TWI739852B - 燃料總成 - Google Patents

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史都爾 海默森
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瑞典商西屋電器瑞典股份有限公司
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Abstract

一種用於核反應器的燃料總成(1)，其包含界定上游端(1a)之上游次要部分(3)、主要部分(5)及界定下游端(1b)之下游次要部分(4)。燃料棒(2)在流動間隙(6)中延伸，該流動間隙允許冷卻劑在與燃料棒接觸的情況下流動穿過燃料總成。兩個狹長管(7)形成各自的內部通道，該內部通道與燃料棒平行地延伸並且包圍冷卻劑流。每個狹長管包含底部、在上游次要部分處之入口(21)及在下游次要部分處之出口(22)。每個狹長管包含入口管(23)，該入口管具有入口端(24)及出口端(25)，該出口端在距底部之一定距離處定位在內部通道中，從而在內部通道中形成出口端與底部之間的空間。

Description

燃料總成
本發明係關於一種燃料總成，其被組配為定位在核電廠之核水反應器(nuclear water reactor)，尤其重水反應器或輕水反應器LWR，例如沸水反應器BWR或壓水反應器PWR中。
更準確而言，本發明係關於一種燃料總成，其被組配為定位在核水反應器中，包含界定上游端之上游次要部分，界定下游端之下游次要部分，連接上游部分與下游部分的主要部分，多個狹長燃料棒，該等燃料棒與貫穿上游端及下游端之縱向軸線平行地來配置，上游端與下游端之間的流動間隙，該流動間隙被組配成允許冷卻劑沿著從上游端到下游端之流動方向在與燃料棒接觸的情況下流動穿過燃料總成，以及至少一個狹長管，其形成與燃料棒平行地貫穿主要部分的內部通道，並允許冷卻劑流穿過內部通道，其中狹長管包含底部、在上游部分處的通向內部通道之入口及在下游部分處的來自內部通道之出口。
允許冷卻劑流經內部通道之狹長管的目的可為在燃料總成中提供非沸騰的緩和水，或者提供當核水反應器之運行將要中斷時將控制棒引入燃料總成中的導向件。
狹長管可具有不同橫截面形狀，例如圓形、橢圓形、多邊形、十字形等。
US 2003/0128798揭示了一種用於核水反應器的燃料總成。燃料總成包含下連接板，其具有位於下連接板腔中之網路部分下方的篩板。篩板基本上水平地配置，使得下連接板藉由篩板來分成上部及下部。管狀過濾器附接到篩板，使得管狀過濾器在篩板之下方及上方具有開口。管狀過濾器之頂端係封閉的。
US 6,175,606揭示了一種用於核反應器之燃料總成，其包含多個燃料棒及碎屑過濾器，其設置在上游端與燃料棒之間的冷卻劑流中，並且組配成捕獲冷卻劑流中之碎屑顆粒。過濾裝置包含用於冷卻劑之多個通孔。
核水反應器中之冷卻劑的目的係作為冷卻液及緩和劑。為了保證燃料之適當冷卻及中子之適當緩和，確保冷卻劑流動穿過燃料總成係至關重要的。
以上論述之管狀過濾器及碎屑過濾器之目的係捕獲冷卻劑中之碎屑顆粒，從而防止碎屑顆粒被捕獲在燃料總成中之較高位置，尤其在間隔物中，其中碎屑顆粒可能會導致燃料棒之包層之磨損。磨損可能產生一次缺陷，貫穿包層之小孔，並且在稍後階段產生二次缺陷，亦即燃料棒之斷裂，此可能導致鈾洩漏到冷卻劑中。在二次缺陷的情況下，必須中斷反應器之操作並更換失效的燃料棒。此更換係耗時且代價高的。冷卻劑中之碎屑顆粒當然亦可能對核電廠中之其他組件，例如泵造成缺陷。
