核堆芯部件压制组件.pdf

本发明涉及一种板安装的燃料组件压制系统，其提供用于插入和去除安装在反应堆封头处的固定堆芯内探测器仪器的限定通道，并在插入过程中提供用于固定堆芯内探测器的引导路径，并屏蔽仪器护套免受冷却剂横向流动影响。该压制组件包括位于燃料组件的转接板上、且具有多个与控制棒导引套管对准的开口的基板。空心套筒延伸通过基板中的中心开口并在其下方延伸以与燃料组件仪器套管配合。套筒在基板上方延伸并穿过反应堆的上堆芯板在其上方延伸。压制杆可滑动地安装在套筒上并限制在套筒的顶部下方。弹簧绕套筒定位并卡在压制杆和基板之间。

1.  一种适用于顶部安装的仪器系统的核堆芯部件压制组件，包括：
基板，其尺寸设计成在核反应堆燃料组件的顶喷嘴内位于所述顶喷嘴的转接板上方且与所述转接板间隔开，所述基板具有多个开口，所述开口与所述转接板中相等数目的孔对准，通过各个所述孔通向所述燃料组件中的相对应的控制棒导引套管；
竖直、细长、空心的套筒，其具有沿着细长尺寸的轴线，所述套筒延伸通过所述基板中的中心开口并在所述中心开口下方延伸以与所述燃料组件中的仪器套管中的上开口配合，所述套筒在所述基板上方竖直地延伸，并且尺寸设计成当安装在所述反应堆的堆芯中时延伸通过所述反应堆的上堆芯板；
压制杆，其可滑动地安装在所述套筒上并具有轴向行进长度，所述轴向行进长度被限制成在所述套筒的顶部下方的给定距离，以便当压制杆在远离所述基板的方向上完全延伸时所述套筒伸出到所述压制杆上方；以及
弹簧，其同中心地绕所述套筒定位并基本上在所述压制杆和所述基板之间延伸。

2.  根据权利要求1所述的压制组件，其中所述弹簧包括两个同中心的弹簧。

3.  根据权利要求1所述的压制组件，其中所述竖直、空心的套筒尺寸设计成当安装在所述反应堆的所述堆芯中时在所述反应堆中的所述上堆芯板上方延伸。

4.  根据权利要求1所述的压制组件，其中所述套筒具有周向间隔开、轴向地延伸的狭槽，所述狭槽在所述压制杆的所述行进长度上延伸，并且所述压制杆具有分别在所述狭槽内行进的、径向且向内地延伸的销。

5.  根据权利要求1所述的压制组件，其中所述竖直套筒的内部空心腔沿着其轴向长度具有两个不同直径。

6.  根据权利要求5所述的压制组件，其中所述竖直套筒的所述内部空心腔的上段具有大于所述竖直套筒的所述内部空心腔的下部分的内径以接收仪器护罩，所述下部分导引顶部安装的仪器护套通过顶喷嘴转接板至所述燃料组件中的所述仪器套管中。

7.  根据权利要求6所述的压制组件，其中所述竖直套筒的所述内部空心腔的上段具有足够的腔长度以容纳在所述燃料组件与反应堆容器之间的差热和辐照生长，所述燃料组件将支承在所述反应堆容器中。

8.  一种具有沿着其细长长度的轴向尺寸的细长核反应堆燃料组件，所述燃料组件包括：
具有转接板的顶喷嘴；
多个延伸到所述转接板中的相对应的开口中的导引套管；
延伸到所述转接板中的中心开口中的仪器套管；以及
适用于顶部安装的仪器系统的压制组件，其包括：
基板，其尺寸设计成在核反应堆燃料组件的顶喷嘴内位于所述顶喷嘴的转接板上方且与所述转接板间隔开，所述基板具有多个开口，所述开口与所述转接板中相等数目的孔对准，通过各个所述孔通向所述燃料组件中的相对应的控制棒导引套管；
竖直、细长、空心的套筒，其具有沿着细长尺寸的轴线，所述套筒延伸通过所述基板中的中心开口并在所述中心开口下方延伸以与所述燃料组件中的仪器套管中的上开口配合，所述套筒在所述基板上方竖直地延伸，并且尺寸设计成当安装在所述反应堆的堆芯中时延伸通过核反应堆中的上堆芯板；
压制杆，其可滑动地安装在所述套筒上并具有轴向行进长度，所述轴向行进长度被限制成在所述套筒的顶部下方的给定距离，以便当压制杆在远离所述基板的方向上完全延伸时所述套筒伸出到所述压制杆上方；以及
弹簧，其同中心地绕所述套筒定位并基本上在所述压制杆和所述基板之间延伸。

