CN1425181A - 水慢化核动力反应堆的燃料组件 - Google Patents

Abstract

本发明设计核能工程和技术并且可以用于设计和制造燃料组件。该燃料组件包括沿着组件布置的间隔栅格、以倾斜板形式刚性连接至间隔栅格和组件后部的支承元件以及引导管道。插座相对于间隔栅格端部以不大于1.5mm的保证间隙安装在引导管道上。第一上游间隔栅格的插座从下端的侧面进行安装，而在剩余间隔栅格上的插座从上端的侧面进行安装。由于降低了间隔栅格和插座在其相互作用期间的变形，因此提高了结构部件和元件之间的机械负载的均匀分布程度，并且也减小了整个燃料组件和其单独元件的形式变化。

Description

水慢化核动力反应堆的燃料组件

技术领域

本发明涉及核能工程和技术，并且可以用在设计和制造用于水慢化型核动力反应堆尤其是VVER-1000型反应堆的燃料组件(FA)。

背景技术

燃料组件的其中一个主要功能是使燃料元件固定并且分开。当设计和制造燃料组件时，必须牢牢固定燃料元件、在它们之间保持所要求的间隙并且反应堆特定运行条件下使它们在加热期间能够膨胀。燃料元件必须间隔开，从而它们的包层不会由于它们在由冷却剂运动而导致的振动期间内由于磨损而破裂。另外，借助燃料组件，冷却剂流布置在反应堆芯。棒形燃料元件从一侧连接在端片上，该端片通常是具有用于燃料元件顶端并且用于冷却剂通过的孔的栅格，这些孔的布置与燃料元件在其横断面中的布置相对应。

沿着燃料组件设置的间隔栅格在燃料元件之间设有规定的间隔。不同类型的格栅都是可用的但是它们都由连接成单个结构的单独单元构成，其中燃料元件通过弹簧元件或通过单元的间隔凸起上的过盈配合固定。

根据反应堆的类型，燃料元件束可以被封闭进包壳中，该包壳形成冷却剂通道，或者它们可以无需包壳安装在反应堆中。在其中冷却剂管道由压力管形成的冷却剂管道的压力管反应堆中，燃料组件做成是没有包壳的。在利用压力管制成冷却剂管道的压力管反应堆中，燃料组件并不设有包壳。在外壳型水慢化反应堆燃料组件中也不必具有包壳。

核动力反应堆燃料组件的设计是已知的，该组件包括一束安装在沿着燃料组件设置的间隔栅格中的横断面为六角形的燃料元件和由横断面为六角形的外壳连接的前后部分(Kramerov A.Ya.，设计核反应堆的问题，M.Atomizdat，1971，第198页)。

外壳具有燃料组件所需的强度和刚度。但是它将额外质量的金属引导进堆芯并且通过燃料组件之间间隔的被迫膨胀而增加燃料元件的热载荷，因为每单位体积的反应堆堆芯的燃料元件数量留下更少。另外，外壳增加了在燃料组件断面上所释放能量的不均匀性。

已知有这样一种燃料组件设计，其中在外壳中设有沿着外壳表面的长度和宽度布置的孔或者沿着外壳表面长度的窗口(FR2606200，G21C3/30，1988)。在外壳外面中设置孔或窗口基本上减小了被引导进堆芯的额外金属质量的数量，但是它不会降低燃料元件的线性热负载，并且能量释放的不均匀性甚至会提高，从而导致燃料组件更高的热变形。

已知有这样一种燃料组件设计，其中没有设置外壳，并且前后部分由穿过间隔栅格单元的引导管道连接(参见Kramerov A.Ya.设计核反应堆的问题，M.Atomizdat，1971，第204页)。

没有额外量的金属有可能会减小FA间隔，这减小了在燃料组件中的释热非均匀性和在燃料元件上的线性负载。但是，没有外壳导致强度显著降低并且FA几何形状在使用期间的变形。在向上的冷却剂流的作用下，会出现引导管道的变形和间隔栅格的位移，从而导致燃料元件变形以及它们在燃料组件中的间隔变化。所有上述都表示这种燃料组件构造刚度和稳定性不够，这本质上损害了核反应堆的安全性。

因此水慢化核能反应堆的燃料组件大部分类似于所述的燃料组件，都包括沿着组件布置并且用于六边形燃料元件束的间隔栅格、以与间隔栅格刚性连接并且连接在组件的后部上的倾斜板形式的支承元件以及穿过在间隔栅格中的一部分单元的引导管道的(RU2093906，G21C3/30，1997)。

