核燃料元件波纹增压室压紧装置的制作方法

本发明整体涉及一种核反应堆堆芯部件，更加特别地涉及诸如燃料棒和控制棒的部件，所述燃料棒和所述控制棒采用了包壳内的活性成分，所述包壳通过腔室弹簧保持在合适位置中。

背景技术：

在压力下用水进行冷却的核能发电系统的一次侧包括闭合回路，所述闭合回路被隔离并且与用于产生有用能量的二次侧处于热量交换关系。一次侧包括：反应堆容器，所述反应堆容器包封堆芯内部结构，所述堆芯内部结构支撑包含可裂变物质的多个燃料组件；换热蒸汽发生器内的一级电路；增压器的内容积；用于使得增压水循环的泵和管，所述管将蒸汽发生器和泵中的每一个独立地连接到反应堆容器。一次侧的零件中的每一个均形成了一次侧的环路，所述零件包括蒸汽发生器、泵和连接到容器的管系统。反应堆容器的堆芯内的燃料组件内的裂变反应是热量源，所述热量通过蒸汽发生器转移到二次侧，以用于产生有用功。

在图1中以立面图示出了的压水式反应堆的典型燃料组件，其整体用附图标记10表示并且呈竖向缩短的形式。燃料组件10具有结构骨架，所述结构骨架在其下端部处包括底部喷嘴12。底部喷嘴12将燃料组件10支撑在核反应堆的堆芯区域中的下部堆芯支撑板14上。除了底部喷嘴12之外，燃料组件10的结构骨架还包括在其上端部处的顶部喷嘴16以及包括多根引导套管18，所述引导套管18在底部喷嘴12和顶部喷嘴16之间纵向延伸并且在相对端部处刚性附接到底部喷嘴12和顶部喷嘴16。

燃料组件10还包括：多个横向格栅20，所述多个横向格栅沿着引导套管18(还称作导管)轴向间隔开并且安装到引导套管18；安排有序的一列细长燃料棒22，所述燃料棒22横向间隔开并且由格栅20支撑。尽管在图1中看不到，但是格栅20传统地由正交条带形成，所述正交条带利用四条条带的相邻接触面以蛋架形式交叉，从而限定了近似正方形的支撑室，燃料棒22穿过所述支撑室成以相互横向间隔开的关系被支撑。在很多传统设计中，拱起部和浅凹部被冲压到形成支撑室的条带的相对壁中。拱起部(springs)和浅凹部径向延伸到支撑室中并且将燃料棒捕获在拱起部和浅凹部之间；将压力施加在燃料棒包壳上，以将燃料棒保持到位。而且，燃料组件10具有位于其中心的测量管24，所述测量管24在底部喷嘴12和顶部喷嘴16之间延伸并且安装到底部喷嘴12和顶部喷嘴16。利用各零件的这种布置，燃料组件10形成了整体单元，所述整体单元能够被传统地操纵而不会损坏由零件构成的组件。

如上所述，燃料组件10中的呈燃料棒阵列形式的燃料棒22被沿着燃料组件长度间隔开的格栅20保持成相互间隔开的关系。每根燃料棒22包括多个核燃料芯块24并且由上端塞26和下端塞28在其相对端部处封闭。由可裂变物质构成的燃料芯块24负责产生反应堆的反应功率。包围芯块的包壳用作屏障，以防止裂变副产品进入冷却剂中并且防止进一步污染反应堆系统。

为了控制裂变过程，多根控制棒30可在引导套管18中往复移动，所述引导套管18位于燃料组件10中的预定位置处。具体地，定位在顶部喷嘴16上方的棒束控制机构32支撑控制棒30。棒束控制机构32具有带有内螺纹的圆筒形衬套构件34，该衬套构件34具有多个径向延伸的锚爪或者臂36。每条臂36与控制棒18中的至少一根互连，使得棒束控制机构32能够操作以在控制棒驱动轴(未示出)的动力作用下使得控制棒在引导套管18中竖直移动，从而控制燃料组件10中的裂变过程，所述控制棒驱动轴都以众所周知的方式联接到控制棒衬套34。

