專利名稱:具有防蝕格架的燃料組件的制作方法
本發(fā)明與核反應(yīng)堆的燃料組件有關(guān)，在該反應(yīng)堆中，冷卻劑通過配置在反應(yīng)堆容器中的核堆芯組件向上進(jìn)行循環(huán)。每一組件都包括一燃料元件束，而每一束燃料元件由金屬管護(hù)套構(gòu)成，護(hù)套內(nèi)裝有核燃料芯塊并用氣密帽加以密封。這些元件安裝在一個剛性結(jié)構(gòu)中，這個剛性結(jié)構(gòu)包括用拉桿連結(jié)在一起的端部構(gòu)件和若干沿拉桿分隔開的隔離格架。燃料元件分布在方形網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)上，該網(wǎng)絡(luò)是由按予定間隔排列的隔離格架而形成的。
本發(fā)明特別適用于壓水核反應(yīng)堆(PWR)的燃料組件，但并不專用于此種反應(yīng)堆。其燃料元件具有用鋯基合金制成的金屬護(hù)套。
上面所描述的那種類型的燃料組件的格架，能夠起到一些不同的作用。一方面，格架可從側(cè)面支撐并固定含有裂變材料的燃料元件，這些格架能夠保護(hù)組件在裝卸時，在發(fā)生地震時或發(fā)生操作事故時，抵抗橫向的沖擊。另一方面，這些格架能夠攪動通過堆芯向上循環(huán)的冷卻劑流。冷卻劑的這種攪動，對于按最佳的、連續(xù)的方式有規(guī)律地吸收裂變材料燃料元件所釋放的熱，是很重要的，同時避免了冷卻劑局部溫度的提高，防止冷卻劑產(chǎn)生局部沸騰。充分的攪拌，就可使冷卻劑的總的熱函得以增加，堆芯中橫向擴(kuò)散更為均勻，然而，為了從堆芯的熱功耗散中獲得最大的輸出，同時又避免局部沸騰，就不應(yīng)攪動。
現(xiàn)在已經(jīng)知道了不同類型的組件，它們由按予定距離相間隔的隔離格架所組成，并具有上面提到的功能。在壓水反應(yīng)堆的原有技術(shù)中，核組件就由這種典型的格架組成，它們從組件的頂部到底部，以有規(guī)律的間隔排列起來。法國文獻(xiàn)8418645描述了這種類型的組件，它包括一種骨架或剛性結(jié)構(gòu)，具有兩個用細(xì)長零件，例如導(dǎo)管，連結(jié)在一起的端部構(gòu)件，以及許多沿導(dǎo)管相隔開的格架，從而形成用于支撐燃料元件的柵元，所述的元件分布在有規(guī)則的網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)上。格架有不同的類型，其要點(diǎn)是中間格架，它的結(jié)構(gòu)可以抵抗橫向沖擊，并具有翅片，使沿組件流動的冷卻劑產(chǎn)生湍流;下部格架和上部格架，用來確保元件的緊固，并且，它們對冷卻劑產(chǎn)生的壓降，比中間格架產(chǎn)生的壓降要小。
這種方案能解決一些問題，然而，在燃料元件具有鋯基合金護(hù)套的特定情況下，申請人注意到，發(fā)生的腐蝕，在元件頂部比底部要嚴(yán)重得多。
大家都知道，局部腐蝕現(xiàn)象取決于冷卻劑的溫度，以及由每個燃料元件所耗散的局部熱功率，也知道堆芯頂部存在的冷卻劑溫度必然比堆芯底部要高。這兩個因素冷卻劑溫度和由堆芯局部釋放的熱功率，可以用來向本領(lǐng)域的技術(shù)人員說明在燃料元件底部與頂部之間會產(chǎn)生不同的腐蝕，但是，同樣會使他們認(rèn)為，這種現(xiàn)象是不可避免的。
本發(fā)明的一個任務(wù)就是提供一種用于核反應(yīng)堆堆芯的經(jīng)改進(jìn)的燃料組件，更具體地說，是提供一種能減少元件頂部腐蝕的組件。
為此，首先必須對這種現(xiàn)象提出一種新的分析，同時應(yīng)指出，除已有技術(shù)所公知的原因以外，還可能存在加速其頂部腐蝕的其他原因。這個分析導(dǎo)致一種假說，由于腐蝕，在元件護(hù)套或外殼上形成的氧化層，使燃料元件與元件周圍的加壓水之間的熱交換，變得有效，從而加劇了腐蝕，并且，由于燃料元件頂部的溫度比底部溫度高，其氧化層的厚度增加得更快，因而腐蝕現(xiàn)象更進(jìn)一步加大。
通過在護(hù)套的許多點(diǎn)上測量氧化層的厚度，這種分析得到了證實(shí)，氧化層是在受到輻照過的燃料元件護(hù)套表面上形成的。測量是用渦流探頭完成的。結(jié)果表明，氧化層厚度從底部到頂部顯著增加。例如，對于一個用于分析的燃料護(hù)套，它受到超過40，000兆瓦日/噸鈾(MWD/TU)的燃耗作用，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在護(hù)套底端部分的厚度約為18微米，而在護(hù)套頂端部分達(dá)到50微米。申請人還注意到，氧化物的厚度隨著金屬和留在反應(yīng)堆中的燃料元件上產(chǎn)生的氧化物之間的界面溫度的增加而增加，而頂端部分被增加了厚度的氧化物，又使金屬與氧化物之間的界面溫度增加，從而又加速了氧化物的形成。
為了減少護(hù)套頂部腐蝕加劇這一現(xiàn)象，申請人試圖提高在壓水反應(yīng)堆中的每一燃料元件與冷卻劑(即加壓水)之間，在元件頂部所進(jìn)行的熱交換。為此，本發(fā)明的一個目的是提供一種特殊的，上面所限定的類型的燃料組件，其中，適用于組件上部的上格架的排列距離，比適用于組件下部的下格架的排列距離要小，所述的上格架提供了一種經(jīng)改進(jìn)的，對通過上格架進(jìn)行循環(huán)的冷卻劑流(加壓水)的攪動作用，它比按原有技術(shù)的上格架所提供的對冷卻劑的攪動作用更為強(qiáng)烈。
于是，能夠得到這樣的效果-延緩在組件頂部燃料元件的護(hù)套表面上出現(xiàn)的腐蝕，這是由于-在組件頂部冷卻劑的攪動更好，同時保持一種可允許的壓降，使反應(yīng)堆處于良好的條件下工作。
-延緩在護(hù)套頂部氧化物的形成，而組件底部，又不致惡化。
本發(fā)明還提供一種組件，其上部格架具有翅片，同時下部格架不帶翅片?？拷隙藰?gòu)件的一個格架，最好也用不帶翅片的格架。
本發(fā)明的另一個目的是提供一種結(jié)構(gòu)相當(dāng)輕的上部格架，例如，法國文獻(xiàn)FR8602501所描述的那種類型的格架。這種格架包括四周的邊板以及至少兩組平行的板，一組板與另一組板構(gòu)成一個角度，以使兩組板限定許多柵元，作為燃料元件的通道。平行板分布在至少兩個基架上，基架沿組件縱向隔開，所述的板上具有半個翅片，它們在兩個基架的每一個基架上分別具有不同的方向。
下面通過對一種特殊實(shí)施例的描述(不限于所給的實(shí)施例)，可以更好地理解本發(fā)明。
進(jìn)行說明時，參照了下列附圖，其中圖1是經(jīng)輻照的燃料元件整個鋯合金護(hù)套上形成的氧化層厚度的略圖，觀察的是已有技術(shù)的組件，其已知類型的格架按規(guī)律相隔離。
圖2是用于壓水反應(yīng)堆的燃料組件的視圖，其格架按本發(fā)明的方式相隔離。
圖3是上部格架的簡略的等軸圖，由兩個基架板組成，并表示出本發(fā)明組件中優(yōu)先使用的翅片的可能排列方式。
圖4的簡略等軸圖表示出如圖3的兩個基架板所構(gòu)成的上部攪動格架中，翅片的可能排列方式。
圖5是在本發(fā)明的組件中上部格架的構(gòu)成板的一種可能排列方式的前視圖。
圖6是圖5的局部頂視圖。
圖7是放大的簡略視圖，表示具有單個基架的格架板的橫斷面，它限定了一個用于本發(fā)明組件的柵元。
圖8是本發(fā)明組件的下部格架的兩個板墻上形成的凸臺部分的簡略等軸圖。
圖9是沿圖81Ⅸ-1Ⅸ線的剖面圖。
圖1的曲線表示燃料元件護(hù)套表面形成的氧化鋯層厚度的變化情況，它是根據(jù)已知類型的組件沿縱向位置進(jìn)行測量而得出的，其格架按照原有技術(shù)有規(guī)則地分隔并加以固定。
燃料元件的底端部與元件被測部分之間的距離，在OX軸上表示，所測得的氧化層厚度在OY軸上表示。格架沿燃料元件縱向分隔的位置，在圖1上是用垂直的桿杠從A到H來表示的，格架A是最靠近組件底端構(gòu)件的格架，因此，也最靠近被檢測元件的底部氣密帽。
圖1的曲線是申請人所進(jìn)行的測量而獲得的，它表示-在格架E和H之間的氧化層比組件底部格架之間的氧化層要厚得多。
-在元件護(hù)套上可觀察到，不僅是在格架本身前面位置的氧化層厚度，而且在靠近所述格架下方的氧化層厚度，比該格架靠近冷卻劑流上方的區(qū)域內(nèi)氧化層厚度要小些。
-最后，根據(jù)申請人的觀察，依賴于格架的位置，可觀察到，在格架下方大約10-30厘米起，在元件護(hù)套上的氧化鋯層的厚度開始變厚，而在稍偏離二格架中間距離的位置，氧化層厚度達(dá)到一個峰值，在格架F和G之間，其峰值最大。
圖2表示由骨架組成的組件1，包括下端構(gòu)件3和上端構(gòu)件4，它們用細(xì)長零件，如導(dǎo)管5連接起來。
該組件具有下部格架6，7，8，9和上部格架10，11，12，13，14，15，16，適于組件1上半部使用的兩個相鄰的上部格架之間的距離，比適于組件1下半部使用的兩個相鄰下部格架之間的距離要小。在這種特定情況下，圖示的組件包括7個上部格架和4個下部格架，但這些數(shù)字不應(yīng)受到限制。
所示的采用七個上部格架的配置，對于組件上部分中的冷卻劑的攪動作用，比按照原有技術(shù)的組件所得到的攪動作用要好，而且能獲得同樣的反應(yīng)堆散發(fā)的熱功率，也能夠獲得從組件而來的冷卻劑的溫度輸出，其結(jié)果就使護(hù)套的溫度降低，因此，這部分氧化層厚度的增長速度就慢下來，在這部分燃料元件上所形成的腐蝕，包括在圖1格架E和H之間所形成的腐蝕，就能得到延緩。
在本發(fā)明的一個較好的實(shí)施例中，上部格架的數(shù)目是加倍的，燃料元件，例如是桿狀的，被格架支撐著，格架按軸向每25厘米相間隔。
圖3是根據(jù)本發(fā)明組件中上部格架的一種類型，它包括由板23組成的兩個平行基架21和22，用來固定并分隔燃料組件。板上有攪動翅片24，它們除了起到支撐的作用外，還起到對液體流的攪動作用。
圖4表示帶有兩個基架21和22的攪動格架的一種類型，兩個基架由桿或角棒25連接起來。每個基架包括板26，它們在兩個不同的方向上進(jìn)行安裝。應(yīng)該指出，圖3和圖4上所表示的由板組成的每個基架，作為接收燃料元件27的柵元來講，是不完整的，這種柵元只有用屬于兩個基架的板才能完全限定。
上部格架可以采用在法國文獻(xiàn)FR8602501中所描述的那種型式，其它類型的格架，對本發(fā)明的組件也是適用的。
圖5和圖6表示一種可以采用的，具有單個基架的上部格架的實(shí)施例，其中的連接片31，用來將格架30固定到一些導(dǎo)管上。
在板35的每個表面上，在兩個水平面位置上，加工有凸起部分或凸臺33和34，它們使格架30起到一種支撐燃料元件32的作用。翅片36，在冷卻劑通過組件向上流動的過程中引起湍流。翅片36的型式，可以采用，例如法國專利申請F(tuán)R8416803中所描述的那種類型。
為了進(jìn)一步增強(qiáng)格架的剛性，至少在某些板上延伸出一個突起部分37，它具有縱向加強(qiáng)的折疊結(jié)構(gòu)38。
圖7是從上面表示的，在本發(fā)明組件中優(yōu)先采用的下部格架。這些格架包括兩組帶有槽41(圖8)的板40，一旦裝配到一起，這些板就被焊縫42加以固定，例如用電子槍進(jìn)行焊接。板40進(jìn)行沖壓加工，在板的每一邊產(chǎn)生一個凸起部分，它們伸進(jìn)到兩個相鄰的凹槽中，例如圖7中的孔或柵元43和44之中。這些凸起部分使裂變材料元件，例如圖7中的燃料元件45，獲得橫向支撐。
在圖7、圖8和圖9中表示的格架，在柵元的每個表面上都包括一單個凸臺，在圖8和圖9中，相應(yīng)于柵元43的凸臺，用數(shù)字46表示。在兩個相垂直的表面上的凸臺，具有不同的水平面。裂變材料45的每一元件，都由于同四個凸臺固定接觸，因而獲得橫向支撐。每一凸臺46同相反方向上的凸臺47結(jié)合起來，但是，由導(dǎo)管48(圖7)所占據(jù)的柵元，其墻面上沒有凸臺。下部格架不包含翅片，因此，僅對液體流稍微有點(diǎn)攪動作用，僅產(chǎn)生極小的壓降。
本發(fā)明應(yīng)不限于上面所描述的各種實(shí)施例，它還包括其他方式，特別是-其中格架具有非正交的多邊形截面的實(shí)施方式，-其中下部格架也具有攪動翅片的實(shí)施方式，-其中上部格架和/或下部格架彼此結(jié)構(gòu)不同的實(shí)施方式。
權(quán)利要求
1.在一種核反應(yīng)堆中，具有一個容器，用于盛裝減速和冷卻的加壓水，所述容器中有一個堆芯，其結(jié)構(gòu)可使所述加壓水向上通過，以及包括許多彼此相鄰的向上豎立的核燃料組件，核燃料組件包括--由許多燃料元件組成的燃料元件束，每一束都具有鋯基管狀護(hù)套，護(hù)套有一個上端零件和一個下端零件，并包含核燃料材料，-一種剛性結(jié)構(gòu)，用于保持和支撐所述的互相平行的燃料元件束，所述的剛性結(jié)構(gòu)具有一個上端部構(gòu)件和一個下端部構(gòu)件，由拉桿和許多格架連接在一起，格架沿拉桿隔開，所述的許多格架包括--由位于組件上部的上格架組成的上面一套格架，按第一種予定距離彼此有規(guī)則地隔開，并具有用于攪動通過上格架的水流的第一種攪動裝置，--由位于組件下部的下格架組成的下面一套格架，按第二種予定距離彼此有規(guī)則地隔開，第二種予定距離大于第一種予定距離，并具有第二種攪動裝置，其結(jié)構(gòu)和配置使其對水流的攪動效率比上格架的第一種攪動裝置低，由此，上格架的結(jié)構(gòu)和排列，由于提高了在燃料元件護(hù)套上端部分與水之間，由所述上格架所產(chǎn)生的熱交換，從而限制了在其上端部分鋯基管狀護(hù)套上的腐蝕，并減小了所述護(hù)套的上端部分與下端部分之間的溫度梯度。
2.根據(jù)權(quán)利要求
1的核燃料組件，其中上面一套格架的上格架具有攪動翅片，下面一套格架的下格架沒有翅片，所述核燃料組件還包括一個位于上面一套格架和核燃料組件上端構(gòu)件之間的頂部格架，且沒有翅片。
3.根據(jù)權(quán)利要求
1的核燃料組件，其中上格架之間的第一種予定距離的數(shù)值，在15至30厘米的范圍內(nèi)。
4.根據(jù)權(quán)利要求
1的核燃料組件，其中上格架由四周邊板和至少兩組平行板組成，其中一組板與另一組板成一角度，以使這兩組板限定燃料元件的通道柵元，所述的平行板分布在至少兩個基架上，基架沿組件的縱向方向相分隔，并且在一個基架與另一個基架之間具有不同方向的翅片。
專利摘要
用于核反應(yīng)堆堆芯的燃料組件，包括位于組件上部的隔離格架，彼此間排列的距離小于位于組件下部的格架。上部格架對冷卻劑的攪動作用比下部格架要更強(qiáng)烈，以便減小上部的腐蝕以及減小護(hù)套頂部與冷卻劑之間的溫度差。
文檔編號G21C3/34GK87104308SQ87104308
公開日1988年2月24日 申請日期1987年5月19日
發(fā)明者湯馬澤特·約爾, 科爾馬耶·安德烈 申請人:法瑪通公司, 核物質(zhì)總公司導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan