专利名称:核反应堆用万能燃料组件结构的制作方法
本发明一般地涉及核反应堆，特别是堆用的燃料组件。
典型的压水堆堆芯中含有大量的燃料组件。除燃料浓度外，各燃料组件彼此之间基本上是一样的。为了选择最佳燃耗並展平整个堆芯中径向的中子通量分布，通常采用一种分区的浓度分布，即堆芯边缘区的组件中的燃料浓度要比堆芯中心区组件中的燃料浓度高一些。在给定的一次堆芯循环(例如一年)以后，在较高浓度堆芯区中的燃料组件要倒换到较低浓度区中，同时把新的燃料组件装到最高浓度区，把耗尽的或烧完的组件从最低浓度区卸出。
除了燃料浓度有所不同之外，堆芯内燃料组件都有相同的结构，每个燃料组件基本上是由一个下管座、一个上管座、一根仪表管以及许多根控制棒导向套管、燃料棒和格架组成。例如，在一个典型的燃料组件中，燃料棒可以排成一个正方形的点阵，各条边有17个棒的位置。每个燃料组件总共有289个棒的位置，其中264个放燃料棒，24个放导向套管，一个放仪表管。
燃料组件的结构骨架由其下管座、上管座和导向套管组成，导向套管纵向延伸在下管座和上管座之间，並对它们起刚性连接作用。这些部件除了共同配合以组成刚性骨架以外，每个部件还有其自己的其他功能。下管座引导堆冷却剂向上流入燃料组件，导向套管为控制棒插入和穿过燃料组件提供通道，而上管座为支撑控制棒的星形组件提供台座。上管座还有一个开孔，供冷却剂从中流过，同时下管座和上管座一起防止燃料棒从燃料组件中向上和向下顶出。
在传统的燃料组件中，格架和燃料棒不是燃料组件骨架的结构性部件，它们分别直接地和间接地由导向套管来支承。格架连接到导向套管上，格架之间在轴向位置上彼此间隔开。而燃料棒由横向格架以一定的排列方式在侧向支承，这在技术上是熟知的。
燃料组件的导向套管的直径比燃料棒的直径大，而且，如上所述导向套管提供的通道可接受各种类型的用来控制核燃料反应性的控制棒。然而，当燃料组件装到没有控制棒的那些堆芯位置上时，组件中的导向套管一般是不能用来装燃料棒的，因为插在这些导向套管内的燃料棒周围余下的空间太小，从其中流过的冷却剂不足以防止燃料棒的过热。
因此，传统的燃料组件中有相当数量的棒的位置(在上述的例子中约为10%)不装燃料。此外，由于并非堆芯内所有的燃料组件都需要控制棒(在典型的堆芯中大约三分之二的燃料组件不需要)，在堆芯许多区域中不装燃料的棒的位置闲置无用，这就降低了功率输出，增加了燃料循环价格，缩短了燃料组件寿命，并使燃料装载方式次优化。传统的燃料组件靠导向套管与上、下管座连结在一起而形成一个有高度结构完整性的刚性骨架。这种燃料组件还有一个不利因素，即当需要重新组装燃料组件时，对大量的组件来说，要拆卸和重新安装上管座就显得相当困难。
本发明的基本目的是提供一种改进的燃料组件的设计，这可使上述问题得到缓和而又不会影响结构的完整性，而且，它具有较大的灵活性，使燃料组件中燃料含量满足燃料组件所在的堆芯内特定位置的需要。
因此，本发明属于一种核燃料组件，它包括一个上端部构件，一个下端部构件以及把上、下端部构件联在一起并与它们共同组成一个刚性结构骨架的相互联结机构，组件还包括许多个横向格架和许多根燃料棒，格架支承在上述骨架上，以一定的纵向间距放置在上、下端部构件之间，燃料棒从格架中穿过并由格架支承，燃料棒之间相互平行并彼此隔开，该组件的特征在于a)上述相互联结机构包括若干个细长部件，它们延伸在上述上、下端部构件之间，其两个端头部分与上、下端部构件相连;
b)布置上述燃料棒时，要留出一定数量的纵向通道，这些通道在两个端部构件之间延伸并且以一定形式分布在燃料棒中间;以及c)该燃料组件包括由一个支承件和许多个细长元件组成的一个簇形组件，每个细长元件的一端联结到上述支承件上并由此延伸，细长元件相互平行并彼此隔开，它们的横截面尺寸与相应的纵向通道相适应，其排列方式也与上述纵向通道的排列形式相一致，上述支承件与上述上端部构件的一部分配合，以便从那里可拆卸地支承该簇形组件，支承时，上述各细长元件伸到上述各通道内并在那里向上述下端部构件纵向延伸。
如果燃料组件放在堆芯内使用控制棒的部位，则簇形组件的细长元件至少有一部分是控制棒导向套管，其数量相当于需要装的控制棒的数目。另一方面，如果燃料组件放在堆芯内不含控制棒的部件，则簇形组件的细长元件可以是燃料棒，这些燃料装在因为不装控制棒而空出来的那些通道中。
因此，体现本发明的燃料组件使用细长部件(最好是空心的杆)它代替依靠控制棒导向套管保持骨架刚性的那种结构，这种细长部件不需要作导向管;这种燃料组件使用簇形组件，簇形组件包括控制棒导向套管和(或)燃料棒，视燃料组件所在的堆芯位置而定，而且，簇形组件可拆卸地支承在上端部件上，以便能容易装上和卸下。显然，这种布置方式具有相当的灵活性，能使燃料组件中燃料含量满足燃料组件所在的堆芯内的特定位置的需要。此外，燃料组件的骨架结构是由便于组装和拆卸的零件组成的，因为其主要的结构支承由可与上、下管座拆开的细长的部件，最好是四个角杆提供。这样就可更换损坏的燃料棒和格架而无须过早地卸出燃料组件。当组件中燃料最终耗尽时，把燃料组件彻底卸开，可在废燃料池中密集贮存。再者，由于导向套管不再是结构件，因而，当不需要为控制棒导向时，可以方便地取下导向套管，换上燃料棒或类似的棒。用这种替换方法可降低燃料循环价格，延长烧过的燃料组件的寿命，优化装料方式(降低峰值因子)，并根据分析结果来调整循环后期的周期长短，并由于周期较长而增加输出功率。
现参考附图，仅以举例方式来说明本发明的最佳实施例。其中图1是体现本发明的一个核反应堆燃料组件的立视图，部分以剖面表示，还有一个传统的控制棒星形组件的立视图，星形组件用虚线表示;
图2是燃料组件上管座的放大剖面图，这是沿图1的2-2线切取的;
图3是燃料棒和燃料组件最上面的格架的放大顶视图，这是在图1的3-3线上，沿箭头方向往下看;
图4是图3上包括右侧下部的角杆在内的格架栅格的一个放大的局部平面图;
图5是角杆以及相应格架栅格的部分剖面图，沿图4的5-5线切取的;
图6是类似图5的剖面图，但它是沿图4的6-6线切取的;
图7是燃料组件上管座和簇板的放大顶视图，它是沿图1上7-7线的箭头方向朝下看的;
图7a是簇板和上管座的放大的部分剖面图，它是沿图7的7a-7a切取的;
图7b是另一个簇板和上管座的放大的部分剖面图，它是沿图7的7b-7b切取的;
图8是沿图7上8-8线切取的簇形组件的剖面图;
图9是另一个簇形组件的剖面图，它带有一块支承许多燃料棒的和一根仪表管的簇板;
图10是燃料组件最下面的格架的部分顶视图，它是沿图1的10-10线切取的，但燃料棒导向套管及角杆被省掉了;以及图11是四分之一个堆芯的示意图，表示把新燃料装在烧过的燃料组件中的簇形组件以及把烧过的燃料装在新燃料组件中的簇形组件。
在以下说明中，几张图中的同一个参考数字表示相同的或相应的部件，而“向前”、“向后”、“左”、“右”、“向上”、“向下”这一类词仅为方便而使用，不得视为限制性词。
现在参考附图，特别是图1，图示的用在压水堆(PWR)上的燃料组件在垂直方向上是按透视法缩短了的，整个组件用数字20来代表。它基本上是由一个上端部构件(上管座22)，一个下端部构件(下管座24)和许多细长部件(空心杆26)组成，细长部件纵向延伸在上、下管座22、24之间，并且同上、下管座固定联结在一起。