9.  根据权利要求8所述的燃料组件，其中所述竖直、空心的套筒尺寸设计成当安装在所述反应堆的所述堆芯中时在所述反应堆中的所述上堆芯板上方延伸。

10.  根据权利要求8所述的燃料组件，其中所述套筒具有周向间隔开、轴向地延伸的狭槽，所述狭槽在所述压制杆的所述行进长度上延伸，并且所述压制杆具有分别在所述狭槽内行进的、径向且向内地延伸的销。

11.  根据权利要求8所述的燃料组件，其中所述竖直套筒的内部空心腔沿着其轴向长度具有两个不同直径。

12.  根据权利要求11所述的燃料组件，其中所述竖直套筒的所述内部空心腔的上段具有大于所述竖直套筒的所述内部空心腔的下部分的内径以接收仪器护罩，所述下部分导引顶部安装的仪器护套通过顶喷嘴转接板至所述燃料组件中的所述仪器套管中。

13.  根据权利要求12所述的燃料组件，其中所述竖直套筒的所述内部空心腔的上段具有足够的腔长度以容纳在所述燃料组件与反应堆容器之间的差热和辐照生长，所述燃料组件将支承在所述反应堆容器中。

14.  一种核反应堆功率产生系统，所述核反应堆功率产生系统具有包括多个燃料组件的堆芯，所述燃料组件中的至少部分包括：
具有转接板的顶喷嘴；
多个延伸到所述转接板中的相对应的开口中的导引套管；
延伸到所述转接板中的中心开口中的仪器套管；以及
适用于顶部安装的仪器系统的压制组件，其包括：
基板，其尺寸设计成在核反应堆燃料组件的顶喷嘴内位于所述顶喷嘴的转接板上方且与所述转接板间隔开，所述基板具有多个开口，所述开口与所述转接板中相等数目的孔对准，通过各个所述孔通向所述燃料组件中的相对应的控制棒导引套管；
竖直、细长、空心的套筒，其具有沿着细长尺寸的轴线，所述套筒延伸通过所述基板中的中心开口并在所述中心开口下方延伸以与所述燃料组件中的仪器套管中的上开口配合，所述套筒在所述基板上方竖直地延伸，并且尺寸设计成当安装在所述反应堆的堆芯中时延伸通过核反应堆中的上堆芯板；
压制杆，其可滑动地安装在所述套筒上并具有轴向行进长度，所述轴向行进长度被限制成在所述套筒的顶部下方的给定距离，以便当压制杆在远离所述基板的方向上完全延伸时所述套筒伸出到所述压制杆上方；以及
弹簧，其同中心地绕所述套筒定位并基本上在所述压制杆和所述基板之间延伸。

15.  根据权利要求14所述的核反应堆功率产生系统，其中所述竖直、空心的套筒尺寸设计成当安装在所述反应堆的所述堆芯中时在所述反应堆中的所述上堆芯板上方延伸。

16.  根据权利要求14所述的核反应堆功率产生系统，其中所述套筒具有周向间隔开、轴向地延伸的狭槽，所述狭槽在所述压制杆的所述行进长度上延伸，并且所述压制杆具有分别在所述狭槽内行进的、径向且向内地延伸的销。

17.  根据权利要求14所述的核反应堆功率产生系统，其中所述竖直套筒的内部空心腔沿着其轴向长度具有两个不同直径。

18.  根据权利要求17所述的核反应堆功率产生系统，其中所述竖直套筒的所述内部空心腔的上段具有大于所述竖直套筒的所述内部空心腔的下部分的内径以接收仪器护罩，所述下部分导引顶部安装的仪器护套通过顶喷嘴转接板至所述燃料组件中的所述仪器套管中。

