用于壓水反應堆棒束中改進熱傳遞的肋式粗糙部設(shè)計的制作方法
【專利說明】用于壓水反應堆棒束中改進熱傳遞的肋式粗糙部設(shè)計
[0001]相關(guān)申請的交叉引用
[0002]根據(jù)美國法典第35卷第119(e)條款，本申請要求于2013年3月12日提交的、名稱為“RIB-TYPE ROUGHNESS DESIGN FOR IMPROVED HEAT TRANSFER IN PffR ROD BUNDLES”的美國臨時專利申請61/776，815以及于2013年10月28日提交的名稱為“RIB-TYPEROUGHNESS DESIGN FOR IMPROVED HEAT TRANSFER IN PffR ROD BUNDLES” 的美國專利申請14/064, 531的優(yōu)先權(quán)。
技術(shù)領(lǐng)域
[0003]本發(fā)明總體上涉及核電站以及位于核反應堆堆芯中的燃料棒組件或燃料棒束，更特別地，涉及一種布置在一個或多個燃料棒上的肋式粗糙部以在燃料棒組件或燃料棒束中提供增強的熱傳遞。
【背景技術(shù)】
[0004]核電站的反應堆堆芯，比如壓水反應堆(PWR)，包含多個核燃料棒，例如核燃料棒組件或核燃料棒束。該燃料棒包含氧化鈾燃料。該燃料封裝在通常稱作燃料包殼的密封管中。所述包殼將燃料保持在合適位置中，從而可以進行受控的裂變并產(chǎn)生熱量。所述包殼然后將熱量從所述燃料傳遞到圍繞反應堆冷卻劑系統(tǒng)的主回路循環(huán)的增壓水。主回路中加熱的水用于在蒸汽發(fā)生器中使水沸騰，蒸汽然后在為發(fā)電機提供能量的渦輪機中膨脹。
[0005]為了圖示的目的，圖1示出了簡化的核反應堆主系統(tǒng)，包括基本是圓柱形的反應堆壓力容器10，該壓力容器具有封套核芯14的頂蓋12。借助栗16將諸如水之類的液體反應堆冷卻劑栗送到容器10中通過核芯14，其中熱能被吸收并被排放到一般稱作蒸汽發(fā)生器的熱交換器18，在所述熱交換器中熱量被傳遞到應用回路(未示出)，比如蒸汽驅(qū)動的渦輪發(fā)電機。然后使反應堆冷卻劑返回到栗16，完成主回路。一般地，多個上述回路通過反應堆冷卻劑管道系統(tǒng)20連接到單個反應堆容器10。
[0006]在一般的核反應堆中，反應堆堆芯包括大量燃料組件，每個燃料組件具有頂部和底部噴嘴。多個細長的橫向間隔開的導向套管在這些噴嘴之間縱向延伸。多個橫向支承柵架沿著導向套管軸向間隔開并且附接到所述導向套管。
[0007]每個燃料組件是由多個細長燃料元件或棒構(gòu)成的，它們彼此之間并且與導向套管橫向間隔開。每個燃料棒包含可裂變材料并且以陣列形式聚集在一起，該陣列被組織成在足以支撐高速核裂變的所述芯中提供中子通量，從而以熱量的形式釋放大量能量。向上栗送液體冷卻劑通過所述芯以便于提取出所述芯中產(chǎn)生的一些熱量用于有用的發(fā)電工作。
[0008]所述柵架用于精確地保持反應堆堆芯中燃料棒之間的間距和支撐，為燃料棒提供橫向支撐，并引起冷卻劑的混合。
[0009]在圖2中更詳細地示出了如圖1中所示的示例性反應堆壓力容器10和核芯14。所述核芯14包括多個平行的、豎直的、共同延伸的燃料組件22。為了該描述的目的，可以將其他的容器內(nèi)部結(jié)構(gòu)分成下內(nèi)部24和上內(nèi)部26。在傳統(tǒng)的設(shè)計中，下內(nèi)部的功能是支撐、對準并引導芯元件和儀器儀表以及引導容器內(nèi)的流動。上內(nèi)部約束燃料組件22或為燃料組件22(為了簡單起見在圖2中僅示出了其中的兩個)提供二級約束，并且支撐和引導儀器儀表和元件，比如控制桿28。在圖2中示出的示例性反應堆中，冷卻劑通過一個或多個入口噴嘴30進入反應堆容器10，向下流過容器與芯筒32之間的環(huán)，在下增壓室34中轉(zhuǎn)過180°，向上通過下支撐板37和下芯板36，且穿過并圍繞這些組件，燃料組件位于下芯板36上。在一些設(shè)計中，下支撐板37和下芯板36由單個結(jié)構(gòu)替代，下芯支撐板具有與37相同的高度。流過所述芯以及周圍區(qū)域38的冷卻劑流一般大到在每秒大約20英尺的速度下每分鐘400，000加侖的數(shù)量級。實現(xiàn)的壓力下降以及摩擦力易于造成燃料組件升高，這種運動由包括圓形上芯板40的所述上內(nèi)部約束。從所述芯14流出的冷卻劑沿著上芯板40的下側(cè)流動并且向上流動通過多個穿孔42。然后冷卻劑向上并徑向向外流動到一個或多個出口噴嘴44。