再看图2和图7，空心杆26(最好是4根)的上、下两端有内螺纹，上、下两端分别用可松开的螺纹紧固件(例如螺栓28)连接到上、下管座22、24的角区。在这种联结方式中，上、下管座22、24与细长的角杆一起组成了燃料组件20的刚性的结构骨架，使得组件20能以一个整体从压水堆(未示出)的堆芯中插入和拔出。另一方面，这种联结方式使得上、下管座22、24同角杆26易于拆开，这样不仅可以维修作为燃料组件20骨架的结构性部件，而且可以维修不是组件20骨架的非结构性部件。
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燃料组件20的非结构性部件包括许多个横向格架32，许多根燃料棒34以及一个簇形组件36(图1及图8)或38(图9)。虽然这里仅透露两种不同的簇形组件，但是应当理解到其他的形式也是可能的。横向格架32在上、下管座22，24之间，纵向是彼此间隔开的，它们以这种方式支承在细长的角杆26上。燃料棒34穿过格架32延伸并由其支承。燃料棒彼此之间和与角杆26之间基本上是平行的，并且相互隔开。
每根燃料棒34中含有裂变材料制成的核燃料芯块(未示出)，燃料棒两端用端塞40，42密封。在堆芯30运行时，液体慢化剂/冷却剂(例如水或含硼水)向上泵送，流过燃料组件20，从而抽出组件中产生的热量去做有用功。
从图3上看出，改进的燃料组件20的燃料棒34的布置中，在某些规定的位置上，大量的燃料棒中有几组棒34的相互间隔距离要比其他棒34的大(实际上，这几组棒中每组的中心燃料棒被省掉了)，这样就限定了几条延伸在上、下管座22、24之间的细长的通道。每个簇形组件36或38包括一块簇板46或48以及不同类型的细长棒54和50或52，这些棒的上端分别联结簇板上，棒穿过燃料组件20的格架32和通道44插入。
具体地说，每个细长的棒50是一个导向管或套管，每个细长的棒52是一个燃料棒，而每个细长棒54则是一根仪表管。簇形组件38(图9)的各根燃料棒52的尺寸(包括长度和直径)比格架32支承的每根燃料棒34都大。每个簇板46、48上分别开有许多孔56或58，孔的排列方式与通道44相匹配。在簇板46或48上的孔56或58中，中心的一个孔放置仪表管54的上端部，它上面有一个凸缘60固定(也就是焊接)在簇板上。簇板46上其余的孔56中，每个孔都有一个开在孔壁上的环形沟槽62，相应的导向套管50的上端部插在各孔中，套管50上有一个凸起部与沟槽62相匹配，通过该凸起部把套管50固定联结到簇板46上。加大尺寸的燃料棒52的上端部穿过簇板48上其余的孔58，用紧固件64把棒52的上端部固定在簇板48上。
如上所述，每个簇形组件36，38都适合于插进燃料组件20中，更具体地说，上管座22适合于可拆卸地支承簇形组件36或38的簇板46或48，支承时，棒54和50或52从上管座22穿过细长通道44并伸向下管座24，下管座24适合于可拆卸地支承簇形组件36或38的棒的下端。
为了支承簇形组件36和38，上管座22包括一个横向的下部连接板66，板66上开有许多小孔68，小孔68与燃料组件上细长通道44以及各簇形组件的细长棒是匹配的。上管座22还有从连接板边缘向上延伸的直立侧壁70。当簇形组件36或38的簇板46或48以装配位置支承在连接板66上时(这正如图1及图7所示，以及如图7a和7b上实线表示的那样)，棒54和50或52向下穿过连接板66上的小孔68和通道44向伸向下管座24。从图1上也可看到，下管座24的横向板74上的小孔72也是以相应的方式排列的，以便可拆卸地支承和容纳簇形组件36或38的棒54和50或52的下端部。
