CN85109766A - 核反应堆用燃料组件 - Google Patents

Abstract

核反应堆用的一种燃料组件，它包含有一个骨架，该骨架具有由一些细长部件连接在一起的两个管嘴以及沿着导向管间隔布置的一些格架，这些格架形成一些栅元，用来将燃料元件束固定就位在规则栅格的节点上。上述格架包括有：适用于承受横向冲击并装有尾翼(用于对沿着燃料组件的冷却剂流产生扰动)的中间格架、不装尾翼且具有燃料元件横向支撑作用的下格架、以及装有尾翼并具有燃料元件横向支撑作用的上格架，上、下格架对冷却剂造成的压力损失比中间格架要小。

Description

本发明论述了用于核反应堆的一种类型的燃料组件，这种类型的燃料组件包含有一个骨架，该骨架具有由一些细长部件（如导向管）连接在一起的两个管嘴以及沿着导向管间隔布置的一些格架，这些格架形成一些栅元，用来将一束燃料元件固定就位在规则栅格的节点上。这种燃料组件特别适合应用于能谱偏移的轻水反应堆中，这种堆中的初始剩余反应性通过使反应堆欠慢化和硬化中子能谱的办法来加以补偿，中子的增加部分由可转换材料吸收掉。在这种反应堆中，对于预定的燃料燃耗有可能通过将含有对中子透明的材料或可转换材料（例如贫铀）的棒从内部充水的导向管中移出来增加慢化率。

在上面规定的这种类型的燃料组件中，格架完成许多独立的功能。它们对含有裂变材料的燃料元件起到导向和支撑作用;它们对于燃料组件在操作、事故和可能的地震过程中可能遭受的横向冲击具有抗冲击的能力;在许多情况下，这些格架对冷却剂流产生扰动，并使组件内的冷却剂流发生偏移，以便使温度均匀化并防止形成会导致局部沸腾和包壳损坏的热点。这些燃料组件的说明可在许多参考文献中找到，例如European（欧洲）54，236（西屋公司）和U.S（美国）4，059，483（Anthony公司）。

完成所有这些功能所需的格架对于组件中的冷却剂流造成一个压力降，这个压力降应尽可能地小。而同时，为进一步提高核反应堆的热性能进行了研究工作，由这些工作引导到增加冷却剂的流速，从而增加了由冷却剂加在燃料组件各部件上的力。在能谱偏移的反应堆中这一问题变得更为尖锐，因为部分的截面积应专留给与水置换棒有关的导向管，而且为了将相同数量的裂变材料放进燃料组件中应减小栅 距。其结果，可用于冷却剂流的截面积减少了，由此造成压力降增加，并使燃料组件上部（即下游部分）产生泡核沸腾之前的保护盈余度减少。

本发明的目的是提供上面规定的那种类型的燃料组件，这种燃料组件与通常的组件相比，压力降减小，但具有类似的机械强度。为此，提供了一种燃料组件，在此组件中的格架具有数种不同的型式，可以认为包括有中间格架、下格架和上格架。中间格架用来承受横向冲击，并装有尾翼，用以在沿着燃料组件的冷却剂流中产生扰动作用;下格架不装有尾翼，用作燃料元件的横向支撑;上格架装有尾翼并具有燃料元件的横向支撑作用;上格架和下格架对冷却剂造成的压力降比中间格架产生的要小。

这种布置显著地减小了同样流速条件下的总压力降，因为单就中间格架而言，它必须具有很强的刚度，它所造成的压力降同通长在以前燃料组件中使用的格架所造成的压力降不相上下（如果省去常见的燃料元件支撑弹簧，则略为低一些），而上格架和下格架则可比中间格架造成小得多的压力损失。

实际上，中间格架的高度一般比上格架和下格架要大，中间格架栅元的每一个壁由两个凸台，用来支承相应的燃料元件，而上述凸台的位置沿液流方向是有偏移的。上格架和下格架的每一个壁可能有一个凸台。

为了增加中间格架的刚度，中间格架可以用纵向有弯曲的并起加强肋作用的舌片向逆流方向（即向下）延伸。

已经提出过一些燃料组件，在这些组件中，燃料元件只通过两个靠近上管嘴、下管嘴的端部格架进行轴向支撑（French（法国） 2，496，316），这两个端部格架可以用不同于其它格架的，具有较大中子吸收能力的材料（例如“因科镍”镍-铬基合金）来制成，而不采用锆基合金，因为这两个端部格架位于堆芯的端部区域。而其目的只是为了在堆芯中尽可能少用中子吸收截面很大的材料来改善中子平衡。在依照本发明设计的一种燃料组件中，在上面提到的但用中子吸收截面低的材料制成的顶部夹持格架的上方设置一个支撑燃料元件的附加格架，可以达到类似的结果。

