带有温度降低装置的下端插塞和包括下端插塞的核反应堆燃料棒的制作方法
【专利说明】带有温度降低装置的下端插塞和包括下端插塞的核反应堆燃料棒
[0001]相关申请
[0002]本申请要求在2012年4月17日提交的美国临时申请N0.61/625，367的权益。2012年4月17日提交的美国临时申请N0.61/625，367以全文引用的方式并入到本文中。
[0003]背景
[0004]下文涉及核反应堆技术，核发电技术、核燃料技术和相关技术。
[0005]在典型核反应堆中，例如，压水型反应堆(PWR)中，核反应堆堆芯安置于容纳主冷却剂(通常水)的压力容器中。反应堆堆芯通常包括大量燃料组件，其中的每一个包括顶端配件和底端配件或者喷嘴，多个细长横向间隔开的引导管在端部配件之间在纵向延伸，并且多个横向支承格架(还包括定位格架)沿着引导管在轴向间隔开并且附连到引导管。每个燃料组件包括多个细长燃料元件，也被称作燃料棒，彼此并且与引导管在横向间隔开并且由横向定位格架在顶端配件与底端配件之间支承。燃料棒各容纳裂变材料,并且这种燃料组件的阵列被布置成提供具有设计的裂变材料体积的放射性核反应堆堆芯。主冷却剂向上穿过堆芯流动以便提供散热，并且这样一来，主冷却剂提取在堆芯中生成的热，这可以用于发电。可以使用各种布置来从加热的主冷却剂提取功率。例如，在沸水反应堆(BWR)中，允许主冷却剂沸腾并且主冷却剂蒸汽从压力容器输出以驱动涡轮。在PWR设计中，主冷却剂保留在过冷液态并且从压力容器输出以使外部蒸汽发生器中的次冷却剂沸腾，或者替代地，蒸汽发生器安置于压力容器中(即，一体式PWR)并且次冷却剂被输送到内蒸汽发生器内。
[0006]一般而言，每个燃料棒包括多个核燃料芯块，核燃料芯块容纳加载到包壳管中的裂变材料，端部插塞被固定到管的相反端(例如，底端和顶端)。核燃料棒能生成比锆合金下端插塞安全温度更高的温度，可能造成下端插塞损毁和燃料棒破裂。传统沸水反应堆(BffR)通过多种技术诸如在燃料棒底部提供6英寸非浓缩燃料“覆盖层”而保持燃料底部的温度较低。某些BWR还具有控制棒，控制棒从底部进入堆芯，这减小了在堆芯底部的功率。一般而言，这种设计将最大热通量限制为小于2kw/ft，这防止在下端插塞处过高温度。
[0007]这种方案并不适用于采用从反应堆堆芯上方进入的控制棒的PWR设计，诸如小模块式反应堆(SMR)。一体式PWR通常比传统PWR更高，因为压力容器包含内蒸汽发生器，这添加了容器高度。因此，传统BWR和PWR设计在堆芯底部具有比SMR更缓和的轴向形状。设想到PWR型的SMR设计具有从顶部进入堆芯的控制棒，组合以在燃料底部大约5%的燃料浓缩。已经确定这种组合在燃料底部造成高热通量的可能性。分析预期的棒图案策略表明在燃料底部热通量可能高达9kw/ft，导致温度超过1400 T。即使在稳态操作期间，低至3kw/ft的热通量将导致高于750 计限制标准的温度。
[0008]某些PWR设计采用在燃料芯块与下端插塞之间的间隔件。这些间隔件通常为陶瓷材料诸如Al2O3的实心圆柱，其在燃料芯块加载时放置到棒内。由于存在许多燃料棒(例如，每个燃料组件超过一百个棒和在某些设计的反应堆堆芯中10，000或更多的棒)，存在在一个或多个燃料棒中可能无意中省略了间隔件导致燃料损毁的不可忽视的可能性。
[0009]在本文中公开了一种方案，其提供诸如下列益处，减小或排除在下端插塞上过高温度的可能性，和减小或排除组装燃料棒中人为错误的可能性。
【发明内容】
[0010]根据一方面，底座插塞大小适于装配到核燃料棒的包壳内。下端插塞的大小和形状适于插入核燃料棒的下端。底座插塞和下端插塞之一包括突起并且底座插塞和下端插塞中的另一个包括中空区域，突起装配到中空区域内。在一实施例中，底座插塞为中空圆柱形底座插塞并且突起安置于下端插塞上。安置于下端插塞上的突起合适地压配到中空圆柱形底座插塞内。
[0011]根据另一方面，公开了一种组装核反应堆的燃料棒的方法。连接底座插塞和下端插塞。在连接之后，将下端插塞焊接到燃料棒的包壳上，其中底座插塞安直于包壳内侧。在一实施例中，底座插塞和下端插塞通过将底座插塞和下端插塞之一上的突起压配到底座插塞和下端插塞中另一个的中空区域内而连接。该方法还可包括:将包括裂变材料的燃料芯块加载到燃料棒的包壳内。
[0012]根据另一方面，下端插塞包括实心圆柱形元件，实心圆柱形元件具有锥形第一端和相反的第二端，具有由与下端插塞的圆柱形部分相比减小直径的环形表面包围的突起或盲孑U
【附图说明】
[0013]本发明可以呈现各种部件和部件的布置和各种过程操作和过程操作的布置。附图只是出于说明优选实施例的目的并且不应被理解为限制本发明。
[0014]图1为带有内部蒸汽发生器(一体式PWR)的压水反应堆(PWR)型的说明性核反应堆。
[0015]图2为图1的核反应堆的截面图。
[0016]图3为如在本文中所公开的底座插塞的透视隔离图。
[0017]图4为燃料棒的截面图，其包括图3的底座插塞和被配置成与底座插塞配合的下端插塞。
[0018]图5为图4的燃料棒的下端插塞的透视隔离图。
[0019]图6示出了在反应堆操作期间图4的燃料棒的模拟热图。
[0020]图7为底座插塞的替代实施例。
[0021]图8为被配置成与图7的底座插塞配合的下端插塞的替代实施例。
【具体实施方式】
[0022]参考图1和图2，示出了压水反应堆(PWR)型说明性核反应堆I。说明性PWR I采用位于压力容器(即，一体式PWR I)内的内部蒸汽发生器2(参看图2)，但也设想到具有位于压力容器外侧的蒸汽发生器(即，带有外部蒸汽发生器的PWR)的实施例。说明性PWRI包括一体式加压器4，但可替代地采用单独外部加压器。所公开的下端插塞配置安置于构成在图2中看出的核反应堆堆芯6的燃料棒的底部。说明性PWR包括内部控制棒驱动机构(内部CRDM)7 ;然而，也设想到外部CRDM。在说明性PWR I中的主冷却剂循环向上穿过反应堆堆芯6并且穿过中心立管8(即，“热支路”)并且经由限定于中心立管8与压力容器之间的降液管环形空间(即，“冷支路”)向下回到反应堆堆芯6下方。由反应堆冷却剂泵(RCP) 9来辅助或驱动主冷却剂循环，在说明性PWR I中，反应堆冷却剂泵(PCR) 9在外部靠近加压器4安装，但其可能更通常地位于其它位置，或者可能是位于压力容器内侧的密封式内部RCP。还设想到完全省略RCP并且依靠由来自反应堆堆芯加热驱动的主冷却剂的自然循环。
[0023]参考图3至图5，图3所示的底座插塞10为中空圆筒形状，其具有匹配芯块内径的内径11。底座插塞10的外径12优选地小于燃料棒(参看图4)的(中空圆柱形)包壳13的内径，并且在底座插塞10端部处的可选的斜削14使得外径12匹配燃料芯块的斜削外径。底座插塞10具有长度L，长度L被选择为足够长以在反应堆操作期间降低下端插塞18的最高温度(参看图4)到可接受的低值。在模拟中，发现合适长度与燃料芯块21的长度相当或相等(参看图4)。
[0024]在燃料棒16 (在图4中示出)的组装的下端，图3的底座插塞10与(修改的)下端插塞18 (也参看图5)连接。如在图4中看出，燃料柱20 ( S卩，加载到包壳13内的燃料芯块组21)以较大或最大表面积接触底座插塞10，允许平坦的接触几何结构。同样，底座插塞10以在底部的最大表面积接触下端插塞18。底座插塞10由下端插塞18上的突起22 (参看图5)固定到下端插塞18，在下端插塞18上的突起22的直径略微大于底座插塞10的管腔(即，内径11)。在下端插塞18与底座插塞10之间配合的几何形状允许“压配”，这种“压配”足够强以保持这些部件在一起。压配能依靠自身来维持在底座插塞10与下端插塞18之间的连接，或替代地，可以采用焊接或其它紧固机构，在焊接或其它紧固过程中，依靠压配来保持零件在一起。说明性突起22包括斜削边缘24(被称作突起斜削边缘以区分它与底座插销10的斜削14)以便于压配。说明性端部插塞18还包括窄直径“套环”26以便于端部插塞焊接到包壳上。在某些实施例中，套环26也可以具有斜削28 (被称作套环斜削28以区分它与在底座上的斜削和突起斜削边缘)。
[0025]在图5中最佳地看出的说明性下端插塞18为实心(B卩，非中空)圆柱形元件，其具有锥形第一端(即，下端)和相反的第二端(即，上端)，被配置成(I)与底座插塞连接和(2)插入燃料棒的包壳13的下端。为了与底座插塞连接，说明性下端插塞18的第二端(即，上端)包括突起22。替代地，当底座插塞具有配合突起时(参看图7的替代底座插塞实施例)，中空区域可以用于这个目的(参看图8的替代下端插塞实施例)。出于插入燃料棒的包壳13的下端的目的，说明性下端插塞18的第二端(即，上端)包括窄直径“套环”26以便于下端插塞18焊接到包壳下端。更一般而言，用于执行插入包壳功能的接触区域26包括与下端插塞的圆柱形部分相比减小直径的环形表面，但减小的直径仍足够大使得环形表面包围与底座插塞配合的突起或盲孔。
[0026]下端插塞18的圆柱形部分合适地具有与燃料棒包壳13外径相同的直径，使得燃料棒(图4)的插入下端具有直到下端插塞的锥形第一端(即，下端)的恒定圆柱直径。在中空圆柱形底座插塞10装配于棒包壳13内侧时，得出底座插塞10具有小于下端插塞18的圆柱形部分外径的外径。
[0027]在图3至图5的图示实施例中，压配连接的底座插塞/下端插塞组件10、18绕燃料棒轴线连续地旋转对称。这种旋转对称，与小于燃料棒的包壳13的内径的中空圆柱形底座插塞10的外径12组合，确保了底座插塞10并不接触包壳13。这种缺乏接触减小了在底座插塞10周围包壳13热分流器的效果,从而增