專利名稱:燃料組件的制作方法
本發(fā)明一般涉及壓水核反應堆，特別是涉及一種用液體減速劑系統(tǒng)來進行能譜移動控制的壓水反應堆用的燃料組件。
在典型的壓水核反應堆中，反應堆運轉時，裂變過程的控制，或者反應的控制是通過改變在堆芯中中子吸收材料的量來完成的。實現(xiàn)反應控制的一種方法是使用控制棒的方法，控制棒包含中子吸收材料，或中子吸收體，并插入到堆芯中。改變控制棒的數(shù)目、控制棒的大小和/或者改變控制棒在堆芯中徑向和軸向位置，便可控制裂變過程。另外，還利用由裂變過程產(chǎn)生的可燃性中子吸收體和溶解在反應堆冷卻劑中的中子吸收體來控制反應。
為了延長堆芯壽命，在普通的商業(yè)性壓水反應堆中，在反應開始工作時設計成使反應性過剩。剩余反應性由上述說明的方法進行控制，并在堆芯持久的運轉中逐漸降低。在絕大多數(shù)情況下，應用了溶解在反應堆冷卻劑中的可溶性硼來控制最初的剩余反應性。因為隨著反應堆的運轉在堆芯中剩余反應性降低，吸收中子的硼逐漸被除去，因此可以利用最初的剩余反應性來維持裂變過程。雖然這種控制方法在延長堆芯壽命方面是一種有效的控制方法，但是在堆芯運轉時吸收中子的硼吸收了中子，并從堆芯中除去了能用于再生產(chǎn)的反應。例如，可能利用反應來將增殖性材料轉換成钚或裂變軸，由于當時產(chǎn)生的這些裂變材料的裂變，進一步延長了反應堆芯的壽命。但是如果沒有這樣一種轉換，反應性的消耗就是一種鈾的無效損耗，和另外的方法比較，這種損耗導致較高的燃料成本。因此很希望采用維持初始過剩反應性的方法延長堆芯的壽命，不用中子吸收材料來抑制過剩反應性，而是以積極的方式利用過剩反應性，供此延長堆芯的壽命并顯著降低總的燃料成本。
眾所周知，在燃料運轉初期利用“硬”中子能譜(較高中子能量譜)減少過剩反應性和增加增殖性材料變?yōu)榱炎儾牧系霓D化?？梢詼p少燃料元素的濃度，增加產(chǎn)生裂變物質的轉化率。然后在燃料周期的后期，利用“軟”中子能譜(低能中子譜)增加反應，使先前產(chǎn)生的裂變材料發(fā)生反應，從而延長堆芯壽命。上述的這種方法叫做能譜移動控制法，它使反應堆具有更長的堆芯壽命，減少了堆芯中中子吸收材料用量。在這種技術中，用重水代替部分普通反應堆水可以減少過剩反應性，因此也可以減少中子吸收材料。
重水和普通反應堆冷卻水比較，它是一種低效減速劑。由于中子譜移向較高的能普，重水減慢了連鎖反應，在中子吸收材料減少時使反應堆運轉在全功率。這種向硬中子譜的移動致更多的增殖性U-238或Th-232相應轉化成裂變的pu-239或u-233，它們隨后在堆芯中被消耗產(chǎn)生熱，進一步延長了堆芯壽命。因此最初向硬中子譜的移動導致了更多的中子以一種有用的形式被消耗掉，而不是由于應用中子吸附劑而被浪費掉。隨著裂變材料被消耗，重水逐漸用產(chǎn)生一軟中子譜的普通反應堆冷卻水代替。由此堆芯反應保持在一正常水平，在堆芯運轉的后期，基本上所有的重水都被普通的反應堆冷卻水代替了。因此，反應堆可以用控制棒的方法進行控制并在開始階段不用另外的中子吸收材料，這樣便顯著降低了燃料成本。而且，額外的pu-239或u-233的產(chǎn)生同樣也減少了對u-235濃度的要求。
雖然在這一技術中能譜移動理論是眾所周知的，但還需要一種既切實可行又行之有效的方法。