上管座22的侧壁70上有一个向内的上法兰78，在上法兰78上靠近两个对角的位置上有闭锁机构，这是一对片簧76，它们能与簇形组件36或38的簇板46或48配合，按其装配位置将簇板固定在连接板66上。例如在图1，7和7a中，表示一个片簧76在其正常的闭锁位置上，它向下延伸，与簇板46的上表面接合。利用一个适当的工具(未示出)，可以使片簧76横向偏转到非闭锁位置(如图7a虚线所示)，这时弹簧不再接合在簇板46的上表面，因此，可用一个带钩子80的合适的工具(见图76)把簇形组件卸开，钩子80能与开在簇板46上其斜对角附近的暗切缺口82咬合，然后再提升板46，使其离开连接板66上的装配位置，如图7b虚线所示。
从图2和图7看到，在组装时角杆26的上端(用螺栓28表示)位于连接板66的角区，正好在簇板46的边缘之外。图2和图7同时示出成形在连接板66和簇板46上的冷却剂流量通道。
现在参见图3和图6，图上的格架32是所有格架32的代表，格架32由交织成一个像蛋篮形状的许多条金属带组成，因此形成了许多空心的栅格86。虽然在示出的实例中有289个栅格(因为格架的每条边有17个栅格)，但燃料组件也可以采用其他大小的布置，因此杆26和棒50、52在格架32的栅格86中的位置是可以改变的。在燃料棒34从中穿过的各个栅格86中，每个栅格相邻的两个侧壁90上分别有一个可缩回去的弹簧88，栅格的另两个侧壁94上分别有一个凹槽92。但是，在角杆26或者细长棒50、52、54从中穿过的栅格86中却都没有这样的弹簧88和凹92。这后一种栅格86总共有29个，它们对准燃料组件20的细长通道44，而且它们所装的管形部件的直径比燃料棒34的大。
虽然与相应的簇形组件有关的不同类型的棒即导向套管50、加大尺寸的燃料棒52以及仪表管54并不要求格架栅格86内用任何特殊手段对其支承，但格架本身是依靠角杆26支承的，因此必须有一些特征来体现支承作用。如图4-6所示，每个角杆26有一个由四对从角杆向外径方向突出的小翼片96组成的匹配机构，翼片96的排列方式使之能对准并嵌入到与之互补的匹配机构，互补机构的形式是凹坑92后面的孔(见图4)或小孔98，凹坑92或小孔98在角杆26相应的栅格86的侧壁90，94上。
为了把格架32装到角杆26上，首先使角杆围绕其纵轴旋转到某一位置，使翼片96对准栅格86的角(如图上虚线所示)，这时，翼片对格架在角杆上下滑动不会产生任何干扰。当格架32移动到一个期望的位置以后，使格架定位，凹坑92和小孔98与杆26上的翼片处于同一个平面，再把角杆从其原来的位置旋转45°，使其翼片96嵌入格架侧壁的凹坑92后面的孔和小孔98中(如图4上实线所示，同时参见图5和图6)，格架32就被固定在适当的位置上。
从上面说明中可以清楚地看到，燃料组件20在进行整修和有其他用途时可以很容易地拆卸，这是因为卡紧在上下管座22，24之间的角杆26的上下端是可松开的，可拆下的角杆26支承着格架32，而且上管座22的连接板66对簇形组件36或38的支承也是可松开的。
如上所述，体现本发明的燃料组件便于在不同燃料组件上使用不同的簇形组件。在所述的实施例中，示出两种不同的簇形组件，即簇形组件36(图8)和簇形组件38(图9)，36包括有控制棒导向套管50，因此它适宜用于准备放到堆芯中有控制棒(装在导向套管中)区域内的燃料组件上，38包括有加大尺寸的燃料棒52，因此它适宜用在准备放到堆芯中没有控制棒的区域内的燃料组件上，这种燃料组件中的通道例如通道44可以用来接纳燃料棒52。
用组件38这样的簇形组件，不仅能把燃料棒加到空通道44的位置上，而且能使一个簇形组件38中燃料浓度与另一个的不同，如图11所示。图上示出的第一类燃料组件100，其每个组件中包含一束装有新燃料的普通的燃料棒如图1中燃料棒34。还有第二类燃料组件102，其每个组件中包含一束装烧过的旧燃料的普通燃料棒。假如每个燃料组件100和102都有如前面所述的本发明中提出的那种结构，那未，在堆芯30换料期间，用燃料棒簇形组件如组件38那样，燃料组件的上管座很容易卸下的组件将会大大便于簇形组件的改装。因此，可以把含旧燃料的簇形组件104从也是含旧燃料的燃料组件102中转移到含所燃料的燃料组件100中，同样，含新燃料的簇形组件106也可以装到含旧燃料的燃料组件102中。
因此，通常的装料方法是装在堆芯内的燃料组件全部是新燃料棒的或者全部是烧过的旧燃料棒。这里透露的配置方式与通常的方法不同，它使得一种堆式的装料方法成为可能，也就是使用在烧过的旧燃料组件中放入新燃料的簇形组件，以及使用在新燃料组件中放入烧过的旧燃料的簇形组件。这种新式的装料方式提高了生产率，它使燃料循环价格降低，旧燃料的组件的寿命延长，并由于周期延长而增加了输出功率。
权利要求
1.核燃料组件包括一个上端部构件，一个下端部构件以及把上、下端部构件联在一起并与它们共同组成一个刚性结构骨架的相互联结机构，组件还包括许多个横向格架和燃料棒，格架支承在上述骨架上，以一定的纵向间距放置在上、下端部构件之间，燃料棒从格架中穿过并由格架支承，燃料棒之间相互平行并彼此隔开，该组件的特征在于(a)上述相互联结机构包括若干个细长部件(26)，它们延伸在上述上、下端部构件(22、24)之间，而且细长部件的两端分别与上、下端部构件相连；(b)布置上述燃料棒(34)时，要留出一定数量的纵向通道(44)，这些通道在上、下端部构件之间延伸，并以一定的形式分布在燃料棒中间；以及(c)该燃料组件包括由一个支承件(46或48)和许多个细长元件(50、54或52、54)组成的一个簇形组件(36或38)，每个细长元件的一端联结到上述支承件上并由此延伸，细长元件相互平行并彼此隔开，它们的横截面尺寸与相应的纵向通道(44)相适应，其排列形式也与上述纵向通道的排列形式相一致，上述支承件(46或48)与上端部构件(22)的一部分(66)配合，以便从那里可拆卸地支承簇形组件(36或38)，支承时，上述每个细长元件伸到上述多通道(44)内并在那里向上述下端部结构(24)纵向延伸。
2.根据权利要求
1所述的燃料组件，用在堆芯中控制棒位置上的燃料组件的特征在于上述细长元件中至少有一部分元件由控制棒导向套管(50)组成。
3.根据权利要求
1所述的燃料组件，用在堆芯中没有控制棒位置的核燃料组件的特征在于上述细长元件中至少一部分元件由燃料棒(52)组成。
4.根据权利要求
3所述的核燃料组件的特征在于上述燃料棒(52)中至少一部分棒含有烧过的核燃料。
5.根据权利要求
3所述的核燃料组件的特征在于，上述燃料棒(52)中至少一部分棒含有新的核燃料。
6.根据权利要求
3、4或5，所述的核燃料组件的特征在于构成燃料棒(52)的上述每个细长元件的尺寸都比由上述横向格架支承的燃料棒(34)大。
7.根据前述权利要求
中的任意一项，核燃料组件的特征在于上述细长元件包括一根仪表管(54)。
8.根据前述权利要求
