用于核燃料组件底端部的碎屑过滤器和制造这种碎屑过滤器的方法与流程

1.本发明涉及用于核反应堆的核燃料组件，特别是用于轻水核反应堆的核燃料组件。


背景技术：

2.用于轻水反应堆的核燃料组件通常包括一捆沿着纵向轴线延伸的燃料棒，它们通过支撑结构以间隔开的关系纵向和横向地支撑。
3.在使用中，多个核燃料组件在反应堆容器中竖直地定位并且并排设置，从而形成反应堆芯，并且使得冷却流体(例如，水)竖直地流过核燃料组件。冷却流体的功能在于调节核反应并且从核燃料组件的燃料棒中回收热量。
4.冷却流体中的碎屑会潜在地损坏核燃料组件的燃料棒，为了消除这种风险，核燃料组件可设置有底端部，其包括用于接收冷却流体流的下部喷嘴以及碎屑过滤器，例如在ep2204819a1和ep2164076a1中公开。


技术实现要素：

5.本发明的一个目的是使得能够提供一种在较低的或适当的压力损失下有效地收集碎屑的核燃料组件底端部的碎屑过滤器，该碎屑过滤器优选是易于制造的。
6.为此目的，本发明提出了一种用于核燃料组件底端部的碎屑过滤器，其包括下部喷嘴，并且碎屑过滤器通过下部喷嘴来支撑，碎屑过滤器具有入口表面和与入口表面相对的出口表面，其中碎屑过滤器包括保留能力从入口表面到出口表面(18b)逐渐或逐级增高的至少一个过滤部。
7.随着保留能力从入口表面朝向出口表面增高，较大的碎屑被保留在入口表面附近并且较小的碎屑穿入到碎屑过滤器中但是被保留在碎屑过滤器的出口表面附近。
8.可将碎屑过滤器的具有较低保留能力的层或部分和/或具有较大尺寸的流动开口形成为比碎屑过滤器的具有较高保留能力的层或部分和/或具有较小尺寸的流动开口更具机械抗性。
9.具有较高保留能力的层可设置有比具有较低保留能力的层厚度更薄的壁部，以使流动开口的数量最大并且限制穿过碎屑过滤器的压力损失。
10.在特定的实施方式中，碎屑过滤器包括单独地或以任何技术上可行的组合考虑的一个或多个以下的可选特征：
[0011]-碎屑过滤器包括在入口表面与出口表面之间彼此叠置的多个重叠的过滤层，这些过滤层具有不同的保留能力；
[0012]-当从入口表面到出口表面考虑过滤层时，每个在前的过滤层的保留能力都严格低于后一个过滤层；
[0013]-碎屑过滤器还包括在碎屑过滤器的入口表面上突出的多个过滤结构，每个过滤
结构都具有沿着结构轴线间隔开的结构基部和结构顶端，每个过滤结构都包括围绕结构轴线在周向上分布的叶片，每个叶片都具有连接至结构基部的一个端部以及连接至结构顶端的另一个端部，每个叶片都与相同的过滤结构中的每个相邻的叶片一起界定狭槽；
[0014]-每个叶片都在周向上与相同的过滤结构中的每个相邻的叶片交叠；
[0015]-每个过滤结构的每个叶片都围绕过滤结构的结构轴线螺旋形地延伸；
[0016]-每个过滤结构都被构造为向流过过滤结构的流体赋予围绕结构轴线的旋风效应或旋流。
[0017]
还涉及一种核燃料组件，其包括具有上文限定的碎屑过滤器的底端部。
[0018]
还涉及一种制造根据前述任一项权利要求所述的碎屑过滤器的方法，其包括至少部分地通过增材制造来制造碎屑过滤器。
[0019]
在特定的实施方式中，制造方法包括单独地或以任何技术上可行的组合考虑的一个或多个以下的可选特征：
[0020]-通过增材制造将碎屑过滤器至少部分地构建在下部喷嘴上；
[0021]-将至少两个过滤层单独制造并组装在一起来获得碎屑过滤器；
[0022]-通过增材制造将至少两个过滤层在单件材料中整体制成。
附图说明
[0023]
通过阅读仅通过举例的方式给出并且参考附图做出的以下说明将更好地理解本发明及其优点，在附图中：
[0024]
图1是bwr核燃料组件的侧视图；
[0025]
图2是核燃料组件的底端部的剖视图；
[0026]
图3是根据另一个实施方式的底端部的剖视图；
[0027]
图4是碎屑过滤器的局部侧视图；
[0028]
图5是图4的碎屑过滤器的过滤结构沿着图4中的线v-v截取的剖视图；
[0029]
图6是图4的碎屑过滤器的局部俯视图；
[0030]
图7是碎屑过滤器的侧视图；并且
[0031]
图8是pwr核燃料组件的侧视图。
具体实施方式
[0032]
图1所示的核燃料组件2沿着纵向轴线l延长。在使用中，核燃料组件在纵向轴线l基本上竖直延伸的情况下定位在核反应堆芯中，核燃料组件放置在下部堆芯板上。
[0033]
在下文中，除非另有说明，否则术语“纵向”、“横向”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“上”和“下”参考核燃料组件2的使用位置来使用。
[0034]
核燃料组件2包括一捆燃料棒4，它们沿着纵向轴线l延长并且彼此平行地延伸。
[0035]
每个燃料棒4都包括管状包壳接收的核燃料，例如核燃料的芯块被堆叠在管状包壳中，并且端盖封闭住管状包壳的端部。
[0036]
核燃料组件2包括纵向和横向地支撑燃料棒4的支撑结构6。
[0037]
支撑结构6被构造以间隔开的关系横向地保留燃料棒4。燃料棒4例如在虚拟网络、优选规则的网络的节点处设置在栅格中。燃料棒之间的横向间隙允许冷却流体主要纵向地
流过燃料棒之间。
[0038]
核燃料组件2的支撑结构6包括下部喷嘴8、上部喷嘴10以及沿着燃料棒4分布的支撑网格12。燃料棒4在穿过间隔网格12的情况下在下部喷嘴8与上部喷嘴10之间延伸。间隔网格12的功能是以间隔开的关系纵向且横向地保留燃料棒4。
[0039]
图1的核燃料组件2用于沸水反应堆(bwr)。
[0040]
通过替换栅格中的燃料棒4以及环绕一捆燃料棒4的燃料通道16将包括水通道14(或“水棒”)的电枢6结合在一捆燃料棒4内。
[0041]
水通道14和燃料通道16在下部喷嘴8与上部喷嘴10之间延伸并同时连接至下部喷嘴8和上部喷嘴10。附接在水通道14上的间隔网格12沿着水通道14分布在多个位置处。
[0042]
在使用中，核燃料组件2竖直地定位在下部堆芯板上，使得下部喷嘴8接收穿过下部喷嘴8进入到一捆燃料棒4中的冷却流体流，如箭头f所示。
[0043]
核燃料组件2包括位于下部喷嘴8内的碎屑过滤器18。下部喷嘴8和碎屑过滤器18一起限定了核燃料组件2的底端部20。
[0044]
碎屑过滤器18被构造为收集存在于通过下部喷嘴8进入到核燃料组件2中的冷却流体中的碎屑。
[0045]
如图2所示，下部喷嘴8包括下部垫板22和喷嘴部24。
[0046]
下部垫板22尤其是被构造为与水通道14和燃料通道16附接。喷嘴部24被构造为接收冷却流体流并将其引导至水通道14和燃料通道16。
[0047]
喷嘴部24是管状的并且从下部垫板22的外周向下延伸。喷嘴部24包括下部入口26和上部出口28。
[0048]
下部垫板22延伸跨过喷嘴部24的上部出口28。下部垫板22具有网格形状。下部垫板22具有用于使冷却流体流过下部垫板22的流体流动开口30。
[0049]
喷嘴部24例如具有从下部垫板22向下延伸的恒定横截面的上部部分32以及向下渐缩的锥形的下部部分34。
[0050]
喷嘴部24限定了内部空间36。内部空间36被界定在喷嘴部24的下部入口26与上部出口28之间。
[0051]
碎屑过滤器18被容纳在下部喷嘴8内，更具体地在此处被容纳在喷嘴部24内且位于下部垫板22的下方。当考虑到冷却流体在使用中的流动时，碎屑过滤器18位于下部垫板22的上游。碎屑过滤器18可与下部垫板22的底面接触。替代地，可在碎屑过滤器18与下部垫板的底面之间设置较小的间隙。
[0052]
碎屑过滤器18优选至少部分地通过增材制造制成。
[0053]
增材制造是指通过向已经制成的部分添加材料来逐渐地制成碎屑过滤器18或碎屑过滤器18的至少一部分的制造方法。
[0054]
增材制造特别是指通过逐渐添加连续的制造层来逐渐地制造碎屑过滤器的至少一部分。
[0055]
例如通过使用以下增材制造方法中的一种或组合来通过增材制造至少部分地制成碎屑过滤器18：粉床增材制造，特别是熔融、烧结或粘接；沉积增材制造，特别是粉末沉积增材制造或丝材沉积增材制造；材料喷射增材制造；以及粘合剂喷射增材制造。
[0056]
在一个实施方式中，碎屑过滤器18仅部分地通过增材制造制成。
[0057]
在一个例子中，制成碎屑过滤器18的第一部分并且通过增材制造将碎屑过滤器18的第二部分构建在第一部分上。
[0058]
优选使用不是增材制造方法的制造方法来制成第一部分。例如通过对锻造金属板进行传统的铣削或通过铸造来制造第一部分。
[0059]
在另一个例子中，碎屑过滤器18的第一部分和第二部分单独地制造，第一部分和第二部分各自相应地通过增材制造制成，并且第一部分和第二部分随后组装在一起来形成碎屑过滤器18。
[0060]
在上述的例子中，第一部分例如由金属制成。第二部分例如由金属制成。第一部分的金属和第二部分的金属是相同或不同的金属。
[0061]
在一个实施方式中，碎屑过滤器18完全通过增材制造制成。碎屑过滤器因此以增材制造获得的单件材料制成为一体。
[0062]
在一个实施方式中，碎屑过滤器18与下部喷嘴8分开制造，并随后组装到下部喷嘴8上。
[0063]
例如，底端部20的制造方法包括单独地制造喷嘴部24、下部垫板22和碎屑过滤器18并随后将它们进行组装。
[0064]
在一个实施方式中，碎屑过滤器18通过增材制造构建在下部喷嘴8上。
[0065]
制造方法例如包括制造下部垫板22，随后通过增材制造将碎屑过滤器18构建在下部垫板22上，然后将喷嘴部24组装到下部垫板22上。
[0066]
替代地，制造方法例如包括制造喷嘴部24，随后通过增材制造将碎屑过滤器18构建在喷嘴部上，然后将下部垫板22组装到喷嘴部24上。
[0067]
如图2所示，在一个实施方式中，碎屑过滤器18沿着纵向轴线l延伸越过喷嘴部24的内部空间36沿着纵向轴线l的延伸量e的绝大部分。
[0068]
至少部分地通过增材制造来制造碎屑过滤器18允许提供较厚的碎屑过滤器18，以提高过滤效率并同时限制流过碎屑过滤器18的冷却流体的压力损失。
[0069]
喷嘴部24在此包括上部部分32和向下渐缩的下部部分34。
[0070]
在一个实施方式中，碎屑过滤器18在喷嘴部24的上部部分32中至少向下延伸到喷嘴24的下部部分34。
[0071]
在一个实施方式中，碎屑过滤器18在上部部分32以及喷嘴部24的下部部分34的至少一部分中延伸。
[0072]
在一个特定实施方式中，如图2所示，碎屑过滤器18在喷嘴部24的下部入口26与上部出口28之间完全占据了下部喷嘴8的内部空间36。
[0073]
碎屑过滤器18包括入口表面18a和与入口表面18a相对的出口表面18b。在使用中，冷却流体通过入口表面18a进入碎屑过滤器18并且通过出口表面18b离开碎屑过滤器。入口表面18a靠近喷嘴部24的下部入口26并且出口表面18b面对下部垫板22。
[0074]
碎屑过滤器18是多孔的或者具有网格细工，以允许冷却流体穿过碎屑过滤器并同时保留包含在冷却流体中的碎屑。碎屑过滤器18包括用于使冷却流体从入口表面18a穿过碎屑过滤器18到达出口表面18b的流动开口。尺寸比流动开口更大的碎屑将被碎屑过滤器18保留。
[0075]
碎屑过滤器18具有与可被保留在碎屑过滤器18中的最小的碎屑的尺寸对应的保
留能力。保留能力越高，被碎屑过滤器18保留的最小碎屑的尺寸越小。
[0076]
碎屑过滤器18将保留尺寸比流动开口的尺寸更大的碎屑。流动开口的尺寸越小，碎屑过滤器18的保留能力越高。
[0077]
在一个实施方式中，碎屑过滤器18具有从入口表面18a到出口表面18b变化的保留能力，更具体地是从碎屑过滤器18的入口表面18a到出口表面18b逐渐增高的保留能力。
[0078]
由于保留能力穿过碎屑过滤器18的厚度逐渐增高，因此碎屑过滤器18例如具有穿过碎屑过滤器18从碎屑过滤器的入口表面18a到出口表面18b尺寸逐渐减小的流动开口。
[0079]
通过逐渐增高的保留能力，最大的碎屑可被保留在碎屑过滤器18的入口表面18a附近并且最小的碎屑18穿入到碎屑过滤器18中但是被保留在碎屑过滤器18的出口表面附近。
[0080]
这种构造的一个优点是碎屑过滤器的具有较低保留能力的层或部分和/或具有较大尺寸的流动开口可被形成为比碎屑过滤器的具有较高保留能力的层或部分和/或具有较小尺寸的流动开口更具机械抗性。具有较高保留能力的层可设置有比具有较低保留能力的层更薄的壁部，以使流动开口的数量最大并且限制穿过碎屑过滤器18的压力损失。
[0081]
碎屑过滤器18的增材制造允许容易地调整碎屑过滤器18的保留能力，尤其是给碎屑过滤器18提供从入口表面18a到出口表面18b变化的保留能力，特别是从入口表面18a到出口表面18b逐渐或逐级增高的保留能力，从而限制制造成本并且限制压力损失。
[0082]
碎屑过滤器18的保留能力例如从碎屑过滤器18的入口表面18a到出口表面18b逐渐或逐级增高。例如，碎屑过滤器18具有尺寸从碎屑过滤器18的入口表面18a到出口表面18b逐渐或逐级变化的流动开口。
[0083]
在图2所示的例子中，碎屑过滤器18具有从入口表面18a到出口表面18b逐级增高的保留能力。例如，碎屑过滤器18具有尺寸从入口表面18a到出口表面18b逐级变化的流动开口。
[0084]
碎屑过滤器18例如具有从入口表面18a到出口表面18b的多个过滤层40、42、44，当从入口表面18a到出口表面18b考虑过滤层时，每个后续的层都具有比前一个层更高的保留能力。
[0085]
例如，过滤层40、42、44各自在这些过滤层40、42、44的厚度上具有恒定的保留能力。
[0086]
当从入口表面18a到出口表面18b考虑过滤层时，每个后续的过滤层例如都具有比前一个层尺寸更小的流动开口。
[0087]
碎屑过滤器18因此至少具有保留能力较低的邻近入口表面18a的入口过滤层40以及邻近碎屑过滤器18的出口表面18b的出口过滤层44。入口过滤层40例如具有比出口过滤层44的流动开口尺寸更大的流动开口。
[0088]
在一个实施方式中，碎屑过滤器仅具有两个过滤层，即入口过滤层40和出口过滤层44。
[0089]
在另一个实施方式中，碎屑过滤器18具有介于入口过滤层40与出口过滤层44之间的至少一个中间过滤层42。
[0090]
在图2所示的例子中，碎屑过滤器18仅具有一个中间过滤层42。在一种变型中，碎屑过滤器18具有两个以上的中间过滤层和三个以上的过滤层。
[0091]
在制造方法的一个实施方式中，碎屑过滤器18的具有不同的保留能力的过滤层40、42、44通过增材制造以单件材料制成为一体。在这个例子中，碎屑过滤器18通过增材制造以单件材料制成为一体。
[0092]
在另一个实施方式中，对至少两个过滤层40、42、44单独进行制造并随后将至少两个过滤层40、42、44组装在一起来获得碎屑过滤器18。例如，通过焊接、粘接、螺纹连接、铆钉连接等等来操作这种组装。
[0093]
如图3所示，在一个实施方式中，碎屑过滤器18具有逐渐增高的保留能力。
[0094]
具有逐渐增高的保留能力的碎屑过滤器18从入口表面18a到出口表面18b呈现出保留能力梯度。碎屑过滤器18的流动开口例如从入口表面18a到出口表面18b呈现出尺寸减小梯度。
[0095]
通过增材制造进行的碎屑过滤器18的制造允许向碎屑过滤器18赋予复杂的三维形状，这可改进过滤并同时限制穿过碎屑过滤器的压力损失。
[0096]
图4-6示出了具有可通过增材制造获得的复杂三维形状的碎屑过滤器18的一个例子。
[0097]
如图4-6所示，碎屑过滤器18具有入口表面18a和出口表面18b。
[0098]
碎屑过滤器18在其入口表面18a上设置有多个突出的过滤结构50。每个过滤结构50都被构造为允许在收集碎屑的同时使冷却流体流过过滤结构50。
[0099]
每个过滤结构50都是中空的。每个过滤结构50都具有沿着结构轴线a间隔开的结构基部52和结构顶端54以及围绕结构轴线a在周向上分布的、之间具有限定的狭槽58的多个叶片56。每个叶片56都具有连接至结构基部52的一个端部以及连接至结构顶端54的另一个端部。每个叶片56都在周向上位于两个相邻的叶片56之间，从而与相邻的两个叶片56中的每一个一起限定相应的狭槽58。
[0100]
每个叶片56都具有两个自由的横向边缘。每个叶片56都在其分别连接至结构基部52和结构顶端54的两个端部之间像桥梁那样延伸。
[0101]
每个过滤结构50都具有从结构基部52到结构顶端54渐缩的整体形状。每个过滤结构50的横向于结构轴线a考虑的横向尺寸都沿着结构轴线a从结构基部52到结构顶端54逐渐减小。每个过滤结构50例如都整体上具有卵形。
[0102]
多个过滤结构50的结构轴线a优选平行。每个过滤结构50的结构轴线a优选基本上垂直于碎屑过滤器18的出口表面18b。每个过滤结构50的结构轴线a优选在碎屑过滤器18安装在其上时平行于核燃料组件2的纵向轴线。
[0103]
过滤结构50的结构基部52连接在一起。结构基部52一起限定了用于限定碎屑过滤器18的出口表面18b的碎屑过滤器18的出口部分60。
[0104]
过滤结构50向碎屑过滤器18的入口表面18a赋予三维形状。碎屑过滤器18的出口表面18a例如基本上是平面的。碎屑过滤器的出口表面18a设置有允许使冷却流体离开碎屑过滤器18的出口开口62。
[0105]
每个过滤结构50都界定了通过结构基部52和结构顶端54沿着结构轴线a界定且通过叶片56横向界定的收集容积。
[0106]
界定在叶片56之间的狭槽58允许冷却流体进入到过滤结构50内，并且设置在出口表面18b中的出口开口62允许冷却流体离开过滤结构50并因此离开碎屑过滤器18。
[0107]
碎屑过滤器18的出口表面18b例如呈现出在不同的横向方向上延伸的多个细长的出口开口62。有利地，如图5所示，每个过滤结构50的围绕结构轴线a分布的叶片56使相邻的叶片56在周向上重叠。
[0108]
当相对于结构轴线a在径向方向上观察时，每个叶片56都与每个相邻的叶片56交叠，如图5的箭头v所示。换句话说，当相对于结构轴线a在径向方向上观察时，不能看穿狭槽58。
[0109]
优选地，每个过滤结构50都被构造为向流过过滤结构50的冷却流赋予围绕过滤结构50的结构轴线a的旋风效应或旋流。
[0110]
这种过滤结构50能够特别有效地收集细线形状的碎屑，它们由于微动机理因此对于核燃料组件2来说是非常危险的。由于旋风效应，这种碎屑可能被压入到过滤结构50中，从而防止它们离开过滤结构50。
[0111]
在一个示例实施方式中，每个过滤结构50的叶片56被构造为通过向冷却流赋予围绕过滤结构50的结构轴线a的旋风效应或旋流来产生循环效应。
[0112]
如图4所示，有利地，每个过滤结构50的叶片56围绕结构轴线a螺旋形地延伸。这在纵向定向的细长碎屑到达碎屑过滤器18的入口表面时改进了对它们的收集。
[0113]
螺旋形结构像旋风那样工作并且将外侧的碎屑投入到过滤结构50中。
[0114]
另外，这种碎屑结构50倾向于通过向碎屑过滤器18下游的冷却流赋予横向速度来偏转冷却流。这能够促进冷却流体与核燃料棒4之间的热交换。
[0115]
碎屑过滤器18能够十分有效地过滤碎屑并同时限制压力损失。碎屑过滤器具有复杂的形状，但是可通过增材制造容易地制造。
[0116]
至少过滤结构50通过增材制造制成。在一个实施方式中，整个碎屑过滤器都通过增材制造制成。在另一个实施方式中，提供板状部分60，并且随后通过增材制造在板状部分50上构建过滤结构50的其余部分。
[0117]
在图7所示的一个示例实施方式中，碎屑过滤器18可像针对图4和5描述的那样将过滤结构50结合在碎屑过滤器18的入口表面18a上，使得保留能力在碎屑过滤器18的过滤结构50与出口表面18b之间逐渐或逐级增高。
[0118]
这种碎屑过滤器18例如包括由从入口表面18a突出的过滤结构50限定的过滤入口部分18c以及在过滤结构50与出口表面之间延伸的过滤出口部分18d，从而呈现出朝向出口表面18b逐渐或逐级增高的保留能力。
[0119]
出口部分18d例如包括位于过滤结构50的入口部分18c与出口表面18b之间的一个或多个过滤层，从而例如限定保留能力逐渐增高的一个过滤层或者保留能力逐渐增高的多个叠加的过滤层，从而向出口部分18d赋予逐渐增高的保留能力。
[0120]
另外，碎屑过滤器可具有呈现出与位于上游或下游的和过滤结构50不同的另一个过滤部分关联的逐渐或逐级增高的保留能力的过滤部分。总的来说，碎屑过滤器18可至少包括呈现出从入口表面18a那一侧到出口表面18b那一侧逐渐或逐级增高的保留能力的过滤部分。
[0121]
本发明不限于上文描述和示出的例子。也可想到其他的例子。
[0122]
具有上文描述和示出的特定的碎屑设计的碎屑过滤器18(增高的保留能力和/或具有叶片和/或旋风效应的过滤结构)可通过不涉及增材制造的传统制造方法制成。此外，
本发明不限于bwr核燃料组件。更一般来说，可适用于轻水反应堆(lwr)核燃料组件。特别地，可适用于压水反应堆(pwr)核燃料组件。
[0123]
与图1相同或相似的元件具有相同附图标记的图7示出了pwr核燃料组件。
[0124]
该核燃料组件包括沿着纵向轴线l延伸的一捆燃料棒4以及保持燃料棒4的电枢6。
[0125]
电枢6包括沿着纵向轴线l间隔开的下部喷嘴8和上部喷嘴10、连接至下部喷嘴8和上部喷嘴10的导管63以及在附接至导管63的同时沿着导管63分布的间隔网格12。
[0126]
下部喷嘴8设置有碎屑过滤器18。下部喷嘴8具有花格板(egg-crate plate)64以及从花格板64向下伸出的支脚66。在使用中，核燃料组件2通过支脚66放置在下部堆芯板上。
[0127]
碎屑过滤器18在花格板64的下方附接至下部喷嘴8。碎屑过滤器18因此位于花格板64的上游。碎屑过滤器18位于支脚66之间。
[0128]
碎屑过滤器18可以是参考bwr核燃料组件描述的例子。
[0129]
通过增材制造至少部分地制造碎屑过滤器18的方法以及上文描述的示例实施方式和变型(在下部喷嘴上进行增材制造、通过增材制造获得层以及通过增材制造进行组装或形成为一体等等)是有利的，与碎屑过滤器的形状无关。
[0130]
因此，总的来说，本发明还涉及一种制造用于核燃料组件的底端部的碎屑过滤器的方法，该底端部包括下部喷嘴，其设置有通过下部喷嘴支撑的碎屑过滤器，碎屑过滤器具有入口表面和与入口表面相对的出口表面，该方法包括至少部分地通过增材制造来制造碎屑过滤器。