本發(fā)明的主要目的是滿足這一需要，因此本發(fā)明在于一種供壓水核反應堆用的具有能譜移動控制能力的燃料組件和排成陣列的燃料元件的軸向支撐和側向支撐機構，在陣列中細長的燃料元件彼此平行分離，該燃料組件包含了許多細長的燃料元件，該支撐方法適合于在燃料組件運轉時允許減速劑/冷卻劑流過燃料組件，其特征在于在燃料組件內(nèi)部裝載有大量低中子吸收減速液體的液體減速控制機構，低中子吸收減速液體可以根據(jù)中子減速效果隨意改變，該液體減速控制機構包括一減速液體流系統(tǒng)，該系統(tǒng)是密封的，與所說的減速劑/冷卻劑分離。
本發(fā)明提供了一密封的，與普通的流過燃料件的減速劑/冷卻劑分離的減速液體流系統(tǒng)，它能使能譜移動控制更容易，有效，并且以一種最有利的方式進行控制，可以達到密閉的液流系統(tǒng)允許重水(D2O)，輕水(H2O)和濃度不同的，變化的D2O/H2O混合物被引入到燃料組件而不影響減速劑/冷卻劑本身的組成。
在本發(fā)明的最好實施例中，減速液體流系統(tǒng)包括許多插在燃料組件中的減速劑控制管，和兩個密閉連接減速控制管的復式接頭，將減速控制管在入口和出口之間連通使能傳送液流。
下面用例子，根據(jù)本發(fā)明的最好實施例;
圖1是實施本發(fā)明的燃料組件的部分垂直截面圖;
圖2是沿圖1的Ⅱ-Ⅱ線切開的橫向剖面圖，圖中沒有示出框格;
圖3是上部管接頭的頂板圖，它是沿圖1Ⅲ-Ⅲ線切開的截面圖，但沒有示出頂端的管接頭彈簧;
圖4是上部連接板圖，它是沿圖1的Ⅳ-Ⅳ線切開的橫截面;
圖5是上部復式接頭平面圖，是沿圖1Ⅴ-Ⅴ線切開的橫截面;
圖6是下部復式接頭圖，是沿圖1的Ⅵ-Ⅵ線切開的橫截面;
圖7是下部管接頭的連接板圖，是沿圖1的Ⅵ-Ⅶ線切開的橫截面;
圖8是一橫截面圖，它示出了控制導管與頂部管接頭的連接板的連接;
現(xiàn)在參照圖1，在其中示出了核燃料組件并用數(shù)字10表示，它包括了許多相互平行的隔離的燃料元件11，燃料元件11用上部和下部因康鎳合金框格12以及居間的許多鋯合金框格13固定就位?？蚋?2和13也用來分開和支撐若干(圖中表示21根)減速控制管14和若干(圖中表示4根)棒束控制(RCC)管，或導向導筒15。
上述元件的橫截面圖示于圖2、圖2中未示出框格12和13。每一個燃料元件11包括一個細長的裝有燃料棒的園柱形金屬管，在金屬管兩端用適當形狀的端塞封閉。這種燃料組件在反應堆技術中是熟知的。如圖2所示，燃料元件11基本上被排列成20×20的方陣，方陣中燃料元件11之間具有相同的間距。11a這一根管可以用作測試設備，減速控制管最好用鋯合金制造，棒束控制管也最好用鋯中金制造，每一根減速控制管14和每一根棒束控制管15占有四根燃料棒的空間，置換了四根燃料棒。因此燃料元件11總共有二百九十一根，控制管14和15排成5×5的方陣，相鄰管之間具有相同的間距。為清楚起見，減速控制管14在圖2中用圓圈表示，而每根棒束控制管15則用帶×的圓圈表示。因為棒束控制管15也形成一方陣，所有它們適合于安放普通型的控制棒束。
在圖1中可以看出，每一根減速控制管14包括一個細長的在其上固定有上端塞18和下端塞19的空心管17，固定的方法可采用焊結的方法。端塞18和19有供重水或普通水，或兩種水的混合水流通的通管20和21。
燃料組件10還包括一個上部復式接頭22和一個下部復式接頭23，其平面圖分別示于圖5和圖6。每一個復式接頭22和23可能包含一個鋯合金鑄件，減速控制管14的下端塞19用螺紋連接到下部復式接頭23，而其上的上部端塞18密封在上部復式接頭22下側的法蘭盤24中。另外，每一根減速控制管的兩端被焊接到相應的復式接頭以保證壓力密封。如圖5，6所示，導向導管15延伸穿過上部和下部復式接頭，而不是連接到它上面。