由于减小了对流经每一个格架的液流所造成的压力降，燃料组件中的格架总数可以增加;此外，通常还具有不以相等的间隔配置格架的优点，而是沿着流动方向逐渐地减少间隔，以便在下游部分增加扰动，从而防止出现泡核沸腾。

通过对举例给出的特定具体装置进行的下述说明，将会更好地理解本发明。

图1是以正视图形式表示的可能应用本发明的一个燃料组件的骨架或构架的简图;

图2是以放大的比例尺表示了限定一个栅元的栅格板交叉布置的的顶视简图;

图3是表示图1中燃料组件下格架的两个壁上所形成的凸台的透视图，图中未按规定的比例尺表示;

图4是沿图3Ⅳ-Ⅳ线切取的剖视图;

图5和图6类似于图3和图4，但表示的是中间格架;

图7用沿着与中间格架的一块板相平行的垂直平面切取的剖面图比图5和图6更加逼真地表示了组成中间格架的各块板的可能形式;

图8是图7中一部分的顶视图;

图9类似于图3，但对应于图1中燃料组件的上格架;

图10是一个顶视图，它表示了可用于图1所示燃料组件的最末端的上格架的一部分;

图11是沿着一个垂直平面切取的剖视图，它表示了图1中燃料组件顶部的一部分，特别表示了导向管、上管嘴和最末端的轴向支撑格架的配合;

图12是一个采用放大比例尺的示意图，它相应于图11的点划线部分，表示了燃料元件如何用最末端的格架进行支撑;

图13是表示应用于图11燃料组件的上管嘴的顶视图;

图14是表示图1燃料组件的下管嘴具体装置的部分纵剖面图;

图15是以沿图14中ⅩⅤ-ⅩⅤ线切取的剖面表示的下管嘴的顶视图;

图16是表示燃料组件的导向管与下管嘴之间连接的改进的详图;

图17表示在图18ⅩⅦ-ⅩⅦ线的平面内燃料元件是怎样导入下管嘴中的;

图18是图17的底视图;

图19相似于图14，但表示了一种改进了的结构。

现在参看图1，该图表示了一种适用于能谱偏移的压水反应堆中的燃料组件，这种类型的燃料组件在文件French（法国）2，496，320（西屋公司）或French（法国）2，535，502（法马通公司及子公司）中也作了举例说明，可以参阅这些文件。燃料组件10包含有布置在正方形网眼栅格节点上的裂变燃料元件（图中未表示）。导向管位于栅格的许多节点上，也是有规则地分布的。导向管有两种不同的类型，导向管12组成燃料组件的骨架，并连接 到管嘴和格架上;而另一种导向管13并不与管嘴进行机械连接，而是滑动地安放在格架的栅元中。有些导向管对含有中子吸收材料的控制元件（即“黑”棒或“灰”棒）起导向作用，用来控制反应性。另一些导向管用来对调节慢化比、通常包含有可转换材料的细长部件起导向作用，并（或）用来排出导向管中所含的水。在燃料元件栅格的中心可以装有一根测量管道14。

除导向管外，燃料组件的骨架还包括有下管嘴15、上管嘴16以及现在将要予以说明的一系列的格架。这些格架至少固定到数个导向管上，它们可以分成四类，可以分别称之为“下格架18”、“中间格架20”、“上格架21”和“最末端的支撑格架22”，现在将对之依次进行说明。

格架18、20、21和22是由两组交叉连接的板构成，它们利用搭接组装在一起形成栅元。一般，格架18、20和22由一种常称之为“锆合金”的具有低俘获截面的锆基合金制成的。但是，格架22具有支撑功能，它可以用具有较好机械性能的合金，例如用“因科镍合金”制成。

图2以顶视图表示了格架18、20和21的外形。这些格架包含有两组板24，板中形成有搭接组装槽26（见图3）。装配在一起时，将两组板在点28处用电子束焊接起来。对板24进行冲压以形成一些凸台，这些凸台从板的每一侧突出到两个相邻的栅元中，例如图2中的栅元30和32中。这些凸台为裂变材料元件（如图2中所示的燃料元件34）提供横向支撑。