在當今行銷及出售之燃料總成中使用的碎屑過濾器的尺寸被設計成捕獲高於一定尺寸的碎屑顆粒，例如若顆粒係絲線顆粒，則尺寸 大約為7mm。較小碎屑顆粒被視為無害的且/或具有被捕獲在間隔物中之低概率。一個問題係此等較小碎屑顆粒將無限地循環，並且儘管被捕獲的概率很低，但是碎屑顆粒將有數百萬次被捕獲的機會。在反應器中沒有此等循環較小碎屑顆粒之天然吸收槽。
本發明之目的係解決上述問題並提供用於碎屑顆粒，尤其未被碎屑過濾器捕獲之較小碎屑顆粒的天然吸收槽。
該目的藉由最初定義之燃料總成來達成，其特徵在於狹長管包含形成入口的入口管，入口管具有入口端及出口端，出口端在距底部之一定距離處定位在內部通道之內部，從而在內部通道中形成出口端與底部之間的空間。
藉助於延伸至狹長管中之此入口管，由冷卻劑帶入內部通道中之碎屑顆粒，尤其較小碎屑顆粒，可有效地被捕獲在狹長管之底部上方緊鄰的空間中。
當離開入口管之出口端並進入內部通道時，將在內部通道中形成尾流或局部次壓力，允許任何可能的顆粒從冷卻劑流中分離並且朝向底部下沉至空間中，該等顆粒將保留在該空間中。因此，將防止它們對燃料總成以及核電廠之任何其他部件造成任何缺陷。
根據本發明之一實施例，狹長管具有內徑，其中入口管在出口端處具有小於狹長管之內徑的外徑。因此，入口管之流動面積小於內部通道之流動面積，因此當冷卻劑進入內部通道時，冷卻劑流之速度將降低， 導致壓降。以此方式，將確保尾流或局部次壓力。
根據本發明之另一實施例，入口端形成沿著或在不平行於縱向軸線之平面中延伸的開口。因此，入口管之入口端之開口指向冷卻劑流，確保了大量冷卻劑流進入入口管及內部通道。有利地，開口之平面可橫向於縱向軸線，並且因此橫向於冷卻劑流來延伸。具體而言，開口之平面可垂直於或基本上垂直於縱向軸線。
根據本發明之另一實施例，入口管貫穿底部。從製造觀點來看，此係有利的。此外，入口管之此延伸部分可使狹長管外部的為入口管所需要的空間最小化，並且因此使對冷卻劑流之任何負面影響最小化。
根據本發明之另一實施例，空間係入口管周圍之環形空間。
根據本發明之另一實施例，入口管與狹長管同心。
根據本發明之另一實施例，狹長管包含形成該底部之底端塞，其中入口管貫穿底端塞。因此，入口管與底端塞可形成公有元件，其可以便利的方式附接到狹長管之端部。
根據本發明之另一實施例，出口端位於底部下游至少0.2m之距離處。因此，該空間將具有至少0.2m之高度，其被視為足以產生允許可能的碎屑顆粒沉入狹長管之底部的足夠次壓力。較佳地，距離為至少0.3m，更佳地至少0.4m，最佳地至少0.5m。
根據本發明之另一實施例，狹長管係圓柱形的。
根據本發明之另一實施例，狹長管可具有圓形橫截面。然而，狹長管可具有任何可能的橫截面，例如橢圓形橫截面、正方形或矩形橫截面、三角形橫截面、多邊形橫截面或十字形橫截面。
根據本發明之另一實施例，狹長管包含至少一個磁體，其被設置成將磁性材料朝向底部吸引。此至少一個磁體可包含永磁體，但是電磁體亦為可能的。
根據另一實施例，該至少一個磁體可包含配置在狹長管之底部的一個、兩個、三個、四個或更多個磁體。
根據本發明之另一實施例，燃料總成包含在燃料棒上游之上游次要部分處或在其中的碎屑過濾器。此碎屑過濾器將捕獲高於一定尺寸的所有碎屑顆粒。
根據本發明之另一實施例，入口端位於碎屑過濾器之上游。因此在此情況下，入口管將貫穿碎屑過濾器。因此，所有碎屑顆粒可被收集在狹長管之空間中。
