低壓降核燃料組件底部噴嘴的製造方法與工藝

2023-05-09 10:03:07

低壓降核燃料組件底部噴嘴背景1.技術領域本發明總體上涉及核反應堆，更具體地，涉及減少穿過核燃料組件的底部噴嘴的壓降。2.相關技術以加壓水冷卻的核反應堆發電系統的一次側包括：與用於產生有用功的二次迴路隔開但處於熱交換關係的閉合迴路。一次側包括包圍了支撐多個含有可裂變物質的燃料組件的芯內結構的反應堆容器、換熱式蒸汽發生器內的一次迴路、穩壓器的內側容積、用於循環加壓水的泵和管道；管道將蒸汽發生器和泵的每一個獨立地連接到反應堆容器。包括蒸汽發生器、泵、和被連接到壓力容器的管道系統在內的一次側的每個部件構成一次側環路。為了展示，圖1畫出了簡化的核一次側系統，包括具有包封核反應堆芯14的頂蓋12的大致圓柱形反應堆壓力容器10。液體反應堆冷卻劑(比如水)通過泵16被泵入容器10，然後穿過堆芯14，熱能在堆芯處被吸收，然後排出到通常被稱為蒸汽發生器的換熱器18，在換熱器中熱量被傳遞給利用迴路(未畫出)，比如蒸汽驅動的渦輪發電機。然後，反應堆冷卻劑返回泵16，完成一次側環路。典型地，多個上述的環路通過反應堆冷卻劑管系20被連接到一個反應堆容器10。示範性常規反應堆方案在圖2中被更詳細地畫出。除了由多個平行豎直且共同延伸的燃料組件22構成的堆芯14之外，為了便於描述，其他的容器內部結構被分成下堆內構件22和上堆內構件26。在常規的設計中，下堆內構件的功能是對堆芯部件和儀表進行支撐、對準和引導，並引導容器內的流動。上堆內構件約束或者輔助約束燃料組件22(圖2中為了簡明只畫出了兩個)，以及支撐和引導儀表與各部件，比如控制棒28。在圖2中所示的示範反應堆中，冷卻劑經一個或多個入口噴嘴30進入反應堆容器10，向下流過反應堆容器和堆芯筒32之間的環形空間，然後在下增壓室34中調轉180°，向上流過下支撐板37和燃料組件所在的下堆芯板36，然後穿過和包圍燃料組件。在部分設計中，下支撐板37和下堆芯板36被一種單體結構(具有如37的水平高度的下堆芯支撐板)所取代。經堆芯和周圍區域38流過的冷卻劑通常是大約20英尺每秒的速度，4000000加侖每分鐘大的量級。所生成的壓力降和摩擦力在燃料組件上產生向上的作用力，燃料組件的位移受到上堆內構件(包括圓形上堆芯板40)的約束。離開堆芯14的冷卻劑沿上堆芯板40的底側流動並向上流過多個孔42。然後，冷卻劑向上且徑向地流到一個或多個出口噴嘴44。上堆內構件26得到容器或容器蓋的支撐，並包括上支撐組件46。負載主要通過多個支撐柱48在上支撐組件46和上堆芯板40之間傳遞。支撐柱在指定的燃料組件22和上堆芯板40中的孔42的上方對齊。可直線移動的控制棒28(通常包括驅動軸50和中子毒物棒的連接柄組件52(關於圖3被更完整地畫出和描述))被引導穿過上堆內構件26並通過控制棒引導管54與燃料組件22對準。引導管被固定地連接到上支撐組件46和上堆芯板40的頂部。支撐柱48裝置在意外條件下幫助延緩對控制棒的插入性有不利影響的引導管變形。圖3是以垂直減縮的形式所呈現的燃料組件的正視圖，燃料組件大致用附圖標記22表示。燃料組件22是在壓水反應堆中使用的類型，並具有在其下端包括底部噴嘴58的結構骨架。底部噴嘴58支撐核反應堆的堆芯區域內的下堆芯板36上的燃料組件22。除了底部噴嘴58之外，燃料組件22的結構骨架還包括在其上端的頂部噴嘴62以及多個引導管或與上堆內構件中的引導管54對準的套筒84。