本發(fā)明整體涉及一種核反應(yīng)堆，并且更加特別地涉及一種核燃料組件，所述核燃料組件采用了引導(dǎo)套管和管中管式緩沖器。

背景技術(shù)：

在用于發(fā)電的核反應(yīng)堆(諸如壓水式反應(yīng)堆)中，熱量由核燃料(諸如濃縮鈾)裂變而產(chǎn)生，并且將熱量傳遞到流動(dòng)通過(guò)反應(yīng)堆堆芯的冷卻劑中。堆芯容納相互靠近地安裝在燃料組件結(jié)構(gòu)中的細(xì)長(zhǎng)核燃料棒，冷卻劑流動(dòng)通過(guò)所述燃料組件結(jié)構(gòu)并且在所述燃料組件結(jié)構(gòu)上方流過(guò)。燃料棒以共同延伸的平行陣列相互間隔開(kāi)。在給定燃料棒中的燃料原子的核衰變期間釋放出的中子和其它原子粒子中的一些流經(jīng)燃料棒之間的空間并且撞擊在相鄰燃料棒中的裂變材料上，從而有助于核反應(yīng)和由堆芯產(chǎn)生的熱量。

可動(dòng)的控制棒穿過(guò)核反應(yīng)堆芯散布，以使得能夠通過(guò)吸收一部分中子來(lái)控制裂變反應(yīng)的總速率，其否則將有助于裂變反應(yīng)?？刂瓢敉ǔ０ㄓ芍凶游詹牧现瞥傻募?xì)長(zhǎng)棒，并且裝配到平行于燃料棒并且在燃料棒之間行進(jìn)的燃料組件中的縱向開(kāi)口或者引導(dǎo)套管中。將控制棒進(jìn)一步插入到堆芯中致使更多的中子被吸收，而不會(huì)有助于相鄰燃料棒中的裂變反應(yīng)；并且縮回控制棒減小中子吸收程度并且增大核反應(yīng)速度和堆芯的功率輸出。

圖1示出了簡(jiǎn)化的傳統(tǒng)壓水式核反應(yīng)堆一次系統(tǒng)的示意圖，所述核反應(yīng)堆一次系統(tǒng)包括大體圓筒形的壓力容器10，所述壓力容器10具有封蓋12，所述封蓋包封核堆芯14，所述核堆芯支撐包含裂變材料的燃料棒。液體冷卻劑(諸如水或者含硼水)由泵16被泵送到容器10中，流經(jīng)堆芯14，在所述堆芯14處，熱能被吸收并且將熱能釋放到換熱器18，所述換熱器通常稱作蒸汽發(fā)生器，在所述蒸汽發(fā)生器中，熱量被傳遞到應(yīng)用環(huán)路(未示出)，諸如蒸汽驅(qū)動(dòng)的渦輪發(fā)電機(jī)。反應(yīng)堆冷卻劑然后返回到泵16，從而完成了一次環(huán)路。通常，多個(gè)上述環(huán)路通過(guò)反應(yīng)堆冷卻劑管道20而連接到單個(gè)反應(yīng)堆容器10。環(huán)路中的一條環(huán)路包括增壓器22，用于控制反應(yīng)堆一次系統(tǒng)中的壓力。

采用這種設(shè)計(jì)的商用發(fā)電廠通常為大約1,100兆瓦或更多。如今，西屋電氣有限責(zé)任公司已經(jīng)提出200兆瓦級(jí)別的小模塊式反應(yīng)堆。小模塊式反應(yīng)堆是一體的壓水式反應(yīng)堆，其中，所有一次環(huán)路部件位于反應(yīng)堆容器內(nèi)部。反應(yīng)堆容器繼而由緊湊的高壓安全殼包圍。由于對(duì)于一體的壓水式反應(yīng)堆而言不僅安全殼內(nèi)的空間有限而且成本要求低，因此需要使得輔助系統(tǒng)的總數(shù)量最小化，而又不會(huì)危及安全性或者功能性。為此，期望將大部分部件保持與緊湊的高壓安全殼內(nèi)的反應(yīng)堆系統(tǒng)的一次環(huán)路流體連通。

在用于設(shè)計(jì)小模塊式反應(yīng)堆的處理中，小模塊式反應(yīng)堆的燃料/堆芯設(shè)計(jì)要求中的一個(gè)設(shè)計(jì)要求是反應(yīng)堆應(yīng)當(dāng)具有負(fù)荷跟蹤能力，同時(shí)最小化cvs責(zé)任(即，化學(xué)和容積補(bǔ)償系統(tǒng)責(zé)任)，其添加和移除硼以控制反應(yīng)性。為了滿足這個(gè)要求，一組灰棒束組件在反應(yīng)堆運(yùn)轉(zhuǎn)期間將在燃料組件內(nèi)上下移動(dòng)，以控制反應(yīng)性，從而滿足負(fù)荷跟蹤要求。對(duì)灰棒的適當(dāng)冷卻對(duì)于確保反應(yīng)堆的安全運(yùn)轉(zhuǎn)和防止灰棒過(guò)熱而言至關(guān)重要。防止控制棒過(guò)熱的設(shè)計(jì)選項(xiàng)之一是在靠近套管組件端塞的控制棒引導(dǎo)套管包殼(在下文中稱作護(hù)套)中形成側(cè)孔。本設(shè)計(jì)選項(xiàng)對(duì)于一體的緩沖器管設(shè)計(jì)不構(gòu)成問(wèn)題。然而，管中管式緩沖器設(shè)計(jì)使得較難以實(shí)施本設(shè)計(jì)選項(xiàng)，原因在于內(nèi)部的緩沖器組件必須設(shè)計(jì)成使得在將緩沖器管組裝在引導(dǎo)套管內(nèi)之后存在通孔，而不受緩沖器管的安裝方向影響。

因此，需要一種新的管中管式緩沖器和套管組件設(shè)計(jì)，其將提供充分冷卻而又不會(huì)使得制造復(fù)雜化。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

這些和其它目的通過(guò)一種核燃料組件設(shè)計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)，所述核燃料組件具有頂部噴嘴、底部噴嘴和多根細(xì)長(zhǎng)的引導(dǎo)套管，所述引導(dǎo)套管在頂部噴嘴和底部噴嘴之間軸向延伸并且附接到頂部噴嘴和底部噴嘴。多根引導(dǎo)套管中的至少一些具有管狀護(hù)套，所述管狀護(hù)套在對(duì)應(yīng)引導(dǎo)套管的基本整個(gè)長(zhǎng)度上延伸，其中，管狀護(hù)套的下端部由下部端塞蓋封，所述下部端塞具有軸向延伸通過(guò)下部端塞的孔。管中管式緩沖器具有軸向延伸的側(cè)壁并且布置在管狀護(hù)套的下部部分內(nèi)，其中，緩沖器的側(cè)壁中的開(kāi)口與管狀護(hù)套中的開(kāi)口對(duì)準(zhǔn)。

在一個(gè)實(shí)施例中，管中管式緩沖器具有下部端蓋，所述下部端蓋具有軸向延伸通過(guò)下部端蓋的孔，所述孔與管狀護(hù)套的下部端塞中的孔對(duì)準(zhǔn)。細(xì)長(zhǎng)引導(dǎo)套管通過(guò)緊固件連接到底部噴嘴，所述緊固件延伸通過(guò)底部噴嘴、通過(guò)管狀護(hù)套的下部端塞并且進(jìn)入到管中管式緩沖器中的下部端蓋中，從而將引導(dǎo)套管和管中管式緩沖器附接到底部噴嘴。在一個(gè)實(shí)施例中，管中管式緩沖器的下部端蓋中的孔帶有螺紋并且與緊固件上的對(duì)應(yīng)螺紋配合。

優(yōu)選地，緩沖器的側(cè)壁或者管狀護(hù)套中的一者中的開(kāi)口是圍繞圍其圓周部分地延伸的橢圓形開(kāi)口，其中，橢圓形開(kāi)口的較大直徑沿圓周方向延伸。令人期望地，側(cè)壁或者管狀護(hù)套中的所述一者中的開(kāi)口包括在大致相同高度處形成的多個(gè)沿圓周間隔開(kāi)的橢圓形開(kāi)口。在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，側(cè)壁或者管狀護(hù)套中的所述一者中的開(kāi)口包括在大致相同高度處形成的兩個(gè)沿圓周間隔開(kāi)的橢圓形開(kāi)口。優(yōu)選地，所述兩個(gè)沿圓周間隔開(kāi)的橢圓形開(kāi)口基本圍繞側(cè)壁或者管狀護(hù)套中的一者的整個(gè)沿圓周延伸并且以一距離相互間隔開(kāi)，所述距離是確保管中管式緩沖器側(cè)壁或者管狀護(hù)套中的所述一者的結(jié)構(gòu)完整性基本需要的。在一個(gè)實(shí)施例中，管狀護(hù)套或者側(cè)壁中的另一者中的開(kāi)口是圓形開(kāi)口，并且與管中管式緩沖器或者管狀護(hù)套中的所述一者中的橢圓形開(kāi)口的一部分重疊。

附圖說(shuō)明

當(dāng)結(jié)合附圖閱讀時(shí)，從優(yōu)選實(shí)施例的以下描述可實(shí)現(xiàn)對(duì)本發(fā)明的進(jìn)一步理解，其中：

圖1是傳統(tǒng)核反應(yīng)堆系統(tǒng)的簡(jiǎn)化示意圖；

圖2是示出了本發(fā)明可應(yīng)用于其中的小模塊式一體反應(yīng)堆系統(tǒng)的局部剖透視圖；

圖3是圖2示出的反應(yīng)堆的放大視圖；

圖4是控制棒引導(dǎo)套管的下端部在緩沖器組件沒(méi)有放置到位情況下的截面圖，其示出貫穿套管護(hù)套的流動(dòng)孔；

圖5是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的具有沿圓周延伸側(cè)槽口的下部緩沖器組件的截面圖；和

圖6是結(jié)合本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的引導(dǎo)套管的截面圖，在緩沖器組件放置到位的情況下，所述引導(dǎo)套管附接到下部噴嘴的一部分上。

具體實(shí)施方式

圖2和圖3示出了一種小模塊式反應(yīng)堆設(shè)計(jì)，其可得益于本發(fā)明的引導(dǎo)套管設(shè)計(jì)原理。圖2示出了模塊式反應(yīng)堆設(shè)計(jì)的反應(yīng)堆安全殼的透視圖，本發(fā)明可應(yīng)用于所述模塊式反應(yīng)堆設(shè)計(jì)。圖2中示出的反應(yīng)堆安全殼被局部剖，以示出反應(yīng)堆壓力容器及其一體的內(nèi)部部件。圖3是圖2中示出的反應(yīng)堆壓力容器的放大視圖。在各附圖中用相同的附圖標(biāo)記來(lái)表示對(duì)應(yīng)的部件。

在諸如圖2和圖3示出的一體壓水式反應(yīng)堆中，通常與核蒸汽供應(yīng)系統(tǒng)相聯(lián)的基本所有部件都包含在單個(gè)反應(yīng)堆壓力容器10中，所述單個(gè)反應(yīng)堆壓力容器10通常連同與核蒸汽供應(yīng)系統(tǒng)的一次側(cè)相聯(lián)的安全系統(tǒng)一起容納在高壓安全殼容器34中，所述高壓安全殼容器能夠承受大約250psig的壓力。容納在反應(yīng)堆壓力容器10內(nèi)的一次系統(tǒng)部件包括蒸汽發(fā)生器26的一次側(cè)、反應(yīng)堆冷卻劑泵28、增壓器22和反應(yīng)堆自身，所述反應(yīng)堆具有堆芯14和上內(nèi)部結(jié)構(gòu)30。在該一體的反應(yīng)堆設(shè)計(jì)中，商用反應(yīng)堆的蒸汽發(fā)生器系統(tǒng)18被分成兩個(gè)部件：換熱器26和蒸汽鼓，所述換熱器26位于反應(yīng)堆壓力容器10中、在反應(yīng)堆上部?jī)?nèi)部結(jié)構(gòu)30的上方，所述蒸汽鼓被保持在安全殼34的外部，其在2012年6月13日提交的序列號(hào)為no.13/495,050的申請(qǐng)中有更加全面的描述。在被標(biāo)定為一次設(shè)計(jì)壓力并且共享有反應(yīng)堆堆芯14和其它傳統(tǒng)反應(yīng)堆內(nèi)部部件的壓力容器10/12內(nèi)，蒸汽發(fā)生器換熱器26包括兩個(gè)管板54和56、熱段管道24(還稱作熱段豎管)、在下管板54和上管板56之間延伸的熱傳遞管58、管支撐件60、用于引導(dǎo)二次流體介質(zhì)在熱傳遞管58中的流動(dòng)的二次流動(dòng)擋板36、和二次側(cè)流動(dòng)噴嘴44和50。壓力容器封頭組件12內(nèi)的換熱器26因此被密封在安全殼34內(nèi)。

在圖3的上部部分中用箭頭示出了一次反應(yīng)堆冷卻劑流動(dòng)通過(guò)容器10的封頭12中的換熱器26的流動(dòng)。如圖所示，離開(kāi)反應(yīng)堆堆芯14的已加熱的反應(yīng)堆冷卻劑向上行進(jìn)并且通過(guò)熱豎管段24，通過(guò)上管板56的中心，在上管板的中心處其進(jìn)入熱段歧管74，在所述熱段歧管處，已加熱的冷卻劑轉(zhuǎn)向180°并且進(jìn)入延伸通過(guò)上管板56的熱傳遞管58。然后，反應(yīng)堆冷卻劑向下行進(jìn)通過(guò)延伸通過(guò)下管板54的熱傳遞管58，從而將其熱量傳遞給由再循環(huán)液體和給水形成的混合物，所述給水以逆流關(guān)系從外部蒸汽鼓通過(guò)子冷卻(sub-cooled)再循環(huán)輸入噴嘴50進(jìn)入換熱器。子冷卻再循環(huán)液體和通過(guò)子冷卻再循環(huán)輸入噴嘴50進(jìn)入換熱器26的給水被二次流動(dòng)擋板36向下引導(dǎo)到換熱器的底部,向上且圍繞換熱器管58流動(dòng)，在上管板56正下方轉(zhuǎn)向以進(jìn)入出口通道76中，在所述出口通道處，含有水分的蒸汽漏斗式地流到濕蒸汽排出噴嘴44。濕飽和蒸汽然后被運(yùn)送到外部蒸汽鼓，在所述外部蒸汽鼓處，所述濕飽和蒸汽被運(yùn)送通過(guò)使得蒸汽與水分分離開(kāi)的水分分離器。分離出的水分形成再循環(huán)液體，所述再循環(huán)液體與給水組合并且被運(yùn)送返回到子冷卻再循環(huán)輸入噴嘴50，以重復(fù)該循環(huán)。

本發(fā)明提供了一種新型的引導(dǎo)套管組件，所述新型的引導(dǎo)套管組件采用了管中管式緩沖器設(shè)計(jì)，所述管中管式緩沖器設(shè)計(jì)使得在控制棒和灰棒在堆芯中移動(dòng)并且移動(dòng)離開(kāi)堆芯以適應(yīng)負(fù)荷跟蹤時(shí)能夠增強(qiáng)對(duì)控制棒和灰棒的冷卻。在圖4、5和6中示出了特別適于小模塊式反應(yīng)堆燃料組件的一個(gè)示例性實(shí)施例，盡管應(yīng)當(dāng)理解的是相同的設(shè)計(jì)也適于大規(guī)模反應(yīng)堆，諸如由賓夕法尼亞州蔓越莓鄉(xiāng)的西屋電氣有限責(zé)任公司(westinghouseelectriccompanyllc,cranberrytownship，pennsylvania)提供的反應(yīng)堆。圖4、5和6中圖解的實(shí)施例采用了具有側(cè)槽口的管中管式緩沖器管，該管中管式緩沖器管具有焊接到其下端部的端塞，所述端塞具有延伸通過(guò)端塞底部的螺紋開(kāi)口68。圖4是套管護(hù)套40的下部部分的截面圖，所述套管護(hù)套在其下端部處用環(huán)形的端塞42蓋封，所述端塞42焊接到護(hù)套。冷卻劑從底部噴嘴進(jìn)入控制棒引導(dǎo)套管護(hù)套40，通過(guò)圖6中示出的套管螺釘中央孔64，以便冷卻可在套管護(hù)套40內(nèi)往復(fù)移動(dòng)的控制棒。與緩沖器管中的對(duì)應(yīng)開(kāi)口連通的位于護(hù)套中的側(cè)孔開(kāi)口38提供了進(jìn)入到緩沖器中的額外冷卻劑流，以增強(qiáng)對(duì)可在護(hù)套內(nèi)往復(fù)移動(dòng)的灰棒或者控制棒的冷卻。設(shè)置在護(hù)套40和緩沖器管48中的孔/槽口的尺寸和數(shù)量設(shè)計(jì)成使得將具有在組裝緩沖器管和套管之后通過(guò)套管的側(cè)壁對(duì)準(zhǔn)的至少x個(gè)通孔，而不受已安裝的緩沖器管的方向的影響。由熱工水力分析來(lái)確定所述x個(gè)通孔，并且所述x個(gè)通孔的數(shù)量可以小于外護(hù)套或者緩沖器管壁中的開(kāi)口的數(shù)量。

圖5示出了由管狀構(gòu)件48形成的緩沖器組件46，所述緩沖器組件46具有端塞52，所述端塞52焊接到下端部，其中，螺紋開(kāi)口32延伸通過(guò)端塞而進(jìn)入緩沖器管的內(nèi)部中。圖6示出了連接到底部噴嘴62的具有套管螺釘64的一部分的套管組件70的截面圖，所述套管螺釘64延伸通過(guò)底部噴嘴中的開(kāi)口72、通過(guò)套管護(hù)套端塞42并且進(jìn)入到緩沖器端塞52中的螺紋開(kāi)口32。該設(shè)計(jì)的這個(gè)實(shí)施例使用位于緩沖器或者套管護(hù)套中的一個(gè)或多個(gè)橢圓槽口66，以便與套管護(hù)套40或緩沖器中的另一者中的大體圓形開(kāi)口38對(duì)準(zhǔn)。在示例性實(shí)施例中，在套管護(hù)套40中以大約90°的角度鉆制四個(gè)孔開(kāi)口。緩沖器具有兩條沿圓周延伸的橢圓形槽口，所述兩條沿圓周延伸的橢圓形槽口沿著緩沖器管48的圓周以大約180°間隔開(kāi)地切割而成，如圖5所示。圖6示出了一體式管中管式引導(dǎo)套管組件70以及底部噴嘴頂板62的套管螺釘64延伸通過(guò)的一部分。一體式管中管引導(dǎo)套管組件組裝成使得通過(guò)如圖6所示的套管螺釘將引導(dǎo)套管/組件夾在緩沖器組件和底部噴嘴頂板之間。槽口尺寸和位置的設(shè)計(jì)確保已安裝的緩沖器管的方向并不顯著影響冷卻劑流到緩沖器中的流動(dòng)，所述緩沖器具有對(duì)準(zhǔn)以用于適當(dāng)冷卻的至少兩個(gè)通孔。應(yīng)當(dāng)意識(shí)到的是，在不背離在下文請(qǐng)求保護(hù)的理念的前提下，外護(hù)套40中的孔開(kāi)口的數(shù)量和緩沖器管中的槽口66的數(shù)量可以變化。類似地，在不背離在下文請(qǐng)求保護(hù)的理念的前提下，沿圓周延伸的橢圓形開(kāi)口可以設(shè)置在引導(dǎo)管護(hù)套和緩沖器側(cè)壁二者中。因此，這種布置方案在采用了管中管式緩沖器設(shè)計(jì)時(shí)提供了針對(duì)灰棒或者控制棒的增強(qiáng)冷卻。還應(yīng)當(dāng)意識(shí)到的是，在此教導(dǎo)的理念可應(yīng)用于任何其它的引導(dǎo)管，諸如引導(dǎo)水置換棒的引導(dǎo)管，所述引導(dǎo)水置換棒采用了管中管式緩沖器并且需要增強(qiáng)冷卻。

盡管已經(jīng)詳細(xì)描述了本發(fā)明的具體實(shí)施例，但是本領(lǐng)域中的技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)意識(shí)到的是，可根據(jù)本公開(kāi)的總體教導(dǎo)開(kāi)發(fā)出針對(duì)這些細(xì)節(jié)的各種修改方案和替代方案。因此，所公開(kāi)的特定實(shí)施例僅僅為了進(jìn)行闡釋而不用于限制本發(fā)明的范圍，本發(fā)明將由所附的權(quán)利要求及其任何和所有等效方案給出完整范圍。