[0010]在圖3中更詳細地示出了如圖2中示出的示意性燃料組件22中的一個。每個燃料組件22包括以陣列形式聚集在一起的燃料棒66。燃料棒66彼此以間隔開的關(guān)系由沿著燃料組件長度間隔開的柵架64保持。每個燃料棒66包括多個核燃料芯塊70并且其兩端分別由上端塞72和下端塞74封閉。芯塊70由布置在上端塞72與芯塊堆頂部之間的增壓室彈簧76以堆疊方式保持。由可裂變材料構(gòu)成的燃料芯塊70用于形成反應堆的無功功率。存在圍繞芯塊的包殼以起到屏障的作用來防止裂變副產(chǎn)品進入冷卻劑并進一步污染反應堆系統(tǒng)。
[0011]所述柵架64還用于冷卻劑混合以降低最高的冷卻劑溫度。因為每個燃料棒66產(chǎn)生的熱量不均勻，所以在冷卻劑中存在熱梯度。燃料組件22的設(shè)計中的一個重要參數(shù)是要保持從燃料棒66到冷卻劑的有效熱傳遞。單位時間移除的熱量越高，發(fā)電功率越高。
[0012]在足夠高的冷卻劑溫度下，在給定時間內(nèi)每單位包殼面積可以移除的熱量速率以顯著方式急劇下降。這種現(xiàn)象稱作偏離泡核沸騰或DNB。如果在反應堆操作參數(shù)內(nèi)，冷卻劑溫度會達到DNB點，包殼表面溫度會快速升高以排出燃料棒內(nèi)部產(chǎn)生的熱量而且快速的包殼氧化會導致包殼故障。顯然需要避免DNB以防止燃料棒故障。既然(如果發(fā)生)DNB發(fā)生在冷卻劑處于其最高溫度的點處，那么接下來通過組件內(nèi)的冷卻劑混合而降低最高冷卻劑溫度允許實現(xiàn)更大的發(fā)電量而不會達到DNB條件。
[0013]一般地，通過在柵架64結(jié)構(gòu)下游使用攪拌葉來實現(xiàn)改進的混合。混合的效率取決于攪拌葉的形狀、尺寸及其相對于燃料棒66的位置。
[0014]如圖4中所示，攪拌葉89安裝在多個柵架64的其中一個的上表面上。該攪拌葉89在核芯14(圖2中示出)中的冷卻劑中形成湍流，這促進了熱量從燃料棒包殼到冷卻劑的傳遞。這種湍流在局部劇烈并在位于攪拌葉89下游的區(qū)域中快速消散，例如在連續(xù)柵架64之間的跨度或間距中。因此，例如在區(qū)域90中，攪拌葉89操作以形成湍流并促進熱傳遞。然而，每塊柵架64的超出下游區(qū)域90的更遠下游，湍流消散并且熱傳遞較低，導致對于包殼溫度、污垢沉積以及氧化的增大的極限狀態(tài)(limiting condit1n) ο
[0015]因此，本發(fā)明的目的是提供一種改型的燃料棒包殼，其具有至少部分地成型在外包殼表面上的特定的肋式粗糙部，這將增強核反應堆中燃料棒的熱傳遞，尤其是增強湍流消散的攪拌葉的下游區(qū)域中的熱傳遞。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0016]在一個方面中，本發(fā)明提供了一種燃料棒，其具有第一和第二封閉端并且在軸向上沿著其內(nèi)部容積的至少一部分封裝可裂變材料，燃料棒的外部包括包殼，所述包殼在所述第一和第二封閉端之間基本沿軸向延伸。所述包殼包括直徑、外表面和施加于所述外表面的至少一部分的表面改型部(a surface modificat1n)。所述表面改型部包括彼此平行布置并且在周向上圍繞所述包殼的多個肋。所述多個肋的每個具有高度、寬度、所述多個肋的每個之間的節(jié)距。所述高度與直徑的比值大于或等于大約0.0134并且小于或等于大約
0.0268，所述高度