引導管或套筒84在底部噴嘴58和頂部噴嘴62之間縱向延伸並在相對的端部處被剛性地連接到底部噴嘴和頂部噴嘴。燃料組件22還包括沿引導套筒84軸向隔開且被安裝到引導套筒84的多個橫向柵格64，以及由柵格64橫向隔開並支撐的細長燃料棒66的有組織陣列。同樣地，如圖3所示，組件22具有被定位在組件的中央、在底部噴嘴58和頂部噴嘴62之間延伸並被底部噴嘴和頂部噴嘴捕獲的儀表管68。通過這些部件的設置，燃料組件22形成一種能在不破壞所述部件的裝配的前提下被便利地掌控的整體設備。如之前所述，組件22的燃料棒陣列中的燃料棒66以被沿燃料組件長度隔開的柵格64彼此分隔的關係進行保持。每個燃料棒66包括多個核燃料芯塊70、並在相對端被上端塞72和下端塞74閉合。芯塊70以堆疊的形式通過設置在上端塞72和芯塊堆頂部之間的增壓室彈簧進行保持。由可裂變物質構成的燃料芯塊70負責產生反應堆的反應動力。包圍芯塊的包殼作為防止裂變副產物進入冷卻劑和汙染反應堆系統的屏障。為了控制裂變過程，大量控制棒78能夠在位於燃料組件22的預定位置處的引導套筒54中往復地移動。具體地，定位在指定燃料組件的頂部噴嘴62上方的棒束控制機構80支撐多個控制棒78。所述控制機構具有帶內螺紋的圓筒形轂構件82、以及形成之前關於圖2所述的連接柄的多個徑向延伸的錨爪或臂52。每一個臂52與控制棒78相互連接，以使得控制棒機構80是可操作的，從而在被聯接至控制棒轂80的控制棒驅動軸50的運動動力下，在引導套筒84中豎直地移動控制棒，由此控制相應燃料組件22中的裂變過程，上述內容全部以已知的方式進行。理想的是具有穿過堆芯的均衡的流動，即穿過每個燃料組件的基本相同的壓力降，從而使部分燃料組件在高於其他燃料組件的溫度下不操作。功率輸出由正在運行的最熱的燃料元件限制。在沒有其他有益特徵的前提下減少壓力降，這給燃料組件設計者提供了增加其他特徵以補償被減少的壓力降的可能，這樣做例如能夠促進將使熱傳遞增強的混合，促進混合能轉化成增大的堆芯功率輸出。包含具有大量流動通孔的水平頂板的燃料組件的底部噴嘴是壓力降的主要貢獻者。對於碎屑過濾器式底部噴嘴尤其如此，這種噴嘴要求所述孔足夠小以防止能損壞燃料棒包殼的碎屑通過，比如在被轉讓給本申請受讓人的美國專利No7,822,165中所描述的那樣。任何能夠在不對反應堆芯運行造成不利影響的前提下減少穿過燃料組件的壓力降的改動都是理想的。所以，本發明的目標是通過修改底部噴嘴的設計進而改變流動通孔的形狀來減少穿過燃料組件的壓力降。本發明的另一個目標是通過在底部噴嘴的穿孔流動板的上遊側和下遊側中的一個或兩個上逐漸改變橫向流動面積來實現壓力降的減少。

技術實現要素：
通過一種具有帶軸向延伸長度的多個細長核燃料棒的核燃料組件實現以上目標和其他目標。至少一個最低柵格支撐有組織陣列中的燃料棒，所述柵格具有被定義在柵格中的未被佔據空間，在燃料組件被安裝在核反應堆中時，所述未佔據空間適合於允許流體冷卻劑從中流過並流過燃料棒。多個引導套管沿著燃料棒延伸穿過並支撐柵格。底部噴嘴被設置在最低柵格下方，低於燃料棒的下端，並支撐引導套管。底部噴嘴具有穿過底部噴嘴的開口，從而允許流體冷卻劑流入燃料組件。底部噴嘴包括垂直於燃料棒的軸線被支撐的基本水平的板。所述水平板具有基本指向最低柵格的上表面和在水平板下側的下表面，且開口延伸穿過其中用於冷卻劑流動。