核反应堆燃料组件的碎片过滤下管座 【技术领域】
本发明基本涉及核反应堆，尤其是涉及一种核燃料组件的碎片过滤下管座。
背景技术
在制造、随后的安装和修理包括核反应堆冷却剂循环系统在内的设备时，该反应堆冷却剂循环系统在各种运行条件下将冷却剂循环通过反应堆冷却剂一回路，需要作出艰苦的努力以确保将所有的碎片从反应堆容器和其关联系统中清除。虽然有详细的程序被执行以确保将碎片清除，但是经验表明，尽管有安全保护来实施该清除工作，但是仍然会有一些碎片和金属颗粒残留在这些系统中。这些碎片的大部分由车削的金属构成，它们在蒸发器修理或者更换后可能留在一回路系统中。
尤其是，由于碎片卡陷在最下部的格架处，近年来在几个反应堆中已经发现燃料组件受到损伤。在设备起动时，来自下堆芯支撑板中的冷却剂流通孔的碎片通过燃料组件下管座的流通孔进来。碎片往往卡在最下面的燃料组件支撑格架的、在该格架的“蛋箱”状栅格壁和燃料棒管束的下端部之间的空间中。这种损伤包括碎片与管束外部接触由磨损引起的燃料棒管束穿透。碎片还会陷在管嘴板的孔中而流动地冷却剂引起碎片旋转，这往往割透燃料棒的包鞘。
人们已经提出几种不同的方法并努力做到将碎片从反应堆中清除掉。在授予Mayers等人的美国专利4,096,032中已经讨论了许多种这样的方法。在转让给本受让人的美国专利4,900,507中交叉引用的各种专利已经示出和描述了其它的情况。尽管在引用的专利和交叉引用的文献中描述的方法在其设计的运行工况的范围内合理有效地工作，并且通常也能达到其目的，但是对核反应堆中的碎片过滤的问题仍然需要有进一步改进的方法，以着力改善减少现在正在开发的更先进的燃料设计所需要的下管座上的压降。
【发明内容】
本发明提供一个用来满足上述要求的燃料组件中的碎片过滤下管座。本发明的下管座包括一个管嘴板，其所具有的流通孔的直径小于美国专利4,900,507公开之前另外已经使用的流通孔的直径，同时进一步改善减少了管嘴板上的压降。在最窄收缩位置的流通孔直径最好在0.190英寸(0.48cm)左右，这就使这些流通孔的尺寸能够过滤掉引起损伤的尺寸的碎片，这些碎片主要积留在下管座和最下面的格架之间的区段上，以及在最下面格架未被占据的空间中，并引起燃料棒磨蚀损坏。正如在美国专利4,900,507(“专利507”)中指出的，与现有技术的下管座相比，尽管通过这样设计的下管座的总的通流面积小于通过现有技术的下管座的总的通流面积，但是这种设计概念大大地减少了碎片过滤下管座的压降。在位于反应堆下堆芯板中的冷却剂进流孔正上方的各个管嘴板的局部区域中，由较小流通孔的碎片过滤下管座型式所提供的通流面积要大于由较大流通孔的现有技术的碎片过滤下管座型式所提供的通流面积。
本发明的一个实施例提供一个文丘里管轮廓的流通孔，以进一步减少下管嘴板上的压降。第二个实施例，只在下管嘴板中的流通孔的进口，或者在进口和出口上都进行切角以形成文丘里管的轮廓，进一步强调了本发明的能制造性。
在优选实施例中，在穿过流通孔的进口处设置了一个双切角，双切角之间的角度被优化以产生最低的压降。双切角接近一个半径、即一个曲线，而没有加工一个使流动以流线流过孔的曲面的附加费用和困难。
因此，本发明针对一个核反应堆燃料组件中所用的一个碎片过滤下管座，其中该燃料组件包括多个核燃料棒，并包括至少一个最下部的格架，它将燃料棒支持在一个组织好的阵列中并具有一些在其中限定的、以使冷却剂流体流过的未被占据的空间。该碎片过滤下管座设置在该格架附近，并在格架的下方而且在燃料棒的下端部以下。该下管座包括一个固定在支撑装置上的管嘴板，该支撑装置朝向一个最下部的格架并限定了多个通流小孔，该小孔的尺寸独立确定，以使尺寸大于最下部格架中未被占据空间最大尺寸的大多数碎片被捕获在小孔出口孔的下面、其中或者附近。这样，流过管嘴板的液态冷却剂所夹带的大多数碎片足够小，以流过未被占据空间。而液态冷却剂所夹带的足够大的、不能流过未被占据空间的、并收集在该格架中的大多数碎片，将不会通过该通流小孔或者将被滞留在通流小孔附近。通过在流通孔中建立一个文丘里管的轮廓来实现减少下管嘴板上的压降。通过在流通孔的出口侧提供一个切角并且最好在进口侧提供一个双切角，进一步强化本发明设计的能制造性和能检查性。希望比“专利507”所实现的压降的减少有更大的减少，但是减少的量不重要，通过取消出口切角可以实现进一步的减少制造成本。
【附图说明】
下面通过结合附图对本发明的优选实施例进行描述，可以对本发明有进一步的理解。其中：
图1是一个燃料组件的局部剖开的立面图，其中包含本发明的碎片捕获的优选实施例，该组件以竖直方向上缩短的方式示出，为清楚起见，部分被切掉；
图2是本发明的一个下管座支撑裙座的侧视图；
图3是本发明的下管嘴板的俯视图；
图4是图3中沿线A-A的剖面侧视图，示出一个具有曲线型进口和出口的文丘里流通孔；
图5是图3中沿线A-A的剖面侧视图，示出一个具有双进口切角和单出口切角的流通孔；
图6是图3中沿线A-A的剖面侧视图，示出一个具有双进口切角的流通孔。
【具体实施方式】
在下面的描述中，相同的标号表示在几个视图中相同或相应的部件。同样，在下面的描述中，应该理解的是，这样一些词，例如“前”、“后”、“左”、“右”、“上”、“下”等是为了描述方便，并不构成限制意义。
燃料组件
现在参考附图，特别是参考图1，这里示出燃料组件的一个立面图，该燃料组件在竖直方向上被缩短并整体上用序号10表示。燃料组件10是用在压水反应堆中的那种类型，并具有一个在其下端包括本发明的碎片过滤下管座12的结构轮廓(下面将详细描述)。在核反应堆的堆芯区(未示出)，下管座12将燃料组件10支持在一个下堆芯支撑板14上。除了下管座12外，燃料组件10的结构轮廓还包括一个在其上端的一个上管座16和许多导向管或者套管18，导向管纵向延伸在下管座12和上管座16之间且相对端被刚性连接。
燃料组件10还包括多个横向格架20，它们沿轴向隔开并安装在格架套管18和一个组织好的、由格架20横向隔开和支持的细长燃料棒22的阵列上。而且，组件10具有位于中心的、并且延伸和安装在下管座12和上管座16之间的一个仪表管24。采用这样一种零件布置，燃料组件10形成一个能够便于处理而不损伤组件的一体化的单元。
如上所述，用沿着燃料长度隔开的多个格架20，使在组件10阵列中的燃料棒22相互之间保持隔开的空间关系。每一个燃料棒22包括核燃料芯片26，在上端和下端用上端塞28和下端塞30将燃料芯片封装起来。用设置在上端塞28和芯片叠层的顶部之间的充气弹簧32，使燃料芯片26保持层叠状态。由裂变材料组成的燃料芯片26承担产生反应堆的反应功率。通过下堆芯板14中的多个流通孔，液体减速/冷却剂，例如水或者含硼水，被向上泵送到燃料组件上。燃料组件10的下管座12使冷却剂通过导向管18并沿着该组件的燃料棒22向上流动，以带走产生的热量产生有用功。
为了控制裂变的过程，许多控制棒34在燃料组件10的预定位置的导向套管18中交互移动。特别是，一个设置在上管座16上方的棒束控制机构36支持控制棒34。该控制机构具有一个带内螺纹的圆筒形部件37，该部件37设有多个径向延伸锚爪或者臂板38。每个臂板38与控制棒34相互连接，这样棒束控制机构36能够动作，使控制棒在导向套管18中竖直移动，以大家所熟悉的方式来控制燃料组件10中的裂变过程。
碎片过滤下管座
如上所述，由于碎片卡陷在支撑着燃料棒的燃料支承区的最下部一个格架20处，或者卡陷在其下部，已经发现这种燃料组件损伤是一个问题。因此，为了防止这种损伤事件，非常希望将流过下管座流通孔的碎片减少到最低，或者将下管座流通孔的出口和相连接的结构之间的界面降到最小。
本发明关于一个下管座12，其中下管座除了将燃料组件10支撑在下堆芯板14上之外，还包括用来将具有潜在损伤尺寸的碎片从冷却剂流动中过滤掉的特征，该冷却剂向上流过下管座，其压降的减少超过“专利507”的设计所实现的。下管座12包括支撑装置，例如在图2中所示的裙座40。该支撑装置，在本实施例中的裙座40，包括多个将燃料组件10支撑在下堆芯板14上的角部支腿42。一个大致是矩形的平板46例如通过焊接适当地连接到支撑裙座40的上表面44上。在本发明的碎片过滤下管座12的管嘴板46中，大量的小孔48集中在流过下堆芯支撑板14的流通孔区域中，并且其尺寸确定成能够将具有损伤尺寸的碎片过滤掉而不严重影响流过下管嘴连接板46和穿过燃料组件10的流量或者压降。在这方面，本发明的碎片过滤下管座12很象转让给本受让人的美国专利4,900,507中已经描述的那种情况。在“专利507”的碎片过滤下管座12中，流通孔58包括在每一个流通孔中的进口切角。另一方面，“专利507”的流通孔48最好在截面尺寸上统一，并限定了一种基本覆盖了板46的长度和宽度的每一部分的方式。
流通孔48的直径不允许具有一般会陷在最下面支撑格架20中的尺寸的大多数碎片通过。如果碎片小到能够通过板上的那些流通孔48，它在大多数情况下也会通过格架20，因为流通孔48的直径足够小，能够抓住大多数的、其截面大于支撑格架20的一个栅格的未被占据空间的碎片。这样的未被占据的空间通常处在相邻的角部，该角部由构成格架20的交错的板条形成，该未被占据的空间由角部、在夹持板条上和在延伸穿过格架栅格的燃料棒22上的各个凹痕和鼓包限定边界。通过确保大多数碎片足够小到能够通过格架未被占据的空间，本发明的碎片过滤下管座12因此能够显著地减少潜在的由碎片引起的燃料棒破损。应该理解的是，本发明的改进不要求管嘴板46中的流通孔48的最窄截面小于或者等于通过一个支撑格架20的栅格的未被占据空间的最大截面尺寸，特别是在流通孔48的出口与相邻结构结合起来有效地工作、以进一步限制流道的时候。例如，在使用保护格架时，它通过设置在管嘴板46上方大约0.025到0.125英寸(0.064到0.318cm)处，该格架捕获装置进一步限制流动并且将碎片捕获在保护格架和管嘴板的区域中。
对发生由碎片引起的燃料破损的反应堆燃料组件做水下电视摄像，根据对其燃料监督结果的综合分析，流通孔48的标称直径选用为0.190英寸(0.48cm)，最好在0.190±0.008英寸(0.48±0.02cm)。可以将孔48的直径做得偏小一点。所有观察到的主要的由碎片引起的燃料棒的破损在最下部的格架位置或者在最下部的格架以下，并且似乎是由一些宽度大于0.190英寸(0.48cm)的碎片引起的。通常存在在反应堆冷却剂系统中的较小碎片被认为其特征比较小，所以不可能引起燃料损伤，因为在最下面的格架以上很少或者没有发现有明显的损伤。上述证据表明，最下面的格架20有效地止挡了具有损伤尺寸的碎片。在管嘴板46中限定有直径约0.190英寸(0.48cm)的流通孔48的碎片过滤下管座12，希望能够将一回路冷却剂流带入燃料组件的潜在对棒有损的金属碎片减少掉90％。这种估计可能是保守的，因为看来基本宽度大于0.190英寸(0.48cm)的碎片会带来不成比例的燃料棒损伤量。
参见图3，可以看出，除了大量的流通孔48之外，板46还包括一个中间仪表管孔50和许多导向套管孔52。在“专利507”中描述的流通孔48包括一个长度为约0.140英寸(0.36cm)、与流通孔48轴线形成的角度约15°±3°的长锥形进口切角。在每一个流通孔48上使用进口切角以优化流动，即将较小的流通孔48所固有的由于高摩擦影响带来的损失系数的增加减低到最小。较长的切角50被认为能够防止流线在连接板的孔48中被附着并防止在燃料组件10上的压降增加。与传统的下管嘴的组件相比，设有碎片过滤下管座12的燃料组件上的压降的任何增加将是不需要的甚至是不可接受的。尽管“专利507”的碎片过滤下管座提供较小的流通孔，但是与以前原来的下管嘴设计相比流通孔的数量更多。对下管嘴连接燃料组件来说，通过“专利507”碎片过滤下管座的总通流面积没有明显的减少。然而，对更先进的燃料设计来说，“专利507”设计的碎片过滤下管座的通流面积和相应的压降已经证明是一个限制性的约束。
通过优化经过管嘴板46的冷却剂通流路径，本发明进一步改进了碎片过滤下管座。“专利507”碎片过滤下管座设计的直管流通孔(带有进口切角)被本发明的如图4所示的截面的文丘里流通孔代替。该文丘里管54由较大半径的圆形进口和出口构成，进口和出口与流通孔相切或者不相切。文丘里流通孔改善了管座12的水力性能，明显减少了压降。可外推到反应堆堆芯流动状态(雷诺数500000)的高压降试验显示，具有文丘里流通孔的改进后的碎片过滤下管座将压降和相应的损失系数减少约53％。另外，由于文丘里收缩喉部的直径相当于“专利507”设计的标准碎片过滤下管座的流通孔直径，碎片过滤能力没有减退。
过去的经验显示，由不同供货商根据相同的图纸制造的管嘴中的压降不同。有一次，这种差别被追踪到制造过程和不同的去毛刺的方法。其中组成进口切角和出口切角的一种方法能够提供一种管嘴，该管嘴提供正在开发的先进的燃料设计所要求压降。然而，规定、控制和检查这种手工去毛刺的方法被证明是很难的。从制造的角度来看，通过优化经过管嘴板46的冷却剂通流路径，碎片过滤下管座12的文丘里流通孔设计54被加强。“专利507”中所描述的带单个进口切角的直管流通孔，由双进口切角56和一个单出口切角58代替以形成图5所示的文丘里管54。切角被优化以提供最低压降。事实上，它们近视成一个曲面和流线流过孔48。控制和检查曲线的几何形状是困难和昂贵的。本发明者已经发现，通过流体动力学计算和试验，仅仅两个直切角，如果适当地构形，可以低成本地开发出与曲线的几何形状相似的流动，并且得到相似的减小的压降。下表中示出了优化后的切角设计，其中切角A是与进口最近的切角，切角B是与切角A相邻的切角，切角C位于流通孔的出口。还示出了板厚。标称值定义希望的尺寸。最小和最大值考虑了公差，并提供切角长度的可接受的范围。 角 标称长度(英寸)最大长度(英寸)最小长度(英寸)切角A 35°±3° 0.017(0.043厘米)0.039(0.099厘米)0.012(0.030厘米)切角B 15°±3° 0.039(0.099厘米)0.057(0.145厘米)0.010(0.025厘米)切角C 10°±3° 0.085(0.2159厘米)0.142(0.361厘米)0.059(0.15厘米)板厚 - 0.560(1.422厘米)0.583(1.481厘米)0.550(1.397厘米)
应该强调的是，在上表中提出的特定的尺寸，在提供希望的减少压降的同时，是用来说明的而并不是要限定发明的范围。采用不同的角度和尺寸可以获得其它值的减少压降。该尺寸最好被表示成切角长度和板厚比L/T的方式。 角 切角L/T 最大 最小 切角A 2.33×B 0.071 0.020 切角B 15°±3° 0.104 0.017 切角C 0.67×B 0.258 0.101
这个新的流通孔设计改善了管嘴水力特性，显著地减少压降。可外推到反应堆堆芯流动状态(雷诺数500000)的高温压降试验显示，与“专利507”设计所获得的压降和相应的损失系数相比，本发明的具有改进流通孔的、减少压降的碎片过滤下管座将压降和相应的损失系数减少约47％，虽然双切角设计比图4中所示的光滑曲线文丘里管设计提供稍稍增加的压降，但是它在管嘴的能制造性方面提供了显著的改进和成本上的减少。还有，在最大收缩点的新流通孔直径等于“专利507”的直径，所以碎片过滤能力没有减退。在考虑能制造性、能检查性和成本时，该设计证明将提供恒定的和可重复的压降的减少。如果允许压降减少可以小一些，通过省掉图6所示的出口切角可以获得另外的制造成本的减少。图6中的实施例与“专利507”设计相比预计压降可以减少20％。
管嘴板46的另外一个常见的功能是捕获燃料棒22，即防止燃料棒掉下来穿过下管座12。在开始启动时，如图1所示燃料棒22由格架20保持在下管座12的上方。然而，在反应堆运行了一段时间以后，格架20通常使其对燃料棒的夹持变松并有时会掉在下管嘴板46的顶部。如图3所示，燃料棒22与流通孔48之间的板46的连接带或者区域60对齐。流通孔48以每平方英寸约16个的密度进行组装。延伸在流通孔48之间的板46的区域60具有的最大尺寸为1/10英寸(0.25cm)。如果具有最大直径约0.400英寸(1.02cm)的燃料棒22位于流通孔48的上方，当其跌落到板48上时，它们将堵塞该孔并引起压降的增加。燃料棒22的下端塞30，抵靠在板46的区域60上，具有一个端头直径约0.150英寸(0.38cm)并且具有一个如图1所示的轴向呈圆锥状的不会堵塞孔48的截面。然而，如果下端塞30的端部直径较大，为了使端塞不覆盖在相邻孔48的部位上，在流通孔48之间的板46的区域60的尺寸将不得不变大。毫无疑问，这将转变成较少的孔并增大压降。
尽管已经详细地描述了本发明的特定实施例，应该理解的是，所属领域的技术人员根据所公开的教导可以进行改变和细节替换。因此，公开的特定实施例对本发明的范围只是说明性的，而不是限制性的，本发明的范围应该是所附权利要求及其所有等同物的最宽范围。