兩個彈簧加壓的密封連接器25和26被連接到下部復式結頭23。使得密封連接器25提供一流過所有減速控制管14的重水或重水和普通水的混合水的入口，密封連接器26提供一根減速控制管14的出口，這根減速控制管是與燃料組件軸向準直的。如圖6可見，封閉連接器25構成20個減速控制管的入口，這些減速控制管是通過在下部復式接頭23上開的液體溝道27相互連通的，但不同密閉連接器26連通。液體溝通27可用槍孔鉆床水平鉆通肋筋28，然后在鉆孔入口用電鉚焊焊接封閉(圖中未示出)而成，當然，在下部復式接頭的下邊，在密封連接器25和26的每一個軸向位置，垂直穿孔是需要的，在其余19個減速控制管的位置在下部復式接頭的上表面鉆盲孔是需要的。下部復式接頭23安裝在燃料組件10的下部管接頭30的四邊上開的槽口29里面，上部復式接頭(圖5)類似地也安裝在燃料組件上部管接頭32的四邊上開的槽門31里面。因此，下部復式接頭23、減速控制管14、燃料棒11、框格12和13和上部復式接頭22構成了一個亞組件，它被夾在上下管接頭30和32之間。另外，在亞組件和四個導向導管15之間還有結構上的連接，這一點將在后面詳細敘述。
參照圖5，上部復式接頭22利用溝道36溝通了21根減速控制管之間的液體流通，溝道36也是用“槍孔鉆”水平鉆過肋筋37，然后在鉆孔入口用電鉚焊(圖上未示出)焊結封閉形成的。在上部復式接頭22的下部，在21根減速控制管14的每個軸向位置鉆了一個垂直的盲孔。因為在下部復式接頭23，上部復式接頭22和減速控制管14之間提供了這種封閉的裝配，所以重水，或重水和普通水的混合水可以通過密封連接器25引入，流過在下部復式接頭上的液體溝道27，通過20根減速控制管往上流，流經(jīng)液體溝道36，再通過剩下的一根同封閉連接器26相通的減速控制往下流，最后通過連接器26流出來。封閉連接器25和26適宜于裝在核反應堆液體的入口和出口。
下面結構連接板34同下部管接頭30構成一整體，而上部結構連接板35同上部管接頭構成一整體;導向導管15結構上同連接板34和35連接。因此上部管接頭32，導向導管15、上部復式接頭22、減速控制管14，燃料棒11，框格12和13，下部復式接頭23和下部管接頭30一齊構成燃料組件10的結構。
每一根導向導管15包含一根細長的空心鋯合金管，其上端是開口的，下端裝有一連接端塞38，導管適合于裝一根控制棒束的控制棒，并可在其中進行軸向移動。連接端塞38在其下端有一內(nèi)螺紋盲孔，用于接受將導向導管15緊固到下部連接板34的螺釘41。連接板34示于圖7中，它成橫梁格架的形式，包含了四根兩兩相互成直角相交的主梁39，并在其上的交叉點上為螺釘41鉆有夾持套40。為了防止導向導管在旋轉螺釘41時發(fā)生轉動，可以在每一個夾持套中加工出一槽42，它同連續(xù)端塞38上相應銷相銜接。如同在反應堆技術中大家都知道的，采用一焊接的鎖銷(圖中未示出)，后螺釘41可以被鎖焊到相應的夾持套40上。連接板34包括8個次要梁43，次要梁43會同下部復式接頭23保證了一些燃料棒11的固定。而上部連接板35會同上部復式接頭22保證了其余燃料棒11的固定，在這種方式中，所有的燃料棒11，不是從上面就是從下面進行固定。
導向導管15的上端點在結構上是連接到上部連接板35。更準確地說，參照詳圖8，加工的不銹鋼套管44是從上部連接板35的下邊固定在連接板的孔中。螺紋鎖定環(huán)45是從連接板35上上部用柞扣同不銹鋼套管44的上端部銜接，并鎖焊在連接板35上以防止松動。鋼套44上的鎖鍵63同上部連接板35上的鎖槽64和65銜接，這防止了在旋緊鎖定環(huán)45時鋼套管44的轉動。鋼套管44從連接板35往下伸，導向導管15的凸出部位與在鋼套管44內(nèi)徑上加工的環(huán)槽46相銜接。鋼套管44從連接板35向下伸，通過最上邊的框格12并用銅焊或焊接固定在框格上，每根導向導管15有一插入鋼套44的上端部，它同在鋼套管內(nèi)壁上加工的環(huán)槽46進行鼓凸銜接。
