Conjunto de combustible nuclear con rejillas dotadas de pestañas pivotantes.

Una rejilla de 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 ortogonalmente con respecto a una primera pluralidad de flejes alargados paralelos separados (12) y alineadas en un patrón regular, de forma que la intersección de cada conjunto de cuatro flejes adyacentes defina una celda, algunas (16) de las cuales soportan varillas (36) de combustible, con una extensión de cada uno de los flejes primero y segundo (12, 14) que bordean cada celda formando una pared de la celda (16),

en la que al menos una pared (32) de las celdas (16) que soportan varillas (36) de combustible tiene una disposición de pestañas (30) que se extiende desde la pared (32) al interior de la celda desde los recortes de ventana con forma de "hueso de perro" en la pared (32) de la celda (16), teniendo la pestaña (30) una plataforma (76) de acoplamiento a la varilla de combustible soportada por patas (78) de pedestal de la pestaña.

Conjunto de combustible nuclear con rejillas dotadas de pestañas pivotantes 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 cualquier reactor nuclear que tiene un conjunto de combustible con una rejilla mejorada.

2. Descripción de la técnica relacionada

En la mayoría de reactores nucleares refrigerados por agua, el núcleo del reactor comprende un gran número de conjuntos alargados de combustible. En los reactores nucleares de agua a presión (PWR), estos conjuntos de combustible incluyen, normalmente, una pluralidad de varillas de combustible sujetas en una matriz organizada por medio de una pluralidad de rejillas separadas axialmente en toda la longitud del conjunto de combustible y fijadas a una pluralidad de tubos guía alargados del conjunto de combustible. Normalmente, los tubos guía reciben varillas de control o Instrumentación en los mismos. Unas toberas superior e inferior en extremos opuestos del conjunto de combustible están fijadas a los extremos de los tubos guía que se extienden ligeramente por encima y por debajo de los extremos de las varillas de combustible.

Las rejillas, como son conocidas en la técnica relevante, son utilizadas para mantener con precisión 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 celdas aproximadamente cuadradas que aceptan individualmente las varillas de combustible en las mismas. Dependiendo de la configuración de los tubos guía, los tubos guía pueden ser recibidos bien en las celdas que están dimensionadas igual que aquellas que reciben varillas de combustible en las mismas, o en celdas de tubos guía relativamente mayores definidas en los flejes intercalados. Los flejes Intercalados proporcionan puntos de fijación para los tubos guía, permitiendo, de esta manera, su posicionamiento en ubicaciones separadas en toda la longitud del conjunto de combustible.

Los flejes están configurados de forma que las celdas a través de las cuales pasan las varillas de combustible incluyan uno o más resortes relativamente flexibles y una pluralidad de pestañas relativamente rígidas. Los resortes y las pestañas pueden estar formados del metal de los flejes intercalados y se proyectan hacia fuera desde los mismos al interior de las celdas a través de las cuales pasan las varillas de combustible. Entonces, los resortes y las pestañas de cada celda de varilla de combustible hacen contacto con la varilla de combustible correspondiente que se extiende a través de la celda. Los flejes externos de la rejilla están fijados entre sí y rodean periféricamente los flejes Internos de la rejilla para impartir resistencia y rigidez a la rejilla y para definir celdas individuales de varilla 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.

En el ámbito de la celda individual, normalmente se proporciona el soporte de varilla de combustible por medio de la combinación de pestañas rígidas de soporte y resortes flexibles, como se ha mencionado anteriormente. Se han utilizado, o se utilizan en la actualidad, 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 celda también varía. La disposición típica es de dos resortes y de cuatro pestañas por celda. La geometría de las pestañas y de los resortes necesita ser determinada meticulosamente para proporcionar un soporte adecuado de varilla 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 muy elevada del refrigerante y de las temperaturas de operación y las pastillas de combustible en el interior de la varilla también cambian su diámetro mediante densificación y aumento de volumen. El diámetro exterior del envainado también aumenta, debido a la formación de una capa de óxido. Como resultado de estos cambios dimensionales y de propiedades de material, supone un gran desafío mantener un soporte adecuado de las varillas durante la vida de un conjunto de combustible.

Bajo el efecto de un flujo axial y de un flujo cruzado inducidos por gradientes térmico y de presión en el reactor y otras alteraciones de flujo, tales como ondas estacionarias y turbulencias, las varillas de combustible, que son cuerpos delgados, vibran continuamente con amplitudes relativamente pequeñas. Si no se soporta de forma apropiada la varilla, esta amplitud de vibración muy pequeña puede dar lugar a un movimiento relativo entre los puntos de soporte y el envainado. Si la presión ejercida por la varilla deslizante sobre las superficies relativamente pequeñas de pestaña y 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 es eliminada mediante abrasión hasta que se perfora en última instancia la pared de la varilla. Este fenómeno es conocido como vibrocorrosión interfacial localizada y en 26 fue 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 de refrigerante para reducir la temperatura máxima de refrigeración. Dado que el calor generado por cada varilla no es uniforme, existen gradientes térmicos en el refrigerante. Un parámetro importante en el diseño de los conjuntos de combustible es mantener una transferencia de calor eficaz desde las varillas hasta el refrigerante. Cuanto mayor sea la cantidad de calor eliminada por unidad de tiempo, mayor será la potencia que se genera. A temperaturas del refrigerante suficientemente altas, la tasa de calor que puede ser eliminada por unidad de área de envainado en un tiempo dado se reduce bruscamente de forma significativa. Este fenómeno es conocido como límite de ebullición nucleada o LEN. SI dentro de los parámetros de la operación del reactor, la temperatura del refrigerante alcanzase el punto del LEN, la temperatura superficial del envainado aumentaría rápidamente para evacuar el calor generado en el interior de la varilla y una oxidación rápida del envainado daría lugar a un fallo del envainado. 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 la reducción de la temperatura máxima del refrigerante mediante el mezclado del refrigerante en el conjunto permita la generación de mayores cantidades de potencia 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 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 para casos de accidente sin perder la función y para 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 coerción localizada rápida del envainado.

Mantener un flujo refrigerante sustancialmente equilibrado a través de los conjuntos de combustible a través del núcleo es un objetivo deseable para mantener una transferencia de calor sustanclalmente uniforme. 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 diversos tipos de conjuntos de combustible. Los cambios... [Seguir leyendo]

1. Una rejilla de 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 ortogonalmente con respecto a una primera pluralidad de flejes alargados paralelos separados (12) y alineadas en un patrón regular, de forma que la Intersección de cada conjunto de cuatro flejes adyacentes defina una celda, algunas (16) de las cuales soportan varillas (36) de combustible, con una extensión de cada uno de los flejes primero y segundo (12, 14) que bordean cada celda formando una pared de la celda (16),

en la que al menos una pared (32) de las celdas (16) que soportan varillas (36) de combustible tiene una disposición de pestañas (3) que se extiende desde la pared (32) al interior de la celda desde los recortes de ventana con forma de hueso de perro en la pared (32) de la celda (16), teniendo la pestaña (3) una plataforma (76) de acoplamiento a la varilla de combustible soportada por patas (78) de pedestal de la pestaña.

2. La rejilla de conjunto de combustible nuclear de la reivindicación 1, en la que la disposición de pestañas (3) tiene un primer borde que hace contacto con la varilla (36) de combustible cuando es cargada la varilla de combustible en la rejilla (1) en la que el primer borde está redondeado en una dirección que se aleja de la varilla (36) de combustible.

3. La rejilla de conjunto de combustible nuclear de la reivindicación 2, en la que la disposición de pestañas (3) tiene un segundo borde que está redondeado en una dirección que se aleja de la varilla (36) de combustible.

4. La rejilla de conjunto de combustible nuclear de la reivindicación 2, en la que sustanclalmente todos los bordes de la disposición de pestañas (3) que hacen contacto con la varilla (36) de combustible que son ortogonales con respecto a un eje de la varilla de combustible están redondeados en la dirección que se aleja de la varilla de combustible.

5. La rejilla de conjunto de combustible nuclear de la reivindicación 1, en la que las pluralidades primera y segunda de flejes (12, 14) tienen una dimensión axial que se extiende a lo largo de la dimensión alargada de los flejes (12, 14) y los recortes con forma de hueso de perro que se extienden paralelos con respecto a la dimensión axial.

6. La rejilla de conjunto de combustible nuclear de la reivindicación 5, en la que un recorte con forma de hueso de perro de la disposición de pestañas comprende tres recortes separados que están separados a lo largo de una altura de la pared de la celda con un recorte central (66) en una forma tradicional de hueso de perro que comprende una varilla central con un lóbulo (38) en cada extremo, un recorte superior (68) que comprende una mitad de una forma tradicional de hueso de perro dividida a lo largo de la varilla y a través de los lóbulos con los lóbulos (38) orientados hacia el recorte central (66) y un recorte inferior (7) que comprende una mitad de una forma tradicional de hueso de perro dividida a lo largo de la varilla y a través de los lóbulos con los lóbulos (38) orientados hacia el recorte central (66).

7. La rejilla de conjunto de combustible nuclear de la reivindicación 6, en la que la disposición (28, 3) de pestañas comprende pestañas primera y segunda (28, 3), en la que la primera pestaña (3) formada entre el recorte central y el recorte superior y la segunda pestaña (28) está formada entre el recorte central (66) y el recorte inferior (7).

8. La rejilla de conjunto de combustible nuclear de la reivindicación 1, en la que la disposición de pestañas (28, 3) en una vista lateral comprende pedestales (78) con una plataforma (76) encima que se extiende hacia el exterior sobre los pedestales (78).

9. Un conjunto de combustible nuclear que tiene una pluralidad de rejillas (1) dispuestas en una matriz separada a lo largo de una matriz paralela separada de varillas (36) de combustible nuclear, comprendiendo al menos una de las rejillas (1) las características de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8.