根據本發明之另一實施例，入口端位於碎屑過濾器之下游。在此變體中，僅未被碎屑過濾器捕獲之碎屑顆粒，即相對較小碎屑顆粒將被收集在狹長管之空間中。
根據本發明之另一實施例，燃料總成被組配成定位在沸水反應器中，其中狹長管包含用於將非沸騰水輸送穿過內部通道的水棒。
根據本發明之另一實施例，燃料總成包含至少兩個狹長管，每個狹長管包含用於將非沸騰水輸送穿過相應內部通道的水棒。例如，燃料總成可包含三個狹長管，每個狹長管包含用於將非沸騰水輸送穿過相應內部通道的水棒。
根據本發明之另一實施例，燃料總成被組配成定位在壓水反應器中，其中狹長管包含用於接收控制棒的導向管。例如，燃料總成可包 含多個狹長管，每個狹長管包含用於接收相應控制棒的導向管。
現在將藉由各種實施例之描述並且參考附圖來更詳細地解釋本發明。
1:燃料總成
1a:上游端
1b:下游端
2:燃料棒
3:上游次要部分
4:下游次要部分
5:主要部分
6:流動間隙
7:狹長管
7a:管部分
7b:實心部分
8:內部通道
9:間隔物
10:殼體
11:底板
12:頂板
13:手柄
14:底部件
15:入口開口
16:碎屑過濾器
20:底部
21:入口
22:出口
23:入口管
24:入口端
25:出口端
26:空間
27:底端塞
28:磁體
37:狹長管
D:內徑
d:外徑
F:流動方向
p:平面
x:縱向軸線
圖1 示意性地揭示了橫穿根據本發明之第一及第二實施例之燃料總成的縱向截面。
圖2 示意性地揭示了橫穿圖1中之燃料總成之狹長管之一部分的縱向截面。
圖3 示意性地揭示了橫穿根據本發明之第三實施例之燃料總成之狹長管之一部分的縱向截面。
圖4 示意性地揭示了橫穿根據本發明之第四實施例之燃料總成之狹長管之一部分的縱向截面。
圖5 示意性地揭示了橫穿根據本發明之第五實施例之燃料總成之狹長管之一部分的縱向截面。
圖6 示意性地揭示了橫穿根據本發明之第六實施例及第七實施例之燃料總成的縱向截面。
圖1揭示了燃料總成1之第一實施例，其被組配為定位在核水反應器中，更準確而言沸水反應器BWR。燃料總成1具有狹長形狀並且沿著在燃料總成1之上游端1a與下游端1b之間之縱向軸線x延伸。在燃料總成1在反應器中的正常使用期間，上游端1a形成下端，而下游端1b形成 燃料總成1之上端。
多個狹長燃料棒2與縱向軸線x平行地配置。每個燃料棒2包含包層管及包含在包層管中之核燃料(未揭示)，例如呈燃料顆粒之形式。
燃料棒2可包含全長燃料棒及部分長度燃料棒。部分長度燃料棒可具有例如全長燃料棒之長度的1/3及/或2/3的長度。僅全長燃料棒在圖1中示出。
燃料總成1包含界定上游端1a之上游次要部分3及界定下游端1b之下游次要部分4。主要部分5設置在上游次要部分3與下游次要部分4之間並且連接該等次要部分。主要部分5與上游次要部分3之間以及主要部分5與下游次要部分4之間的邊界在圖1中以橫向虛線表示。
主要部分5之軸向長度大於上游次要部分3及下游次要部分4之軸向長度。
主要部分5之軸向長度亦可大於上游次要部分3及下游次要部分4之軸向長度之和。
燃料總成1界定了在上游端1a與下游端1b之間的流動間隙6。流動間隙6被組配成允許冷卻劑沿著從上游端1a到下游端1b之流動方向F在與燃料棒2接觸的情況下流動穿過燃料總成1。
在第一實施例中，燃料總成1亦包含兩個狹長管7，其形成平行於燃料棒2貫穿主要部分5的相應內部通道8，參見圖2。狹長管7允許冷卻劑流穿過相應內部通道8。在第一實施例中，狹長管7形成所謂水棒，其包圍冷卻劑流，尤其非沸騰水。應當注意，狹長管7之數量可並非兩個，例如一個、三個、四個、五個、六個或更多個。