19.  根据权利要求18所述的核反应堆功率产生系统，其中所述竖直套筒的所述内部空心腔的上段具有足够的腔长度以容纳在所述燃料组件与反应堆容器之间的差热和辐照生长，所述燃料组件将支承在所述反应堆容器中。

核堆芯部件压制组件
技术领域
[0001]本发明一般地涉及一种核堆芯部件压制组件，并且更具体地涉及这样一种与顶部安装的仪器系统可兼容的压制组件，所述压制组件可以提供在燃料组件中的中心位置处的限定通道以用于插入和移除堆芯内仪器。
背景技术
[0002]用加压水冷却的核反应堆功率产生系统的初级侧包括闭合回路，所述闭合回路被隔离且与用于产生有用能量的次级侧有热交换关系。初级侧包括封装堆芯内部结构的反应堆容器，所述堆芯内部结构支承：包含可裂变材料的多个燃料组件；热交换蒸汽发生器中的初级回路；用于循环加压水的加压器、泵和管道的内体积，这些管道将各蒸汽发生器和各泵独立地连接至反应堆容器。包括连接至容器的管道系统、蒸汽发生器和泵在内的各初级侧的部件形成初级侧的环路。
[0003]为了说明目的，图1示出简化的核反应堆初级系统，其包括具有封装核堆芯14的外壳封头12的大致柱形反应堆压力容器10。诸如水的液体反应堆冷却剂由泵16泵送到容器10中通过堆芯14，在所述堆芯14处热能被吸收并且排放到热交换器18(典型地称为蒸汽发生器)，在所述热交换器18中热转移到利用回路(未示出)，例如蒸汽驱动涡轮发电机。反应堆冷却剂然后回到泵16，完成初级环路。典型地，多个如上所述的环路通过反应堆冷却剂管道系统20连接至单个反应堆容器10。
[0004]图2中更详细地示出示例性反应堆设计。除了包括多个平行、竖直、协同延伸的燃料组件22的堆芯14以外，为了本说明的目的，其它的容器内部结构可以分成下内部结构24和上内部结构26。在传统设计中，下内部结构的功能是支承和排列堆芯部件并导引仪器以及指引容器内对流动。上内部结构约束燃料组件22(为简单起见，在该图中仅示出所述燃料组件22中的两个)或对其提供辅助约束，并且支承且导引诸如控制棒28的仪器和部件。在图2中所示的示例性反应堆中，冷却剂通过一个或多个进口喷嘴30进入反应堆容器10，向下流动通过容器和堆芯筒32之间的环形空间，在下增压部34中转过180°，向上通过下支承板37和下堆芯板36，而通过组件，其中燃料组件22位于下堆芯板36上。在某些设计中，下支承板37和下堆芯板36由与37处于同一高度的单个结构即下堆芯支承板代替。通过堆芯和围绕区域38的冷却剂流通常大到在近似20英尺每秒的速度下每分钟400,000加仑的量级。所产生的压降和摩擦力趋向于使燃料组件升起，该运动受到包括圆形上堆芯板40在内的上内部结构的限制。离开堆芯14的冷却剂沿着上堆芯板的下侧流动并向上通过多个穿孔42。冷却剂然后向上且径向地流到一个或多个出口喷嘴44。
[0005]上内部结构26可以从容器或容器封头支承并包括上支承组件46。载荷主要通过多个支承柱48在上支承组件46和上堆芯板40之间传递。支承柱排列在选择的燃料组件22和上堆芯板40中的穿孔42上方。
[0006]可直线运动的控制棒28典型地包括驱动轴50和由中子毒物棒(neutron poison rod)构成的多脚架组件52，所述中子毒物棒由控制棒导管54导引通过上内部结构26并进入对准的燃料组件22。导管固定地结合到上支承组件46并由压配合到上堆芯板40的顶部中的开口销56连接。销结构用于解除导管组件和更换(如果有必要)，并确保尤其在地震或其它高负荷意外条件下主要由支承柱48而不是导管54承担堆芯负荷。该支承柱布置有助于在可能有害地影响控制棒插入能力的意外条件下防止导管变形。
