本發(fā)明大體上涉及核反應(yīng)堆燃料組件，尤其是涉及采用堅固定位格架的核燃料組件。

背景技術(shù)：

壓水冷卻的核反應(yīng)堆發(fā)電系統(tǒng)的一次側(cè)包括閉合回路，其與用于生產(chǎn)有用能量的二次回路隔離并且處于熱交換關(guān)系。一次側(cè)包括:包封堆內(nèi)構(gòu)件的反應(yīng)堆容器，堆內(nèi)構(gòu)件支承著包含裂變材料的多個燃料組件；在熱交換蒸汽發(fā)生器內(nèi)的一次回路；穩(wěn)壓器的內(nèi)部容積；用于循環(huán)加壓水的泵和管道；其中，管道將蒸汽發(fā)生器和泵各自獨立地連接至反應(yīng)堆容器。包括蒸汽發(fā)生器、泵和連接至反應(yīng)堆容器的管道系統(tǒng)在內(nèi)的一次側(cè)各部分形成了一次側(cè)回路。

為了例示，圖1示出了簡化的核反應(yīng)堆一次系統(tǒng)，包括大體圓筒形的反應(yīng)堆壓力容器10，其具有包封堆芯14的封頭12。液體反應(yīng)堆冷卻劑(例如水)由泵16泵入容器10中，流過堆芯14(在該堆芯處熱能被吸收)，并且排出至一般稱為蒸汽發(fā)生器的熱交換器18，在熱交換器中，熱轉(zhuǎn)移至效用回路(未示出)，例如蒸汽驅(qū)動的渦輪發(fā)電機(jī)。反應(yīng)堆冷卻劑然后返回至泵16，從而完成了一次回路。一般地，多個上述回路通過反應(yīng)堆冷卻劑管道20連接至單個反應(yīng)堆容器10。

圖2中更詳細(xì)地示出了示例性反應(yīng)堆設(shè)計。除了由多個平行的、豎直的、等同延伸的燃料組件22組成的堆芯14以外，為了說明，其它的容器內(nèi)構(gòu)件可分成下部內(nèi)部構(gòu)件24和上部內(nèi)部構(gòu)件26。在常規(guī)設(shè)計中，下部內(nèi)部構(gòu)件的功能是支承、對準(zhǔn)和引導(dǎo)堆芯構(gòu)件和儀表以及引導(dǎo)冷卻劑流入容器。上部內(nèi)部構(gòu)件束縛燃料組件22或者為燃料組件22提供二次束縛(為簡單起見，圖2中僅示出了兩個燃料組件)，并且支承和引導(dǎo)儀表和構(gòu)件，例如控制棒28。在圖2中所示的示例性反應(yīng)堆中，冷卻劑通過一個或多個入口噴嘴30進(jìn)入反應(yīng)堆容器10中，向下流過容器和堆芯吊籃32之間的環(huán)狀空間，在下部腔室34中轉(zhuǎn)向180°，向上穿過下部支承板37和座放燃料組件的下部堆芯板36，并且圍繞燃料組件流過。在某些設(shè)計中，下部支承板37和下部堆芯板36由單個構(gòu)件替代，下部堆芯支承板具有與37相同的高度。流過堆芯和周圍區(qū)域38的冷卻劑一般以大致20英尺/秒的速度高達(dá)約400,000加侖/分的流量。產(chǎn)生的壓降和摩擦力傾向于使燃料組件上升，該移動被包括圓形上部堆芯板40在內(nèi)的上部內(nèi)部構(gòu)件限制。離開堆芯14的冷卻劑沿著上部堆芯板40底側(cè)流動，并且向上穿過多個穿孔42。冷卻劑然后向上并徑向向外流至一個或多個出口噴嘴44。

上部內(nèi)部構(gòu)件26可由容器或者容器封頭支承，并且包括上部支承組件46。載荷主要通過多個支承柱48在上部支承組件46和上部堆芯板40之間傳遞。各支承柱分別在選定的燃料組件22和上部堆芯板40中的穿孔42上方對準(zhǔn)。

可直線移動的控制棒28一般包括驅(qū)動軸50和中子毒物棒的星形架組件52，控制棒28被控制棒導(dǎo)向管54引導(dǎo)穿過上部內(nèi)部構(gòu)件26并且引導(dǎo)到對準(zhǔn)的燃料組件22中?？刂瓢魧?dǎo)向管通過上部支承組件46和上部堆芯板40的頂部而固定地聯(lián)接。支承柱48的配置有助于遲滯在事故狀況下導(dǎo)向管的變形，導(dǎo)向管變形會有害地影響控制棒的插入能力。

圖3是燃料組件的以豎直縮短形式表示的立面圖，燃料組件總體由附圖標(biāo)記22表示。燃料組件22是用于壓水反應(yīng)堆的類型并且具有結(jié)構(gòu)骨架，結(jié)構(gòu)骨架下端包括底部噴嘴58。底部噴嘴58將燃料組件22在核反應(yīng)堆堆芯區(qū)中支承于下部堆芯板36上。除了底部噴嘴58以外，燃料組件22的結(jié)構(gòu)骨架還包括上端處的頂部噴嘴62和與上部內(nèi)部構(gòu)件中的導(dǎo)向管54對準(zhǔn)的多個導(dǎo)向管或者套管84。導(dǎo)向管或者套管84在底部噴嘴58和頂部噴嘴62之間縱向地延伸，并且在兩端部處剛性地附連到底部噴嘴58和頂部噴嘴62上。

燃料組件22還包括：多個橫向格架64，它們沿著導(dǎo)向套管84軸向地間隔開并且安裝到導(dǎo)向套管84上；以及一系列有序編排的細(xì)長燃料棒66，它們橫向地間隔開并且由格架64支撐。圖4示出了在沒有導(dǎo)向套管84和燃料棒66的情況下格架64的俯視圖。導(dǎo)向套管84穿過標(biāo)為96的單元格，并且燃料棒占據(jù)單元格94。如圖4所示，格架64通常是由一系列相互正交的條帶86和88形成的，條帶交織成蛋格式圖案，四個條帶的相鄰界面限定出大致正方形的支承單元格，燃料棒66穿過單元格以橫向相互分開的關(guān)系支承在單元格94中。在許多設(shè)計方案中，在構(gòu)成支承單元格94的條帶的兩側(cè)壁中沖壓出彈簧90和凹窩92。彈簧和凹窩徑向地延伸到支承單元格中，并且把燃料棒66卡在它們之間；在燃料棒包殼上施加壓力以將燃料棒保持就位。正交的一系列條帶86和88在每個條帶端部處焊接至包邊條帶98，從而完整形成格架結(jié)構(gòu)64。此外，如圖3中所示，燃料組件22具有位于中心處的測量管68，測量管在底部噴嘴58和頂部噴嘴62之間延伸并且被卡固。利用這樣的部件配置，燃料組件22形成了一體單元，能在不損傷組件的構(gòu)成部件的情況下方便搬運。

如上所述，燃料組件22中布置成陣列的燃料棒66由沿著燃料組件長度間隔開的各格架64保持成處于相互間隔開的關(guān)系。每一個燃料棒66包括多個核燃料芯塊70，并且兩端處由上部端塞72和下部端塞74封閉。芯塊70由設(shè)置在上部端塞72和堆垛芯塊頂部之間的壓緊彈簧76保持成堆垛。由裂變材料組成的燃料芯塊70負(fù)責(zé)用于產(chǎn)生反應(yīng)堆的無功功率。包圍著芯塊的包殼用作防止裂變副產(chǎn)物進(jìn)入冷卻劑并進(jìn)一步污染反應(yīng)堆系統(tǒng)的屏障。

為了控制裂變過程，多個控制棒78可在位于燃料組件22中預(yù)定位置處的導(dǎo)向套管84中往復(fù)移動。導(dǎo)向套管的位置可具體地參見圖4中附圖標(biāo)記96所示，但中心位置是由測量管68占據(jù)。具體地，定位在頂部噴嘴62上方的棒束控制機(jī)構(gòu)80支承多個控制棒78。棒束控制機(jī)構(gòu)具有帶內(nèi)螺紋的圓筒形轂構(gòu)件82，多個徑向延伸的錨爪或者臂52形成了先前針對圖2時提到的星形架。每個臂52互連至控制棒78，以使得控制棒機(jī)構(gòu)80能夠操作而在聯(lián)接至控制棒轂80的控制棒驅(qū)動軸50的動力下使控制棒在導(dǎo)向套管84中豎直地移動，從而控制燃料組件22中的裂變過程，這都是眾所周知的。

