TWI484501B - 使用混合間隔件型態之燃料束設計 - Google Patents

Description

使用混合間隔件型態之燃料束設計

本發明之實例實施例一般係關於核電廠中使用的燃料結構及使用燃料結構之方法。

一般地，核電廠包含一反應爐芯，其具有配置於其中之燃料以藉由核裂變產生能量。在美國核電廠中之一普遍設計係將燃料配置在複數個束在一起的經包覆燃料棒中，作為放置在該反應爐芯內之一燃料總成或燃料束。此等燃料束通常包含軸向放置遍及該束之若干間隔元件以減弱該等燃料棒之振動、確保該等燃料棒之最低限度分離及相對定位且混合軸向流過該束及其內之間隔件之冷卻劑。

如圖1中顯示，一核反應爐(諸如一BWR)之一習知燃料束10可包含圍繞一上部繫板14及一下部繫板16之一外部通道12。複數個全長度燃料棒18及/或部分長度燃料棒19可呈一矩陣方式配置在該燃料束10內且通過彼此軸向間隔之複數個間隔件20並保持該等棒18、19在其預設矩陣中。該等燃料棒18、19一般自其基座連續至終端，在該全長度燃料棒18之情況下，其係自該下部繫板16至該上部繫板14。照慣例，一燃料束10使用皆具有相同液壓或操作特性之間隔件20，使得所有間隔件20可稱為一單一間隔件型態。

本發明之實例實施例係關於使用相同燃料束內之多種燃料間隔件型態之燃料束設計。可基於該間隔件之軸向位置、該間隔件之特性、該特定燃料束之冷卻劑特性及該特定燃料束之位置及/或等等決定每一間隔件位置之間隔件型態。歷史效能資料、預測模擬及/或工程分析可用於決定在何位置處之何種間隔件型態導致用於實例燃料束之最佳操作條件及裕度。

藉由詳細描述隨附圖式將對本發明實例實施例獲得更深一層之瞭解，其中相似參考數字代表相似元件，該等實例實施例僅作為說明性且因此本發明並不限於本文之該等實例實施例。

本文揭示本實例實施例之詳細的說明性實施例。然而，本文揭示的特定結構及功能性細節僅代表用於描述實例實施例之目的。然而，實例實施例可以許多代替形式予以體現且不應被理解為僅受限於本文闡述的實例實施例。

雖然本文中術語第一、第二等等可用於描述各種元件，但應瞭解此等元件並不受限於此等術語。此等術語僅用於區分一元件與另一元件。舉例而言，在不背離本發明之範圍下，一第一元件可稱為一第二元件，且類似地，一第二元件可稱為一第一元件。如本文使用的，術語「及/或」包含相關列出的項目之一或多者之任何或所有組合。

應瞭解當一元件被稱為「連接」、「耦接」、「配接」、「附接」或「固定」至另一元件，其可直接連接或耦合至其他元件或存在中間元件。相反地，當一元件被稱為「直接連接」或「直接耦接」至另一元件，則不存在中間元件。應以相同方式解譯用於描述元件間之關係之其他詞(例如，「之間」對「直接之間」、「相鄰」對「直接相鄰」等等)。

本文使用的術語僅用於描述特定實施例之目的且不意欲受限於實例實施例。如本文使用的，單數形式「一」、「一個」及「該」意欲亦包含複數形式，除非文字另行明確指出。應進一步瞭解術語「包括」、「包含」、「含有」及/或「具有」(當本文使用時)指定闡述的特徵、整數、步驟、操作、元件及/或組件之存在，但並不排除一或多個其他特徵、整數、步驟、操作、元件、組件及/或其群組之存在或增加。

圖2係一實例實施例柵格型態間隔件21之一圖示。如本文使用的，一特定「型態」間隔件一般係指具有大體類似液壓機操作特性之所有間隔件，不考慮在形狀、大小、棒矩陣數目等等中之其它較小改變。如圖2中顯示，柵格型態間隔件21係劃分為若干「盒」27之焊接金屬格，燃料棒18/19可通過該等「盒」27。透過使用阻力性接觸片段22(稱為止檔及/或彈簧)，柵格型態間隔件可摩擦地夾緊該等燃料棒，且緊靠通過該間隔件20之每一棒之外部。混合突片及/或旋流葉片23可自該間隔件21延伸，以便使流過該間隔件21及通過其延伸的燃料棒之一冷卻劑/緩和劑混合得更好。實例實施例之柵格型態間隔件21可以多種方式加以修改且仍可被認為係一柵格型態間隔件。舉例而言，該間隔件中之水棒之間隙可重定大小、重定形或省略。或舉例而言，可依據該燃料總成之尺寸及特性改變盒27之數量及位置。此等改變可能對實例實施例之柵格型態間隔件之整體液壓性質產生一可忽略之效應，允許其仍能被分類為柵格型態間隔件。

圖3係一實例實施例套圈型態間隔件25之一圖示，包含以一柵格方式配置之若干套圈26。每一套圈26可彈性地套在一燃料棒18/19周圍，允許在一燃料棒18/19與間隔件25間之較少接觸及/或對於流經燃料棒18/19與間隔件25間之間隙的一流體薄膜提供一較少限制之流動路徑。實例實施例間隔件21及25當高速冷卻劑軸向流經該束10時可在該燃料束內之恆定軸向位置處保持靜止且可保持燃料棒18/19在一燃料束內之一靜態方位。實例實施例套圈型態間隔件25可以若干方式加以修改且仍可被認為係一套圈型態間隔。舉例而言，該間隔件中之水棒之間隙可重定大小、重定形或省略。或舉例而言，可依據該燃料總成之尺寸及特性改變套圈26之數量及位置。此等變化可能對實例實施例之套圈型態間隔件之整體液壓性質產生一不可忽略之效應，但仍允許其被分類為套圈態間隔件。

發明者已認識到具有混合突片或葉片之柵格型態間隔件(諸如圖2中所示者)增進流經該等間隔件之一冷卻劑/調節劑流動混合與含有混合突片或葉片之燃料束。對使用具有混合葉片之柵格間隔件之一些燃料束，增加的流動混合導致改良的效能及臨界功率比。

然而，發明者已認識到柵格型態間隔件可能惡化燃料對於涉及流經芯之冷卻劑之突然損失之意外或瞬變情節之回應。發明者已認知在柵格類型間隔件之該等柵格與圓柱形燃料棒間之幾何形狀在該燃料棒周圍與每一柵格之隅角間形成一「楔形」24(如圖2之細節A中顯示)，其可將來自該燃料棒周圍之流體薄膜剪離而在燃料棒表面上析出乾燥斑點之形成物。損失與該燃料棒表面上之流體冷卻劑之接觸極大減少了轉移至該冷卻劑之熱量，導致該燃料棒過熱且對該燃料棒之潛在損害。

發明者已進一步認識到套圈類型燃料間隔件(諸如圖3中所示者)不會將來自該燃料棒表面之該流體薄膜剪離至如該柵格型態間隔件造成的程度。如圖3中顯示，套圈型態間隔件柵格不具有出現於該柵格型態間隔件柵格中可能促進自該流體薄膜挾帶流體之該「楔形」24，其加速了損失與該燃料棒表面上之流體冷卻劑之接觸及/或至該冷卻劑之熱轉移之減少。模擬進步型沸水反應爐(ABWR)中之冷卻劑芯流之突然損失之全規模束測試示範了套圈型態間隔件相對於柵格型態間隔件對瞬變流動條件具有較低敏感度，部分由於套圈型態間隔件延長了流體薄膜流動與燃料棒表面間之接觸的能力。在該等測試中，對此一流動瞬變事件之回應(測量為用於乾燥之初始裕度對該瞬時期間記錄的最小裕度之比)，利用套圈型態間隔件比利用柵格型態間隔件要好大約1/10。

發明者已認識到在出口位置(在較接近於流經該燃料束之冷卻劑之出口之該燃料束中之位置)中之間隔件可更易於引致損失流體薄膜流與燃料棒表面間之接觸及引致在瞬變流動條件期間之乾燥斑點的隨後形成。特別地，在瞬變流動情節期間，在該束之出口附近，相對於柵格型態間隔件，套圈型態間隔件可延長流體薄膜與燃料棒表面間之接觸。此延長的接觸在特定情況下可能比藉由具有流動翼件的柵格型態間隔件實現之增強混合之益處更重要，舉例而言，包含當在燃料束之出口附近的液體形式冷卻劑之濃度達到非常低分率時，在該處自該燃料棒表面剝離任何流體薄膜之該「楔形」之副作用變得尤其有害。

因此，實例實施例燃料束在採取實例實施例柵格型態及套圈型態間隔件之上述經瞭解的大多數優點之位置處使用了柵格型態及套圈型態間隔件兩者，且在正常及瞬變操作條件期間提供改良的熱轉移。

圖4係一實例實施例燃料束100之一圖示。如圖4中顯示，束100可包含類似於習知燃料束10者(如圖1中顯示)之若干特徵，其中省略冗餘特徵之描述。實例實施例燃料束100基於該特定間隔件120之軸向位置可包含若干不同型態間隔件120。雖然顯示實例實施例燃料束100具有兩個間隔件120a及120b，但應瞭解在實例實施例燃料束中可使用任何數量的間隔件。

在該束100之入口101附近(此處該冷卻劑最可能完全為液體)之間隔件120a可係具有混合或流動葉片之一實例實施例之柵格型態間隔件21(如圖2中顯示)。在該束100之較靠近出口102附近(此處冷卻劑最可能係更多空隙的且係氣態的)之間隔件120b可係一實例實施例套筒型態間隔件25(如圖3中顯示)。以此方式，實例燃料束100可得益於來自實例實施例柵格型態間隔件120a之增加的流體混合，及用於在液體形式之冷卻劑大部分存在作為燃料棒表面上的流體薄膜之處(通常在較接近該燃料束出口之間隔件位置處)減少流體薄膜剝離之改良的幾何形狀。依據由束100遇到的冷卻劑特性，中間間隔件及/或任何其他未顯示的可係柵格或套圈型態間隔件任一者。

基於上文討論的柵格及套圈型態間隔件及特定間隔件位置及特性的認識，熟習此項技術者可決定用於實例實施例燃料束100之間隔件120a、b等等之最佳間隔件型態。舉例而言，可執行一工程測試來模擬冷卻劑條件(包含預期用於遍及該芯之燃料束的芯流率、入口冷卻劑溫度及空隙分率、束溫度及熱產生率、熱轉移率等等)且決定在特定位置處之套圈型態及柵格型態間隔件之何種混合可導致該燃料束100之最佳操作參數，諸如臨界功率比、偏離核沸騰等等。

或者，一已知模擬程式可用於模擬正常操作或瞬變情節以便決定在特定位置套圈處型態及柵格型態間隔件之何種混合可導致該燃料束100之最佳操作參數。

又或者，一工程師可使用其經驗及工程分析來預測冷卻劑條件，包含將在一特定束位置及該束內之軸向位置遇到的芯流率、入口冷卻劑溫度及空隙分率、束溫度及熱產生率、熱轉移率等等。基於此等冷卻劑性質，工程師可決定在特定位置處套圈型態及柵格型態間隔件之何種混合可導致該燃料束100之最佳操作參數，諸如臨界功率比、偏離核沸騰等等。

總之，在設計及製造一實例實施例燃料束中，基於上文闡述之期望的操作參數、冷卻劑特性及間隔件位置，工程師在操作期間(包含正常及瞬變操作)可決定一目標燃料束回應、決定此等操作期間經歷的冷卻劑特性(包含可受間隔件型態影響的任何冷卻劑特性)及/或為每一軸向間隔件位置指定一間隔件型態。基於經決定的間隔件型態及位置，可根據管理規則、經建立的設計程序及已知的製造技術設計一實例實施例燃料束。

因此描述實例實施例及方法，熟習此項技術者應瞭解透過例行試驗可改變實例實施例且無須進一步的發明動作。改變不應被認為背離實例實施例之精神及範圍，且熟習此項技術者將會瞭解之所有此等修改包含在以下申請專利範圍之範圍內。

10．．．燃料總成

12．．．外部通道

14．．．上部繫板

16．．．下部繫板

18．．．全長度燃料棒

19．．．部分長度燃料棒

20．．．間隔件

21．．．柵格型態間隔件

22．．．阻力性接觸片段

25．．．套圈型態間隔件

26．．．套圈

27．．．盒

100．．．燃料束

101．．．入口

102．．．出口

120．．．間隔件

120a．．．柵格型態間隔件

120b．．．套圈型態間隔件

圖1係具有經貼附至一相關技術燃料總成之柵格型態間隔件之該燃料總成之一圖示。

圖2係可用於實例燃料總成中之一實例實施例柵格型態燃料間隔件之一圖示。

圖3係可用於實例燃料總成中之一實例實施例套圈型態燃料間隔件之一圖示。

圖4係具有混合型態燃料間隔件之一實例實施例燃料總成之一圖示。

14．．．上部繫板

16．．．下部繫板

18．．．全長度燃料棒

19．．．部分長度燃料棒

100．．．燃料束

101．．．入口

102．．．出口

120a．．．柵格型態間隔件

120b．．．套圈型態間隔件

Claims (12)

1. 一種核燃料束，其包括：在一軸向方向上佈置在一通道中之複數個燃料棒；在一第一軸向位置處之一橫向中跨越該通道之一柵格型態間隔件，該等燃料棒之至少一部分通過該柵格型態間隔件且藉由該柵格型態間隔件對齊，該柵格型態間隔件係經組構以摩擦地固持該等燃料棒；及在一第二軸向位置處之該橫向中跨越該通道之一套圈型態間隔件，該套圈型態間隔件包括複數個套圈，各套圈具有一圓橫截面形，該套圈型態間隔件經組構使其比該柵格型態間隔件更少接觸於該燃料棒之一外表面，該第一軸向位置比該第二軸向位置更接近於該核燃料束之一冷卻劑入口，該等燃料棒之至少一部分通過該套圈型態間隔件且藉由該套圈型態間隔件對齊，該柵格型態間隔件包括複數個盒，各盒至少包括混合突片及旋流葉片其中之一者，該混合突片及旋流葉片係組構用以相較於該套圈型態間隔件增加一冷卻劑流之混合，其中在比任何具有套圈之間隔件離該冷卻劑入口更遠之諸軸向位置上無額外之柵格型態間隔件。
2. 如請求項1之燃料束，其進一步包括：在該第二及該第一軸向位置間之一第三軸向位置處之該橫向中跨越該通道之一第三間隔件，該第三間隔件係套圈型態間隔件及柵格型態間隔件之一者，該等燃料棒 之至少一部分通過該第三間隔件且藉由該第三間隔件對齊。
3. 如請求項2之燃料束，其中該第三間隔件係基於該燃料束之冷卻劑特性之一選定型態，該等冷卻劑特性包含芯流率、入口冷卻劑溫度及空隙分率、束溫度及束熱產生率及束冷卻劑熱轉移率之至少一者。
4. 如請求項2之燃料束，其中該第三間隔件係一柵格型態間隔件。
5. 如請求項2之燃料束，其中該第三間隔件係一套圈型態間隔件。
6. 一種核燃料束，其包括：在一軸向方向上佈置在一通道中之複數個燃料棒；在一第一軸向位置處之一橫向中跨越該通道之一第一間隔件，該第一間隔件包含複數個盒，該等燃料棒之一者通過該等盒之一者且經由自該第一間隔件延伸之一阻力性接觸片段摩擦地配接至該第一間隔件；及在一第二軸向位置處之該橫向中跨越該通道之一第二間隔件，該第二間隔件包含以一格子方式配置之複數個套圈，該套圈具有一圓橫截面形，該第二間隔件經組構使其比該第一間隔件更少接觸於該燃料棒之一外表面，該等燃料棒之一者通過該等套圈之一者且經由該套圈摩擦配接至該第二間隔件，該第一軸向位置比該第二軸向位置更接近於該核燃料束之一冷卻劑入口，該盒至少包括混合突片及旋流葉片其中之一者，該混 合突片及旋流葉片係組構用以相較於該套圈型態間隔件增加一冷卻劑流之混合，其中在比任何具有套圈之間隔件離該冷卻劑入口更遠之諸軸向位置上無額外之柵格型態間隔件。
7. 如請求項6之燃料束，其進一步包括：在該第二及該第一軸向位置間之一第三軸向位置處的該橫向中跨越該通道之一第三間隔件，該第三間隔件具有盒及套圈之一者。
8. 如請求項7之燃料束，其中該第三間隔件係基於該燃料束之冷卻劑特性之一選定型態，該等冷卻劑特性包含芯流率、入口冷卻劑溫度及空隙分率、束溫度及束熱產生率及束冷卻劑熱轉移率之至少一者。
9. 如請求項1之燃料束，其中該等套圈不包括混合突片或旋流葉片，該套圈係經組構以提供相較於該盒，對該冷卻劑流更低阻力之流動路徑。
10. 如請求項6之燃料束，其中該等套圈不包括混合突片或旋流葉片，該套圈係經組構以提供相較於該盒，對該冷卻劑流更低阻力之流動路徑。
11. 如請求項1之燃料束，其中該套圈型態間隔件之各套圈係成一圓柱形。
12. 如請求項6之燃料束，其中該第二間隔件之各套圈係成一圓柱形。