示例性实施例大体上涉及用于核电站的燃料结构和用于使用燃 料结构的方法。

通常，核电站包括在其中布置有燃料的反应堆芯，以通过核裂变 来发电。根据特定核电站的运行条件，燃料元件可具有多种构造和/ 或特性。例如，尺寸、相对于堆芯的位置、相对于其它燃料的位置、 浓缩、基本燃料类型以及燃料的形状都会影响电站运行参数。在美国 核电站中， 一种普遍的设计是将燃料布置在多个包壳的燃料棒中，这 些包壳的燃料棒束缚在 一起作为置于反应堆芯中的燃料组件。
如图1所示，核反应堆的常规的燃料棒束IO(例如BWR)可包括围 绕上连接板14和下连接板16的外部通道12。多个全长燃料棒18和/ 或部分长度燃料棒19可以在燃料棒束10内布置成矩阵形式，并且穿 过多个间隔器(也称为间隔构架)20，该间隔器20沿竖直方向彼此隔开， 并且使棒18,19保持在其给定的矩阵中。
燃料棒18和19通常从其基部至终端是连续的，在全长燃料棒18 的情况下，是从下连接板16至上连接板14。因此，棒内的包壳和燃 料元件通常也贯穿燃料棒18或19的长度是连续的。
如图2所示，燃料元件21可成形为芯块形式(pellet-form),并且 置于燃料棒18或19内。这些燃料芯块21可以在燃料棒中连续地"堆 叠，，，以贯穿燃料棒18或19的长度来提供燃料。在反应堆芯的运行 周期中，燃料芯块21的堆叠可允许燃料芯块21的膨胀或其它变形。 此外，芯块21和燃料棒18或19的内壁23之间的间隙22，可容纳反应堆运行期间由燃料芯块21所生成的气体裂变产物。间隙22可以是 真空的，或者是充有低压非反应性气体，例如氦气。在燃料棒端部处 可存在其它的间隙(未示出）和/或弹簧24,以进一步允许裂变产物积聚 和芯块变形。
发明内容
是涉及特定的内部燃料元件间隔器，该燃料元件间隔器在燃料棒和/ 或燃料节段内间隔地放置，以便控制棒的运行特性和/或减少与燃料棒 的磨损(fretting)相关的问题。示例性实施例的燃料元件间隔器可沿着 棒高度按变化的间隔来放置，和/或聚集在棒端部处以便保护棒端部处 的磨损区。示例性实施例还可包括：使用带有内部间隔元件的燃料棒 节段来代替单独的连续的燃料棒。示例性方法可包括：通过调整间隔 元件的距离来使用具有燃料元件间隔元件的燃料棒和/或燃料节段，以 便影响燃料棒节段的机械特性、中子特性或热特性。
附图说明
通过参考附图对示例性实施例进行详细描述，示例性实施例将变 得更加明显，其中，相同的元件由相同的参考标号来表示，这些标号 仅为了示意目的而给出，并且因此而不限制本申请的示例性实施例。
图l是具有连续棒的相关技术燃料组件的示图。
图2是来自图1的相关技术燃料棒的详细示图，显示了燃料元件 和其中相关的间隔。
图3A是示例性实施例的燃料棒节段和间隔器的示图。
图3B是图3A的间隔器和示例性实施例的分段棒的详细视图。
图4是示例性实施例的燃料棒节段的局部剖视图。
图5是另 一示例性实施例的燃料棒节段的局部剖视图。
图6是示例性燃料间隔元件的示图。图7A、图7B、图7C和图7D显示了各个示例性燃料间隔元件。 图8是显示了使用燃料棒节段的示例性方法中的步骤流程图。

本申请公开了示例性实施例的详细的示范性实施例。然而，本申 请所公开的具体的结构性和功能性细节仅仅是为了描述示例性实施 例的目的的代表性细节。然而，该示例性实施例可以以许多备选的方 式予以实施，并且不应将其理解为仅限于本申请所述的示例性实施 例。
将理解的是，虽然在本申请中可使用用语第一、第二等来描述各 个元件，但这些元件不应由这些用语所限制。这些用语仅用于使元件 彼此区别开来。例如，第一元件可以称作第二元件，而且同样地，第 二元件也可以称为第 一元件而不脱离示例性实施例的范围。如本申请 所使用的，用语"和/或"包括相关的所列条目的一个或多个条目的任 一和所有组合。
将理解的是，当提到一个元件"连接"、"联接"、"配接"、 "附接"或"固定"到另一元件上时，该元件可以直接连接或联接到 另一个元件上，或者也可存在中间元件。相反，当提到一个元件"直 接连接"或"直接联接，，到另一个元件上时，则不存在中间元件。应 该以类似的方式来理解用于描述元件之间的关系的其它词语(例如， "在...之间"比对"直接在...之间"，"相邻"比对"直接相邻"等)。
本申请中所使用的术语仅用于描述特定实施例的目的，而非意图 限制示例性实施例。如本申请中所使用的，除非文字另有明确表示， 单数形式"一"、"一个"、"该"也意图包括其复数形式。还将理 解的是，当本申请中使用用语"包括"时，其表明存在所述的特征、 整体、步骤、操作、元件和/或构件，^f旦是不排除存在或者添加一个或 多个其它特征、整体、步骤、操作、元件、构件和/或其组合。
还应注意的是，在一些备选的实施方案中，提及的功能/作用可能
6不会按照图中所示的顺序出现。例如，根据所涉及的功能/作用，两个 连续显示的附图实际上可大致同时执行，或者有时可按照相反的顺序 来执行。
图3A和图3B显示了示例性实施例的燃料棒节段。图3A显示了 上端件120和下端件130之间的多个棒节段110。已知的是，上端件 120和下端件130可包括螺紋或其它配接才几构，以便与燃料棒束IO(见 图l)的下连接板和上连接板(见图l)相配接。相邻棒节段可通过另一 棒节段或转接器组件而彼此互连，该转接器组件大体显示为图3A的 虛线环内的组件300。特别是图3B详细显示了虚线环中所示的相邻棒 节段110a和110b的连接，以下将对此进行更详细的描述。
图3A中显示了仅一个由示例性实施例棒节段IIO形成的棒组件 100，可理解的是，可以将图3A中所示的才奉组件IOO和棒节段110中 的一个或多个棒组件和棒节段插入到燃料棒束中。例如，棒组件100 可代替图1的燃料棒束10中的燃料棒18和19中的一个或多个燃料 棒。
之间并彼此附接，以便形成棒组件IOO的整个轴向长度。示例性实施 例的棒节段110a、示例性实施例的棒节段110b以及上端件120和下 端件130中的各一个可以直接地连接、或者通过位于连接点处的转接 器组件300而沿着^f奉组件100的轴向长度相连4妾。在图3A和图3B的 实施例中，这些连接点沿轴向至少布置在棒组件接触间隔器20的位 置处。虽然图3A中仅显示了三个间隔器20和转接器组件300，但是 燃料棒束10可包括一个或多个棒组件100，各个棒组件100均具有彼 此连接、或者通过处于任意数量的间隔器20位置上的转接器组件300 而连接的至少一个示例性实施例的棒节段U0a和至少一个示例性实 施例的棒节段110b。示例性实施例棒节段110a和110b可以是固定长 度的节段，以有利于制造工艺。作为备选，示例性实施例棒节段可具 有不同的长度，以便适应部分长度棒的设计和/或各种间隔器位置和尺寸。
示例性实施例的棒节段可由抗腐蚀的并且与其它反应堆构件相 容的材料来构成。例如，可使用锆合金来制造示例性实施例的棒节段。 上文已对示例性实施例燃料棒节段进行了描述，将了解的是，对"棒 节段，，或"燃料棒节段，，的任何参考都援引以上描述，而单独使用的 "燃料棒"或"棒"指的是背景技术部分中所描述的连续棒。
如图3B所详细示出的，间隔器20可在转接器组件300处接触棒 组件100，以便大致覆盖转接器组件300。作为备选，缺少燃料元件 的示例性实施例的棒节段110可在棒节段110之间的连接点115处连 结其它示例性实施例的棒节段110。因此，可以消除或者减少在这些 点115处由于间隔器20接触棒节段而产生的磨损。虽然仍可发生磨 损，但微动磨损可在转接器组件300上或未装燃料的棒节段上发生， 而不是在装有燃料的节段110a或110b上发生。因此，这便可消除或 减少内含物(contents)潜在地从示例性实施例的棒节段110内释放到反 应堆冷却剂中。
图4是示例性实施例棒节段110的局部剖视图，显示了棒节段110 中的内部结构。如图4所示，中心壳体150存在于棒节段中，并且由 外包壳151所围绕。第一配接结构140a和第二配接结构140b分别布 置在棒节段110的相应的第一端和第二端，并且密封中心壳体150。 配接结构140a和140b可允许棒节段110可移除地配接到包括上述棒 节段的其它结构上。
示例性棒节段110可在中心壳体150内包括一个或多个燃料元件 160。各个燃料元件160可在适当的物理介质(例如陶瓷氧化物等)中包 括一个或多个核燃料，例如铀和/或钚。燃料元件160可形成为如图4 所示的"芯块"；然而，也可使用其它物理形状，例如球形、六面体 等。元件160可在壳体150内沿轴向对齐，以便沿着棒节段110的纵 向轴线堆叠。
示例性棒节段110还在中心壳体150内包括一个或多个内部间隔
8元件180，这些间隔元件180在壳体150内与任意燃料元件160同轴 地放置。内部间隔元件180在示例性实施例的棒节段110内将燃料元 件160刚性地限制到特定的轴向位置和/或间隔距离处。
内部间隔元件180可以在示例性棒节段110内以多种距离来放 置。内部间隔元件180的位置可影响示例性棒节段的中子发生特性和 发热特性(如下文所述)，从而允许在保持发热限制的同时有更多的发 电量。
例如，如图4所示，内部间隔元件可以在朝向第一配4^结构140a
的方向上，以比朝向第二配接结构140b时更大的频度(frequency)来放
置。这样，间隔元件180可通过朝向第二配接结构140b(即朝向棒节
段100的第二端)提高燃料浓度，来有效地改变燃料浓度、相关的中子 通量和加热特性。
作为另一个示例，在运行的核堆芯中，冷却剂可沿着图4中的示 例性棒110而按照图中所示的方向流动。如上所述，图3B中所示的 间隔器20可放置在第一配接结构140a和第二配接结构140b处，或放 置在该第一和第二配接结构附近。间隔器20可使流经间隔器的冷却 剂混合，并且随着冷却剂沿着图4中箭头所示的方向流动，该冷却剂 可在沿着棒节段110的边界层的位置处变得较少混合。随着冷却剂沿 图4所示的方向远离第二配接结构140b附近的间隔器20而流动，冷 却剂可具有逐渐降低的对流传热特性。因此，在冷却剂到达下一个间 隔器20之前，热传递不足和妨碍临界功率比(critical power ratio)的最 大风险可发生在第一配接结构140a附近，此处冷却剂最少混合并且最 热。
图4所示的相隔一定距离放置的内部间隔元件180,可有效地减 少燃料量和第一配接结构140a附近处的发热量，从而在当冷却剂变得 较少混合和/或对流热传递的能力降低时，减少对冷却剂的必需的传热
热传递不足，并且从而提高使用示例性实施例的棒节段110的反应堆效率。
同样地，如图4所示，朝向示例性实施例的燃料节段端部而定位 的燃料元件160a可具有不同的燃料浓度，例如较高的或者较低的铀浓 度，以进一步加强和补充对通过内部间隔元件180而获得的轴向热分 布的影响。
作为备选，内部间隔元件180可以其它间隔来放置，该间隔影响 示例性实施例的棒节段110的中子发生特性和/或发热特性，并且具有 不同间隔的节段可结合成用以产生总体更高效的堆芯。例如，放置在 堆芯内的轴向位置处的具有极高中子通量水平的棒节段110可包括更 多的内部间隔元件180，以有效地减少该特定轴向位置处的燃料含量 和燃料流量。通过间隔器元件位置而改变的其它中子特性可包括，例 如，示例性实施例的燃料棒节段的氢铀比、中子吸收截面和中子散射 截面。这样，内部间隔元件180可提供精制的才几构，通过该才几构来影 响包括示例性实施例的棒节段110的核堆芯内的中子通量。
内部间隔元件180还可提高示例性实施例的棒节段110的机械特 性。如上所述，放置在第一配接结构140a和第二配接结构140b附近 的间隔器20可磨损节段110。如图5所示，如果在运行期间由于间隔 器20交叠或滑动而使包括核燃料的棒节段110受到磨损，则连续地 并且邻近第一配接结构140a和/或第二配接结构140b地放置内部间隔 元件180可防止或减少包括在节段110中的燃料元件160的释放。也 就是说，附加的间隔元件180可环绕间隔器20而提供更长的长度， 在间隔器20处，可发生磨损，且燃料元件160或者其部件通过该磨 损的溢漏减少或者没有溢漏，即便间隔器20滑动或与包含燃料的棒 节段110相互交叠时也是如此。这样，内部间隔元件180可影响和/ 或提高示例性实施例的棒节段110的机械特性。
内部间隔元件180可由多种材料形成并具有多种物理形状，以便 获得上述功能。内部间隔元件180的尺寸通常设定成适于装配在壳体 150内，并且其形状通常设定成用以在燃料元件160之间刚性地保持间隔距离。例如，球形、圓柱形、盘形，圆盘形、环形、管形、六面 体和/或环面形都可以是实现上述间隔功能的间隔元件180的功能性
形状。内部间隔元件180沿着纵向轴线方向通常是刚性的，以便在燃 料元件160之间保持恒定的间隔距离。内部间隔元件可随燃料元件160 而"漂移"，保持燃料元件之间的相对的轴向位移，但允许内部间隔 元件和燃料元件相对于壳体和燃料棒节段移动。
