[发明专利]高温强度、耐腐蚀、事故宽容的核燃料组件栅格

说明书

背景

1.技术领域

本发明总体上涉及核反应堆燃料组件，且更具体地涉及采用由高温强度、耐腐蚀、事故宽容度的组合物构造的间隔器或混合器或支承栅格的核反应堆燃料组件，以及制造该间隔器或混合器或支承栅格的方法。

2.相关技术的描述

在大多数压水核反应堆(PWR)、沸水反应堆(BWR)和重水反应堆(HWR)(统称为水反应堆)中，反应堆堆芯包含大量延长的燃料组件，所述燃料组件产生反应堆的反应功率。这些燃料组件典型包括由多个栅格以有组织的阵列保持的多个燃料棒，所述栅格沿燃料组件长度轴向地间隔并且连接到多个加长的套管(thimble tube)或燃料组件的其它支承结构。

特别地提供PWR结构的描述，然而应理解本发明通常适用于水反应堆。

套管典型地在其中容纳控制棒或仪器。顶部和底部喷嘴处在燃料组件的相反两端并且被固定到套管的末端，所述套管的末端延伸稍微高于和低于燃料棒的末端。

使用栅格(在相关领域是已知的)以精确维持反应堆堆芯中燃料棒之间的间距和支承，为燃料棒提供横向支承并且引起冷却剂的混合。一类常规栅格设计包括多个交叉条带(strap)，它们共同形成具有多个大致方形栅元(其在其中单独地接受燃料棒)的蛋篓型(egg-crate)构造。根据套管的构造，套管可以要么容纳在尺寸设定为与其中容纳燃料棒的那些相同的栅元中，要么在交叉条带中限定的相对较大的套管栅元中。交叉条带提供与套管的连接点，从而使得能够将栅格沿燃料组件长度定位在间隔的位置。

配置所述条带使得燃料棒穿过的栅元各自包括一个或多个相对柔顺的弹簧和多个相对刚性的凹窝(dimple)，它们配合以形成栅格的燃料棒支承特征。将栅格的外部条带连接在一起并且在周边包围栅格的内部条带以赋予栅格强度和刚度，并且围绕栅格周界限定各个燃料棒栅元。内部条带典型在每个交叉点处被焊接或焖炖并且内部条带还被焊接或焖炖周边条带或外部条带从而限定出组件的外周边。

在单个栅元水平，一般通过上述刚性支承凹窝和柔性弹簧的组合提供燃料棒支承。有许多已经使用的和目前使用的弹簧-凹窝支承几何结构的变体，包括对角弹簧、“I”形弹簧、悬臂弹簧、水平和纵向的凹窝等等。每个栅元的弹簧数目也变化。典型的配置是每个栅元两个弹簧和四个凹窝。需要仔细地确定凹窝和弹簧的几何形状以提供跨组件寿命的适当棒支承。

在辐照期间,初始的弹簧弹力或多或少地快速松弛，这取决于弹簧材料和辐照环境。作为非常高的冷却剂压力和操作温度的结果，包壳(cladding)直径也变化，并且棒内部的燃料芯块也因致密化和膨胀改变它们的直径。由于氧化层的形成，外部的包壳直径也增加。由于这些尺寸和材料属性的变化，跨燃料组件寿命维持适当的棒支承是非常有挑战性的。

在反应堆内的热和压力梯度引起的轴向流动和横向流动以及其它流动干扰(例如驻波和涡流)的影响下，燃料棒(其为细长体)以相对较小的幅度不断地振动。如果棒未得到适当支承，这种很小的振动幅度可导致支承点和包壳之间的相对运动。如果滑动棒在相对较小的凹窝上和栅格支承表面上施加的压力足够高，可以通过磨蚀、将基体金属暴露于冷却剂来去除包壳表面上的小腐蚀层。因为在暴露的新鲜包壳表面上形成新的腐蚀层，也通过磨蚀将其除去直到棒壁最终穿孔。这种现象被称为腐蚀损耗并且在2006年它是PWR反应堆中燃料失效的主要原因。

支承栅格还提供燃料组件中的另一个重要作用，冷却剂混合以降低最大冷却剂温度。由于每个燃料棒产生的热量是不均匀的，因此在冷却剂中存在热梯度。在燃料组件设计中的一个重要参数是维持从燃料棒至冷却剂的高效热传递。每单位时间移除的热量越高，产生的功率越高。在足够高的冷却剂温度下，在给定时间内每单位包壳面积可移除热量的速率以显著的方式急剧下降。这种现象被称为偏离核态沸腾或DNB。如果在反应堆运行的参数内，冷却剂温度将达到DNB点，包壳表面温度将迅速增加以便疏散燃料棒内部产生的热量并且快速的包壳氧化将导致包壳失效。显然,需要避免DNB以防止燃料棒失效。由于DNB(如果其发生的话)发生在冷却剂处于其最大温度的点，结果是通过组件内的冷却剂混合降低最大冷却剂温度允许更大功率量的产生而不达到DNB条件。通常，通过在栅格结构下流侧中使用混合叶片来实现改善的混合。混合的效果依赖于混合叶片相对于燃料棒的形状、尺寸和位置。