[发明专利]用于压水反应堆棒束中改进热传递的肋式粗糙部设计

说明书

相关申请的交叉引用

根据美国法典第35卷第119(e)条款，本申请要求于2013年3月12日提交的、名称为“RIB-TYPEROUGHNESSDESIGNFORIMPROVEDHEATTRANSFERINPWRRODBUNDLES”的美国临时专利申请61/776,815以及于2013年10月28日提交的名称为“RIB-TYPEROUGHNESSDESIGNFORIMPROVEDHEATTRANSFERINPWRRODBUNDLES”的美国专利申请14/064,531的优先权。

技术领域

本发明总体上涉及核电站以及位于核反应堆堆芯中的燃料棒组件或燃料棒束，更特别地，涉及一种布置在一个或多个燃料棒上的肋式粗糙部以在燃料棒组件或燃料棒束中提供增强的热传递。

背景技术

核电站的反应堆堆芯，比如压水反应堆(PWR)，包含多个核燃料棒，例如核燃料棒组件或核燃料棒束。该燃料棒包含氧化铀燃料。该燃料封装在通常称作燃料包壳的密封管中。所述包壳将燃料保持在合适位置中，从而可以进行受控的裂变并产生热量。所述包壳然后将热量从所述燃料传递到围绕反应堆冷却剂系统的主回路循环的增压水。主回路中加热的水用于在蒸汽发生器中使水沸腾，蒸汽然后在为发电机提供能量的涡轮机中膨胀。

为了图示的目的，图1示出了简化的核反应堆主系统，包括基本是圆柱形的反应堆压力容器10，该压力容器具有封套核芯14的顶盖12。借助泵16将诸如水之类的液体反应堆冷却剂泵送到容器10中通过核芯14，其中热能被吸收并被排放到一般称作蒸汽发生器的热交换器18，在所述热交换器中热量被传递到应用回路(未示出)，比如蒸汽驱动的涡轮发电机。然后使反应堆冷却剂返回到泵16，完成主回路。一般地，多个上述回路通过反应堆冷却剂管道系统20连接到单个反应堆容器10。

在一般的核反应堆中，反应堆堆芯包括大量燃料组件，每个燃料组件具有顶部和底部喷嘴。多个细长的横向间隔开的导向套管在这些喷嘴之间纵向延伸。多个横向支承栅架沿着导向套管轴向间隔开并且附接到所述导向套管。

每个燃料组件是由多个细长燃料元件或棒构成的，它们彼此之间并且与导向套管横向间隔开。每个燃料棒包含可裂变材料并且以阵列形式聚集在一起，该阵列被组织成在足以支撑高速核裂变的所述芯中提供中子通量，从而以热量的形式释放大量能量。向上泵送液体冷却剂通过所述芯以便于提取出所述芯中产生的一些热量用于有用的发电工作。

所述栅架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，并引起冷却剂的混合。

在图2中更详细地示出了如图1中所示的示例性反应堆压力容器10和核芯14。所述核芯14包括多个平行的、竖直的、共同延伸的燃料组件22。为了该描述的目的，可以将其他的容器内部结构分成下内部24和上内部26。在传统的设计中，下内部的功能是支撑、对准并引导芯元件和仪器仪表以及引导容器内的流动。上内部约束燃料组件22或为燃料组件22(为了简单起见在图2中仅示出了其中的两个)提供二级约束，并且支撑和引导仪器仪表和元件，比如控制杆28。在图2中示出的示例性反应堆中，冷却剂通过一个或多个入口喷嘴30进入反应堆容器10，向下流过容器与芯筒32之间的环，在下增压室34中转过180°，向上通过下支撑板37和下芯板36，且穿过并围绕这些组件，燃料组件位于下芯板36上。在一些设计中，下支撑板37和下芯板36由单个结构替代，下芯支撑板具有与37相同的高度。流过所述芯以及周围区域38的冷却剂流一般大到在每秒大约20英尺的速度下每分钟400,000加仑的数量级。实现的压力下降以及摩擦力易于造成燃料组件升高，这种运动由包括圆形上芯板40的所述上内部约束。从所述芯14流出的冷却剂沿着上芯板40的下侧流动并且向上流动通过多个穿孔42。然后冷却剂向上并径向向外流动到一个或多个出口喷嘴44。

在图3中更详细地示出了如图2中示出的示意性燃料组件22中的一个。每个燃料组件22包括以阵列形式聚集在一起的燃料棒66。燃料棒66彼此以间隔开的关系由沿着燃料组件长度间隔开的栅架64保持。每个燃料棒66包括多个核燃料芯块70并且其两端分别由上端塞72和下端塞74封闭。芯块70由布置在上端塞72与芯块堆顶部之间的增压室弹簧76以堆叠方式保持。由可裂变材料构成的燃料芯块70用于形成反应堆的无功功率。存在围绕芯块的包壳以起到屏障的作用来防止裂变副产品进入冷却剂并进一步污染反应堆系统。