[发明专利]具有实现水力平衡的混合叶片布局的支撑栅格

说明书

技术领域

本发明涉及一种支撑核燃料组件燃料棒的支撑栅格，具体地，涉及一种 具有混合叶片的支撑栅格，该混合叶片能够混合在燃料棒周围流动的冷却 水。

背景技术

核反应堆指的是对核分裂物质的连锁核分裂反应进行人工控制，以产生 热量、生产放射性同位素如钚、或形成放射线场的装置。

一般来说，轻水反应堆使用的是将U-235的含量提高到2～5％的浓缩铀。 为了加工核反应堆使用的核燃料，需要进行成型加工，将铀制成5g左右的 圆筒形颗粒。

将上述颗粒以数百个为单位，捆绑成一束，在真空状态下装入锆合金管， 并在填充弹簧及氦气后，焊接上部密闭罩，即可制成燃料棒。燃料棒最终构 成核燃料组件，在反应堆内进行核反应而燃烧。

上述核燃料组件及其组成部件如图1至图3所示。

图1是一般核燃料组件的示意图，图2是从上方俯视的支撑栅格的平面 图，图3是用于详细显示支撑栅格的剖面的斜视图。

参照图1说明如下，上述核燃料组件包括框架及燃料棒，其中，框架由 上端固定体1、下端固定体5、引导管2及支撑栅格4构成，燃料棒3装入 到支撑栅格4内，从而被支撑栅格4内形成的弹簧6(参照图3)及凹槽7 (参照图3)支撑。

组装组件时，为了防止燃料棒3的表面及支撑栅格内的弹簧6受损，需 要在燃料棒的表面涂漆后装入框架，然后连接上、下端固定体进行固定，从 而完成核燃料组件的组装，完成的组件，在除去涂漆后，检查燃料棒的间隔、 扭曲、长度、尺寸等，最终完成组件的制造过程。

参照图2及图3说明如下，为了划分用于分别装入燃料棒3的空间，支 撑栅格4通过由多个条带(薄金属板)以一定间隔所形成的插槽(没有图示) 相互结合成栅格状而构成。

支撑栅格沿上下方向排列10～13个，并与4m长的引导管2焊接。支撑 栅格4所划分的各空间内规则地形成有弹簧6及凹槽7，上述弹簧6及凹槽 7与燃料棒3(参照图1)接触，以保持燃料棒3(参照图1)之间的间隔， 使其排列在固定位置，并通过弹簧6的弹性对燃料棒3进行弹性固定。

此外，支撑栅格还包括与内部弹簧连接成一体、并沿冷却水的流动方向 凸出以缠绕在燃料棒周围的形态弯曲的多个混合叶片8(参照图2及图3)， 该混合叶片8能够通过混合燃料棒周围的冷却水，促进热传递。

另一方面，当今的核燃料开发以高燃烧度及无缺陷性为目标。实现高燃 烧度的主要障碍之一就是泡核沸腾分离(DNB：Departure from Nuclear Boiling)现象，这会影响核燃料棒之间的间隔、反应堆系统压力、热通量(heat flux)、冷却水焓及冷却水速度。

一旦发生上述泡核沸腾分离，相应部位的燃料棒的表面将形成气膜，从 而减少热传递，使燃料棒温度急剧增加，如果该状态一直持续，将造成燃料 棒损坏。

因此，为了确保安全，反应堆需要在低于产生泡核沸腾分离现象的热通 量条件下工作，这被称为热冗余度。

反应堆一般存在中子束或输出密度特别高的区域，其主要原因之一就是 为了插入控制棒而设置的控制棒通道。当控制棒从控制棒通道被拔除时，其 空间被作为减速剂的冷却水填充，这将造成局部减速能力提高，从而使相邻 的燃料棒的输出增加。

这种具有高输出密度的区域，相比其它通道具有更高的焓增加率，成为 高温通道。这种高温通道相比其它区域更早达到热冗余度，从而制约反应堆 的最大运行条件及输出量。

以往采用在支撑栅格4上设置一体型的混合叶片8，通过改变冷却水的 流动方向或对冷却水进行混合的方法，来增加燃料棒3和冷却材料之间的热 传递，降低反应堆内的输出密度的变化，提高与泡核沸腾分离相关的各种性 能。

上述混合叶片的性能受到混合叶片的大小、形状、弯曲角度及混合叶片 的位置的影响。混合叶片设置在与用于插入控制棒的引导管相邻的燃料棒位 置的高温区域，能够实现显著效果。

过去，混合叶片在一个支撑栅格的整个区域内采用相同布局，或将支撑 栅格分为两半，采用两部分形状成镜像对称的布局。

上述支撑栅格的一部分会由于冷却水流动而产生振动，导致燃料棒出现 微动磨损。

上述现象的原因是，由于混合叶片产生的作用力无法以支撑栅格的中心 为基准实现平衡，从而使支撑栅格发生振动。