以倾斜板形式制成的支承元件由于形成箱形结构所以在本质上增加了燃料组件的强度和刚度，并且不会将相当多的金属量引导进堆芯。

虽然在整体上提高了燃料组件的强度和刚度，但是倾斜板不能在燃料组件的中心区域中尤其在间隔栅格中提供足够的刚度。间隔栅格的中心区域承受着向上冷却剂流的明显变形作用，并且没有刚性连接的间隔栅格的中心区域在冷却剂流的作用下承受了相当大的弯曲变形。

当使用该设计的燃料组件时，有可能沿着燃料元件束移动的间隔栅格中心单元使其产生沿着燃料组件的轴线的变形。

试验研究表明，间隔栅格横断面形状的变化导致在燃料元件在单元中运动期间所施加的力会增加，这使得它们过早断裂以及整个燃料组件发生故障。

一方面，将燃料元件固定在单元中的增加的力将稍稍降低间隔栅格的变形。但是，另一方面，即使是微小的栅格变形也会显著地增加燃料元件自身的变形并且将使得其不可能相对于单元壁运动。因此，会出现所谓的卡住燃料元件的现象。

降低燃料元件在单元中的固定程度会减小燃料元件的变形。但是，在该情况中间隔栅格变形由于中心单元沿着燃料表面***而增加。该现象反过来增加了燃料元件的变形。

而且，当在燃料寿命结束时拆卸用过的燃料组件时，燃料元件的整个质量作用在下面的间隔栅格上，从而施加显著的变形力，从而导致中心单元凸起，这还会引起燃料元件变形以及破裂。由于燃料的辐射引起的膨胀、气体排出、温度效应、包层材料在离子辐射的作用下的“老化”所以在使用的最后时强度特征受到更大的损害。

因此在已知的燃料组件中，燃料元件承受永久的变形负载，并且不可能在本质上降低它们的大小。

发明概述

所披露的发明目的是形成和发展一种水慢化核能反应堆的燃料组件，该组件具有改进的可靠性、强度和刚性。

该问题的解决可以产生出新的技术后果，该后果涉及间隔栅格和燃料元件在其相互作用期间的变形的降低、在该结构的部件和元件之间的机械负载均匀分布程度的增加、整个燃料组件和其单独元件的形式变化减小。

这些技术后果是这样实现的，水慢化核能反应堆的燃料组件包括沿着组件设置并且用于六边形燃料元件束的间隔栅格、以倾斜板形式刚性连接至间隔栅格和组件后部的支承元件、以及穿过间隔栅格中的一部分单元的引导管道。，插座相对于间隔栅格端部以不大于1.5mm的保证间隙安装在在至少一部分的引导管道上，这些插座在其平面中的断面尺寸超过单元的内切直径。第一上游间隔栅格上，从下端的侧面安装插座，而在剩余间隔栅格上，从上端的侧面安装插座。

本发明的独特特征包括以下的特征。在至少一部分引导管道上设置用作间隔栅格支撑件的插座大大地降低了间隔栅格的形式变化。为此，这些插座必须刚性地连接在引导管道上，从而引导管道将接受在间隔栅格中升高的机械负载。这些插座将用作间隔栅格的支撑件，条件是插座平面断面的尺寸超过内切单元直径。否则，插座将与单元空腔接触，并且该单元将覆盖着该插座。

这些插座必须相对于间隔栅格的断面以保证的间隙安装，因为通过它们刚性连接在这些端部上，所以产生出静态不确定***，其中可能出现相当大的应力集中。

在插座和端部之间的保证间隙(该间隙具有等于0的最小值)预示了一种在它们之间特别的铰链式相互作用，这使得在组件元件中上升的应力更均匀地重新分布并且形成更牢固的构架。在试验上已经发现间隙应该不超过1.5mm，因为否则会出现间隔栅格的不可允许的变形。

还有必要的是，将插座设置在第一下游栅格下面，因为该栅格在组件拆卸期间承受最大的严重变形，由于它接受了燃料元件的整个质量。插座设置在第一上游栅格的下端下面防止它在燃料组件拆卸期间变形，并且在结构元件中出现的应力在组件部件之间更均匀地重新分布。

另外，插座可以做成是分开的并且具有其直径超过间隔栅格单元的内切直径的凸缘。

还可取的是，在至少一部分引导管道上在与安装有主插座的端部相对的端部处安装副插座。在该情况中，栅格端部和主副插座之间的间隙数值总和应该不超过1.5mm。参照附图通过其实施方案的最佳变型来对本发明的上述优点和特征进行说明。