在下表面上的至少一些開口具有漏鬥狀第一附加物，所述第一附加物在下表面下方圍繞下表面上的至少一些開口分別延伸，第一附加物在它的基本最低位置處具有直徑大於下表面上的開口的直徑的開口。第一附加物的內壁的直徑從第一附加物基本最低位置處的開口基本上逐漸地縮小，直到第一附加物的所述壁過渡到下表面上的開口為止。在一個優選實施例中，在第一附加物的至少部分基本最低位置處的開口上的唇部具有扇形輪廓，且優選地，所述扇形唇部具有多個間隔的凹陷，類似於蛋架上的蛋託的輪廓，而更優選地，在第一附加物的基本最低位置處的開口的所有唇部都具有這種扇形輪廓。在一個實施例中，核燃料組件包括從上表面的至少一些開口向上延伸的漏鬥狀第二附加物，第二附加物在它的基本最高位置處具有直徑大於上表面上的開口的直徑的開口。第二附加物的內壁的直徑從上表面的開口處的過渡位置基本上逐漸地增大到第二附加物的基本最高位置。在這種實施例中，第二附加物的基本最高位置處的開口的唇部具有扇形輪廓。理想地，第二附加物至少部分地在上表面的開口內凹陷。在一個實施例中，第二附加物的最高位置終止在燃料棒下端的下方，且理想地，第二附加物的最高位置的範圍小於第一附加物的最低位置的範圍。在底部噴嘴上的至少一些開口基本上與最低柵格中的未被佔據空間對準。一般地，隨著第一附加物過渡到下表面上的開口，第一附加物的內壁逐漸減小軸向穿過第一附加物的橫向流動面積。隨著第二附加物從上表面上的開口過渡到被定義在燃料棒的有組織陣列中的未被佔據流動空間，第二附加物的內壁軸向地逐漸增大穿過第二附加物的橫向流動面積。附圖說明當結合附圖閱讀時能夠從以下優選實施例的描述中獲得本發明的進一步的理解，其中：圖1是能夠應用本發明的核反應堆系統的簡化示意圖；圖2是能夠應用本發明的核反應堆容器和內部部件的部分剖視的正視圖；圖3是以豎直縮短的形式被展示的燃料組件的部分剖視的正視圖，且為了清晰目的多個部件被去除；圖4是本發明的底部噴嘴頂板和流動通孔的一個實施例的一部分的等視圖，其畫出了在上表面上與燃料棒端塞接合的凹陷；圖5是在燃料棒端塞就位的情況下圖4中所示實施例的等比例視圖；圖6是圖4和5中所示的實施例的部分側視圖；圖7是圖4和5中所示的實施例的底部平面圖；圖8是圖4和5中所示的實施例的頂部平面圖(部分端塞被移除)；圖9是本發明的底部噴嘴頂板和流動通孔的另一種實施例的等比例剖視圖；圖10是圖9中所示的等比例剖視圖，其中多個燃料組件端塞的下部被畫出與本發明的附加物接合；圖11是圖9和10的水平下噴嘴板的頂視圖，其畫出了流動通孔的定位；圖12是圖11中所示的孔圖案的仰視圖；圖13是流動通孔的側剖視圖(被畫出了燃料棒端塞的下端)。具體實施方式本發明涉及燃料組件的底部噴嘴58，除了在下堆芯板36上支撐燃料組件22之外，底部噴嘴還包含能減少穿過噴嘴的壓力降的特徵。這能從圖3被領會。底部噴嘴包括支撐裝置，例如圖3中所示的裙部56。支撐裝置(本實施例中的裙部56)包括用於在下堆芯板36上支撐燃料組件22的多個角部支腿60。大致矩形的平板86被合適地附接到支撐裙部56的上表面。在本實施例的噴嘴板86上設置大量相對小的孔，從而提供從板86的下方到最低柵格88並穿過柵格的冷卻劑通道。這些孔可以足夠小，從而捕獲碎屑，以保護燃料元件包殼不被損壞，如美國專利No.7,822,165中所描述那樣，但是應當理解本發明能為燃料組件上正在尋求壓力降最小化的絕大部分類型的流動通孔提供好處。