在第一實施例中，狹長管7係圓柱形的。具體而言，狹長管7可具有圓形橫截面。
燃料棒2藉助於間隔物9以本身已知的方式保持。在第一實施例中，間隔物9附接到狹長管7。
第一實施例之燃料總成1亦包含封閉燃料棒2、間隔物9及流動間隙6的殼體10。
狹長管7附接到設置在燃料棒2下方的底板11。
此外，狹長管7亦可附接到下游端1b處之頂板12。頂板12包含手柄13。底板11、狹長管7、頂板12及間隔物9形成支撐結構。支撐結構可經由手柄13來提升並且承載燃料棒2之重量。
在第一實施例中，每個狹長管7包含附接至底板11之管部分7a及形成附接至頂板12之塊狀桿的實心部分7b，如圖1所示。
燃料總成1包含通常被稱為過渡件的底部件14。底部件14延伸到上游端1a並且界定冷卻劑流的入口開口15。底部件14可附接到底板11或者殼體10。
燃料總成1包含位於燃料棒2上游之上游次要部分3處或在其中的碎屑過濾器16。碎屑過濾器16設置在上游端1a與燃料棒2之間。在第一實施例中，碎屑過濾器16設置在上游端1a與底板8之間。碎屑過濾器16可由底部件11支撐或附接到底部件11。
在第一實施例中，狹長管7中之每一者包含底部20、在上游次要部分3處的通向內部通道8之入口21及在下游次要部分4處的來自內部通道8之出口22。出口22位於狹長管7之管部分7a的下游端。
狹長管7亦包含入口管23，其形成通向內部通道8之入口21，如圖2所示。有利地，入口21之流動面積小於出口22之流動面積。
入口管23具有入口端24及出口端25。出口端25在距底部20之一定距離處定位在內部通道8之內部。以此方式，在內部通道8中形成出口端25與底部20之間的空間26。
狹長管7具有內徑D。出口端25處的入口管23具有比狹長管7之內徑D小的外徑d。
入口管23之入口端24形成沿著不平行於縱向軸線x的平面p延伸的開口。在第一實施例中，平面p垂直於縱向軸線x。
在第一實施例中，入口管23貫穿狹長管7的底部20，尤其同心地穿過底部20。
在第一實施例中，上述空間26係圍繞狹長管7之入口管23的環形空間。
狹長管7包含形成底部20的底端塞27。入口管23因此貫穿底端塞27。入口管23及底端塞27可形成公有元件，其例如藉由插入及焊接而附接到狹長管7之端部。
入口管23的出口端25位於距底部20之一定距離處。具體而言，出口端25位於底部20之下游0.2m或至少0.2m處。
更具體而言，底部20下游之距離可為至少0.3m、至少0.4m或至少0.5m。
底部20下游之距離可為至多1m。
此外，狹長管7可以可選地包含至少一個磁體28，其被設 置成將磁性材料，亦即磁性碎屑顆粒朝向底部20吸引。在第一實施例中，示出了兩個磁體28，但是可設置靠近底部20的一個、三個、四個、五個或更多個磁體。磁體位於空間26中。磁體28可為永磁體。
一或多個磁體28可具有任何合適形狀，例如設置在入口管28周圍之一個環形磁體係可能的。
在第一實施例中，入口管23之入口端24位於碎屑過濾器16之上游。此對於圖1中之右側之入口管23示出。
在第二實施例中，入口管23之入口端24位於碎屑過濾器16之下游。此對於圖1中之左側之入口管23示出。在第二實施例中，入口端可位於底板11之上游側。
圖3示出了第三實施例，其與第一實施例的不同之處在於入口管23在狹長管7之內部空間8中偏心地延伸。此外，入口管23之入口端24位於底塞27之上游表面。因此，入口端24位於碎屑過濾器16之下游，並且可能位於底板11之下游，此取決於狹長管7如何附接到底板11。
圖4示出了第四實施例，其與第一實施例的不同之處在於入口管23係彎曲的或成角度的。入口管23穿過狹長管7之一側延伸到內部通道8中，如圖4所示。因此，空間26不是環形的。
圖5示出了第五實施例，其與第一實施例的不同之處在於入口管23係彎曲的或成角度的。然而，入口管23穿過底部20，並且穿過底塞27偏心地延伸。此外，入口管23之出口端25垂直地或基本上垂直地延伸。
應當注意，可進一步修改入口管23之組態。特別地，第一 至第五實施例中所示的入口管23之各種特徵及其與狹長管7之附接可彼此組合。
圖6示出了第六實施例，其與第一實施例之不同之處在於燃料總成1被組配成定位在壓水反應器中。
應當注意，在所揭示的所有實施例中，相同的參考標記被用於相似或相應的元件。
又，根據第六實施例之燃料總成1具有狹長形狀，並且沿著燃料總成1之上游端1a與下游端1b之間的縱向軸線x延伸。在燃料總成1在反應器中之正常使用期間，上游端1a形成下端，並且下游端1b形成燃料總成1之上端。在上游端1a與下游端1b之間設置有流動間隙6。
多個燃料棒2設置在上游端1a與下游端1b之間的流動間隙6中。燃料棒2由間隔物9保持。在第六實施例中，間隔物9附接到多個狹長管37，其中兩個在圖6中示出。狹長管37形成相應的內部通道8，該內部通道8與燃料棒2平行地貫穿主要部分5，並允許冷卻劑流穿過內部通道8。每個狹長管37形成所謂導向管，其組配成當PWR之操作將要被中斷時接收控制棒。控制桿從下游端1b，亦即從上方引入狹長管37中。
與用於BWR之燃料總成1相反，根據第六實施例之燃料總成1沒有殼體，但是仍然包含如上所述之流動間隙6。
狹長管37附接到設置在燃料棒2下方之底板11及下游端1b處之頂板12。底板11、狹長管7、頂板12及間隔物9形成承載燃料棒2之重量的支撐結構。
燃料總成1亦包含底部件14。底部件14延伸到上游端1a 並界定冷卻劑流之入口15。底部件14可附接到底板12。
第六實施例之燃料總成1亦在燃料棒2上游之上游次要部分3處包含碎屑過濾器16。
如上文結合先前實施例所解釋的，根據第六實施例之每個狹長管37包含底部20，在上游次要部分3處的通向內部通道8之入口21及在下游次要部分4處的來自內部通道8之出口22。
狹長管37亦包含入口管23，其形成通向內部通道8之入口21，如圖2所示。有利地，入口21之流動面積小於出口22之流動面積。
入口管23具有入口端24及出口端25。出口端25在距底部20之一定距離處定位在內部通道8之內部。以此方式，在內部通道8中形成出口端25與底部20之間的空間26。
應當注意，第六實施例中之入口管23之組態及入口管23在狹長管37中之配置可如圖2-5揭示並且以上論述之第一至第五實施例中那樣。
本發明不限於所揭示的實施例，而是可在所附申請專利範圍之範疇內進行變化及修改。
1:燃料總成
1a:上游端
1b:下游端
2:燃料棒
3:上游次要部分
4:下游次要部分
5:主要部分
6:流動間隙
7:狹長管
7a:管部分
7b:實心部分
9:間隔物
10:殼體
11:底板
12:頂板
13:手柄
14:底部件
15:入口開口
16:碎屑過濾器
21:入口
22:出口
23:入口管
F:流動方向
x:縱向軸線

Claims (14)

