[发明专利]带有容许地震/失水事故的格栅的核燃料组件

说明书

技术领域

本发明总体涉及一种反应堆核燃料组件，更具体地涉及采用间隔格栅的核燃料组件，所述间隔格栅具有一个比另一个更强的多个区域，其中最强区域留给控制棒引导套管，以抵抗在严重的地震或LOCA(冷却剂损失事故)事故事件期间的变形。

背景技术

在大多数压水式核反应堆中，反应堆堆芯由大量细长燃料组件组成，所述细长燃料组件产生反应堆的无功功率。这些燃料组件通常包括由串联的多个格栅以有组织的阵列保持的多个燃料棒，所述多个格栅沿着燃料组件的长度轴向间隔开并且附接到燃料组件的多个细长套管管子。套管管子通常在其中接收控制棒或仪器。顶部喷嘴和底部喷嘴被附连到燃料组件的相对端部并且固定到套管管子的在燃料棒端部的上方和下方略微延伸的端部。

如在相关领域中已知的，格栅用于精确地保持反应堆堆芯中燃料棒之间的间距和支撑，为燃料棒提供横向支撑并且引发冷却剂的混合。一种类型的常规格栅设计包括多根交叉条带，它们一起形成具有多个大致正方形单元的蛋箱构造，所述单元在其中接纳燃料棒。依据套管管子的构造中，套管管子可以接收尺寸与在其中接收燃料棒的单元尺寸相同那些单元中，或者可以接收在限定于交叉条带中的相对大的套管单元中。交叉条带向套管管子提供附接点，因而能够将格栅定位在沿着燃料组件的长度间隔开的位置处。

条带构造成使得燃料棒所通过的单元均包括一个或多个相对柔顺的弹簧和多个相对刚性的凹坑，其协作以形成格栅的燃料棒支撑特征部。弹簧和凹坑可以形成在交叉条带的中部并且从该处向外突伸到燃料棒所通过的单元中。每个燃料棒单元的弹簧和凹坑于是接触延伸通过单元的相应燃料棒。格栅的外条带附接在一起并且从周边包围格栅的内条带，以向格栅赋予强度和刚度，并且围绕格栅的周边限定各个燃料棒单元。内条带通常在每个交叉点处被焊接或钎焊，而且内条带也被焊接或钎焊到限定了组件外周边的周边条带或外条带。

在各个单元的高度(level)处，燃料棒支撑件正常地由如上所述的刚性支撑凹坑和柔性弹簧的组合体来提供。存在对弹簧-凹坑支撑件几何形状的许多变型，其已经使用或当前正在使用，包括对角弹簧，“I”形弹簧，悬臂弹簧、水平凹坑和垂直凹坑等。每个单元的弹簧和凹坑的数量也变化。典型的布置是每个单元有两个弹簧和四个凹坑。需要仔细确定凹坑和弹簧的几何形状，以在燃料组件寿命期间提供足够的棒支撑。

在照射过程中，取决于弹簧材料和照射环境，初始弹簧力或多或少地迅速松弛。包层直径由于非常高的冷却剂压力和操作温度也改变，而且燃料棒内的燃料芯块也因压实和膨胀而改变其直径。外包层直径也由于形成氧化物层而增大。由于这些尺寸和材料性质的变化，在燃料组件的寿命期间维持足够的棒支撑是非常具有挑战性的。

反应堆内的热和压力梯度引起的横向流和轴向流以及其他流动扰动(诸如驻波和涡流)的影响下，本体细长的燃料棒连续地以较小的振幅振动。如果燃料棒未获得适当支撑，则该非常小的振动振幅可能导致支撑点和包层之间的相对运动。如果由滑动的棒在较小的凹坑格栅支撑表面上施加的压力足够高，则包层表面上的小腐蚀层会通过磨损而去除，从而将基底金属暴露于冷却剂中。随着在暴露出的新包层表面上形成新腐蚀层，它通过磨损而去除，直到最终棒的壁发生穿孔。这种现象被称为腐蚀磨损，在2006年，这是在压水式反应堆中燃料失效的主要原因。

支撑格栅还在燃料组件中提供另一重要功能，即，混合冷却剂以降低最大冷却剂温度。由于每个燃料棒产生的热量不均匀，在冷却剂中存在热梯度。燃料组件设计中的一个重要参数是保持从燃料棒到冷却剂的有效热传递。每单位时间去除的热量越高，产生的功率越高。在足够高的冷却剂温度下，每单位包层面积在给定时间内可被去除的热量率以显著方式急剧降低。这种现象被称为泡核沸腾偏离或DNB。如果在反应堆的操作参数范围内，冷却剂温度将达到DNB点，包壳表面温度将迅速增加以抽空燃料棒内产生的热量，而且快速包层氧化会导致包层失效。显然，需要避免DNB以防止燃料棒失效。因为如果发生DNB，则DNB发生在冷却剂处于其最高温度的点处，随之而来，通过组件内冷却剂的混合而降低最高冷却剂温度允许在没有达到DNB的条件下产生更大量的功率。正常地，改进的混合通过在格栅结构的下流侧中的混合叶片来实现。混合的有效性取决于混合叶片相对于燃料棒的形状、大小和位置。

格栅的其他重要功能包括在预期的事故载荷下保持操作和正常运行而不丧失功能并且避免由于在燃料棒和支撑点之间形成蒸汽袋而在燃料棒上存在“热点”的能力，这可能导致当现场没有足够的冷却剂可用时排空燃料棒中产生的热量。蒸汽袋导致燃料棒过热到因包层的快速局部腐蚀而失效的程度。