[其他]具有改进端塞组件的核反应堆燃料棒

说明书

本发明概括地论述了核反应堆的燃料组件，比较详细地论述了具有改进端塞组件的核燃料棒。

正如在技术上众所周知的，用于核反应堆燃料组件中的燃料棒包含有许多园柱形的核燃料芯块，如用U-235加浓的UO₂构成的芯块，它们首尾相连地排列在一个管状包壳部件中。该管状包壳部件是一个细长的，最好是用锆合金制成的薄壁管，用端塞将它的两端封闭住。这种端塞最好用和燃料管相同的材料制成。

同样也是众所周知的，如果燃料棒内部加压，就可以提高核反应堆的总效率，並延长其燃料棒的使用寿命。因而在制造燃料棒时，将一种惰性气体，例如氦气，在压力下注入燃料管中，然后在管端焊上端塞使管子密封。在核反应堆运行期间，由于产生气体，管子内部压力增强，在接近燃料棒寿期终了时，内部压力可高达68大气压。

在反应堆运行时，燃料棒外部的冷却剂的较高压力（约170大气压）通常抵消了燃料棒的内部压力。但是在停堆时，外部的冷却剂压力降为零，于是燃料棒的内部压力使管子向外膨胀。如果燃料棒在其燃料管端插入实心端塞，並在管端和塞子周边的接合处进行焊接，那么管子的这种向外膨胀导致产生应力集中的部位，並使最大不连续性应力点集中在焊缝处。只要管子材料和应力处于疲劳寿命极限内，焊缝就不会破裂。但是，如果焊缝有缺陷或者材料由于氢化和（或）辐照硬化而失去延性，则焊缝可能破裂。

一种解决办法是在端塞内做出一个空腔，为裂变气体集聚提供额外的空间，並在燃料管端和端塞上加工出来的薄的部分之间进行焊接。在美国第№3，679，545号专利说明书中透露了一种照这样设计的端塞。从应力的观点以及从焊接的观点来看，这种设计具有一些优点。从应力的观点来看，端塞中空腔所提供的附加空间降低了累积气体的压力，从而在某种程度上减小了在停堆时燃料管的膨胀。此外，虽然这种设计有着同样的不连续性应力，但是端塞和燃料管焊接而引起的应力集中不发生在最大不连续性应力点上，这是因为最大不连续性应力点沿着端塞进一步外移，位于空腔中了。这样，最大不连续性应力不像实心端塞设计中的情况那样要增加一个应力集中系数。从焊接的观点来看，厚度近乎相等的零件比起厚度有很大差别的零件更容易焊接在一起。

但是，为了使端塞和燃料芯块热绝缘，要用陶瓷芯块来替代某些燃料芯块，这样，上述设计的某些优点就被抵消了。这些陶瓷芯块在燃料管中占去了宝贵的燃料芯块空间。而且这种上述设计没有采取措施来防止燃料芯块碎片落入垂直放置的燃料棒下端的端塞空腔中。在端塞空腔中的碎片带来了如何从端塞排出由这些碎片产生的热量的附加问题。

本发明的主要目的是要提供一种具有改进端塞的燃料棒。这种端塞使燃料棒能容纳累积的裂变气体，而不增加燃料棒长度或取出燃料芯块。

因此，本发明归结于一种包含有管状部件的燃料棒。这种管状部件装有核燃料和加压气体，並且在其两端密封连接两个端塞。其特点是：至少一个端塞有一个装配在上述管状部件的邻近端部内的内段;一个向外延伸了管状部件的外段;和一个与管状部件的内部相连通的内部空腔。这个内部空腔包括一个上述外段里的外区和一个上述内段里的内区，上述外区比上述内区凹进一些。这样，体现本发明的这种端塞或每一个端塞不仅有一个空腔，该空腔增加了裂变气体的可用空间，並使最大不连续性应力点的位置远离端塞和管状部件间的焊缝，而且它的空腔又很有利地下凹，使得裂变气体的空间扩大到最大，並且该空腔在最大不连续性应力区中具有光滑的外形，使最大不连续性应力分布在较广的区域内。此外，这种端塞在下凹空腔处有减薄了的壁厚，这提供了一定的柔性，从而减轻了在焊缝处高应力的集中。

在工作时，下端塞包含一个防止核燃料进入空腔，而允许气体在空腔和管状部件内部间流通的垫圈。

现在参阅附图来说明所推荐的本发明的具体装置，它仅作为例子，其中：

图一是一个包含有燃料棒的核燃料组件的局部剖面正视图，为了清楚起见，一些零件被断开了;

图2是体现本发明的一个燃料棒的放大局部剖视图;

图3是一个垫圈的放大透视图，该垫圈与图2燃料棒中所用的是一样的;

图4是代表本发明另一个实施例的一种燃料棒下端部的局部剖视图。

在下面的说明中，同样的参考号表示在图纸不同视图中同样的或相对应的零件。诸如“向前”，“向后”，“左”，“右”，“向上”，“向下”以及相类似的用语是作为方便的词语，而不把它们看作为限制术语。