[0007]图3是以竖直缩短形式表示、且以附图标记22总体指示的燃料组件的正视图。燃料组件22是用在压水反应堆中的类型且其结构骨架在下端处包括底喷嘴58。底喷嘴58将燃料组件22支承在核反应堆的堆芯区域中的下堆芯支承板36上。除了底喷嘴58以外，燃料组件22的结构骨架还包括在其上端处的顶喷嘴62、以及在底喷嘴58和顶喷嘴62之间纵向延伸且在相对两端处刚性附装至底喷嘴58和顶喷嘴62的多个导管或套管54。
[0008]燃料组件22还包括沿导引套管54(也称为导管)轴向间隔开且安装到导引套管54上的多个横向栅格64、以及横向间隔开且由栅格64支承的有组织阵列的细长燃料棒66。而且，组件22具有位于其中央的仪器管68，所述仪器管68在底喷嘴58和顶喷嘴62之间延伸且安装到这两个喷嘴。借助这种部件设置，组件22形成为能够不破坏部件装配而方便操纵的整体单元。
[0009]如上所述，燃料组件22中成阵列的燃料棒66由沿燃料组件长度间隔开的栅格64保持相互间隔的关系。每个燃料棒66都包括核燃料芯块70并且在其相对两端处由上端塞72和下端塞74封闭。芯块70由布置在上端塞72和芯块堆叠顶部之间的增压弹簧76维持成堆叠。由可裂变材料构成的燃料芯块70用于产生反应堆的反应功率。
[0010]因为反应堆的功率输出受沿燃料棒66所经历的最热温度限制，所以重要的是管理堆芯的轴向和径向功率分布。需要将操作条件保持低于会导致沿燃料棒66的覆层脱离泡核沸腾的条件。在那种条件下，从燃料棒66至相邻的冷却剂的传热降低了燃料棒的温度升高，这种温度升高可能导致覆层故障。液体慢化剂/冷却剂(例如水或含硼水)被向上泵送通过下堆芯支承板36中的多个流动开口而送至燃料组件22。燃料组件的底喷嘴58使冷却剂向上沿着组件的燃料棒通过，以便吸收其中所产生的热来产生有用功。
[0011]为控制裂变过程，多个控制棒78可在位于燃料组件22中的预定位置处的导引套管54中往复运动。具体地，位于顶喷嘴62上方的棒束控制机构(多脚架组件)80支承控制棒78。控制机构具有带内螺纹的柱形毂构件82，所述柱形毂构件82具有多个径向延伸的锚爪或臂52。每个臂52都与控制棒78相互连接，以便使控制棒机构80可操作，以在联接至控制棒毂82的控制棒驱动轴50的动力下使控制棒在导引套管54中竖直运动，从而控制燃料组件22中的裂变过程，这些都是以已知方式进行的。
[0012]如先前所述，如果燃料组件没有适当地固定时，则它们受到可能超出燃料组件重量的液压力并因此使燃料组件在反应堆中“浮动”。如果燃料组件将要向上浮动正好足以使其脱离下堆芯板的支撑面(该燃料组件位于其上)，则它将横向地振动，并且该情况会使燃料组件受到严重的微动磨损。因为这种可能性，燃料组件设计已经包括了用于防止浮动的元件。
[0013]防止浮动的一个方法是在燃料组件的顶部上安装弹簧(图3中所示的86)。该弹簧压缩在上堆芯板和燃料组件的其余部分之间，由此提供足够的压制力以防止燃料组件脱离下堆芯支承板上的支撑面。这种弹簧布置的另一示例在美国专利4,728,487中说明。上述专利说明了一种包括中心支承在顶喷嘴转接板的上表面上的竖直柱的压制布置。弹簧同心地缠绕柱，并且压制杆(轭)在弹簧之上可滑动地安装在柱上。压制杆当安装在反应堆中时靠在上堆芯板上并压缩弹簧以压制燃料组件和堆芯部件。在传统反应堆设计中，例如该专利中所述的一种设计，热偶定位在支承柱48的下端处，并且热偶信号缆线通过支承柱供给并通过反应堆封头12中的穿孔而离开反应堆，这在图2中没有示出。位于燃料组件仪器套管中的堆芯内通量探侧器和其它堆芯内仪器通过反应堆的下封头、下支承板37、以及下堆芯板36中的穿孔而通过燃料组件22的底部供给至仪器套管(也称为仪器管)68中。在传统设计中，没有仪器通过燃料组件的顶部供给至仪器套管中。通过如美国专利4,728,487中所说明的压制布置阻塞了通向仪器套管的顶部的通路。
[0014]Westinghouse AP1000反应堆是第三代压水反应堆设计。可运动且底部安装的堆芯内仪器已经由通过反应堆封头12中的穿孔通向堆芯的固定且顶部安装的仪器系统所代替。因而，在堆芯的底部下方不存在容器穿孔。该堆芯内仪器对于提供监测反应堆芯的堆芯出口温度所必需的堆芯通量图和信号很重要，这些图和信号用于校准中子探测器和用于优化堆芯性能。
[0015]因此，新设计要求从燃料组件22的顶部通向仪器套管68并提供仪器部件的中心对准且屏蔽仪器部件免受横向流动(crossflow)的影响。这种设计期望将在使传统压制装置改变最小的情况下提供有效的屏蔽。
发明内容
[0016]本发明的压制组件通过设置配合在燃料组件顶喷嘴中、且经由柱形管弹簧导引件固定至转接板的基板而适应上述需要。柱形管弹簧导引件延伸通过基板并在该基板上方延伸，并且具有围绕弹簧导引件外表面的弹簧或多个弹簧线圈。压制杆在弹簧上方可滑动地安装在弹簧导引件的上部分中，并且当燃料组件安装在反应堆芯中时，弹簧在轭与基板之间压缩，而轭在反应堆内部上堆芯板下表面上施加压力。弹簧保持基板向下靠着燃料组件顶喷嘴转接板，并且防止堆芯部件组件(例如，湿环形可燃吸收剂组件)升离顶喷嘴转接板。轭安装在弹簧导引件上，至少两个径向向内延伸的销焊接至轭。这些销在弹簧导引件中的狭槽内行进。
[0017]压制基板中的开口与燃料组件中的导引套管对准，并且容纳且支承堆芯部件棒组件，例如湿环形可燃吸收剂组件、初级源和次级源组件、水置换器棒组件、套管堵塞装置、以及周边功率抑制组件。
[0018]弹簧导引件是具有两个不同内径的空心柱形管。上段具有较大的内径以接收仪器护罩，其具有足够的腔长度来容纳在反应堆容器和燃料组件之间的差热和辐照生长。弹簧导引件内部的下部分具有较小的内径以导引顶部安装的仪器护套通过顶喷嘴转接板至燃料组件的仪器管中。弹簧导引件的顶部具有在压制轭杆上方的突起，所述突起在燃料组件安装在反应堆芯中时延伸通过上堆芯板并在上堆芯板上方延伸，以完全屏蔽仪器护罩不暴露于上堆芯出口流动喷射干扰以及感应的横向流动，否则这种横向流动会撞击悬置的仪器护套。
附图说明
[0019]从以下结合附图阅读的优选实施例的描述，可以得到对本发明的进一步理解，附图中：
[0020]图1是可以应用本发明的核反应堆系统的简化示意图；
[0021]图2是可以应用本发明的核反应堆容器和内部部件的局部剖视图；
[0022]图3是以竖直缩短形式示出的具有棒束控制组件的燃料组件的局部剖视图，为了清楚拆除了某些部件；
[0023]图4是修改成包含本发明的压制装置的图3中所示的燃料组件的局部剖视图；
[0024]图5是本发明的压制装置的透视图，堆芯内仪器套管组件延伸通过该压制装置(为了清楚省略了上堆芯板和顶喷嘴)；
[0025]图6是图5中示出的本发明的压制装置的剖视图；
[0026]图7是安装了本发明的压制装置的燃料组件的顶喷嘴的剖视图。
具体实施方式