格架18（图3、图4中表示）在每一个栅元面上包含有一个凸台，对应于栅元30的凸台用图3和图4的标记号36来表示。两个 面上的凸台与两个相垂直的栅元面上所带有的凸台处于不同的标高上。因此，每一个裂变材料元件34依靠同4个凸台相接触来进行横向支撑。除去壁面是限定一个由导向管13占用的栅元情况以外（见图2），同每一个凸台36毗邻有一个朝向相反方向的凸台38。格架18不包含有任何尾翼，所以它们很少地参与使液体流进行搅拌，因而只产生很小的压力降。没有搅拌并不说明是一个明显的缺点，因为在这些格架所处的区域内，冷却剂离开燃料组件出口端将要达到的最高温度还相差很远。格架18主要提供燃料元件的横向支撑，这样的效果用较低高度的格架且无需元件支撑部件占用的很大空间便可以得到。

应用一个从栅格板延伸出来并焊接到导向管12上的凸耳，便可使格架18连接到该导向管。格架18可以用有关栅元中的简易配合来简单地进行定位，或者可以通过栅格板上加工形成的凸块来保持同导向管13相接触。

中间格架20可能具有图5和图6所示的一般结构。除燃料元件轴向支撑功能外，这些格架实际上完成了一般燃料元件中所用格架（彼此全部相同）的全部功能，因为图5和图6表示的格架不带能恢复原状的夹紧弹簧。

格架20的第一个功能是保护裂变材料的元件棒束免受燃料的组件10可能承受的横向冲击，这些格架20必须特别能承受住由地震引起的或在运行或装卸操作过程中由事故引起的无横向断裂性的冲击。格架20必须具有一定的厚度和高度，使得不会由于格架变形而出现流道缩小进而使燃料元件包壳温度达到危险数值。必须不会出现导向管或栅格变形而妨碍燃料元件棒束的移动。为此，格架20的栅格板24通常比格架18的栅格板要更厚和更宽一些。

（中）格架20的第二个功能是从上而下流过栅元（例如30）的冷却剂流引进扰动，为此，栅格板上可以装有倾斜的尾翼40，例如，在法国专利申请FR    84    16803中所述的那种尾翼。

为了进一步提高格架的刚度，至少有一些栅格板扩展有唇缘42，且唇缘42上至少具有一个纵向的加强肋44，唇缘42还具有使冷却剂从两个不同的高度46和48冲击栅元30的优点。

格架20还起到对燃料元件的横向支撑作用，这是由位于每一面上两个高度的凸台36和38来提供的，这和格架18中只在一个高度上有凸台是不同的。

图7和图8表示了格架20的一种可能采用的结构，图中表示了在有些导向管上的固定舌片49。

最后，上格架21具有同格架18相同的横向支撑作用，它还提供有在冷却剂处于最高温度的燃料组件部分中所需的液流搅拌作用。图9（图中与图3相对应的部件用相同的标记号来表示）表示了栅格板装有尾翼40，它可能和格架20的尾翼具有同样的结构。

可以看到，从泡核沸腾或偏离泡核沸腾（DNB）的观点来看处于关键性位置的格架21，符合压力损失减小和冷却剂均匀化两个条件。

现在将通过简单的例子给出一些关于格架18、20和21可能采用的尺寸数值。

格架18由称之为“锆合金”的锆基合金制成的栅格板24所构成，栅格板的高度在20至40mm之间，取34mm更有利，其厚度在0.2至0.5mm之间。格架20可用“锆合金”板构成，板的高度在40至70mm之间（取63mm有利），厚度在0.3至0.6mm之间（取0.4mm有利）。格架21具有和格架18相同的尺寸，只在增 加尾翼这一点上有区别。

如果在这些条件下我们认为一般型式格架（它包含有将燃料元件夹持在适当位置上用的弹簧）的压力降系数为1，则格架18、20和21的压力降系数分别大约为0.5、0.9和0.7。

如果燃料组件10包括有三个格架18、三个格架20和两个格架21，则我们就有累积的压力降5.6，而不是八个一般格架时的压力降8，其效益约为30%。

这样，对于相同的压力降，本发明可以增加格架的数目，以使冷却剂流在整个元件棒束高度上实现均匀化。格架数目的增加可使格架采用可变的间距，特别是由于格架21具有较小的间距可以加强元件棒束下游部分中的均匀化。

此外，则格架数目的增加改善了燃料组件几何形状的稳定性，并限制了含有裂变材料的燃料元件在辐照条件下的弯曲现象。

虽然从减小压力损失的观点来看，使用凸台36和38来夹持燃料元件表现出显著的优点，但至少对某些格架来说只要保持由切削和冲压栅格板所形成的波浪形，本发明就同样可以应用。

图1所示的燃料组件10还包含有一个直接位于最末端的上管嘴16下面的最末端的格架22，在活性区中的这一位置上中子通量较低，这就意味着格架22可以用中子吸收截面比“锆合金”更大的材料来制成，可从材料的机械强度性能方面进行选择。这样，格架22可用铁类合金或镍-铬合金（例如“因科镍合金”）来构成。

格架22的唯一功能是将裂变材料元件34在轴向上固定定位。因此它并不包含有任何尾翼，而且它的部件可以设计得尽量减少压力损失。

图10至图12表示了格架22的可能结构。格架22的栅格板24限定了内部插有裂变材料元件34的栅元，每一根燃料元件配置有一个管塞50，管塞50带有一个形成下面环形台肩的轴环52。在格架22的栅格板24中，通过切削和冲击形成一定深度的凸台54，使得这些凸台同轴环52的台肩相接触并支持住燃料元件。举例来说，台肩的外径为10.5mm，而元件一般部分的直径为9.5mm，设置有凸台54以便同燃料元件相啮合。管塞还在轴环52的上部包含有一个颈56和一个一般的头锥体58，用来抓取燃料元件。

图11还表示了燃料组件10的上管嘴16的一部分，它处于格架22的旁边。上管嘴16还表示在图13中，它是由一块板60构成的，板60上开有一些大孔用来流过冷却剂流。属于燃料组件骨架的导向管12和13通过螺纹连接（举例）固定到板60上。当构成格架22和导向管12这两种部件的材料相同的，例如它们都是由锆基合金制成时，格架22直接焊接到导向管12上。反之，当格架22由不锈钢制成时，则将一个用不锈钢制成的中间套筒置于导向管与格架之间。图11用示意方式表示了应用一个带螺纹的套筒62和一个管座63的可能的固定方法。

通常，只有一部分的导向管12和13连接到板60上，这就提高了该板的可透性，降低了由于上管嘴对于冷却剂流产生的压力损失。

在一个可看作为代表性的燃料组件中，装有267根裂变材料元件，按正方形网眼栅格18×18进行布置，装有16根对控制元件进行导向的导向管，40根对可转换材料元件进行导向的导向管;大约有30根导向管13不固定到板60上。

上管嘴16在板60下面装有一块按棋盘式结构图案作成的板 64板64的节点同燃料元件34的轴线相重合。板64用来限制燃料元件34的向上运动，板64焊接到板60上。

可以看到，燃料元件34一旦就位，就由格架22进行支撑，其向上运动由板64进行限制。因此，这些元件尤其在辐照条件下只能朝着燃料组件的底部沿轴向进行伸长。

下管嘴15可能具有图14和图15中示意性地表示的结构，下管嘴包含有（与通常燃料组件的下管嘴相反）一块作支撑和液流分配用的板66，该板可用模压制成，它并不具有限制燃料元件34向下移动的作用，因为格架

2起到了这样的作用。

板66上装有倒角的侧缘68，它向下延伸，便于在使燃料组件***反应堆堆芯过程中同其导向管（图中未表示）相配合。固定到板66下表面上的管状交叉支撑70加强了下管嘴15的刚度，在下管嘴15中形成了一些流过冷却剂的孔72。

侧缘74焊到部件68的上表面并形成格栅76的固定框架，格栅76限定的栅元用来安放裂变材料元件34的下部管塞以及并不属于燃料组件骨架的导向管13的下部管塞。

这个布置具有一些优点，因为冷却剂流道截面的增加，它减小了压力损失;它允许燃料元件34和导向管13在辐照下进行轴向伸长。

设置格栅76是为了使燃料元件34和导向管13的端部有效地固定就位，为了防止入口的冷却水流使燃料元件和导向管产生振动。

应当注意到，这种燃料组件可能免除采用以前工艺的燃料组件中一般设置的元件阻止板，这样就减小了压力损失。还应当注意到，不属于燃料组件骨架的导向管13在辐照条件下相对于板60只向底座方向进行向下伸长是可能的。

导向管12属于燃料组件的骨架，它可以通过螺纹连接以一般方式固定到板66上。

在图16表示的另一种方案中，导向管12用不锈钢或因科镍合金的管塞78来进行固定，管塞78开有中心孔80用作冷却剂的流道。导向管12通过滚压得到的机械变形连接到管塞78顶端的扩大段，这个扩大段的端部是支承在格栅76上的台肩82。管塞78具有较小直径的下段穿过板66并焊接在板66上。围绕在管塞下段外面的衬套84用来加强格栅76的强度。

图17和图18示意地表示了将燃料元件34导入下管嘴的格栅76中的一种可能方法。燃料元件的管塞包含有一个延伸段86，延伸段86的直径大小适于引进格栅76的网眼中。这种导向方法可使燃料元件能承受来自下管嘴板的冷却剂喷射，并可防止燃料元件34产生过量的或不适时的移动。而与此同时，这种导向方法容许燃料元件在辐照下进行伸长。