燃料组件10承受液压力，所述液压力超过了燃料棒的重量，并且因此将显著大的力施加在燃料棒和燃料组件上。另外，存在通过多个格栅的条带的上表面上的混合叶片而导致的冷却剂在堆芯中的显著湍流，这有助于将热量从燃料棒包壳传递到冷却剂。显著的流动力和湍流会导致燃料棒包壳振动，这在燃料芯块24不受约束的情况中会损坏燃料芯块24。为了防止在运输、反应堆中运转以及在装载过程中操纵、再定位和移除核燃料组件期间对燃料芯块造成任何损坏，将压紧装置38插入燃料棒22中，以提供为芯块堆重量四倍的最小预加载。典型地，盘簧已经用了很多年，所述盘簧具有如图1所示的一致的簧圈节距40或者具有如图2所示的可变的簧圈节距42。而且，压紧装置38在腔室44中、在燃料芯块堆24上方占据的容积应当最小化，以提供足够的腔室容积，以便防止因作为裂变反应的副产品从燃料释放的裂变气体所导致的内压聚集而将过大应力施加在包壳上。然而，预加载的盘簧在反应堆内的高温和放射环境中相当快速地释放；在补充燃料处理或者卸载燃料组件以进行存储的过程中使燃料组件重新定位期间面临芯块剥落的风险。尖锐的芯块碎片可能引发芯块-包壳-机械-相互作用燃料故障。还已经发现螺旋盘簧在将上端塞附连到包壳的焊接处理期间易于屈曲或者翘起。

可替代的压紧装置为在图3A和图3B中示出的弹簧箍圈设计，已经在一种湿环形可燃吸收小棒中采用了所述可替代的压紧装置。这种设计在压缩状态中具有比腔室小的直径，而且向上开口，以对腔室壁增压以便保持其位置，从而将燃料芯块朝向下端塞偏压。然而，弹簧箍圈设计引发了将过度环向应力作用在包壳上的严重风险，原因在于：所需的4g的轴向压紧力由箍圈和包壳之间的摩擦产生，这需要能够在包壳中产生过大的环向应力的径向力的相对大。而且，这种设计可能不能吸收因在操纵期间弯曲而造成的燃料棒所经受的其它芯块堆的长度增加。而且，一旦箍圈滑动，则其将不能返回到其原始位置，从而导致轴向间隙，所述轴向间隙将减轻或者移除作用在芯块堆上的4g的压紧力。箍圈的预加载力还可以因在操作期间热效应和放射效应而消失，这可也减小预加载力。

在美国专利No.3,679,545中公开了针对螺旋弹簧提出的另一个替代方案，其描述了一种压紧装置，所述压紧装置在其整个长度上螺旋波动，以较之由常规螺旋盘簧提供的包壳径向支撑提供了改进的包壳径向支撑。较之由螺旋盘簧占据的容积，这种压紧装置占据腔室的容积更大，并且其螺旋几何结构可能导致压紧装置过度扭转或者弯曲。

在美国专利No.4,684,504中公开了一种其它替代方案，其描述了一种密封的扩张波纹管，在所述波纹管中，内部增压器产生了作用在芯块堆上的压紧力以及对包壳的径向支撑。然而，该装置不可能提供容纳从燃料芯块释放的裂变气体所需的腔室容积。

因此，期望一种将燃料元件包壳内的燃料芯块压紧的改进装置，所述改进装置将提供作用在芯块堆中顶部芯块的上表面上的均匀压力。

另外，期望一种改进设计，所述改进设计将便于安装、限制不太可能发生的安装错误并且最小化潜在的性能问题。

而且，期望一种新的压紧装置，所述压紧装置将有效增大腔室容积。

技术实现要素：

通过一种应用于核燃料堆芯中的改进的细长反应构件(诸如燃料元件或者控制棒)来实现这些和其它目的。反应构件由管状包壳、顶部端塞、底部端塞形成，所述管状包壳基本沿反应构件的细长长度延伸，顶部端塞封住管状包壳的中央中空腔的顶端，底部端塞封住管状包壳的中央中空腔的底端。下端塞密封地封住管状包壳的下端部，反应材料列占据在下端塞上方的管状包壳内部的下部分。上端塞密封地封住管状包壳的上端部，从而限定了气体腔室，所述气体腔室基本占据了管状包壳的在反应材料列上方且在管状包壳的上端部下方的内部容积。约束装置被支撑在反应材料列的顶部上方，用于朝向下端塞推压反应材料列，以约束反应材料运动。约束装置包括波纹管状弹性管构件，所述波纹管状弹性管构件具有中空内部容积和外部护套，所述外部护套由串联地堆叠的多个交替脊部和谷部形成。优选地，波纹管状弹性管构件的圆角半径大约介于0.002-0.020英寸之间(0.005-0.051cm之间)；最大半径大约介于0.010-0.100英寸之间(0.025-0.254cm之间)；最小直径大约介于0.005-0.080英寸之间(0.013-0.203cm之间)；内直径大约介于0.100-0.350英寸之间(0.254-0.889cm之间)；并且壁厚度大约介于0.002-0.010英寸之间(0.005-0.025cm之间)。期望地，波纹管状弹性管构件的脊部的总数介于大约5-100个之间。

在一个实施例中，细长反应构件具有由碳化硅形成的管状包壳并且波纹管状弹性构件由选自包括钼、钨、铁镍合金、锆和铪的一组材料中的一种或多种材料构成。在另一个实施例中，波纹管状弹性管构件具有热屏障涂层，所述热屏障涂层在外表面的至少一部分上延伸，并且优选地热屏障涂层是低导热性氧化物或者烧绿石化合物。

本发明还设想了一种核燃料组件，所述核燃料组件包括多根燃料棒，所述多根燃料棒包括细长反应构件。在另一个实施例中，本发明设想了控制棒束组件，在所述控制棒束组件中，控制棒包括细长反应构件。

附图说明

当结合附图阅读时，可从优选实施例的以下描述实现对本发明的进一步理解，其中：

图1是以竖向缩短形式图解的燃料组件的局部剖立面图，其中，为了清晰剖开了一些零件；

图2是典型的燃料棒腔室可变节距盘簧的平面图；

图3A是燃料棒腔室弹簧箍圈设计的透视图；

图3B是图3A中示出的弹簧箍圈设计的平面图；

图4是根据本发明的一个实施例的燃料棒波纹管腔室弹簧的立视图；

图5是燃料棒的上部分的局部剖侧视图，其示出图4的波纹管腔室弹簧安装在燃料芯块和上端塞之间；

图6是示出了在图4和图5中图解的波纹管弹簧上的不同尺寸点的示意图；

图7是代表图4和图5中示出的波纹管弹簧的载荷挠曲变形曲线的曲线图。

具体实施方式

核能发电站只要其运转便是一种非常有效且具有成本效益的电力源。非强迫的中断(诸如补充燃料)大幅增加发电成本，原因在于：在运行中断期间需要购买昂贵的替代电能。因此，延长运行中断之间的时间是令人期望的目标。一种增加燃料组件的堆芯停留时间的方式是在燃料棒中装载更多的铀。还存在若干可行方式来实现这个目的，诸如，采用更长的芯块堆、增大的芯块直径或者更高密度的燃料。然而，这些修改方案需要更多的腔室容积以适应芯块的容积改变并且容纳增加的裂变气体释放。在有限的腔室容积中，对于盘簧而言不易于实现所需的4g压紧力。当压缩盘簧时，必须满足剪切应力、动态扩张和压并高度要求。实际上，在2中示出的当前的可变簧圈节距腔室弹簧是当前使用中的最优设计，其线圈在端部处(由附图标记42所示)较之在较长的中心长度处更加紧密地被压紧。

在湿环形可燃烧吸收小棒中使用的另一种可能的压紧装置是图3A和3B中示出的弹簧箍圈设计46。这个设计可较大程度地增加燃料棒中的腔室容积。然而，可能面临过大环形应力作用在包壳上的严重风险，原因在于：需要弹簧箍圈作用在燃料芯块上的轴向压紧力必须由箍圈和包壳之间的摩擦产生，这意味着箍圈需要产生作用在包壳上的径向力很大，这会导致过大的环向应力作用在包壳上。而且，该设计可能不能吸收因在操纵期间可能发生的燃料棒弯曲而导致的其它芯块堆长度增加。一旦箍圈滑动，则其将不会返回到其原始位置，从而导致轴向间隙，所述轴向间隙会释放作用在芯块对上的4g压紧力。由于高温效应和放射效应，因此在操作期间还会使得箍圈的预加载力减小。

美国专利No.3,679,545公开了针对螺旋弹簧提出的另一种可行替代方案，其描述了螺旋波纹管状压紧装置，所述压紧装置较之传统螺旋盘簧向包壳提供了更好的径向支撑。然而，较之盘簧其占据了更大的容积并且其盘旋几何结构可能导致弹簧过度扭转或者弯曲。

在美国专利No.4,684,504中公开了另一种替代方案，其描述了扩张的密封波纹管，其中，波纹管内的内压产生了作用在芯块堆上的压紧力以及用于包壳的径向支撑。然而，这种设计较之美国专利No.3,679,545的螺旋波纹设计占据更大的腔室容积，并且如果其应用在燃料棒腔室内，则将不适合容纳从燃料芯块释放的裂变气体。

本发明采用了压紧或约束装置，所述压紧或约束装置可更好地承受放射效应和高温效应，以在其运行期间保持足够的力来压紧燃料芯块，并且较之螺旋弹簧占据更少的腔室容积。图4中示出了约束装置38的一个实施例。该约束装置是波纹管状的弹性管构件48，其具有外部护套和通向气体室的中空内部容积，所述外部护套由串联且互联地堆叠的多个交替脊部50和谷部52形成。该装置是带波纹的薄壁压紧装置，其将替换传统盘簧以减小由压紧装置占据的容积并且提供了所需的压紧力。图6中示出和在图表格1中陈述的尺寸对于实现该目标至关重要。

表格1：压紧装置的尺寸规格

有限元分析证实：在没有直径扩张的情况中，因带波纹区域的弹性和塑性变形发生最大的压缩。图5示出了波纹管构件48，其安装在燃料棒22的腔室44内，其中，下间隔件56安装在燃料芯块24和波纹管48之间而上间隔件54安装在波纹管48和上端盖26之间。图7中示出了载荷挠曲变形特性。即使在燃料棒使用寿命期间经受热效应和放射效应之后，用曲线证明的独特非线性以及高弹性刚性也将提供足够的压紧力。

波纹管腔室弹簧48可以与所提供的碳化硅包壳一起使用，波纹管由具有低热膨胀系数和高熔点的材料制成，诸如钼或者钨或者INBAR-(36％镍和64％的铁)。热屏障涂层可沉积在装置的经受高温的零件(诸如，最靠近燃料以及最靠近上端盖的部分)处，以防止装置过热。热屏障涂层材料可以是各种低导热率氧化物，诸如，ZrO₂或者烧绿石化合物(即，Nd₂CR₂O₇)。热屏障涂层可仅仅施加到热有效区，主要是装置的与燃料芯块和上端塞接触的端部。可使用等离子喷镀、化学气相沉积、物理气相沉淀、冷喷涂或热喷涂来施加热屏障涂层。因此，较之传统的腔室盘簧，本发明将提供增加的腔室容积，以允许更多的铀装载到燃料棒中。另外，将在放射性芯块堆上提供足够的压紧力，以防止在运输和操纵期间损坏芯块。该装置还较之螺旋盘簧提供了对包壳的更好径向支撑。通过使用难熔材料，本发明可承受碳化硅包壳燃料棒所预期的高温环境。

尽管已经详细描述了本发明的具体实施例，但是本领域技术人员将理解的是，可根据本公开的总体教导来开发针对那些细节的各种修改方案和可替代方案。因此，所公开的特定实施例仅仅意味着具有阐释性而不限制本发明的范围，本发明的范围将由所附的权利要求及其任何和所有等效物的整体宽度来给定。