Conjunto de combustible de reactor nuclear.

Un conjunto de combustible para un reactor nuclear que comprende:

una pieza terminal superior (16);

una pieza terminal inferior (12);

una pluralidad de manguitos guía alargados (18) que se extienden respectivamente en una dirección axial entre extremos opuestos, y están conectados en los mismos, con la pieza terminal superior (16) y la pieza terminal inferior (12); y

una pluralidad de rejillas transversales (20) dispuestas en un conjunto separado en tándem entre la pieza terminal superior y la pieza terminal inferior, formadas al menos algunas de dichas rejillas (20) de una pluralidad de flejes intersectantes ortogonales que definen celdas (48) en la intersección de cada cuatro flejes adyacentes (44, 46), extendiéndose los manguitos guía (18) respectivamente a través de al menos algunas de dichas celdas, y conectados fijamente a las mismas, comprendiendo la conexión entre al menos algunos de dichos manguitos guía (18) y al menos algunas de las celdas correspondientes (48) a través de las cuales pasan los manguitos guía (18);

una camisa tubular alargada (56) que tiene una longitud en la dirección axial mayor que una anchura en la dirección axial de los flejes (44, 46) de la rejilla de la celda (48) a través de la cual pasa el manguito guía correspondiente (18) y que tiene un diámetro que es mayor o sustancialmente igual que una anchura axialmente transversal de la celda (48) a través de la cual pasa el manguito guía correspondiente, extendiéndose la camisa tubular alargada (56) a través y por encima y por debajo de la celda (48) a través de la cual pasa el manguito guía correspondiente (18) fijado mecánica o metalúrgicamente a al menos una pared de la celda (48) a través de la cual pasa el manguito guía correspondiente, extendiéndose el manguito guía (18) a través de la camisa correspondiente (56), teniendo la camisa tubular una primera abertura (60) en una pared de la camisa en una primera porción de la camisa que se extiende desde un extremo de la celda; y

un primer anillo (64) de soldadura encajado sobre una circunferencia, y que circunscribe al menos en parte a la misma, de la primera porción de la camisa (56) y soldado al manguito guía (18) a través de la primera abertura (60).

Conjunto de combustible de reactor nuclear Antecedentes de la invención 1. Campo de la invención La presente invención versa, en general, acerca de conjuntos de combustible de reactor nuclear y, más en particular, versa acerca de la conexión entre rejillas de conjuntos de combustible y los manguitos guía de las barras de control.

2. Descripción de la técnica relacionada En un reactor nuclear típico, el núcleo del reactor nuclear incluye un gran número de conjuntos de combustible, cada uno de los cuales está compuesto de acoplamientos superior e inferior, también denominados piezas terminales y una pluralidad de rejillas transversales de soporte separados de forma axial a lo largo de los manguitos guía, y fijados a los mismos. Además, cada conjunto de combustible está compuesto de una pluralidad de elementos o barras alargados de combustible separados de forma transversal entre sí y de los manguitos guía, y soportados por las rejillas transversales entre los acoplamientos superiores e inferiores. Cada una de las barras de combustible contiene materia fisionable y están agrupadas entre sí en un conjunto que está organizado de forma que proporciona un flujo de neutrones en el núcleo suficiente para soportar una tasa elevada de fisión nuclear y, por lo tanto, la liberación de una gran cantidad de energía en forma de calor. Se bombea un refrigerante líquido hacia arriba a través del núcleo para extraer parte de la generación de calor en el núcleo para la producción de trabajo útil. Dado que la tasa de generación de calor en el núcleo del reactor nuclear es proporcional a la tasa de fisión nuclear, y esta, a su vez, está determinada por el flujo de neutrones en el núcleo, se consigue un control de la generación de calor en el arranque, durante la operación, y en la parada del reactor nuclear al variar el flujo de neutrones. En general, esto se lleva a cabo al absorber neutrones sobrantes utilizando barras de control que contienen material absorbente de neutrones. Los manguitos guía, además de ser elementos estructurales del conjunto de combustible, también proporcionan canales para la inserción de las barras de control de absorción de neutrones dentro del núcleo del reactor nuclear. El nivel del flujo de neutrones y, por lo tanto, la producción de calor del núcleo se regula normalmente por medio del movimiento de las barras de control entrando y saliendo de los manguitos guía.