如上所述，燃料組件會受到液壓力，該液壓力超過燃料棒的重量從而在燃料棒和燃料組件上施加相當(dāng)大的力。此外，多個格架的條帶上表面上的攪動葉片(其用于促進(jìn)從燃料棒包殼至冷卻劑的傳熱)會在堆芯中的冷卻劑中導(dǎo)致顯著湍流。冷卻劑的顯著流速和湍流對格架條帶施加了很大的力。此外，格架條帶必須經(jīng)得起在運輸和裝卸期間或者因所有假想事故(例如地震和冷卻劑喪失事故)期間所引起的外部載荷。近來，對核電站地震事件的擔(dān)憂已經(jīng)受到了更多關(guān)注，從而導(dǎo)致對燃料組件必須滿足的地震防范要求越來越嚴(yán)格。一般通過增加條帶高度或條帶厚度或者通過添加額外焊接來增強(qiáng)燃料組件格架。然而，這些設(shè)計改進(jìn)均會導(dǎo)致跨燃料組件的冷卻劑壓降增大以及制造過程的成本增加。此外，對格架添加額外金屬會增大格架的中子俘獲橫截面，這降低了用來產(chǎn)生有用功所用熱量的堆芯內(nèi)核過程的效率。

因此，希望有新的燃料組件格架設(shè)計，能夠在不顯著增加制造成本或者跨格架的壓降或者降低堆芯內(nèi)核反應(yīng)效率的情況下增大格架的抗壓強(qiáng)度。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

上述及其它目的通過一種核燃料組件來實現(xiàn)，其具有一系列平行的細(xì)長燃料元件和用于沿著縱向尺寸支承細(xì)長燃料元件的支承格架。支承格架具有限定出多個單元格的格柵結(jié)構(gòu)，通過一些單元格分別支承各燃料元件。其它的單元格分別支承用于控制棒的導(dǎo)向管，每一個單元格具有多個壁，這些壁在拐角處相交并且圍繞著在支承位置處的相應(yīng)燃料元件或者導(dǎo)向管。支承著燃料元件的每一個壁具有多個凹窩和/或彈簧，并且支承著燃料元件的壁被壓出形成交錯圖案的多個浮凸幾何形狀，除了與燃料棒交界的凹窩和彈簧的接觸表面之外，圖案基本上覆蓋壁的整個面積。在一個優(yōu)選實施例中，幾何形狀為大致圓形的橫截面。幾何形狀具有壁厚、壁間距(即，幾何形狀上對應(yīng)點之間的距離)、高度和直徑，高度與壁厚之比為大于等于四分之一且小于等于四；直徑與壁間距之比大于等于八分之一且小于等于一。

在另一實施例中，幾何形狀為大致六邊形橫截面。幾何形狀具有高度和寬度，高度與寬度之比大于等于四分之一且小于等于四；寬度與壁間距之比大于等于八分之一且小于等于一。

在第三實施例中，幾何形狀為帶圓角的大致矩形橫截面。幾何形狀具有高度、寬度和長度，高度與壁厚之比大于等于四分之一且小于等于四；寬度與長度之比大于等于十分之一且小于等于一；長度與壁間距之比大于等于八分之一且小于等于一。對于所有的實施例，幾何形狀可在壁的兩側(cè)上延伸，或者相鄰的幾何形狀可在壁的同一側(cè)上延伸。