附图的简要说明

图1显示出燃料组件的全视图；图2显示出部分纵向断面；图3显示出一部分剖视图；以及图4显示出插座的全视图。

优选实施方案的详细说明

燃料组件包括沿着组件布置并且用于六边形燃料元件束2的间隔栅格1。栅格1可以由锆合金制成。该组件的前部3和后部4可以由不锈钢制成并且通过由锆合金制成的引导管道5连接。前部3相对于引导管道5被弹簧加压。以倾斜板7形式的支承元件沿着其长度从后部4到上面间隔栅格6安装在组件的角部中。板7可以由耐辐射的锆合金制成。板7例如通过焊接刚性地连接在间隔栅格1上，并且例如通过螺钉刚性连接在后部4上。引导管道5在间隔栅格中穿过一部分单元(在图面上未示出)。可以有许多种单元形状和设计。插座8以相对于间隔栅格的端面的保证间隙安装在引导管道5上。在平面中插座8的断面尺寸超过单元的内切直径以确保插座不会进入单元空腔中。插座8可以制作有凸缘9，其直径超过内切单元直径，并且它们可以具有裂缝10，该裂缝使得插座在装配期间可以沿着引导管道自由移动。在将插座安装在引导管道上之后，通过焊接使它相对于引导管道固定。插座和间隔栅格端面之间的保证间隙δ0应该不超过1.5mm。否则，间隔栅格会出现不理想的变形和扭曲。

在第一上游栅格11处，支撑插座从下端的侧面开始布置。在剩余的间隔栅格上，这些插座从上端的侧面开始布置。插座的名义设置是由如下事实所确定的。在操作期间，冷却剂流在间隔栅格上具有明显的作用，从而导致它们变形。由于冷却剂流向上流动，所以栅格的变形也向上。因此，为了形成防止栅格变形的额外支撑，这些插座安装在除了第一上游栅格的所有栅格的上端上面。第一上游栅格11在组件拆卸再装期间承受了相当大的应力，因为在装配期间向上运动的栅格11接受了燃料元件的整个质量。

主插座8之外，这些间隔栅格在与其上安装有主插座8的端部相对的端部处可以具有额外的支撑区域。为此，可以相对于栅格端部以保证间隙安装有副插座12。副插座12可以以成对的方式安装在引导管道上：主插座8和副插座12在相同栅格的相对端部处安装在一些通道上。但是副插座可以安装在没有主插座的一些通道上。副插座12用来减小栅格的变形，因为采用主插座8，应力在栅格断面上的重新分布以及其一些单元的向下变形会在组件运行期间出现。

插座12使得可以避免这个缺点。但是在该情况中在主插座8和栅格端部之间的间隙数值δ1和在成对安装的副插座12和栅格的另一个端部之间的间隙数值δ2的总和不超过间隙数值δ0的条件下将可以实现上述效果。

上述燃料组件操作如下。当反应堆工作时，燃料组件沿着轴向方向从上方受到机械负载以防止它上浮。当整个结构被加热到工作温度时，该组件的热机械负载出现。倾斜板7连同后板7和间隔栅格1一起形成相当坚固的构架，该构架防止组件的变形和最终控制元件(在图面中未示出)可以在其中移动的引导管道的变形。主插座8和副插座12补偿间隔栅格在与其端部平行的表面中产生的变形。同时，由于负载在组件元件上更均匀地分布，所以可以形成一种坚固的结构。

因此可以采用已知的方法来制造上述燃料组件。该燃料组件的应用将使得可以显著提高燃料元件束的稳定性和该结构整体的刚度。

Claims (3)

1.水慢化核动力反应堆的燃料组件，包括沿着组件设置并且用于六边形燃料元件束的间隔栅格、以倾斜板形式刚性连接至间隔栅格和组件后部的支承元件、以及穿过间隔栅格中的一部分单元的引导管道，其特征在于，插座相对于间隔栅格端部以不大于1.5mm的保证间隙安装在引导管道上，这些插座在其平面中的断面尺寸超过单元的内切直径，并且第一上游间隔栅格的插座从下端的侧面进行安装，而在剩余间隔栅格上的插座从上端的侧面进行安装。

2.如权利要求1所述的水慢化核动力反应堆的燃料组件，其特征在于，所述插座制作有裂缝并且具有直径超过间隔栅格单元内切直径的凸缘。

3.如权利要求1或2所述的水慢化核动力反应堆的燃料组件，其特征在于，至少一部分引导管道上在与安装有主插座的端部相对的端部处安装有副插座，并且在这些栅格端部和主副插座之间的间隙数值之和不超过1.5mm。

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