БЕЗОТКАЗНЫЙ УЗЕЛ ПУЧКА ТОПЛИВНЫХ СТЕРЖНЕЙ Российский патент 2013 года по МПК G21C1/00 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

Настоящее раскрытие относится к сборочным узлам пучков топливных стержней ядерного реактора.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Информация, содержащаяся в этом разделе, обеспечивает просто общую информацию, связанную с настоящим раскрытием, и не может представлять предшествующий уровень техники.

Ядерные реакторы типа кипящих реакторов обычно содержат активную зону реактора, содержащую множество топливных пучков, через которые и вокруг которых течет жидкий замедлитель или теплоноситель, например, жидкая вода. Ядерные реакции внутри топливных пучков создают теплоту, используемую для преобразования теплоносителя в пар по мере того, как теплоноситель проходит через активную зону. Пар затем используется для производства электрической энергии. Каждый из топливных пучков обычно содержит множество герметизированных и вертикально стоящих топливных стержней, размещенных внутри вытянутого трубчатого канала. Внутри канала топливные стержни каждого топливного пучка образуют конструкцию с пространственным разнесением друг относительно друга с помощью двух или более дистанционирующих решеток, состоящих из множества соединенных между собой распорных деталей, которые формируют множество рядов и столбцов открытых ячеек. Каждая ячейка имеет соответствующие длинные и гибкие топливные стержни, проходящие насквозь через них, и служит для предотвращения возникновения трущегося контакта стержней друг о друга под действием динамики потока теплоносителя внутри реактора. Распорные детали дополнительно поддерживают расчетное расстояние между топливными стержнями для получения оптимальной ядерной характеристики и способствования перемешиванию замедлителя.

Топливные стержни обычно являются монолитной конструкцией с длиной, по существу, равной полной длине соответствующего пучка. Дополнительно, каждый из топливных стержней обычно содержит внутренний осевой канал, проходящий приблизительно по всей длине соответствующих стержней. Ядерное топливо, например, уран 235, помещается во внутреннем канале, чтобы осуществлять ядерную реакцию. Соответственно, уровень обогащения топлива внутри каждого такого топливного стержня обычно одинаков по длине стержней.

Дополнительно, наиболее известные распорные детали имеют очень сложные конструкции, которые могут препятствовать прохождению потока теплоносителя через соответствующий пучок и часто задерживают мусор, плывущий через пучок. Такой задержанный мусор может вибрировать, ударять или создавать дребезг топливных стержней при прохождении теплоносителя и повреждать топливные стержни, что, в свою очередь, может привести к попаданию топлива в воду в реакторе.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

В соответствии с различными аспектами изобретения обеспечивается пучок топливных стержней (топливный пучок) для активной зоны ядерного реактора. В различных вариантах осуществления топливный пучок может содержать множество стержней, среди которых стержни с ядерным топливом и/или стержни для производства изотопов. Каждый стержень содержит множество соединенных друг с другом сегментов стержня, в котором, по меньшей мере, два из сегментов стержня, по меньшей мере, одного стержня имеют разные наружные диаметры. Топливный пучок может дополнительно содержать множество дистанционирующих решеток для стержней, надежно закрепленных между расположенными по оси, соседними, соединенными друг с другом сегментами стержня. Дистанционирующие решетки для стержней, соединенные со смежно расположенными в осевом направлении, соседними сегментами стержня, формируют матрицу, по существу, с равно пространственно разнесенными стержнями. Топливный пучок может дополнительно содержать вытянутый трубчатый канал, в котором располагаются образующие решетку стержни.

В других вариантах осуществления топливный пучок может содержать множество стержней, содержащих стержни для ядерного топлива и/или стержни для производства изотопов. Каждый стержень содержит множество соединенных между собой сегментов стержня, в котором каждый сегмент стержня имеет внутреннюю полость для размещения в ней ядерного топлива или множества мишеней для производства изотопов. По меньшей мере, два из сегментов стержня, по меньшей мере, одного стержня могут иметь разные наружные диаметры, разные осевые длины, различные значения обогащения ядерного топлива и/или различные мишени для производства изотопов. Топливный пучок может дополнительно содержать множество дистанционирующих решеток для стержней, жестко закрепленных между смежно расположенными в осевом направлении, соединенными между собой сегментами стержня, формируя матрицу, по существу, пространственно одинаково разнесенных стержней.

В соответствии с другими аспектами обеспечивается стержень для топливного пучка для активной зоны ядерного реактора. Стержень может содержать топливный стержень или стержень для производства изотопов. В различных вариантах осуществления стержень может содержать множество соединенных между собой сегментов стержня, в котором каждый сегмент стержня содержит внутреннюю полость для размещения ядерного топлива или множества мишеней для производства изотопов. Стержень может дополнительно содержать цельную первую концевую часть, имеющую осевую длину, достаточную, чтобы предотвратить разрывание внутренней полости из-за коррозионного истирания мусором, застревающим в местах соединения соответствующих расположенных по оси, соседних сегментов стержня. Стержень может дополнительно содержать частично цельную вторую концевую часть, имеющую осевую длину, достаточную для предотвращения разрыва внутренней полости соответствующего центрального корпуса за счет коррозионного истирания мусором, застревающим в местах соединения соответствующих расположенных по оси, соседних сегментов стержня. В различных реализациях стержень может содержать, по меньшей мере, два сегмента стержня, имеющих различные наружные диаметры, различные осевые длины, различные значения обогащения ядерного топлива и/или различные мишени для производства изотопов.

Дополнительные области применимости настоящего раскрытия станут очевидны из приведенного здесь описания. Следует понимать, что описание и конкретные примеры предназначены только для целей иллюстрации и не предназначены ограничивать объем настоящего изобретения.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Описанные здесь чертежи служат только для целей иллюстрации и не предназначены, чтобы каким-либо образом ограничивать объем настоящего раскрытия.

Фиг.1 - перспективный вид в разрезе части активной зоны ядерного реактора, показывающий множество сборочных узлов топливных пучков, содержащих топливные стержни, стержни с мишенями для производства изотопов, накладки, дистанционирующие решетки и каналы в соответствии с различными вариантами осуществления настоящего раскрытия.

Фиг.2 - вид в разрезе с частичным выровом для примера сборочного узла топливного пучка, содержащегося в части активной зоны ядерного реактора, показанной на фиг.1, в соответствии с различными вариантами осуществления настоящего раскрытия.

Фиг.3 - различные многосегментные топливные стержни и/или стержни для производства изотопов, которые могут быть расположены внутри сборочного узла топливного пучка, показанного на фиг.2, в соответствии с различными вариантами осуществления настоящего раскрытия.

Фиг.4 - пример сегмента топливного стержня и/или стержня с мишенями для производства изотопов, используемого в многосегментных топливных стержнях и/или стержнях с мишенями для производства изотопов, показанных на фиг.3, в соответствии с различными вариантами осуществления настоящего раскрытия.

Фиг.5 - пример многосегментного топливного стержня и/или стержня для производства изотопов, показанного на фиг.3, содержащий сегменты стержня, показанные на фиг.4, имеющего различные осевые длины и диаметры, в соответствии с различными вариантами осуществления настоящего раскрытия.

Фиг.6 - изометрический вид части примера топливного пучка, показанного на фиг.2, с дистанционирующей решеткой, жестко закрепленной между соединяемыми между собой сегментами стержня в соответствии с различными вариантами осуществления настоящего раскрытия.

Фиг.7 - вид сбоку части дистанционирующей решетки, жестко закрепленной между соединенными между собой сегментами стержня, показанными на фиг.6, в соответствии с различными вариантами осуществления настоящего раскрытия.

ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Дальнейшее описание различных примеров вариантов осуществления является по своему характеру иллюстративными и никоим образом не предназначено для ограничения изобретения, его применения или использования. Дополнительно, преимущества, предоставляемые различными вариантами осуществления, как описано ниже, являются по своему характеру иллюстративными и не все варианты осуществления обеспечивают одни и те же преимущества или одну и ту же степень преимуществ.

На фиг.1 представлен перспективный вид в разрезе примера части активной зоны 10 ядерного реактора, генерирующего мощность, например, части активной зоны ядерного реактора с кипящей водой. Пример части активной зоны 10 ядерного реактора, генерирующего мощность, содержит четыре сборочных узла 14A, 14B, 14C и 14D топливных пучков, сквозь которые и вокруг которых, когда топливные пучки 14A, 14B, 14C и 5 14D установлены и реактор функционирует, течет жидкий замедлитель или теплоноситель. Для краткости, сборочные узлы 14A, 14B, 14C и 14D топливных пучков здесь будут просто упоминаться как топливные пучки 14A, 14B, 14C и 14D. Ядерные реакции внутри каждого топливного пучка 14A, 14B, 14C и 14D являются источником тепла для преобразования теплоносителя в пар, который используется для генерации электрической мощности. Все топливные пучки 14A, 14B, 14C и 14D, по существу, являются одинаковыми по конструкции, форме и функционированию. Таким образом, для простоты и ясности здесь будет описываться только топливный пучок 14A.

Со ссылкой также на фиг.2, топливный пучок 14A обычно содержит множество топливных стержней 18 и, в различных вариантах осуществления, множество стержней 20 для производства изотопов. Топливный пучок 14A дополнительно содержит наружный канал 22, охватывающие стержни верхнюю накладку 26 и нижнюю накладку 30. Множество топливных стержней 18 и стержней 20 для производства изотопов собраны в матрицу внутри топливного пучка 14A с помощью множества дистанционирующих решеток 34 в продольном или осевом направлении, пространственно разделенных друг от друга вдоль длины топливного пучка 14A. Топливные стержни 18, стержни 20 для производства изотопов и обычно один или более водяных стержней 38 закрепляются разнесенными в пространстве друг относительно друга, то есть в виде матрицы, внутри топливного пучка 14A дистанционирующими решетками 34, так чтобы определять проходы для потока теплоносителя реактора между топливными стержнями 18 и стержнями 20 для производства изотопов. Обычно топливный пучок 14A может содержать любое число дистанционирующих решеток 34, пространственно разнесенных вдоль всей осевой длины топливного пучка 14A, необходимых для поддержания топливных стержней 18, стержней 20 для производства изотопов и водяных стержней 38 в желаемой матрице, например, от трех до десяти дистанционирующих решеток 34.

Обычно топливные стержни 18 содержат ядерное топливо, например, уран, который создает нейтронный поток, тогда как стержни 20 с мишенями для производства изотопов содержат мишени для облучения, которые облучаются нейтронным потоком, чтобы создать желательный радиоизотоп. Мишени для облучения могут быть изготовлены из любого желательного изотопа, такого как кадмий, кобальт, иридий, никель, таллий и т.д. В различных вариантах осуществления топливные стержни 18 и стержни 20 с мишенями для производства изотопов имеют, по существу, одну и ту же конструкцию, за исключением того, что топливные стержни 18 содержат ядерное топливо, а стержни 20 содержат мишени для облучения. Поэтому для простоты ниже дополнительно описываются только конструкция, функционирование, компоненты, элементы, сборочные узлы, признаки, атрибуты и т.д. топливных стержней 18.

Со ссылкой на фиг.3 и 4, в различных вариантах осуществления топливные стержни 18 (и стержни 20 с мишенями для производства изотопов) могут быть многосегментными стержнями, состоящими из множества соединенных друг с другом сегментов 40 стержня. Каждый топливный многосегментный стержень 18 содержит один или более сегментов 40 стержня, которые соединены так, что каждый соответствующий многосегментный топливный стержень 18 может обычно иметь любую желаемую осевую длину. Например, множество сегментов 40 стержня могут быть соединены между собой, чтобы образовать сегментные топливные стержни полной длины, такие как сегментные топливные стержни 18A, показанные на фиг.3, и/или один или более сегментов 40 стержня могут быть соединены между собой, чтобы образовывать сегментные топливные стержни частичной длины, такие как сегментные топливные стержни 18B и/или 18C, показанные на фиг.3. Более конкретно, каждый сегментный топливный стержень 18A полной длины построен из множества сегментов 40 стержня, имеющих совокупную осевую длину, приблизительно равную расстоянию между верхней и нижней накладками 26 и 30 (показаны на фиг.2). Каждый сегментный топливный стержень 18A полной длины может дополнительно содержать верхний концевой штырь 42 и нижний концевой штырь 46, присоединенные к соответствующим верхнему и нижнему концам топливного стержня 18A совокупной полной длины. Верхний и нижний концевые штыри 42 и 46 выполнены таким образом, чтобы стыковаться с соответствующими верхней и нижней накладками 26 и 30, чтобы зафиксировать концы каждого соответствующего сегментного топливного стержня 18A полной длины внутри канала 22.

Кроме того, каждый сегментный топливный стержень 18B и 18C частичной длины может быть выполнен с любой желательной осевой длиной, меньшей, чем осевая длина между верхней и нижней накладками 26 и 30. Например, каждый сегментный топливный стержень 18B и 18C частичной длины может быть выполнен с осевой длиной, приблизительно равной ¾, ½, ¼ и т.д. расстояния между верхней и нижней накладками 26 и 30. Каждый сегментный топливный стержень 18B и 18C частичной длины может дополнительно содержать верхний концевой штырь 42 и/или нижний концевой штырь 46, соединенные с соответствующими верхним и/или нижним концами соответствующих топливных стержней 18B и 18C совокупной частичной длины. Каждый верхний и нижний соединительный штырь 42 и 46 выполнены с возможностью стыковки с соответствующими верхней и нижней накладками 26 и 30 и одной из дистанционирующих решеток 34 для закрепления концов каждого из соответствующих сегментированных топливных стержней 18B и 18C частичной длины внутри канала 22. Альтернативно, каждый сегментный топливный стержень 18B и 18C частичной длины может содержать верхний концевой штырь 42 или нижний концевой штырь 46, присоединенные к соответствующему верхнему или нижнему концу соответствующих топливных стержней 18B и 18C совокупной частичной длины, и первый соединитель 50 (подробно описанный ниже), присоединенный к верхнему или нижнему концу соответствующих многосегментных топливных стержней 18B и 18C частичной длины. Соответственно верхний или нижний концевой штырь 42 или 46 выполнен с возможностью стыковки с соответствующей верхней или нижней накладкой 26 и 30, и первый соединитель 50 выполнен с возможностью стыковки с одной из дистанционирующих решеток 34, чтобы закрепить концы каждого соответствующего сегментного топливного стержня 18B и 18C частичной длины внутри канала 22.

Обращаясь теперь к фиг.4 и 5, каждый сегмент 40 стержня может иметь любую желаемую осевую или продольную длину и/или наружный диаметр D. Таким образом, каждый многосегментный топливный стержень 18 (и стержень 20 для производства изотопов) может собираться так, чтобы иметь любую желаемую совокупную или суммарную длину, соединяя между собой сегменты 40 стержня различной длины. Дополнительно, каждый многосегментный топливный стержень 18 (и стержень 20 для производства изотопов) может собираться так, чтобы иметь один или более наружных диаметров вдоль осевой длины соответствующего сборного сегментированного стержня 18 (или 20) путем взаимного соединения сегментов 40 стержней различного диаметра. Поэтому следует понимать, что на фиг.4 показан пример сегмента 40 топливного стержня и/или стержня для производства изотопов и приведенное здесь сопроводительное описание касается каждого сегмента 40 стержня каждого многосегментного топливного стержня 18 и/или стержня 20 для производства изотопов, независимо от длины и/или диаметра каждого соответствующего сегмента 40 стержня.

И как показано на фиг.4, каждый сегмент 40 стержня обычно содержит центральную корпусную часть 54, первую концевую часть 58 и вторую противоположную концевую часть 62. В различных вариантах осуществления, по меньшей мере, первая или вторая концевая часть 58 и 62 являются компонентами, отдельными от центральной корпусной части 54 (такой показана только первая часть 58), чтобы обеспечить доступ к внутренней полости 66 центральной корпусной части 54. Внутренняя полость 66 выполнена с возможностью размещения ядерного топлива (или множества мишеней для облучения в случае стержней 20 для производства изотопов). Таким образом, полость 66 доступна до того, как первая и/или вторая концевая часть 58 и/или 62 присоединяются к соответствующему концу(-ам) центрального корпуса 40. В частности, когда желаемое ядерное топливо или мишени для производства изотопов, имеющие желаемое обогащение, размещаются внутри полости 66, первая и/или вторая концевая части 58 и/или 62 присоединяются, то есть привариваются к соответствующему концу центральной корпусной части 54, чтобы герметизировать ядерное топливо или мишени для производства изотопов внутри сегмента 40 стержня.

Следует понимать, что термин "обогащение", как он используется здесь в применении к ядерному топливу и мишенями для производства изотопов, определяется как относящийся к типам ядерного топлива, значениям обогащения ядерного топлива, типам мишеней для производства изотопов и значениям обогащения мишеней для производства изотопов.

В различных вариантах осуществления первая концевая часть 58 имеет осевую длину М и содержит вилочный соединитель 70, например, резьбовую шпильку или штырь, имеющий осевую длину X от основания 72, имеющего осевую длину Y. В различных вариантах осуществления первая концевая часть 58, содержащая вилочный соединитель 70 и основание 72, изготавливается из твердого материала. Например, в различных вариантах осуществления первая концевая часть 58 изготавливается из твердого, с низким ядерным сечением материала, такого как цирконий, циркалой-2, циркалой-4, или из любого другого соответствующего материала с низким ядерным сечением. Кроме того, в различных вариантах осуществления вторая концевая часть 62 имеет осевую длину N и содержит гнездо 74, например, резьбовой внутренний канал с твердой стенкой 75, имеющий осевую длину А, и твердое основание 76 с осевой длиной B. В различных вариантах осуществления вторая концевая часть 62, содержащая твердое основание 76 и твердую стенку 75, изготавливается из материала с низким ядерным сечением, такого как цирконий, циркалой-2, циркалой-4, или любого другого пригодного материала с низким ядерным сечением.

Штыревой соединитель 70 и гнездо 74 выполнены с возможностью стыковки с другом для соединения соответствующих сегментов 40 стержня. Более конкретно, в различных вариантах осуществления штыревой соединитель 70 и гнездо 74 соединяются через отверстие 78 соответствующей дистанционирующей решетки 34 (показанной на фиг.6), как подробно описано ниже. Хотя штыревой соединитель 70 описан и показан здесь как часть первой концевой части 58, а гнездо 74 описано и показано здесь как часть второй концевой части 62, предполагается, что в различных вариантах осуществления первая концевая часть 58 может содержать гнездо 74 и вторая концевая часть 62 может содержать штыревой соединитель 70. Дополнительно, штыревой соединитель 70 и гнездо 74 соответствующих самого верхнего и самого нижнего сегментов 40 любого собранного многосегментного топливного стержня 18 могут быть соединены с соответствующими верхним и нижним соединительными концевыми штырями 42 и 46. Кроме того, хотя штыревой соединитель 70 и гнездо 74 показаны как имеющие резьбу, с помощью которой может осуществляться скрепление, то есть они могут быть соединены резьбовым соединением, чтобы соединить соответствующие сегменты 40 стержня, следует понимать, что штыревой соединитель 70 и гнездо 74 могут содержать любые соединительные устройства или компоненты, пригодные для соединения сквозь соответствующее отверстие 78 дистанционирующей решетки, и остаются в рамках объема настоящего раскрытия. Например, в различных вариантах осуществления штыревой соединитель 70 и гнездо 74 могут соответственно содержать хвостовик и приемник, внутренний крюк и петлю и т.д.

Обращаясь теперь к фиг.6 и 7, в различных вариантах осуществления дистанционирующие решетки 34 топливного пучка 14A состоят из множества взаимосвязанных кольцевых дисков 82. Каждый кольцевой диск 82 имеет толщину T и содержит соответствующее отверстие 78 дистанционирующей решетки. В различных вариантах осуществления каждый кольцевой диск 82 может быть изготовлен из материала с низким ядерным сечением, такого как цирконий, циркалой-2, циркалой-4, или любого другого соответствующего материала с низким ядерным сечением. Например, в различных вариантах осуществления дистанционирующие решетки 34 могут изготавливаться из единого листа материала с низким ядерным сечением, который механически штампуется, чтобы сформировать взаимосвязанные кольцевые диски 82 и отверстия 78.

Выборочные сегменты 40 стержня затем соединяются между собой так, чтобы соответствующий собранный, многосегментный топливный стержень 18 (или стержень 20 для производства изотопов) имел желаемую общую осевую длину и желаемую последовательность диаметров D и обогащений вдоль совокупной осевой длины. То есть для сборки топливных стержней 18 (и стержни 20 для производства изотопов) конкретные сегменты 40 стержня отбираются, основываясь на их соответствующей длине L, диаметре D и обогащении топлива (или мишенях для производства изотопов), размещенного в соответствующих внутренних полостях 66. Более конкретно, может быть сконструировано или изготовлено множество сегментов 40 стержня, чтобы обеспечить большой ассортимент сегментов стержня, имеющих различные различающиеся длины L, диаметры D и/или обогащения. Затем для сборки топливного стержня 18 (или стержня 2 для производства изотопов) может быть выбрано множество конкретных сегментов 40 стержня, основываясь на их соответствующей длине L, диаметре D и обогащении. Поэтому собираемые многосегментные топливные стержни 18 (и стержни 20 для производства изотопов) могут легко и быстро собираться, чтобы иметь изменяющиеся по оси диаметры D и обогащение, то есть диаметры D и обогащения, которые изменяются вдоль осевой длины соответствующего собранного топливного стержня 18 (или стержня 20 для производства изотопов).

Кроме того, в различных вариантах осуществления для соединения каждой расположенной по оси соседствующей пары сегментов 40 стержня штыревой соединитель 70 первого сегмента 40 стержня, имеющего желательную длину L, диаметр D и обогащение, например, сегмент 40A стержня на фиг.7, вставляется через одно из выбранных отверстий 78 кольцевого диска. Гнездо 74 второго сегмента 40 стержня, имеющего желаемую длину L, диаметр D и обогащение, например, сегмент 40B стержня на фиг.7, затем прочно соединяется со штыревым соединителем 70 первого сегмента 40B стержня. Соответственно, соответствующий кольцевой диск 82 прочно удерживается между первым и вторым сегментами 40A и 40B стержня. Последующие сегменты 40 стержня, имеющие желаемую длину L, диаметр D и обогащение, могут затем соединяться с первым и/или вторым сегментами 40A и/или 40B стержня и/или другими последующими сегментами 40 стержня, удерживая кольцевые диски 82 другой дистанционирующей решетки между собой подобным образом. Таким образом, каждый многосегментный топливный стержень 18 (или стержень 20 для производства изотопов) может быть собран так, чтобы иметь изменяющийся вдоль оси диаметр D и изменяющееся вдоль оси обогащение ядерным топливом (или мишени для производства изотопов).

Обогащение каждого соответствующего сегмента 40 стержня может быть связано с диаметром D каждого соответствующего сегмента 40 стержня и/или с количеством топлива (или мишеней для производства изотопов), помещенным внутри соответствующей внутренней полости 66, и/или качеством соответствующего топлива или мишеней для производства изотопов. То есть сегменты 40 стержня большего диаметра могут позволить хранить больше ядерного топлива (или мишеней для производства изотопов) в соответствующей полости 66. Однако полости 66 двух различных сегментов 40 стержней, имеющих один и тот же диаметр D, могут хранить разные количества ядерного топлива (или мишеней для производства изотопов) и/или ядерное топливо различного качества, то есть с разным обогащением, чтобы обеспечивать сегменты 40 стержня с одним и те же диаметром D, но с разными обогащениями. Либо сегменты 40 стержня, имеющие разный диаметр D и, таким образом, разные размеры внутренних полостей 66, могут содержать ядерное топливо (или мишени для производства изотопов), имеющие одно и то же значение обогащения, но сегмент 40 стержня меньшего диаметра, хранящий меньшее количества ядерного топлива (или мишеней для производства изотопов), будут иметь меньшее обогащение. Или в сегменте 40 стержня, имеющем первый диаметр D, может размещаться ядерное топливо (или мишени для производства изотопов), имеющее первое значение обогащения, а во втором сегменте 40 стержня, имеющем меньший второй диаметр D, может размещаться ядерное топливо (или мишени для производства изотопов), имеющее большее второе значение обогащения. Таким образом, первый сегмент 40 стержня может иметь больший диаметр D, но более низкое обогащение, чем второй сегмент 40 стержня.

Кроме того, чтобы повысить эффективность активной зоны реактора 10, может быть выгодно иметь сегменты 40 стержня большего диаметра, с более высоким обогащением вблизи нижней части топливного пучка 14A, то есть в нижней части активной зоны реактора 10, где отношение водорода к урану (H/U) для теплоносителя самое большое. Дополнительно может быть выгодно иметь сегменты 40 стержня с постепенно нарастающим диаметром, постепенно убывающим обогащением вдоль осевой длины каждого соответствующего многосегментного стержня 18 (и/или 20), чтобы снизить уменьшение отношения H/U, которое может происходить вдоль длины топливного пучка 14A из-за преобразования теплоносителя в пар.

Таким образом, в дополнение к обеспечению средства управления обогащением соответствующего сегмента 40 стержня, то есть обеспечение более низкого обогащения, диаметр D каждого сегмента 40 стержня может обеспечивать возможность поддерживать более единообразное отношение H/U отношение вдоль осевой длины топливного пучка 14A, то есть вдоль осевой длины активной зоны 10 реактора. То есть сборка топливных стержней 18 (и/или стержней 20 для производства изотопов) таким образом, чтобы иметь сегменты 40 стержня с постепенно нарастающим малым диаметром позволяет иметь постепенно нарастающую площадь контакта с теплоносителем снизу активной зоны реактора вверх. Постепенно нарастающая площадь контакта с теплоносителем по осевой длине активной зоны 10 реактора обеспечивает большее количество водорода вдоль длины каждого соответствующего топливного пучка 14, тем самым уменьшая влияние, которое преобразование теплоносителя из воды в пар будет оказывать на отношение H/U.

Как лучше всего показано на фиг.7, в различных вариантах осуществления диаметр d или каждого соответствующего кольцевого диска 82 каждой соответствующей дистанционирующей решетки 34, по существу, равен или меньше, чем диаметр D нижних сегментов 40 стержня, поддерживающих соответствующую дистанционирующую решетку 34 между ними. То есть диаметр d каждого кольцевого диска 82, по существу, равен или меньше, чем диаметр D одного из пары сегментов 40 стержня, удерживающего соответствующий кольцевой диск 82, находящийся ближе к основанию активной зоны 10 реактора. Поэтому не имеется никакого "ступенчатого" перехода, то есть увеличения диаметра от внешней поверхности нижнего сегмента 40 стержня к периферийной внешней поверхности соответствующего кольцевого диска 82. Это существенно снижает сопротивление потока теплоносителя вдоль внешних поверхностей сегмента 40 стержня и через периферийные внешние поверхности кольцевых дисков 82 и сквозь топливный пучок 14A. Дополнительно, наличие диаметра d каждого кольцевого диска 82, по существу, равного или меньшего, чем диаметр D соответствующих нижних сегментов 40 стержня, существенно снижает потенциальную возможность для мусора застревать в дистанционирующих решетках 34 в месте соединения кольцевых дисков 82 и в нижних сегментах 40 стержня. Как описано выше, застрявший мусор может вибрировать, стучать или дребезжать на топливных стержнях 18 (и/или стержнях для производства изотопов) из-за проходящего через топливный пучок 14A потока теплоносителя. Такая вибрация, стук или дребезг застрявшего мусора могут вызывать коррозионное истирание или эрозию топливных стержней 18 (и/или стержней 20 для производства изотопов) и впоследствии вызывать критическое повреждение стержней 18 и/или 20, то есть разламывать или разрывать внутреннюю полость 66 сегмента стержня.

Дополнительно, чтобы существенно устранить риск критического повреждения соответствующих сегментов 40 стержня из-за коррозионного истирания или эрозии застрявшим мусором, каждый сегмент 40 стержня содержит первую и вторую концевые части 58 и 62. Более конкретно, как описано выше, первая концевая часть 58 каждого сегмента 40 стержня может быть изготовлена из твердого материала, например, твердого материала с низким ядерным сечением. Дополнительно, как описано выше, основание 76 второй концевой части и внутренняя стенка 75 канала изготавливаются из твердого материала, например, твердого материала с низким ядерным сечением. Еще более конкретно, как показано на фиг.7, когда расположенные по оси соседние сегменты 40 стержня, например, сегменты 40A и 40B стержня, скрепляются вместе попарно, удерживая между собой соответствующий распорный кольцевой диск 82, цельный штыревой соединитель 70 входит в зацепление внутри гнезда 74. Таким образом, когда расположенные по оси соседние сегменты 40 стержня соединены вместе, соответствующая вторая концевая часть 62 содержит твердое основание 76, гнездо 74 и часть твердого штыревого соединителя 70, вошедшую внутрь гнезда 74. Поэтому, когда расположенные вдоль оси сегменты 40 стержня взаимно соединяются, соответствующая вторая концевая часть 62 является, по существу, единой.

Как ясно показано на фиг.7 и очевидно специалистам в данной области техники, когда расположенные вдоль оси сегменты 40 стержня соединяются, соответствующая вторая концевая часть 62 по всей своей полной длине N располагается рядом с первой или верхней лицевой поверхностью 86 соответствующего кольцевого диска 82, тогда как соответствующее основание 72 первой концевой части располагается рядом с противоположной второй или нижней лицевой поверхностью 90 соответствующего кольцевого диска только по длине Y. В различных вариантах осуществления сегменты 40 стержня и дистанционирующие решетки 34 соединяются со штыревым соединителем 70, направленным вверх, то есть указывающим в направлении вершины активной зоны 10 реактора. Поэтому по отношению к ориентации внутри активной зоны 10 реактора, когда расположенные по оси соседние сегменты 40 стержня соединяются друг с другом, по существу, единая вторая концевая часть 62 соответствующего верхнего сегмента 40 стержня, помещается выше соответствующего кольцевого диска 82 и твердое основание 72 первой концевой части соответствующего нижнего сегмента 40 стержня помещается ниже соответствующего кольцевого диска 82. Соответственно, по отношению к ориентации внутри активной зоны 10 реактора каждое соответствующее взаимное соединение соседних сегментов 40 стержня будет иметь первую секцию из сплошного материала, то есть, по существу, сплошную вторую концевую часть 62, имеющую длину N над каждым соответствующим кольцевым диском 82 дистанционирующей решетки, и вторую секцию из сплошного материала, то есть основание 72 первой концевой части, имеющее длину Y ниже каждого соответствующего кольцевого диска 82 дистанционирующей решетки. Длины N и Y могут иметь любое желаемое значение, подходящее для предотвращения повреждения застрявшим мусором за счет коррозионного истирания центральной корпусной части 54 любого сегмента 40 стержня. Если внутренняя полость 66 была разрушена таким коррозионным истиранием, то повреждение за счет коррозионного истирания центральной корпусной части 54 может вызвать незащищенность ядерного реактивного материала, то есть ядерного топлива или мишеней для производства радиоактивных изотопов. Например, в различных вариантах осуществления длины N и Y могут составлять от 1/4 дюйма (6,35 мм) до 1-1/2 дюйма (38 мм) или больше.

Таким образом, любой мусор, который может застрять в соответствующей дистанционирующей решетке 34 и вызвать за счет потока теплоносителя сквозь топливный пучок 14A коррозионное истирание или эрозию одного или обоих соответствующих расположенных вдоль оси соседних сегментов 40 стержня, будет производить коррозионное истирание или эрозию только соответствующего твердого основания 72 первой концевой части и/или соответствующей, по существу сплошной второй концевой части 62. Более того, поскольку теплоноситель течет вверх через активную зону 10 ядерного реактора, застрявший мусор, более вероятно, должен вибрировать, стучать или дребезжать из-за потока теплоносителя относительно, по существу, сплошной второй концевой части 62 верхнего сегмента 40 стержня. Следовательно, в различных вариантах осуществления, в которых, по существу, сплошная вторая концевая часть 62 каждого соответствующего сегмента 40 стержня располагается над соответствующим кольцевым диском 82, длина N второй части 62 больше, чем длина Y соответствующего основания 72 первой части. Таким образом, каждое соответствующее соединение соседних сегментов 40 стержня будет иметь большую осевую длину сплошного материала над каждым кольцевым диском 82 соответствующей дистанционирующей решетки, чем нижний соответствующий кольцевой диск 82 дистанционирующей решетки. Например, в различных вариантах осуществления длина N может составлять приблизительно от 1/2 дюйма (12,7 мм) до 1-1/2 дюйма (38 мм) или больше и длина Y может составлять приблизительно от 1/8 до 7/8 длины N, например, приблизительно 1/4 дюйма (6,35 мм) до 1-1/4 дюйма (31,75 мм).

Приведенное здесь описание по своему характеру является иллюстративным, и, таким образом, изменения, которые не отходят от сущности того, что описано, подразумеваются попадающими в рамки раскрытия. Такие отклонения не должны расцениваться как выходящие за рамки настоящего описания.

ПЕРЕЧЕНЬ ДЕТАЛЕЙ

10 Активная зона ядерного реактора 14A Топливный пучок 14B Топливный пучок 14C Топливный пучок 14D Топливный пучок 18 Топливные стержни 20 Стержни с мишенями для производства изотопов 20A Стержни с мишенями для производства изотопов 20B Стержни с мишенями для производства изотопов 20C Стержни с мишенями для производства изотопов 22 Канал 26 Верхняя накладка 30 Нижняя накладка 34 Дистанционирующая решетка 38 Водяные стержни 40 Сегменты стержня 42 Верхний концевой штырь 46 Нижний концевой штырь 50 Первый соединитель 54 Центральная корпусная часть 58 Первая концевая часть 62 Вторая концевая часть 66 Внутренняя полость центрального корпуса 70 Штыревой соединитель 72 Основание 74 Гнездо 75 Стенка гнезда 76 Основание 78 Отверстие дистанционирующей решетки 82 Кольцевые диски дистанционирующей решетки 86 Первая лицевая поверхность кольцевого диска 90 Вторая лицевая поверхность кольцевого диска

Изобретение относится к реакторостроению, в частности к конструкциям топливных пучков (14) активной зоны (10) ядерного реактора. Топливный пучок (14) может содержать множество стержней (18/20), в том числе стержни (18) с ядерным топливом и/или стержни (20) для производства изотопов. Каждый стержень (18/20) содержит множество соединенных между собой сегментов (40) стержня, в котором, по меньшей мере, два из сегментов (40) стержня (40), по меньшей мере, одного стержня (18/20) имеют различные наружные диаметры (D). Топливный пучок (14) может дополнительно содержать множество дистанционирующих решеток (34) для стержней, надежно закрепленных между расположенными по оси, соседними, соединенными между собой сегментами (40) стержня. Дистанционирующие решетки (34) для стержней, соединенные друг с другом между смежными в осевом направлении сегментами (40) стержня формируют матрицу, по существу, пространственно равно разнесенных друг от друга стержней (18/20). Топливный пучок (14) может дополнительно содержать вытянутый трубчатый канал (22), в котором размещаются образующие матрицу стержни (18/20). Технический результат - снижение дебриз-эффекта в активной зоне. 6 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Топливный пучок для активной зоны ядерного реактора, упомянутый топливный пучок содержит: множество стержней, содержащих по меньшей мере одно из топливных стержней и стержней для производства изотопов, причем каждый стержень содержит множество соединенных между собой сегментов стержня, причем по меньшей мере два упомянутых сегмента стержня по меньшей мере одного стержня имеют разные наружные диаметры; множество дистанционирующих стержни решеток, жестко закрепленных между соседними в осевом направлении, соединенными между собой сегментами стержней, формирующих матрицу из, по существу, равноразнесенных в пространстве стержней; и вытянутый трубчатый канал, в который помещены образующие матрицу стержни, при этом каждый сегмент стержня дополнительно содержит: сплошную первую концевую часть и частично сплошную вторую концевую часть,
причем первая и вторая концевые части способны состыковываться, чтобы соединять между собой соседние в осевом направлении сегменты стержня так, что соответствующая одна из дистанционирующих решеток надежно крепится между ними, первая концевая часть содержит штыревой соединитель, и вторая концевая часть содержит гнездо, и дистанционирующая решетка содержит множество соединенных между собой кольцевых дисков, каждый кольцевой диск содержит отверстие, пригодное по размеру для вставки в него штыревого соединителя, так что каждый соответствующий кольцевой диск может быть жестко закреплен между соединенными между собой в осевом направлении сегментами стержня.

2. Топливный пучок по п.1, в котором каждый сегмент стержня содержит внутреннюю полость для размещения одного из ядерного топлива и множества мишеней для производства изотопов, так что каждый сегмент стержня имеет соответствующее значение обогащения, и по меньшей мере два из сегментов стержня по меньшей мере одного стержня имеют разные значения обогащения.

3. Топливный пучок по п.1 или 2, в котором каждый сегмент стержня имеет соответствующую осевую длину, и по меньшей мере два из сегментов стержня по меньшей мере одного стержня имеют разные осевые длины.

4. Топливный пучок по п.1 или 2, в котором первая и вторая концевые части изготовлены из материала с низким ядерным сечением.

5. Топливный пучок по п.1 или 2, в котором каждый соединенный кольцевой диск выполнен с наружным диаметром, который, по существу, равен или меньше, чем наружный диаметр соответствующего сегмента стержня, присоединенного ниже каждого соответствующего кольцевого диска относительно ориентации внутри активной зоны ядерного реактора.

6. Топливный пучок по п.1 или 2, в котором сплошная первая
концевая часть и частично сплошная вторая концевая часть способны состыковываться таким образом, что каждое соединение смежных в осевом направлении сегментов стержня содержит:
первую секцию из твердого материала рядом с первой стороной соответствующей дистанционирующей решетки, причем первая секция из твердого материала имеет осевую длину, достаточную, чтобы предотвратить разрыв внутренней полости соответствующего центрального корпуса из-за повреждения, вызванного коррозионным истиранием застрявшим мусором, и соединение между соответствующими соседними в осевом направлении сегментами стержня; и вторую секцию из твердого материала рядом с противоположной второй стороной соответствующей дистанционирующей решетки, причем вторая секция из твердого материала имеет осевую длину, достаточную, чтобы предотвратить разрыв внутренней полости соответствующего центрального корпуса из-за повреждения, вызванного коррозионным истиранием застрявшим мусором, и соединение между соответствующими соседними в осевом направлении сегментами стержня.

7. Топливный пучок по п.6, в котором относительно ориентации внутри активной зоны ядерного реактора первая секция из твердого материала расположена выше соответствующей дистанционирующей решетки и имеет осевую длину больше осевой длины второй секции из твердого материала, расположенной ниже соответствующей дистанционирующей решетки.