  1. 一種燃料總成(1)，其被組配成定位在一核水反應器(nuclear water reactor)中，該燃料總成包含：界定一上游端(1a)之一上游次要部分(3)；界定一下游端(1b)之一下游次要部分(4)；連接該上游次要部分(3)與該下游次要部分(4)之一主要部分(5)；與貫穿該上游端(1a)及該下游端(1b)之一縱向軸線(x)平行配置的多個狹長燃料棒(2)；在該上游端(1a)與該下游端(1b)之間之一流動間隙(6)，該流動間隙(6)被組配成允許冷卻劑沿著從該上游端(1a)到該下游端(1b)之一流動方向(F)在與該等燃料棒(2)接觸的情況下流動穿過該燃料總成(1)；及至少一個狹長管(7；37)，其形成一內部通道(8)，該內部通道(8)與該等燃料棒(2)平行地貫穿該主要部分(5)，並且允許冷卻劑流穿過該內部通道(8)，其中該狹長管(7；37)包含一底部(20)、在該上游次要部分(3)處的通向該內部通道(8)之一入口(21)及在該下游次要部分(4)處的來自該內部通道(8)之一出口(22)，其特徵在於該狹長管(7；37)包含形成該入口(21)之一入口管(23)，該入口管(23)具有一入口端(24)及一出口端(25)，該出口端(25)在距該底部(20)之一定距離處定位在該內部通道(8)之內部，從而在該內部通道(8)中形成該出口端(25)與該底部(20)之間的一空間(26)， 其中該狹長管(7；37)包含至少一個磁體(28)，該磁體(28)被設置成將磁性材料朝向該底部(20)吸引。
  2. 如申請專利範圍第1項之燃料總成，其中該狹長管(7；37)具有一內徑(D)，並且其中該入口管(23)在該出口端(25)處具有一外徑(d)，該外徑小於該狹長管(7；37)之該內徑(D)。
  3. 如申請專利範圍第1或2項之燃料總成，其中該入口端(24)形成一開口，該開口沿著不平行於該縱向軸線(x)之一平面延伸。
  4. 如申請專利範圍第1或2項之燃料總成，其中該入口管(23)貫穿該底部(20)。
  5. 如申請專利範圍第4項之燃料總成，其中該空間(26)係圍繞該入口管(23)之一環形空間。
  6. 如申請專利範圍第4項之燃料總成，其中該狹長管(7；37)包含形成該底部(20)之一底端塞(27)，並且其中該入口管(23)貫穿該底端塞(27)。
  7. 如申請專利範圍第1或2項之燃料總成，其中該出口端(25)位於該底部(20)下游至少0.2m之一距離處。
  8. 如申請專利範圍第1或2項之燃料總成，其中該狹長管(7；37)係圓柱形的。
  9. 如申請專利範圍第1或2項之燃料總成，其中該燃料總成(1)在該等燃料棒(2)上游之該上游次要部分(3)處包含一碎屑過濾器(16)。
  10. 如申請專利範圍第9項之燃料總成，其中該入口端(24)位於該碎屑過濾器(16)之上游。
  11. 如申請專利範圍第9項之燃料總成，其中該入口端(24)位於該碎屑 過濾器之下游。
  12. 如申請專利範圍第1或2項之燃料總成，其中該燃料總成(1)被組配成定位在一沸水反應器中，並且其中該狹長管(7)形成一水棒，該水棒用於將非沸騰水輸送穿過該內部通道(8)。
  13. 如申請專利範圍第12項之燃料總成，其中該燃料總成(1)包含至少兩個狹長管(7)，每個狹長管(7)形成用於將非沸騰水輸送穿過相應內部通道(8)的一水棒。
  14. 如申請專利範圍第1或2項之燃料總成，其中該燃料總成(1)被組配成定位在一壓水反應器中，並且其中該狹長管(37)形成用於接收一控制棒的一導向管。
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