本發明意識到，與底部噴嘴的流動板86相關的大部分壓力降是因為流動面積的突然變化。本發明的先進底部噴嘴概念具有在底部噴嘴流動板86的上遊和下遊中的一個或兩個上的「蛋架」型特徵，從而逐漸地改變穿過流動板86的流通路徑的橫向流動面積。圖4至8畫出了具有在後面所聲明的特徵的流動板86的一個實施例的一部分。圖4畫出了流動板86的一部分的等比例視圖，其中部分流動通孔90被剖開以觀察流動通孔的內部。圖5是圖4所示的等比例視圖，其中燃料棒端塞74被畫出在流動板86上方就位。圖6是圖5中所示的流動板的一部分的側視圖。圖7是圖5中所示的流動板的底部平面圖；圖8是圖4中所示的流動板的頂部平面圖。在上遊側(即，從流動板86的底側開始，從圖7能最好地領會)，流線形的「蛋架」突起92逐漸地減小橫向流動面積，從而使得與冷卻劑流在進入穿孔流動板時在流動通孔90的入口處必須經歷的急速收縮相關的形狀損失最小化。這些「蛋架」突起92也消除了在每個燃料棒位置的下方的再循環流的高壓囊。所述突起92是流動通孔90的開口的漏鬥狀延伸部，所述漏鬥狀延伸部具有圍繞在突起92的最低位置處的開口的唇部98，所述唇部具有在一個實施例中大約等間距地圍繞它的圓周隔開的下凹94；但是應當理解下凹不必是等間距的來獲得壓力降的部分減小。唇部94上的所述下凹形成扇形輪廓。另外，雖然在流動板86的任一側上延伸的突起92被畫出是位於幾乎相同的高度，但是所述高度可以隨板的表面改變，且同樣獲得壓力降的減小。在下遊側(即，在流動板86和燃料棒之間)，流線形「蛋架」突起96逐漸增大橫向流動面積，從而使與冷卻劑在從流動板86到燃料棒束的過渡中所經歷的急速擴張和收縮相關的形狀損失最小化。由於接近燃料棒底部端塞74，下遊的「蛋架」突起在板86的上表面上形成凹陷，從而接合燃料棒66。燃料棒的軸向高度沒有發生改變。諸如增材製造這樣的先進位造技術的發展使得本方案的製造更加便利，但應當理解也能採用傳統的製造技術。儘管蛋架突起方案已經被應用於流通板86的上表面和下表面，但應當理解為了最大收益，可以單獨採用這些方案中的任何一個，從而獲得壓力降的部分程度的減小，或者被共同採用以使得壓力降最小化。另外，能採用圖9-13中所示的實施例實現壓力降的額外減少。該實施例具有與之前實施例不同的流線形流道，其具有在基本上最低的柵格和燃料棒之間與未佔據空間對準的流動通孔，但是增加了與燃料棒基本上成直線的額外流動路徑。額外的流動通孔100的設計類似於其他流動通孔90，但是被直接定位在燃料棒以下，優選地直徑更小並具有一組支撐燃料棒且允許冷卻劑流動以離開底部噴嘴的支座(standoff)102。支座可以是附屬物的扇形唇部的最高點，並在運行期間保證燃料棒不會阻塞流動通孔。因為該流動通孔100是直接位於燃料棒以下，所以它們為流動提供了一種有助於使流過底部噴嘴的碎屑最少化的「非視距」路徑，並且通過提供額外的流動路徑還有助於減少底部噴嘴的總體損失係數。對這種被增加的特徵的測試證明：對於在沒有與燃料棒對齊的額外流動通孔的情況下採用附屬物的實施例有明顯的提高。儘管本發明的具體實施例已經被被詳細地描述，但本領域技術人員將理解的是，根據本發明的全面教導，能夠對那些細節做出多種改動和替換。所以，所公開的具體實施例僅意味著是展示性的，且不限制本發明的範圍，本發明的範圍由後附權利要求及其任意的和所有的等同物的完整範圍所給出。