中的任意一项，核燃料组件的特性在于上述上端部构件(22)包括闭锁机构(76)，它与上述簇形组件(36或38)的支承件(46或48)配合，以便把簇形组件以可松开的方式固定在上端部构件的适当位置上。上述闭锁机构可松脱开，以便在拆卸时取出簇形组件。
9.根据权利要求
8所述的核燃料组件的特征在于，上述闭锁机构(76)至少包含一个配置在上端部结构上的片簧，其配置方式为先把有弹性的片簧拨到簇形组件(36或38)的支承件(46或48)的侧面，当簇形组件在上端部构件上安装就位以后，再把片簧板到同支承件闭锁接合的位置。
10.根据前述权利要求
中的任意一项所述的核燃料组件的特征在于簇形组件(36或38)的上述支承件(46或48)包括可连接一个工具机构(82)，它用来从燃料组件中提出簇形组件。
11.根据前述权利要求
中的任意一项所述的核燃料组件的特征在于上述上端部构件(22)的一部分(66)是开有许多孔(68)的一块板，各个孔与上述纵向通道(44)轴向对准，上述簇形组件(36或38)的支承件(46或48)由放置在上端部构件的上述板(66)上的一块板组成，并包括从上述各个孔(68)中穿过的上述细长元件(50、54或52、54)。
12.根据前述权利要求
中的任意一项所述的核燃料组件的特征在于上述下端部结构(24)可拆卸地支承上述簇形组件(36或38)的细长元件(50、54或52、54)的下端。
13.根据前述权利要求
中的任意一项所述的核燃料组件的特征在于上述格架(32)包含第一互锁机构(92、98)，而构成上述相互联锁机构的细长部件(26)包含第二次互锁机构(96)，第二互锁机构与上述一次互锁机构配合，把相应的格架(32)以可松脱的方式紧固在上述细长部件(26)上。
14.根据权利要求
13所述的核燃料组件的特征在于上述各格架(32)是一个像蛋篮形的构件，它限定许多开口的、基本上是矩形的栅格(86)供相应的燃料棒(34)，细长部件(26)和细长元件(50、54或52、54)从其中穿过，而上述第二互锁机构(96)由设在各细长部件(26)上的径向突起物(96)组成，通过局部转动细长部件(围绕其纵轴)，就可把突出物嵌入相应的互锁孔中或者从孔中脱出。
15.根据权利要求
14所述的核燃料组件的特征在于上述每个细长部件(26)的两端分别连接在相应的端部结构(22、24)上，当细长部件两端从上述端部结构上松开，而且那里的第二互锁机构旋转到与相应的第一互锁机构(92、98)松脱的位置，则可把该细长部件(26)从上述骨架上卸下。
16.根据前述权利要求
中的任意一项所述的核燃料组件的特征在于上述细长部件(26)是角杆，它放置在上述骨架各个角的附近。
17.根据前述权利要求
中的任意一项所述的核燃料组件的特征在于上述细长部件(26)是管状的。
专利摘要
本发明涉及核燃料组件，组件中主要的结构支承由联结上下管产(22、24)并支承横向格架(32)的角杆(26)提供。布置燃料棒时要空出纵向通道的位置，纵向通道的排列方式与可能的控制棒的位置一致。一个棒簇组件(36)由一块支承板(46)及与其联结的一簇棒(50)组成。组件可拆卸地支承在上管座的连接板(66)上，而组件中的棒则伸进相应的通道中。依据燃料棒在堆芯中所放的位置、簇形组件中的棒可能是控制棒导向机构和燃料棒或其他棒。
文档编号G21C3/328GK86101339SQ86101339
公开日1986年9月3日 申请日期1986年3月3日
发明者杰弗里·罗伯特·塞克 申请人:西屋电气公司导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan