[发明专利]适用于具有冷却管道的不同核电站的模件式燃料元件

说明书

本发明涉及模件式核燃料元件，它可以适用于组件系统而得以用于具有冷却管道的不同核电站。这种模件是按同心圆环安装的一簇平行的燃料芯棒且由一结构系统支承。此组件系统然后就使之有可能安排一组具有一定长度和可接受的液压损耗的燃料元件。

作为本发明的第一种应用，必须指出能把这些模件逐一应用于具有水平燃料管道的加压重水堆的可能性。这时的燃料元件仅仅支承于这些管道内，且一一相继地放置成完成所需长度。作为另一种应用，也能组装起若干个模件而把它们用于具有垂直燃料管道的加压重水堆。

尽管阿根廷的各核电站有着相似的(物理)原理，具有重水冷却的燃料管道，但它们都有着两种完全不同的设计，特别是对于燃料元件而言。当前用在Embalse和Atucha I两个核电站中的燃料元件设计属于阿根廷国家原子能委员会。这些设计包括在本说明书中，它们是正申请专利权的燃料元件的本发明的先驱并代表着先有技术水平。用于这两种申请中的燃料是天然铀，因而有关(置换)燃烧从而是热机学的要求小于8000Mwd/Ton UO₂。

图1(a)与1(b)分别示明了Embalse核电站(卧式)的燃料元件的侧视图与透视图。称此元件为燃料元件1(FE1)。在图2(a)与2(b)中，示明了Atucha I核电站(立式)的正视图和横剖图。此第二种文件称作燃料元件2(FE2)。

FE1是一组共37根柱形管或锆锡合金包壳1，它们取薄壁形式，得以在正常作业时塌倒到二氧化铀燃料芯块2上。各个包壳在两端由塞子3密封，由此而形成燃料芯棒。在套上还焊接有称作支承垫4的刚性附件用来对燃料管道提供支承以及称作隔热5的另外的垫用来避免各个套作相对位移。为了保持这簇燃料芯棒定位，在这组芯棒阵列各端装附有格栅6。

图2(a)与2(b)中示明了FE2。此燃料元件有37根不塌倒的芯棒，它们通过上端接附于支承板7上，支承板7与一组6根管或下部棒8相连，而这些下部棒又连接到中间环9上。在此环上安装着三个不锈钢棒或上部棒10，它们与以上端支承整个这样一种系统的连接件(连接体)11结合。为了把它们紧固到燃料管道上，设置了刚性垫12和挠性垫13。这簇燃料芯棒由位于中间纵向位置的若干相邻同心环所构制的自支承隔栅14保持到一起。这些隔栅14沿横向将芯棒固定并将整簇棒紧固到一起。这样就能提供较大的机械强度而得以经受住因取竖立位置而有的机械要求。

在所述两个核电站Atucha I和Embalse中，燃料管道也是不同的。前一个核电站的燃料管道内径大于后一个的。Embalse的燃料管道是水平的，燃料元件由支承垫支承于压力反应堆容器上；而Atucha I的燃料管道是垂直的，燃料元件从压力反应堆容器的上盖上垂下。

虽然这两个核电站都采用的是加载换料，但它们所更换的燃料元件数与长度是不同的。在Embalse，由总数超过12个的燃料元件构成6米长的管道，一次更换两个燃料元件。这样就允许它们沿轴向作更换。相反，在Atucha 1则不允许作这样的轴向改换(倒料)，这里的放射性部分是一个5.25m长的燃料元件。

燃料元件的设计是反应堆布置中的一个基本步骤，主要是在中子、热水力学与热机学现象中作出折衷处理。简单地说，当燃料质量增加，中子性能将会改进，这是因为燃料原子中产生的中子有较大的几率在另一个原子中产生裂变。相反，为了改进热水力学与热机学性能，则最好是减少燃料质量同时布散开燃料元件(亦即显著地增大冷却剂的传输区与流动性，同时减小芯棒的直径)。应该指出，要是这簇燃料元件更广泛地布散开(芯棒的直径更小)来增大传热面积，则会出现与上述现象相反的趋势，与此同时将保持燃料质量(更多的燃料芯棒)。这时由于会有较大的液压限制而减少了冷却剂的流量，结果便会减小核电站的热水力学安全限值。

设计用于现代有管道的核电站的新的燃料元件时，应用时提高上述三方面的要求。但是，管道中的燃料质量与水力损失必须保持住而得以不干扰堆芯中的中子通量分布以及冷却剂的流动。这样在芯体中就会出现几种燃料元件，而它们在例行置换中的渐次更换则不会扰乱反应堆的作业时间与作业。

在第一种燃料元件(FE1)中，传热面积对芯棒横向面积之比约为300；而在第二种燃料元件(FE2)中，这一比值为313；在第三种燃料元件中，这一比例则为327。由此可知，利用先前的设计是不能实现大于330的较高的比值的。