作为举例，可以提一下格栅76和燃料元件的下述尺寸：格栅76用直径约为1.5mm的因科镍合金园棒构成，交叉连接并在交叉点处焊接起来，这些园棒还焊接到由侧缘74形成的框架上;燃料元件延伸段86的直径可为4mm，与格栅76的网眼尺寸相对应。

在图19表示的本发明的另一种方案中，格栅76是不受约束的，而不象图14中那样通过侧缘固定到下管嘴上。这种解决方法减小了当反应堆温度从运行温度返回到停堆后的温度时燃料组件由于导向管12和燃料元件34不同的缩短效应而产生的弯曲量。为了对格栅76进行定位，那些处在棒束***的燃料元件34可以具有比中间燃料元件的延伸段86更长的延伸段87，并配备有一个末端定位鼓球90、 延伸段86上也配备有同样的鼓球。

减小燃料组件的弧状变形是靠格栅76对于燃料元件的管塞加上很大的摩擦力来达到的，因为这一格栅对于元件的延伸段86和87加上相当大的夹紧力，以使燃料元件在受到冷却剂喷射作用时避免发生振动。这种加在燃料元件上的摩擦力要比燃料元件穿过格架18、20、21和22所受到的摩擦力要大得多。相反，导向管12无论属于燃料组件的骨架还是浮动地进行安装，它们都能在格栅76中自由地滑动。

由于燃料元件延伸段86具有附加长度，容许在同一个燃料组件的燃料元件34之间可能出现不同的伸长而不会被咬住。

Claims (10)

1、核反应堆用的一种燃料组件，该组件包括有一个上管嘴、一个下管嘴、许多个贯穿于上、下管嘴之间并连接上、下管嘴的细长部件、一束位于上、下管嘴之间的平行的燃料元件，以及许多个格架，这些格架沿着上述细长部件间隔配置，并形成一些栅元，用来将上述燃料元件固定就位在规则栅格的节点上。上述格架包括有上格架、下格架及中间格架，其中：

上述中间格架构造和布置得能承受住横向冲击，并配置有扰动生成尾翼；

上述下格架不带有尾翼，对上述燃料元件起横向支撑作用；

上述上格架配置有扰动生成尾翼，并对上述燃料元件起横向支撑作用；

上述的每一个上格架和下格架应构造得对于沿着上述燃料组件内部流动的冷却剂流所造成的压力损失比上述的任一个中间格架产生的要小。

2、按权利要求1中所要求的燃料组件，组件内的每一个中间格架都有比上、下格架更大的高度，并包含有形成栅元的壁，各个壁上都构成有同上述燃料元件相接触的凸台，每一个栅元都配置有两个方向相对的但沿该栅元中安放的燃料元件的轴向位置上有偏移的凸台。

3、按权利要求1中所要求的燃料组件，组件内的每一个中间格架都配置有相对于冷却剂流方向逆流伸出的舌片，每一个舌片都构成有与冷却剂流方向横切的一个加强肋。

4、按权利要求1中所要求的燃料组件，组件中的格架沿着冷却剂流方向以逐渐减小的间距进行间隔配置。

5、按权利要求1中所要求的燃料组件，组件还包括有一个不带尾翼的附加格架，它装在上述的上格架和上管嘴之间，并采用比上格架、下格架和中间格架有较大中子吸收的材料。

6、按权利要求5中所要求的燃料组件，组件中的上述附加格架至少固定到数个前已提到的细长部件上，这些附加格架配置有一些凸台，用来支撑住燃料元件的管塞上形成的台肩，上管管嘴配置有限制燃料元件向上移动的装置，使得燃料元件只能通过在其它格架中的滑动向下伸长。

7、按权利要求6中所要求的燃料组件，组件中的上述上管嘴包含有一块板，该板开有一些大孔作为冷却剂流道，并固定到属于组件骨架的导向管上。上管嘴还包括有一块同按照棋盘式结构图案作成的板构成整体的板，板上的节点同燃料元件的轴线相重合，从而形成限制这些燃料元件移动用的装置。

8、按权利要求1中所要求的燃料组件，组件还包含有一个直接位于下管嘴上面的格栅，配置上述格栅用来对燃料元件管塞的延伸段进行导向。

9、按权利要求8中所要求的燃料组件，组件中的格栅在其周边处固定到属于下管嘴的侧缘上。

10、按权利要求8中所要求的燃料组件，组件中安装有格栅以便在燃料元件管塞的延伸段上滑动，至少有一些管塞在其末端配置有一个用来对格栅进行固定定位的鼓球。

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