Los manguitos guía están conectados de forma rígida en cada extremo respectivamente al acoplamiento superior y al acoplamiento inferior y las rejillas están fijadas de forma fijable a los manguitos guía en ubicaciones de celdas de la rejilla a través de las cuales pasan los manguitos guía. Por lo tanto, el acoplamiento superior, el acoplamiento inferior, los manguitos guía y las rejillas forman los elementos estructurales del conjunto de combustible también conocido como el armazón del conjunto de combustible.

Las rejillas se utilizan para mantener de forma precisa la separación entre las barras de combustible en un núcleo de un reactor nuclear, evitar la vibración de las barras, y proporcionar un soporte lateral para las barras de combustible. Las rejillas están fabricadas de materiales con cortes transversales de baja absorción de neutrones tales como acero inoxidable, Inconel, y aleaciones de circonio, tal como Zircaloy, para minimizar la deformación de la rejilla, la captura de neutrones, y la pérdida de integridad estructural durante la irradiación. Los diseños convencionales de las rejillas para conjuntos de combustible nuclear incluyen una pluralidad de flejes interiores entrelazados de rejilla formadas con una configuración de huevera que definen celdas que aceptan las barras de combustible y los manguitos guía. Los extremos de cada uno de los flejes interiores de la rejilla están unidos con un fleje externo de la rejilla, formando las celdas periféricas de la rejilla. Cada celda a través de la que pasan las barras de combustible proporciona un soporte para una barra de combustible en una ubicación axial dada mediante el uso de resortes relativamente resilientes de diversas formas. Para minimizar el desplazamiento lateral de las barras de combustible y para mejorar las características del combustible de un conjunto, se utiliza un número de rejillas a lo largo de la longitud del conjunto de combustible. En un reactor de agua a presión, normalmente se mantiene cada rejilla en su lugar a lo largo del conjunto de combustible por medio de su fijación a los manguitos guía de la barra de control.

Los flejes interiores de las rejillas que están unidos en un patrón de huevera están mantenidos generalmente en su lugar por medio de una unión soldada o broncesoldada en sus ubicaciones intersectantes. Los extremos de los flejes de la rejilla están fijados de forma similar a los flejes perimetrales que los rodean por medio de soldaduras o broncesoldaduras. Si los flejes están fabricados de Zircaloy o de acero inoxidable, generalmente pueden ser soldados. Si se emplea Inconel o Inconel niquelado, generalmente tienen que ser broncesoldados. Se utilizan diversos medios de fijación para colocar y fijar los conjuntos de rejilla de separación a los tubos de manguito guía. Estos medios de fijación incluyen la soldadura de las rejillas a los tubos, la broncesoldadura, el abocardado de los tubos en camisas que están fijadas a las rejillas, y la soldadura de anillos partidos 40 a los manguitos guía 18 directamente por encima y por debajo de los flejes 42 de la rejilla, como se muestra en la Figura 1. Los últimos dos enfoques mecánicos para conectar los manguitos guía a los flejes de las rejillas son necesarios cuando se emplean materiales distintos para los flejes de la rejilla y los manguitos guía, por ejemplo, rejillas de Inconel y manguitos guía de Zircaloy. Pueden surgir problemas con anillos partidos individuales 40 utilizados en ambos lados de los flejes 42 de la rejilla, debido al tamaño de los espacios entre los anillos 40 y los flejes 42 de la rejilla, lo que puede tener como

resultado una carga desigual de los anillos 40, una falta de coplanaridad de los anillos 40, y dificultad para la inspección de los espacios entre el anillo y la rejilla.