如图4所示，示例性实施例的燃料棒可包括对燃料元件160和/ 或间隔元件18(M是供压缩力的弹簧或有阻力的元件185。这种有阻力 的元件185可包括由在运行的核反应堆环境中保持其弹性和其它物理 特性的材料而制成的线圈、片状弹簧等。在整个运^t的燃料周期中，
形状和定向的变化。
图6显示了具有环形形状的示例性内部间隔元件280。环形形状 的内部间隔元件280可沿轴向刚性地隔开燃料元件，并且允许裂变气 体产物填充环状部的中心。因此，图6所示的示例性内部间隔元件280 可提供带有用以容纳气体、液体和/或固体裂变产物的额外空间的示例 性实施例的燃料棒节段，并且该示例性实施例燃的料棒节段可要求较 少的其它空间来容纳这些产物。此外，可存在入口孔281，以便在燃 料芯块堵塞通向环状部的入口时，允许裂变产物、特别是气体和液体 裂变产物迁移到环状部中。这样，裂变产物就可通过壳体中的间隙而 迁移到环状部中。
图7A显示了具有实心圆柱形状的示例性内部间隔元件380。实 心圆柱形的内部间隔元件3 80可沿轴向隔开燃料元件，并且因其是实 心的而可进一步地隔开示例性实施例的棒节段。如上所述，内部间隔 元件380可大致接合(meet)壳体150的内径23(图2所示），以便有助 于间隔化。示例性间隔元件380可防止裂变产物贯穿示例性实施例的 棒节^a进行迁移，并且可在磨损的情况下由于迁移经过实心内部间隔 元件380的裂变产物的减少而减少了裂变产物的移动。表面构造。如图7B所示，示例性实施例的内部间隔元件381可在其 至少一个表面中具有机加工的凹腔384,以容纳裂变产物在其中积聚， 而不允许裂变产物穿过示例性实施例的内部间隔元件381 。图7C显示 了示例性实施例的内部间隔元件382,其具有不穿过示例性实施例的 内部间隔元件382整个轴向长度的多个部分钻过的孔385。孔385可 容纳裂变产物累积而不允许裂变产物穿过示例性元件382。图7D显 示了另 一个示例性实施例的内部间隔元件383,其具有内凹的/凹陷的 表面。该内凹的/凹陷的表面可允许裂变产物在该凹部中积聚，而不允 许该产物穿过示例性间隔元件383。
内部间隔元件180可根据其将怎样影响示例性实施例的燃料节段 而由多种材料制成。例如，在将间隔元件设计成用以降低有效燃料浓 度的情况下，间隔器可以由具有小于常规核燃料的热中子吸收截面和 /或散射截面如低于5靶的材料制成。这些示例性内部间隔元件180可 以由锆或具有低的总中子截面的另 一刚性材料如因科镍合金而制成。 作为备选，间隔元件可用于吸收中子流，在这种情况下，内部间隔元 件可以由具有更高的热中子吸收截面的材料来形成，例如包括硼。
内部间隔元件180还可由大致接合壳体150内壁23的材料制成。 该材料可以是可膨胀的或有阻力的，以便提供刚性的轴向间隔和约 束，从而隔开壳体150并防止或者减少裂变产物迁移。这种材料可用 于使得磨损长度增加而不会从示例性实施例的棒节段中释放燃料元 件的间隔器元件。内部间隔元件180还可以由隔热材料或导热材料制 成，以便进一步影响示例性实施例的棒节"R的发热特性。
图8显示了在燃料棒节段中使用间隔元件的示例性方法。如步骤 S100所示，工程师、计算机程序和/或其它使用者根据节段在堆芯中 的位置来确定该特定棒节段所需的中子特性、机械特性和热力学特 性。例如，工程师可能希望节段产生更大的底部峰值轴向通量，以改 善朝向堆芯顶部的排放和钚的生成。在S200中，工程师、计算机程序或其它使用者根据核领域中的公知方法，来计算棒节段内所需的燃 料浓度和位置，使得运行的核堆芯的特性和状态开始生效。在步骤
S300中，将间隔元件和燃料元件放置在燃料棒节段内，以获得符合所
计算的燃料浓度和位置的间距和相对位置。 一旦完成了该示例性方 法，便可将燃料棒节段放置在运行的核燃料堆芯中的指定位置，并且 生成输入到示例性方法中的所需特性。
因此，通过对示例性实施例和方法进行描述，本领域技术人员将
进一步的创造性活动。例如，虽然本公开内容提出了内部间隔元件可 用于棒节段，但该内部间隔元件还可用于任何棒，例如图1的单独的
连续棒18和19，并且可获得燃料棒节段中的所述连续棒的相同功能。 这些变型不认为是脱离了示范性实施例的精神和范围，并且意图使得 所有这些对于本领域技术人员显而易见的修改包含在所附权利要求 的范围内。