和下部連接板34一樣，上部連接板35提供了燃料組件10的在另一端的主要結構支撐。如圖4所示，它也被作成由四個主梁60構成的橫梁格架形式，橫梁60兩兩相垂直交叉點上鉆有夾持套48，導向導管15便按照上述的同下部連接板34連接的方式固定到夾持套上;上部連接板35還包括四根外加工的主梁61和次梁49。這些梁補充了結構支撐，并且與上部復式接頭22一起提供了燃料棒11的上部定位。主梁60和61承受了頂端管接頭彈簧52的導柱51。每個導柱有一槽口，槽口從導柱下部伸到導柱里面，套在導柱下面相應的主梁60或61上，并焊接到梁上，彈簧52裝在彈簧套筒53中，它同彈簧套筒和導柱51一起安裝在頂部管接頭32的周邊上。彈簧套筒53固定在上部連接板35上，并伸向上面，穿過在上部管接頭35的頂端板55上的孔54(圖3)。在每一彈簧導筒53的上端部上的向內(nèi)延伸的法蘭盤17與裝在鋼套53外邊一環(huán)形槽內(nèi)的定位環(huán)56一起用頂端板55保證了鋼套的固定。頂部管接頭32有一由外殼58構成的側壁，側壁可以整個地連接到頂端板55和連接板55上，以便把這兩個組件連接起來。外殼58也為從燃料組件10流出的反應堆冷卻液體提供了一強制通風。如圖3所示，外殼58的每一個拐角，如拐角59，都是凹的，形成 1/4 園柱腔，使得四個貼近的組件的鄰接拐角一起構成一圓柱形，如開口61的開口，以便將若干個導柱或燃料組件的定位鍵中的一個(圖中未示出)安裝在核反應堆的上堆芯板上。
再參考圖1，沿著燃料組件10隔開的并對燃料棒提供支撐的框格12和13，控制棒導向導管15和減速控制管14可以用普通設計，例如可用在美國專利3379614和ИO 3379619揭示的設計。因此每一個框格12和13是一種蛋筐形結構，它由許多金屬條裝配和焊接而成，以便作成許多小格，各個燃料棒，導向導管和減速控制管穿過這些小格延伸出去。采用彈簧和/或在框格金屬條上加工的凹座從側面支撐放在每一個框格小格中的燃料棒11，但是燃料棒縱向可自動運動。另一方面，控制棒導向導管15或者是直接固定在框格上，或者最好是通過金屬套筒，如圖1中所示的套筒47，間接固定在框上，套筒被固定在，即用電焊或銅焊焊在框格的金屬條上，并且套筒本身又牢固地連接在穿過套筒延伸出去的導向導管，例如用前面已知的鼓凸連接。最好在減速控制管14穿過延伸出去的框格的小格上也提供這樣的套筒47(見圖2)，這些金屬筒同樣也用電焊或銅焊固定在框格上的構成有關小格的金屬條上，然而，穿過套筒47延伸出去的減速控制管14卻沒有被固定連接或安裝上，而僅僅是受到側面支撐。
在運轉時，通過底部管接頭80引入的并從頂部管接頭流出的作為減速劑和冷卻劑的輕水(HO)，如在反應堆技術中眾所周知，流過了燃料組件。減速控制管14和上部與下部液體復式接頭22、23一起構成了一個減速液體流動系統(tǒng)，它是封閉的，與通過燃料的減速/冷卻液體是分開的，如開頭所說一樣，這個系統(tǒng)可使能譜移動控制容易進行，并且以最有利的方式進行。
權利要求