Los diseñadores buscan constantemente mejorar el medio de fabricación de las rejillas y de los armazones del conjunto de combustible. Las áreas de interés incluyen mecanismos para reducir el esfuerzo de fabricación, y cumplir con las estrictas directrices de diseño o tolerancias, sobre parámetros dimensionales de la rejilla. Consideraciones adicionales incluyen la conservación de la rigidez estructural del armazón del conjunto de combustible. Más en particular, existe específicamente la necesidad de una conexión mejorada entre los flejes de la rejilla y los manguitos guía que acomodará el uso de materiales distintos para los flejes de la rejilla y los manguitos guía. Aunque el Zircaloy tiene un corte transversal de menor captura de neutrones que Inconel, el Inconel tiene una mayor rigidez y una menor tasa de relajación que el Zircaloy y, por lo tanto, es más deseable para ser utilizado como un material de los flejes de la rejilla. La solicitud de patente U.S. con nº de serie 11/764.540, presentada el 18 de junio de 2007 y transferida al cesionario de la presente invención aborda la necesidad de proporcionar una camisa partida que pasa a través de la rejilla que se extiende desde encima de los flejes de la rejilla hasta una distancia por debajo de los flejes de la rejilla. El diámetro sin comprimir de la camisa es igual o mayor que el diámetro de la celda a través de la cual se extiende del manguito guía. Preferentemente, la camisa está fabricada de un material resiliente que es el mismo que el del manguito guía, o es compatible con la soldadura. Se comprime la camisa y en su condición comprimida es insertada a través de la celda correspondiente de la rejilla con una porción de la camisa que se extiende por encima y por debajo de los flejes de la rejilla. Entonces, se permite que la camisa se expanda hasta su condición sin comprimir, fijando de ese modo la camisa dentro de la celda del manguito guía. Entonces, se puede soldar la camisa al fleje de la rejilla, o puede fijarse de otra manera al mismo. Cuando la camisa está fijada dentro de la celda, se puede insertar y soldar el manguito guía, o puede fijarse de otra manera, en cualquier extremo de la camisa o en ambos extremos de la camisa. Aunque esta disposición proporciona una conexión fija entre los flejes de la rejilla y los manguitos guía cuando se emplean materiales distintos siguen deseándose medios adicionales que aumentarán la rigidez de la conexión.

Los documentos US 4135972 y US 4692303... [Seguir leyendo]

1. Un conjunto de combustible para un reactor nuclear que comprende:

una pieza terminal superior (16) ;

una pieza terminal inferior (12) ;

una pluralidad de manguitos guía alargados (18) que se extienden respectivamente en una dirección axial entre extremos opuestos, y están conectados en los mismos, con la pieza terminal superior (16) y la pieza terminal inferior (12) ; y una pluralidad de rejillas transversales (20) dispuestas en un conjunto separado en tándem entre la pieza terminal superior y la pieza terminal inferior, formadas al menos algunas de dichas rejillas (20) de una pluralidad de flejes intersectantes ortogonales que definen celdas (48) en la intersección de cada cuatro flejes adyacentes (44, 46) , extendiéndose los manguitos guía (18) respectivamente a través de al menos algunas de dichas celdas, y conectados fijamente a las mismas, comprendiendo la conexión entre al menos algunos de dichos manguitos guía (18) y al menos algunas de las celdas correspondientes (48) a través de las cuales pasan los manguitos guía (18) ;

una camisa tubular alargada (56) que tiene una longitud en la dirección axial mayor que una anchura en la dirección axial de los flejes (44, 46) de la rejilla de la celda (48) a través de la cual pasa el manguito guía correspondiente (18) y que tiene un diámetro que es mayor o sustancialmente igual que una anchura axialmente transversal de la celda (48) a través de la cual pasa el manguito guía correspondiente, extendiéndose la camisa tubular alargada (56) a través y por encima y por debajo de la celda (48) a través de la cual pasa el manguito guía correspondiente (18) fijado mecánica o metalúrgicamente a al menos una pared de la celda (48) a través de la cual pasa el manguito guía correspondiente, extendiéndose el manguito guía (18) a través de la camisa correspondiente (56) , teniendo la camisa tubular una primera abertura (60) en una pared de la camisa en una primera porción de la camisa que se extiende desde un extremo de la celda; y un primer anillo (64) de soldadura encajado sobre una circunferencia, y que circunscribe al menos en parte a la misma, de la primera porción de la camisa (56) y soldado al manguito guía (18) a través de la primera abertura (60) .

2. El conjunto de combustible de la Reivindicación 1, en el que la camisa tubular (56) tiene una segunda abertura (60) en la pared de la camisa en una segunda porción de la camisa que se extiende desde un segundo extremo de la celda (48) , comprendiendo además el conjunto de combustible un segundo anillo (64) de soldadura encajado sobre una circunferencia, y que circunscribe al menos en parte a la misma, de la segunda porción de la camisa y soldado al manguito guía (18) a través de la segunda abertura (60) .

3. El conjunto de combustible de la Reivindicación 1, en el que hay formada una ventana (58) en una porción central axial de la camisa (56) , teniendo la ventana un reborde superior y un reborde inferior, siendo la separación entre el reborde superior y el reborde inferior sustancialmente igual a la anchura axial de los flejes (44, 46) de la rejilla que rodean la camisa (56) cuando la camisa está insertada en la celda (48) .

4. El conjunto de combustible de la Reivindicación 3, en el que el reborde superior descansa al menos parcialmente sobre el borde superior de los flejes (44, 46) de la rejilla que rodean la camisa (56) .

5. El conjunto de combustible de la Reivindicación 4, en el que el reborde inferior descansa al menos 40 parcialmente contra un borde inferior de los flejes (44, 46) de la rejilla que rodean la camisa (56) .

6. El conjunto de combustible de la Reivindicación 3, en el que la ventana (58) está troquelada en una pared de la camisa (56) .

7. El conjunto de combustible de la Reivindicación 1, en el que la camisa (56) tiene una ranura axial (62) que se extiende toda la longitud de la camisa.

45 8. El conjunto de combustible de la Reivindicación 7, en el que la camisa (56) está construida de un material resiliente.

9. El conjunto de combustible de la Reivindicación 1, en el que la camisa (56) está soldada o broncesoldada al fleje (44, 46) de la rejilla.

10. El conjunto de combustible de la Reivindicación 1, en el que el manguito guía (18) y el primer anillo (64) de

50 soldadura están construidos de circonio o de una aleación de circonio y la camisa (56) está construida de acero inoxidable.

11. El conjunto de combustible de la Reivindicación 10, en el que los flejes (44, 46) de la rejilla están construidos de Inconel.

12. El conjunto de combustible de la Reivindicación 1, en el que el primer anillo (64) de soldadura tiene una ranura axial.

13. El conjunto de combustible de la Reivindicación 1, en el que el primer anillo (64) de soldadura tiene una protrusión (68) que se extiende hacia dentro de forma radial y se asienta en la primera abertura en la camisa (56) .

14. El conjunto de combustible de la Reivindicación 13, en el que la protrusión (68) en el primer anillo (64) de soldadura está soldada al manguito guía (18) .

15. El conjunto de combustible de la Reivindicación 14, en el que la protrusión (68) en el primer anillo (64) de soldadura está estampada al interior del primer anillo de soldadura.

16. El conjunto de combustible de la Reivindicación 13, en el que la primera abertura (60) comprende una pluralidad de primeras aberturas (60) separadas circunferencialmente en torno a la primera porción de la camisa (56) y la protrusión (68) en el primer anillo (64) de soldadura comprende una pluralidad de protrusiones (68) separadas circunferencialmente en torno al primer anillo de soldadura para corresponderse con las primeras aberturas.

17. El conjunto de combustible de la Reivindicación 1, en el que el primer anillo (64) de soldadura está encajado de forma ajustada en torno a la primera porción de la camisa (56) .