Estructura de soporte de varilla de combustible anticorrosión de resorte fracccionado.

Una rejilla de un conjunto de combustible nuclear que comprende:

una primera pluralidad de flejes alargados paralelos separados (12)

una segunda pluralidad de flejes alargados paralelos separados (14) colocados de forma ortogonal con respecto a dicha primera pluralidad de flejes alargados paralelos separados (12) y alineados en un patrón de red regular, de forma que la intersección de cada conjunto de cuatro flejes adyacentes (12, 14) define una célula (16), algunos de los cuales soportan varillas (36) de combustible con una extensión de cada uno de los flejes primero y segundo (12, 14) que rodean cada célula (16) que forma una pared de la célula; en la que al menos una pared (28) de las células (16) que soportan las varillas (36) de combustible tiene un resorte alargado verticalmente que se extiende al interior de la célula16),

caracterizada porque

dicho resorte alargado verticalmente (26) tiene una hendidura vertical (38) que separa la porción más extendida del resorte en dos ligamentos orientados verticalmente (34), siendo redondeada la porción más extendida de los ligamentos (34) en dos direcciones para proporcionar dos puntos de contacto coplanarios de soporte para una varilla (36) de combustible.

Estructura de soporte de varilla de combustible anticorrosión de resorte fracccionado Antecedentes de la invención

1. Campo de la invención

La presente invención versa, en general, acerca de reactores nucleares y, más en particular, acerca de reactores nucleares que tienen conjuntos de combustible que emplean rejillas.

2. Descripción de la técnica relacionada

En la mayoría de reactores nucleares refrigerados por agua, el núcleo del reactor consiste en un gran número de conjuntos de varillas alargadas. En los reactores nucleares de agua a presión (PWR), estos conjuntos de combustible Incluyen, normalmente, una pluralidad de varillas de combustible contenidas en un conjunto organizado por medio de una pluralidad de rejillas separadas axialmente en la longitud del conjunto de combustible y fijadas a una pluralidad de envolturas del conjunto de combustible. Normalmente, las envolturas reciben varillas de control o instrumentación en las mismas. Hay unas toberas superior e Inferior en extremos opuestos del conjunto de combustible y están fijadas a los extremos de las envolturas que se extienden ligeramente por encima y por debajo de los extremos de las varillas de combustible.

Las rejillas, como se conoce en la técnica relevante, son utilizadas para mantener de forma precisa la separación y el soporte entre las varillas de combustible en el núcleo del reactor, proporcionar un soporte lateral para las varillas de combustible e Inducir la mezcla del refrigerante. Un tipo de diseño convencional de rejilla incluye una pluralidad de flejes Intercalados que forman conjuntamente una configuración de huevera que tiene una pluralidad de células aproximadamente cuadradas que aceptan, individualmente, las varillas de combustible en las mismas. Dependiendo de la configuración de las envolturas, las envolturas pueden ser recibidas en las células que están dimensionadas igual que aquellas que reciben varillas de combustible en las mismas, o en células de tubo relativamente mayores definidas en los flejes Intercalados. Los flejes Intercalados proporcionan puntos de fijación a las envolturas, permitiendo, de esta manera, que sean colocados en ubicaciones separadas a lo largo de la longitud del conjunto de combustible.

Convenclonalmente, los flejes Intercalados están configurados de forma que cada una de las células por las que pasan las varillas de combustible Incluyen uno o más resortes relativamente elásticos y una pluralidad de pestañas relativamente rígidas. Los resortes y las pestañas pueden estar formados en el metal de los flejes Intercalados y se proyectan hacia fuera desde los mismos al Interior de las células a través de las que pasan las varillas de combustible. Entonces, los resortes y las pestañas de cada célula de varilla de combustible hacen contacto con la varilla correspondiente de combustible que se extiende a través de la célula. Los flejes externos de la rejilla están fijados entre sí y rodean periféricamente los flejes Internos de la rejilla para impartir una resistencia y rigidez a la rejilla y para definir células individuales de varillas de combustible en torno al perímetro de la rejilla. Normalmente, los flejes internos están soldados o broncesoldados en cada Intersección y los flejes internos también están soldados o broncesoldados a los flejes periféricos o externos que definen el perímetro externo del conjunto.

Convencionalmente, al nivel de la célula Individual, normalmente se proporciona el soporte de la varilla de combustible por medio de una combinación de pestañas rígidas de soporte y resortes flexibles como se ha mencionado anteriormente. Se han utilizado muchas variaciones de la geometría de soporte de resorte-pestaña, Incluyendo resortes diagonales, resortes con forma de "I", resortes en voladizo, pestañas horizontales y verticales, etc. El número de resortes por célula también varía. La disposición típica es de dos resortes y de cuatro pestañas por célula. Se necesita determinar con cuidado la geometría de las pestañas y de los resortes para proporcionar un soporte adecuado de las varillas durante la vida del conjunto.

Durante la irradiación, la fuerza inicial del resorte se relaja más o menos rápidamente, dependiendo del material del resorte y del entorno de irradiación. El diámetro del envainado también cambia como resultado de la presión del refrigerante y de las temperaturas de operación muy altas y las pastillas en el interior de la varilla también cambian su diámetro mediante densificación y aumento del volumen. El diámetro externo del envainado también aumenta, debido a la formación de una capa de óxido. Como resultado de estos cambios de dimensiones y de propiedades del material, es un gran reto mantener un soporte adecuado de las varillas durante la vida de un conjunto de combustible.

Bajo el efecto del flujo axial y del flujo cruzado inducidos por gradientes térmico y de presión en el interior del reactor y otras perturbaciones del flujo, tales como ondas estacionarias y remolinos, las varillas de combustible, que son cuerpos esbeltos, vibran continuamente con amplitudes relativamente pequeñas. Si la varilla no está soportada de forma apropiada, esta amplitud muy pequeña de vibración puede dar lugar a un movimiento relativo entre los puntos de soporte y el envainado. Si la presión ejercida por la varilla deslizante sobre la pestaña relativamente pequeña y las superficies de soporte de rejilla es lo suficientemente elevada, se puede eliminar mediante abrasión una pequeña capa de corrosión sobre la superficie del envainado, exponiendo el metal de la base al refrigerante. Según se forma

una nueva capa de corrosión sobre la superficie recién expuesta de envainado, también se elimina mediante abrasión hasta que se perfora finalmente la pared de la varilla. Este fenómeno es conocido como corrosión por roce entre rejilla y varilla y en 2006 era la causa principal de fallos de combustible en los reactores PWR.

Las rejillas de soporte también proporcionan otra función importante en el conjunto, la de la mezcla del refrigerante para reducir la máxima temperatura del envainado. Dado que el calor generado por cada varilla no es uniforme, existen gradientes térmicos en el refrigerante. Un parámetro importante en el diseño del conjunto de combustible es mantener una transferencia eficaz de calor de las varillas al refrigerante. Cuanto mayor sea la cantidad de calor eliminado por unidad de tiempo, mayor será la energía generada. A temperaturas lo suficientemente elevadas del refrigerante, la tasa de calor que puede ser eliminada por unidad de área de envainado en un tiempo dado se reduce abruptamente de forma significativa. Este fenómeno se denomina límite de la ebullición nucleada o LEN. Si, dentro de los parámetros de operación del reactor, la temperatura del refrigerante alcanzase el punto de LEN, la temperatura de la superficie del envainado aumentaría rápidamente para evacuar el calor generado en el interior de la varilla y una oxidación rápida del envainado daría lugar a una rotura del envainado. Es evidente que se necesita evitar el LEN para evitar fallos de combustible. Dado que el LEN, si se produce, tiene lugar en el punto en el que el refrigerante se encuentra a su temperatura máxima, se colige que reducir la temperatura máxima del refrigerante mediante un mezclado del refrigerante en el conjunto permite la generación de mayores cantidades de energía sin alcanzar condiciones de LEN. Normalmente, se consigue el mezclado mejorado utilizando paletas de mezclado en el lado de flujo descendente de la estructura de la rejilla. La eficacia del mezclado depende de la forma, del tamaño y de la ubicación de las paletas de mezclado con respecto a la varilla de combustible.

Otras funciones importantes de la rejilla incluyen la capacidad para soportar una manipulación y una operación normal con cargas previstas en casos de accidente sin perder la función y evitar "puntos calientes" en las varillas de combustible debidos a la formación de bolsas de vapor entre las varillas de combustible y los puntos de soporte, que pueden producirse cuando no hay disponible localmente suficiente refrigerante para evacuar el calor generado en la varilla. Las bolsas de vapor provocan un sobrecalentamiento de la varilla de combustible hasta el punto de rotura mediante una corrosión localizada rápida del envainado.

Mantener un flujo refrigerante sustancialmente equilibrado a través de los conjuntos de combustible en el núcleo es un objetivo deseable para mantener una transferencia sustancialmente uniforme de calor. Cualquier cambio en el diseño del conjunto de combustible puede alterar la caída de presión y afectar al equilibrio relativo en la resistencia a la fluencia a través del núcleo entre los... [Seguir leyendo]

1. Una rejilla de un conjunto de combustible nuclear que comprende:

una primera pluralidad de flejes alargados paralelos separados (12)

una segunda pluralidad de flejes alargados paralelos separados (14) colocados de forma ortogonal con respecto a dicha primera pluralidad de flejes alargados paralelos separados (12) y alineados en un patrón de red regular, de forma que la intersección de cada conjunto de cuatro flejes adyacentes (12, 14) define una célula (16), algunos de los cuales soportan varillas (36) de combustible con una extensión de cada uno de los flejes primero y segundo (12, 14) que rodean cada célula (16) que forma una pared de la célula; en la que al menos una pared (28) de las células (16) que soportan las varillas (36) de combustible tiene un resorte alargado verticalmente que se extiende al interior de la célula16), caracterizada porque

dicho resorte alargado verticalmente (26) tiene una hendidura vertical (38) que separa la porción más extendida del resorte en dos ligamentos orientados verticalmente (34), siendo redondeada la porción más extendida de los ligamentos (34) en dos direcciones para proporcionar dos puntos de contacto coplanarios de soporte para una varilla (36) de combustible.

2. La rejilla de un conjunto de combustible nuclear de la Reivindicación 1, en la que cada pared (28) de la célula (16) que soporta la varilla (36) de combustible incluye el resorte alargado verticalmente (26) a la misma altura para formar ocho puntos de contacto coplanarios de soporte para la varilla (36) de combustible.

3. La rejilla de un conjunto de combustible nuclear de la Reivindicación 1, en la que el resorte alargado vertlcalmente (26) está formado separado del fleje (12, 14) desde el que se extiende y está fijado a la pared (28) en porciones extremas vertical superior e inferior del resorte (26).

4. La rejilla de un conjunto de combustible nuclear de la Reivindicación 1, en la que el resorte alargado vertlcalmente (26) está formado separado del fleje (12, 14) desde el que se extiende y el fleje tiene una abertura superior e Inferior en la pared (28) a través de la que se fija el resorte (26) a un segundo resorte (26) que se extiende en una dirección opuesta al interior de una célula adyacente (16) que soporta otra varilla (36) de combustible.

5. La rejilla de un conjunto de combustible nuclear de la Reivindicación 4, en la que las aberturas superior e inferior en la pared (28) son ranuras verticales.

6. La rejilla de un conjunto de combustible nuclear de la Reivindicación 4, en la que las aberturas superior e inferior en la pared (28) son muescas en una parte superior y en una parte inferior del fleje (12, 14).

7. La rejilla de un conjunto de combustible nuclear de la Reivindicación 1, en la que cada uno de los ligamentos (34) tiene un tramo (72) que se extiende lateralmente de forma mutua no llegando los tramos (72) a hacer contacto entre sí y extendiéndose ligeramente más al interior de la célula (16), de forma que el punto de contacto con una varilla (36) de combustible que pasa a través de la célula correspondiente (16) esté en los tramos (72).

8. La rejilla de un conjunto de combustible nuclear de la Reivindicación 1, en la que una porción Inferior del resorte (26) que se extiende al interior de la célula (16) está conectada al fleje (12, 14) a aproximadamente media altura de la pared (28) y luego se extiende en la dirección opuesta al interior de una célula adyacente (16).

9. La rejilla de un conjunto de combustible nuclear de la Reivindicación 1, en la que la hendidura vertical (38) no se extiende hasta una parte superior o parte Inferior del resorte (26).

10. La rejilla de un conjunto de combustible nuclear de la Reivindicación 1, en la que una pared opuesta (28) de la célula (16) que soporta varillas (36) de combustible, en la que se extiende el resorte (26), tiene al menos una pestaña que se extiende al interior de la célula (16) para oponerse al resorte (26).

11. Un conjunto de combustible nuclear que tiene al menos una rejilla espaciadora (10) como se reivindica en cualquiera de las reivindicaciones 1 a 10.