附圖說明

結(jié)合附圖閱讀取以下對優(yōu)選實施例的說明可獲得對本發(fā)明的進(jìn)一步了解，其中：

圖1是適用本發(fā)明的核反應(yīng)堆系統(tǒng)的簡化示意圖；

圖2是適用本發(fā)明的核反應(yīng)堆容器和內(nèi)部構(gòu)件的局部剖視立面圖；

圖3是以豎直縮短形式示出的燃料組件局部剖視立面圖，為了清晰起見省略了一些部件；

圖4是蛋格式支承格架的俯視圖；

圖5是具有本發(fā)明浮凸圖案一個實施例的燃料元件支承單元格一個壁的前視圖；

圖6是圖5中所示燃料支承單元格壁的透視圖；

圖7是圖6中所示燃料單元格支承壁的仰視圖；

圖8是圖5-7中所示浮凸壁圖案的示意性前視圖；

圖9是圖8中所示幾何浮凸圖案的側(cè)向剖面圖；

圖10是本發(fā)明幾何浮凸圖案第二實施例的示意性前視圖；和

圖11是本發(fā)明浮凸幾何圖案的第三實施例。

具體實施方式

本發(fā)明提供了一種新式核反應(yīng)堆燃料組件，尤其是一種改進(jìn)的核燃料組件定位格架。該改進(jìn)的格架大體上是由大致正方形(或者六邊形)單元格的矩陣形成的，一些單元格94支承燃料棒，而其它的單元格96連接至導(dǎo)向套管和中心測量管。圖4中所示俯視圖看起來非常像現(xiàn)有技術(shù)的格架，因為從該視圖中不易看出包括有后述實施例特征的各個格架條帶86和88的輪廓，但是從圖5-11中所示視圖中可很好地了解。該實施例的格架是由兩組相互正交定位的平行間隔開的條帶86和88形成的，這兩組條帶以傳統(tǒng)方式交織并且由外部條帶98圍繞，以形成格架64的結(jié)構(gòu)組成。雖然該實施例中示出了構(gòu)成基本上正方形燃料棒支承單元格的正交條帶86和88，但是應(yīng)理解本發(fā)明也可以同樣地適用于其它格架構(gòu)型(例如六邊形格架)。正交的條帶86和88以及在外排情況下外部條帶98在每四個相鄰條帶的相交處限定出圍繞核燃料棒66的支承單元格94。在四個相鄰條帶相交處之間每一個條帶沿著條帶長向尺寸的長度形成了燃料棒支承單元格94的壁100。

正如前面提到的那樣，在各種功能之中提到的一種是，定位格架提供了對燃料組件的側(cè)向支承，以確保在任何正常狀況或者事故狀況下都不阻礙控制棒的插入。然而，假想的事故載荷總是會在結(jié)構(gòu)格架上局部強(qiáng)烈。此載荷在一定情況下會超過格架抗壓強(qiáng)度，這需要重新評估承載條件、或者冷卻劑幾何分析和控制棒插入分析、或者甚至重新設(shè)計定位格架。本發(fā)明給支承燃料棒的單元格的壁增加了三維浮凸幾何結(jié)構(gòu)。圖5-7中示出了支承單元格100的單個壁上示出的浮凸幾何結(jié)構(gòu)的一個實施例。雖然示出了具有浮凸幾何結(jié)構(gòu)的燃料元件支承單元格的一個壁，但是應(yīng)當(dāng)理解，該浮凸幾何結(jié)構(gòu)可在每個燃料元件支承單元格的兩個以上的壁上延伸。該實施例中的浮凸幾何結(jié)構(gòu)是由以交錯方式彼此偏移的排104和交替排106形成的，以使得交替排106嵌套在相鄰排104的幾何形狀102之間。優(yōu)選地，幾何形狀102不沖壓到凹窩92或者彈簧90的接觸表面中，以避免燃料棒的磨損。

圖8和圖9是圖5-7中所示單元格壁的示意圖，示出了幾何圖案的高度h和直徑d，該幾何圖案可沿一個方向或者沿交錯方向沖壓到格架條帶壁中。計算結(jié)果表明，幾何形狀102的高度h和直徑d的最佳范圍是在高度與壁厚之比為大于等于四分之一且小于等于四以及直徑與壁間距之比大于等于八分之一且小于等于一之間。

圖10示出了采用六邊形幾何形狀的第二實施例，并且圖11示出了包括帶圓角的大致矩形幾何形狀的第三實施例。在各個實施例中用相同的附圖標(biāo)記表示相應(yīng)的特征。對于例如圖11中所示的圓角矩形交錯圖案來說，寬度w和長度l的最佳范圍是在寬度與長度之比大于等于十分之一且小于等于一以及長度與壁間距之比大于等于八分之一且小于等于一之間。預(yù)期的是：與圓形幾何結(jié)構(gòu)相比，六邊形和圓角矩形交錯圖案提供了更高的機(jī)械性能。

如前面提到的，三維浮凸幾何結(jié)構(gòu)沿一個方向或者沿交替方向僅形成在條帶的平表面上。燃料棒支承部(即，彈簧和凹窩)優(yōu)選地形成有光滑表面，以將磨損減到最小。

因此，本發(fā)明提供了改進(jìn)的格架強(qiáng)度，制造成本的增加控制在最小限度，并且本發(fā)明選擇性地使條帶厚度略微減小，這有助于減小跨格架的壓降。

雖然已經(jīng)詳細(xì)描述了本發(fā)明的具體實施例，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)理解，可以根據(jù)本發(fā)明的全部教導(dǎo)而開發(fā)出對細(xì)節(jié)的各種改型和替代方案。因此，所公開的具體實施例僅為示例，而非對本發(fā)明的范圍限制，本發(fā)明范圍將由所附權(quán)利要求以及任意及所有等同物涵蓋。