[0027]图4是图3中所示的燃料组件的局部剖视图，本发明的压制装置88安装在燃料组件顶喷嘴62中。压制装置可以通过参照图5更好地理解，该图5示出压制装置88的透视图，其中堆芯内仪器套管组件110延伸通过该压制装置88。压制装置88总体上包括基板90、柱形管弹簧导引件94、内螺旋弹簧和外螺旋弹簧(或者可替代地是单个弹簧98)、以及压制杆或轭96。在轭对反应堆内部上堆芯板(图2中由附图标记40所示)施加压力时，弹簧98压缩在轭96和基板90之间。弹簧98保持基板90向下紧靠燃料组件顶喷嘴转接板84，这从图4可以观察到。轭96可滑动地安装在弹簧导引件94上，两个径向向内延伸的、直径地间隔开的销100焊接至轭96。销100在弹簧导引件94中的狭槽102内行进。弹簧导引件94在压制杆96的行程的上限(该行程由狭槽102限定，选择的距离大约5英寸(12.7cm))上方延伸，以便使该延伸部的一部分在上堆芯板40上方突出。弹簧导引件94的延伸通过上堆芯板40中的孔口而在该孔口上方的部分104屏蔽仪器护罩108免受上堆芯出口流动喷射扰动以及作用在悬置的仪器护套108上的感应横向流动的影响。
[0028]因而，本发明的板安装的堆芯部件压制组件88具体地设计成可与顶部安装仪器系统兼容并提供在燃料组件中的中心位置处的限定通道。本发明适于插入和去除固定的堆芯内探测器仪器110，以提供在插入过程中用于固定的堆芯内探测器的导引路径并提供反应堆操作过程中区域104中的防横向流动的屏蔽。具有本发明的压制系统必须适应的顶部安装仪器接口的堆芯部件组件包括湿环形可燃吸收剂组件、初级源和次级源组件、水适配器棒组件、套管堵塞装置以及周边功率抑制组件。图5中所示的孔120用于附装堆芯部件组件的小棒。开口122是冷却剂流动通道。
[0029]图6示出图5中所示的本发明的压制装置88的剖视图。从图6可以理解，弹簧导引件94是具有两个不同内径112和114的空心柱形管。上段112具有较大的内径以接收仪器护罩108，区域112中足够的腔长度用于容纳反应堆容器和燃料组件之间的差热和辐照生长，以便使堆芯内仪器组件110不暴露到冷却剂作用下。弹簧导引件94的下段114具有较小的内径以导引顶部安装的仪器110通过顶喷嘴转接板84至燃料组件22的仪器管68中。
[0030]图7示出燃料组件骨架的上段的剖视图，其中本发明的压制组件88附装至顶喷嘴62的转接板84。从该视图可以容易地看到，柱形弹簧导引件94通过基板90中的中心开口92且在该开口下方延伸并靠着转接板84，从而在转接板84与基板90之间产生空间128。空间128设置成使得压制力由弹簧导引件94承载而不由基板90承载。图7的视图清楚地示出加大直径的上段112，所述上段112在柱形弹簧导引件94的大约一半高度处变窄到较小直径的下段114。弹簧导引件94的下段114在118处与仪器管埋头孔116中的仪器管68的上开口配合。图7中所示的布置中，堆芯部件小棒组件126(例如湿环形可燃吸收剂组件)由基板90支承且从基板90沿轴向向下延伸。图7示出弹簧导引件94通过焊接或钎焊的接头附装至基板90。压制组件88由诸如不锈钢或因科镍合金的材料制成。
[0031]因而，本发明提供一种板安装的堆芯部件压制组件，该压制组件具体地设计成与顶部安装仪器系统兼容并供应在燃料组件中的中心位置处的限定通道。通过弹簧导引件94的限定通道适于插入和去除固定的堆芯内探测器仪器，以在插入过程中提供用于固定的堆芯内探测器的导引路径并在反应堆操作过程中提供防横向流动的屏蔽。
[0032]虽然已经详细描述本发明的具体实施例，但本领域中的技术人员将应理解，考虑所公开的全部教导可对这些细节进行各种修改和替换。因此，所公开的具体实施例仅表示示例且不限定本发明的范围，本发明的范围将由所附权利要求的全部范围及其任何和全部等同方案所给出。