1.一種供具有能譜移動控制能力的壓水式反應堆用的燃料組件，該燃料組件包含許多細長的燃料元件，和提供排在一陣列中的相互平行而分開的細長的燃料元件的軸向支撐和側向支撐機構，該機構適合于在反應堆運轉時使減速劑/冷卻劑流過燃料組件，其特征在于液體減速控制機構，這種機構在燃料組件內(nèi)部提供了大量低中子吸附的減速劑液體，這種減速劑液體可以根據(jù)其中子減速效果隨意改變，該液體減速控制機構包括了一個密封的，同上述減速劑/冷卻劑隔離的減速劑液體流系統(tǒng)(14、22、23)。
2.一種按權利要求
1所述的燃料組件，其特征在于上述減速液體流系統(tǒng)(14、22、23)包括許多插在燃料元件(11)中的減速劑控制管(14)。
3.一種按權利要求
2所述的燃料組件，其特征在于該減速液體流系統(tǒng)(14、22、23)有一入口(25)和一出口(26)，并包括兩個液體復式接頭(22、23)，它們馬上與減速控制管密封連接，在該入口和出口之間溝通了減速劑控制管的液體傳輸。
4.一種按權利要求
3所述的燃料組件，其特征在于至少有一根減速劑控制管(14)有一端連接到上述出口(26)，而其余的每一根減速控制管(14)有一端通過復式接頭(22、23)中的一個(23)連接到上述入口(25)，而其另一端通過另一個液體復式接頭(22)至少連接到一根減速劑控制管的另一端。
5.一種按權利要求
3、4所述的燃料組件，其特征在于液體復式接頭(22、23)中的一個(23)在其上加工出了上述的入口(25)和出口(26)。
6.一種按權利要求
3、4、5所述的燃料組件，它包括一對裝在燃料組件兩端的液體管接頭，并能使所說的減速劑/冷卻劑相應流入和流出燃料組件，其特征在于，該管接頭(30、32)有使相應的液體復式接頭(22、23)安裝在上面的切口(29、31)。
7.一種按權利要求
6所述的燃料組件，其特征在于每一個上述液體管接頭(30或32)具有構成外殼(58)的側壁)，側壁的橫截面基本上是一個矩形，并且橫截面外形與所說的燃料組件(11)的陣列是匹配的，上述每一個液體管接頭的外殼(58)有一凹面拐角(59)，形成一個四分之一園柱體腔。
8.一種按權利要求
3至7中任何一項要求的燃料組件，它包括一些伸到平行而又分離安裝的細長燃料元件中的導向導管，其特征在于結核燃料元件提供軸向支撐的機構包括一對裝在導向導管(15)兩端并固定在上面的支撐板(34、35)，每一根導向導管(15)用螺栓緊固在一塊支撐板(34)上，用一鋼套管(44)連接到另一支撐板(35)上，鋼套管采用可脫扣裝置固定在所說的另一支撐板上，而且導向導管的一個端部插入到這個鋼套管(44)，采用鼓凸連接的方法與鋼套管連接。
9.一種按權利要求
2至8中任何一項要求的燃料組件，其中側向支撐燃料元件的機構至少包括一個蛋筐形結構的框格，這個框格形成了許多可使燃料元件穿過的空格，其特征在于該框格或者每一個框格(12、13)有許多空格，每個空格裝有固定在框格上的共軸套管(47)，每一根上述減速劑控制管(14)穿過一個空格和相應的套管(47)，并受到套管的側面支撐。
專利摘要
本發(fā)明涉及一種供具有能譜移動能力的壓水核 反應堆用的燃料組件。燃料組件裝有一個封閉而與 減速劑/冷卻劑流分開的減速劑液體流系統(tǒng) (14、22、23)，以便引入中子減速效率可變的減速液 體(如D
文檔編號G21C3/00GK85105433SQ85105433
公開日1987年1月14日 申請日期1985年7月16日
發(fā)明者羅伯特·肯尼思·吉特森, 埃爾默·阿瑟·巴斯勒, 埃德加·安東尼·哈克斯泰恩, 羅伯特·拜倫·薩爾頓, 斯蒂芬·納爾森托爾 申請人:西屋電氣公司導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan