示之具體實例中長鄰接表面35自附帶之套筒狀部件32中之包圍材料(surrounding material)隆起。圖5中之每一套筒狀部件32基本上具有垂直於縱向x之八邊形形狀。套筒狀部件32 由金屬製成。
先前技術中已知將許多金屬中之一者用於間隔件30。可用於間隔件30之金屬之實例為鋯基合金、鎳基合金以及不鏽鋼。在先前技術中套筒狀部件32可以任何方式連接以將組件連接起來。例如可能將套筒狀部件32焊接在一起。根據所示之具體實例，套筒狀部件32並排相連而在不同套筒狀部件32之間無任何其他組件。
圖6示意性地顯示本發明之第二具體實例之間隔件30，其中小格31由各基本上具有圓柱體形狀之套筒狀部件32形成。套筒狀部件32亦包含四個長鄰接表面35，在所示之具體實例中長鄰接表面35自圓柱形形狀隆起且背離。
圖7示意性地顯示本發明之第三具體實例之間隔件30。間隔件30藉由連接直板52而製造，該等板經互相交叉以致間隔件30中之每一小格31由兩對平行配置之板52之間的間隔界定，該等對互相垂直配置。
圖8顯示配置有根據本發明之方法製造之兩個間隔件30的心軸組40。心軸組40包含一基座41，一組管狀心軸42配置在該基座上，該等心軸包含一縱軸43。心軸42以其縱軸43基本上平行而相互配置。每一心軸呈管狀，內側面基本上具有圓柱體之形狀，且垂直於縱軸之外側面基本上具有平截圓形之形狀。平截圓形意謂包含圓形區段44及介於圓形區段44之間的平直部分45之形狀，如圖9中所詳細顯示。每一心軸42可繞其縱軸旋轉。
圖9更詳細地顯示圖8之心軸組40中之心軸42的橫截面，該心軸42配置於間隔件30中之小格31中。圖8中之心軸具有平截圓形之形狀，其中圓形區段介於平直部分45之間。心軸可藉由繞其縱軸旋轉而調節為兩個不同位置。在圖8中，心軸位於第一位置以致圓形區段與套筒狀部件32之鄰接表面35接觸。藉由將心軸繞縱軸旋轉45∘，心軸位於其第二位置，在該位置處圓形區段配置在鄰接表面之間。
圖10為根據本發明之具體實例製造間隔件之流程圖。在第一提供步驟46中，根據上文所述之具體實例之任一者，提供至少兩個間隔件30。在第二提供步驟47中，根據上文描述，提供一包含許多心軸之心軸組。在配置步驟48中，將間隔件30以一個在另一個之上的方式配置於心軸組上以致將心軸配置穿過所有間隔件中之所有小格，其中心軸之縱軸基本上平行於小格之縱軸。在熱處理步驟49中，當間隔件配置於心軸組上時將間隔件熱處理。
該熱處理可於在範圍650℃至740℃中，且較佳在範圍690℃至720℃中之溫度下執行。已證明合適之溫度為705℃。熱處理執行17至23小時且較佳為19至21小時。已證明熱處理之合適時間為20小時。
圖11為根據本發明之替代具體實例製造間隔件之流程圖。將僅描述參看圖10描述之方法與參看圖11描述之方法之間的差異。用於此替代具體實例之方法之心軸組40中的心軸42可繞其縱軸旋轉。在配置步驟48之前的第一 設置步驟50中，將每一心軸42置於第二位置，在該第二位置處有可能將間隔件配置於心軸組40上而不使心軸與小格31中之鄰接表面35接觸。配置步驟48之後，亦執行第二設置步驟51，在該步驟中將心軸42旋轉至第一位置，在該位置處心軸與小格31中之鄰接表面35接觸。
在不脫離僅受隨附申請專利範圍限制之本發明之精神及範疇的情況下，可以許多方式改良所述具體實例。
有可能在熱處理之前將任意數目之間隔件以一個在另一個之上的方式配置於心軸組上。
在本發明之範疇內有可能於指定為最佳溫度之外的其他溫度下執行熱處理。
1‧‧‧反應爐
2‧‧‧反應爐槽
3‧‧‧核心
4‧‧‧燃料總成
5‧‧‧燃料棒
10‧‧‧第一管道
11‧‧‧能量提取單元
12‧‧‧第二管道
20‧‧‧燃料單元
21‧‧‧盒
30‧‧‧間隔件
31‧‧‧小格
32‧‧‧套筒狀部件
33‧‧‧上緣
34‧‧‧下緣
35‧‧‧鄰接表面
40‧‧‧心軸組
41‧‧‧基座
42‧‧‧管狀心軸
43‧‧‧縱軸
44‧‧‧圓形區段
45‧‧‧平直部分
46‧‧‧第一提供步驟
47‧‧‧第二提供步驟
48‧‧‧配置步驟
49‧‧‧熱處理步驟
50‧‧‧第一設置步驟
51‧‧‧第二設置步驟
52‧‧‧直板
x‧‧‧縱軸
圖1示意性地顯示欲配置用本發明之方法製造之間隔件的核子裝置。
圖2示意性地顯示用於沸水式反應爐之燃料總成。
圖3示意性地顯示用於壓水式反應爐之燃料總成。
圖4示意性地顯示本發明之第一具體實例之間隔件的側面視圖。
圖5示意性地顯示圖4中之間隔件的俯視圖。
圖6示意性地顯示本發明之第二具體實例之間隔件。
圖7示意性地顯示本發明之第三具體實例之間隔件。
圖8顯示配置有根據本發明之方法製造之兩個間隔件的心軸組。
圖9更詳細地顯示圖8之心軸組中之心軸的橫截面， 該心軸配置於間隔件內之小格中。
圖10為根據本發明之具體實例製造間隔件之流程圖。
圖11為根據本發明之替代具體實例製造間隔件之流程圖。
30‧‧‧間隔件
40‧‧‧心軸組
41‧‧‧基座
42‧‧‧管狀心軸
43‧‧‧縱軸

Claims (16)

  1. 一種製造間隔件以將至少一些長燃料棒(5)固持在一燃料單元(20)中以置於一反應爐(1)中的方法，其中各間隔件(30)封閉許多小格(31)，該等小格(31)各自具有一縱軸(x)且經配置以容納一燃料棒(5)，以致該燃料棒平行於該縱軸(x)而延伸，其中該等小格(31)之每一者包含許多基本上平行於該縱軸(x)而延伸以鄰接欲容納在該小格(31)中之該燃料棒(5)之鄰接表面(35)，且其中該方法包含提供至少兩個間隔件(30)之步驟，該方法之特徵在於以下各步驟：提供包含許多具有附帶縱軸(43)之心軸(42)之一心軸組(40)，該等心軸(42)配置於一共用基座(41)上，且該等心軸(42)以其縱軸(43)基本上平行而相互配置，將至少兩個間隔件(30)以一個位於另一個之上的方式配置於該心軸組(40)上，以致心軸(42)配置穿過所有間隔件(30)內之所有小格(31)，其中該等心軸(42)之該等縱軸(43)基本上平行於該等小格(31)之該等縱軸(x)，以致以一個位於另一個之上的方式配置之小格(31)由一共同的心軸(42)貫穿，及當該等間隔件(30)配置於該心軸組(40)上時，將該等間隔件(30)熱處理，以致該等間隔件(30)中之該等小格(31)適合於該等心軸(42)。
  2. 如申請專利範圍第1項之方法，其中該等心軸(42)呈管狀。
  3. 如申請專利範圍第1項或第2項之方法，其中在進行該熱處理之前，將至少三個間隔件(30)配置於該心軸組(40)上。
  4. 如申請專利範圍第1項之方法，其中在將該等間隔件(30)配置於該心軸組(40)上之前，將該心軸組(40)上之該等心軸(42)置於第一位置，在該第一位置處，有可能將一間隔件(30)配置於該心軸組(40)上而不使該等心軸(42)與該間隔件(30)接觸，且其中藉由在開始該熱處理之前將該心軸組(40)上之該等心軸(42)繞該等心軸之該等縱軸(43)旋轉來將該等心軸(42)置於第二位置，在該第二位置處，該等心軸(42)與該等小格(31)之該等鄰接表面(35)接觸。
  5. 如申請專利範圍第4項之方法，其中該心軸組(40)上之該等心軸(42)之每一者在垂直於該心軸(42)之該縱軸(43)之橫截面上具有平截圓形之形狀。
  6. 如申請專利範圍第1項之方法，其中該熱處理係於在範圍650℃至740℃內，且較佳在範圍690℃至720℃內之溫度下執行。
  7. 如申請專利範圍第6項之方法，其中該熱處理持續17至23小時，且較佳為19至21小時。
  8. 如申請專利範圍第1項之方法，其中該提供該等間隔件(30)之步驟包含為各間隔件(30)提供一組具有一 上緣(33)及一下緣(34)之套筒狀部件(32)，將各組套筒狀部件(32)連接於一間隔件(30)以致各套筒狀部件(32)在該間隔件(30)中形成一小格(31)之步驟。
  9. 如申請專利範圍第8項之方法，其中該等套筒狀部件(32)之每一者具有圓柱體之形狀。
  10. 如申請專利範圍第8項之方法，其中垂直於該等套筒狀部件(32)之每一者之縱軸的橫截面基本上具有八邊形之形狀。
  11. 如申請專利範圍第10項之方法，其中套筒狀部件(32)並排連接。
  12. 如申請專利範圍第8項之方法，其中該等套筒狀部件(32)藉由焊接連接。
  13. 如申請專利範圍第1項之方法，其中該提供該等間隔件(30)之步驟包含提供一組直板(52)，及將該等板(52)交叉連接以致由該等交叉板(52)之間的間隔形成該等小格(31)之步驟。
  14. 如申請專利範圍第1項之方法，其中該等間隔件(30)之材料由鋯基合金組成。
  15. 如申請專利範圍第1項之方法，其中該等間隔件(30)之材料由鎳基合金組成。
  16. 如申請專利範圍第1項之方法，其中該等間隔件(30)之材料由不鏽鋼組成。
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