ES2283042T3 - Estructura elastica superior de retencion hacia abajo para un conjunto de combustible de reactor nuclear. - Google Patents
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Abstract
Una estructura de resorte de apoyo superior para un conjunto combustible de reactor nuclear. Un resorte de apoyo superior 20 montado sobre una superficie superior de una boquilla superior 11 de un conjunto combustible para reactor de agua a presión se compone de un resorte de placa superior 21 que tiene características de resorte de plástico y un resorte de placa inferior 23, extremos de base a los cuales se fijan con un perno de fijación 18 en una posición común- El resorte superior 21 y el resorte inferior 23 están hecho de aleación de base de níquel endurecido por precipitación y el espesor de los resortes se determina de manera a mantener las fuerzas generadas menos sensibles al craqueo por corrosión de fuerza.
Description
Estructura elástica superior de retención hacia
abajo para un conjunto de combustible de reactor nuclear.
Esta invención se refiere a la estructura de un
conjunto combustible para un reactor nuclear y, en particular, a la
estructura de un resorte de retención montado en una tobera o
abertura superior del conjunto combustible para un reactor
nuclear.
Un conjunto combustible comúnmente usado en un
reactor de agua presurizado comprende, en general, una tobera
superior y una inferior, una enfrente de otra con un espacio entre
ellos, una pluralidad de tubos de guía huecos para las barras de
control que se extienden paralelos y separados unos con respecto a
otros entre estas toberas, estando ambos extremos de los tubos de
guía sujetos a las toberas, una pluralidad de rejillas de soporte
de barras de combustible montadas en los tubos de guía y dispuestas
para estar separadas una de otra a lo largo de la longitud de los
tubos, y una pluralidad de barras de combustible que se extienden a
través de y soportadas por estas rejillas de soporte de barras de
combustible, extendiéndose las barras de combustible paralelamente
a y separadas unas de otras. Las barras de combustible están
dispuestas con espacios entre una y otra en direcciones
ortogonales, es decir, en la dirección de fila y línea de la
rejilla. Así, el conjunto combustible se llama de un tipo de 17x17,
15x15, etc., de acuerdo con el número de líneas y filas.
Además, tales conjuntos combustibles son
colocados y cargados en una placa de núcleo en una cuba de reactor
nuclear mientras la porción superior del mismo es mantenida por una
placa de núcleo superior. Así, durante la operación del reactor
nuclear, puesto que el refrigerante del reactor, después de fluir
hacia el interior a través de muchos agujeros de flujo de la placa
de núcleo inferior, pasa a través de una tobera inferior, fluye
hacia arriba a lo largo de las barras de combustible, y después
fluye hacia arriba a través de la tobera superior, el conjunto
combustible experimenta una fuerza de flujo de refrigerante hacia
arriba. Por otro lado, se genera una diferencia de expansión
térmica entre una estructura en el interior del núcleo que incluye
la placa de núcleo superior e inferior y el conjunto combustible; y
también, el conjunto combustible crece o su longitud aumenta a
partir de la exposición a neutrones. De acuerdo con esto, un resorte
de retención está acoplado sobre la tobera superior y es usado para
absorber cambios de longitud tal como el diferencial de expansión
térmica, etc. y para sujetar el conjunto combustible en su posición
de diseño contra la fuerza de flujo del refrigerante. Tal resorte
de retención se describe, por ejemplo, en el documento U.S.
5.053.191.
Una estructura convencional de resorte de
retención usado en un llamado conjunto combustible del tipo 17x17
se muestra en la Fig. 4. En el dibujo, un resorte de retención 1 es
un resorte de material compuesto que comprende dos resortes
inferiores 3 y un resorte superior 5 y los extremos de base de los
mismos están sujetos sobre una superficie superior de la tobera
superior 9 del conjunto combustible antes mencionado. Como se ve en
el dibujo de detalle de la Fig. 5, en una porción de extremo
distante de los resortes inferiores 3 se practica una ranura 3a que
se extiende en una dirección lateral, a través de la cual se
extiende una porción orientada verticalmente 5a del resorte
superior 5. La porción orientada verticalmente 5a del resorte
superior 5 está conectada a través de una porción doblada 5b hacia
un cuerpo principal del mismo y un resalto 5c de apoyo está
conformado en el extremo inferior de la porción doblada 5b. Así, el
resorte superior 5 que puede doblarse en una dirección vertical se
sitúa en contacto con una superficie superior de un resorte inferior
3 en el resalto 5c de apoyo tras la deformación inicial, y tras lo
cual el resorte superior 5 y los resortes inferiores 3 se deforman
como una estructura. En otras palabras, el resorte de retención 1
tiene características no lineales, mientras que el resorte superior
5 tiene características de resorte plástico como se ilustra en la
Fig. 6. Tales características de resorte se emplean después de
permitir aumentos en la longitud total del conjunto combustible
acompañados de un aumento de la combustión del conjunto combustible
o de las horas de operación acumuladas, y un diferencial de
expansión térmica entre una estructura en el interior del núcleo y
el conjunto combustible durante la operación (estado caliente).
Además, considerando el ambiente de operación y la resistencia a la
tensión que se necesita, se usa una aleación a base de níquel
endurecida mediante precipitación como material para el resorte de
retención 1.
En cuanto al resorte de retención convencional
anteriormente mencionado, se genera una tensión máxima en la
porción de base cerca de la porción de sujeción del extremo de base.
Esta tensión es relativamente alta y por consiguiente existe el
temor de que ocurra un agrietamiento debido a corrosión por tensión
debido a las condiciones de alta temperatura en el reactor nuclear
y a las características del material utilizado.
De acuerdo con esto, un objeto de la presente
invención es proporcionar un resorte de retención superior de un
conjunto combustible para un reactor nuclear que esté libre de la
aparición de agrietamiento debido a corrosión por tensión, pero que
todavía proporcione de manera segura la fuerza de resorte
requerida.
Con el fin de resolver el problema descrito
anteriormente, de acuerdo con la presenten invención se proporciona
una estructura que comprende un resorte de retención superior y un
conjunto combustible para un reactor nuclear, comprendiendo el
conjunto combustible una tobera superior y una inferior separadas
entre sí y una enfrente de otra; una pluralidad de tubos de guía
huecos que se extienden paralelas y separados entre sí entre las
toberas y sujetos en ambos extremos de los mismos a las toberas; una
pluralidad de rejillas de soporte de barras de combustible, cada
una de ellas firmemente montada en los tubos de guía huecos y
separadas entre sí en la dirección de la longitud; y una pluralidad
de barras de combustible que se extienden cada una a través y están
soportadas por las rejillas de soporte de barras de combustible,
extendiéndose las barras de combustible en paralelas y separadas
entre sí, en la que el resorte de retención superior que está
montado en una superficie superior de la tobera superior comprende
un resorte de placa superior con características de resorte
plásticas y un resorte de placa inferior, teniendo los citados
resortes de placa extremos de base y estando los citados extremos
de base de los resortes de placa sujetos en una posición común, y
ambos resortes de placa están hechos de una aleación a base de
níquel endurecido mediante precipitación, caracterizada porque los
resortes de placa tienen un espesor entre 4,6 a 5,2 mm con el fin
de proporcionar un valor de tensión que es menos sensible al
agrietamiento debido a corrosión por tensión.
Realizaciones de la presente invención se
describirán ahora a modo de ejemplo con referencia a los dibujos
que se acompañan, en los cuales:
la Fig. 1 es una vista en alzado en sección
parcial que muestra una porción esencial de una realización
preferida de la invención;
la Fig. 1a es una vista en perspectiva parcial
que muestra la porción esencial de la realización preferida;
la Fig. 2 es una vista en alzado, en sección
acortada, de un conjunto combustible de la realización;
la Fig. 3 es un gráfico para explicar el
funcionamiento de la presente invención;
la Fig. 4 es una vista en alzado en sección
parcial que muestra parcialmente la estructura de un resorte de
retención convencional;
la Fig. 5 es una vista en perspectiva parcial
que muestra una porción designada por la letra V en la Fig. 4;
y
la Fig. 6 es un gráfico que muestra las
características de un resorte con una estructura convencional.
Se describe a continuación una realización
preferida de la invención con referencia a los dibujos que se
acompañan. Primero se describirá la estructura de un conjunto
combustible 10 se describirá en referencia a la Fig. 2. En la Fig.
2, el conjunto combustible 10 se muestra en un estado en el que se
ha situado entre una placa de núcleo inferior "A" y una placa
de núcleo superior "B" y una tobera o abertura superior 11 de
la construcción descrita anteriormente y una tobera o abertura
inferior 13 situada en la placa de núcleo inferior "A" y
conectadas entre sí mediante una pluralidad de tubos de guía 15
huecos. Los tubos de guía 15 huecos se usan generalmente para guiar
las barras de control (no mostradas), a las cuales están sujetas una
pluralidad de rejillas 17 de soporte de barras de control situadas
con una distancia entre ellas en la dirección de la longitud. Estas
rejillas 17 de soporte tienen aberturas de rejilla situadas en 15
líneas y 15 filas y una pluralidad de barras 19 de combustible son
colocadas individualmente a través de muchas aberturas que no
reciben los tubos de guía 15 huecos y están por ello soportados por
la rejilla 17 de soporte. Además, los resortes de retención 20 están
colocados en una superficie superior de tobera superior 11 a lo
largo de dos bordes de lado paralelos de una manera
convencional.
En referencia a la Fig. 1, la estructura del
resorte de retención 20 se describirá adicionalmente con detalle.
En la Fig. 1, la tobera superior 11 tiene una placa de tobera 11a
generalmente rectangular en la cual están mecanizados
distributivamente varios agujeros de flujo de refrigerante, y una
pared lateral 11b en forma de caja que se extiende hacia arriba
desde el borde circunferencial de la placa de tobera 11a. Un extremo
de base del resorte de retención 20 está fijado y sujeto mediante
un tornillo 18 de fijación en una sección de sujeción 11c formada
en una sección de esquina superior de la pared lateral 11b. El
resorte de retención 20 está compuesto por un resorte superior 21 y
un resorte inferior 23 y el resorte superior 21 es un resorte de
placa con una anchura generalmente constante y fabricado mediante
conformación a partir de una pieza troquelada de Inconel 718 (marca
registrada) o de una aleación a base de níquel endurecido mediante
precipitación. Además, como se muestra claramente en la Fig. 1a en
particular, el resorte de placa superior 21 tiene un cuerpo
principal 21a, una porción doblada 21b y una porción orientada
verticalmente 21c. El resorte de placa inferior 23 tiene una ranura
23a que se extiende en la dirección de la anchura en su porción de
extremo distante para recibir la porción orientada verticalmente
21c. Así, los resortes de placa superior e inferior 21, 23 están
combinados entre sí con el fin de formar el resorte de retención
superior 20, como se muestra en las Figs. 1 y 1a. Como se muestra
también en la Fig. 1a, el resorte de placa superior 21 tiene un
resalto 21d de apoyo que está en contacto con una superficie
superior del resorte de placa inferior 23 después de una deformación
inicial y por ello el resorte de placa superior e inferior 21, 23
trabajan como un medio de resorte integrales.
Cuando el conjunto combustible 10 equipado con
el resorte de retención 20 construido de la manera descrita
anteriormente es cargado en el núcleo de un reactor nuclear en el
estado mostrado en la Fig. 1, tiene lugar una deformación inicial
en el resorte de retención. Puesto que está en tal estado frío, el
refrigerante del reactor es forzado a fluir a través del núcleo por
una bomba de refrigerante, el grado de la deformación inicial es
determinado a partir de sus características elásticas para soportar
una fuerza flotante que actúa sobre el conjunto combustible 10.
Además, cuando el reactor nuclear alcanza la operación de potencia y
una condición "caliente", la expansión térmica de la
estructura del núcleo interior, que incluye la placa de núcleo
inferior "A" y la placa de núcleo superior "B", se hace
relativamente más larga, teniendo como resultado una disminución de
la deformación del resorte. La relación entre la fuerza del resorte
en estado frío F_{c}, la fuerza del resorte en estado caliente
F_{H} y la tensión del resorte en estado caliente \sigma_{H}
que corresponde a tal deformación y el espesor del resorte de placa
t se ilustran en la Fig. 3. Con el fin de mostrar comprensiblemente
un estado en el cual estas relaciones cambian con el número de
placas de resorte n como parámetro, se ilustran también como
referencias casos en los cuales n es igual a 3 (estructura
convencional) y n es igual a 1. Además, en un gráfico de la fuerza
del resorte en estado frío F_{c} y la fuerza del resorte en
estrado caliente F_{H}, los valores de límite inferior y superior
son determinados por la fuerza que se necesita para evitar la
elevación del conjunto combustible 10 y el límite permisible a la
vista de la resistencia de la tobera superior, respectivamente.
Como resulta evidente de la Fig. 3, el resorte
de retención 20 (n = 2) de la realización preferida de acuerdo con
la presente invención satisface las condiciones requeridas para la
fuerza del resorte en estado frío F_{c} y la fuerza del resorte
en estado caliente F_{H} en el intervalo en el que el espesor t
del resorte de placa es 4,6~5,2 mm, y la tensión del resorte en
estado frío \sigma_{H} está también confinada en un intervalo
en el que la sensibilidad al agrietamiento debido a corrosión por
tensión es pequeña. Además, en la estructura convencional (n = 3,
indicada por estrellas en el dibujo) el espesor t del resorte de
placa es 4,0 mm, que satisface las condiciones requeridas de la
fuerza del resorte en estado frío F_{c} y la fuerza del resorte en
estado caliente F_{H}, pero la tensión del resorte en estado
caliente \sigma_{H} es relativamente grande. Aunque es posible
disminuir el número n de los resortes de placa a 1 con el fin de
reducir más la tensión del resorte en estado caliente
\sigma_{H}, tal opción satisface los requisitos de la fuerza del
resorte en estado frío F_{c}, pero no satisface los de la fuerza
del resorte en estado caliente F_{H}. Como resultado, tal opción
no es adecuada.
Además, en la realización preferida descrita
anteriormente, puesto que el resorte de placa superior 21 tiene las
mismas características elásticas de plástico que el resorte
convencional, la tensión del resorte en estado caliente
\sigma_{H} no variará significativamente cuando el conjunto
combustible 10 aumente por la exposición a neutrones.
Como se ha descrito anteriormente, de acuerdo
con la presente invención, el número adecuado de resortes de placa
que constituye el resorte de retención fijado a la tobera superior
del conjunto combustible está establecido en dos (2), y el espesor
del resorte de placa es establecido en un intervalo adecuado,
disminuyendo por ello la tensión del resorte en estado caliente
\sigma_{H} y la sensibilidad al agrietamiento debido a corrosión
por tensión. Como resultado, el conjunto combustible puede ser
retenido y mantenido en una posición adecuada predeterminada
durante la operación del reactor y el agrietamiento debido a
corrosión por tensión puede evitarse.
Claims (2)
1. Una estructura que comprende un resorte de
retención superior (20) y un conjunto combustible para un reactor
nuclear, comprendiendo el conjunto combustible una tobera o abertura
superior y una inferior (11, 13) separadas entre sí y una enfrente
de otra; una pluralidad de tubos de guía (15) huecos que se
extienden paralelos y separados uno de otro entre las toberas y
están sujetos en ambos extremos de los mismos a las toberas; una
pluralidad de rejillas (17) de soporte de barras de combustible,
cada una montada firmemente en los tubos de guía (15) huecos y
separadas una de otra en la dirección de la longitud; y una
pluralidad de barras (19) de combustible que se extienden cada una
a través y están soportadas por las rejillas (17) de soporte de
barras de combustible, extendiéndose de las barras (19) de
combustible en paralelo y separadas una de otra, en la que el
resorte de retención superior (20) que está montado en una
superficie superior de la tobera superior (11) comprende un resorte
de placa superior (21) con características elásticas de plástico y
un resorte de placa inferior (23), teniendo los citados resortes de
placa extremos de base, y estando los citados extremos de base de
los resortes de placa (21, 23) fijados en una posición común, y los
dos resortes de placa (21, 23) están hechos de una aleación a base
de níquel endurecida mediante precipitación, caracterizada
porque los resortes de placa tienen un espesor entre 4,6 a 5,2 mm
con el fin de proporcionar un valor de tensión que es menos
sensible al agrietamiento debido a corrosión por tensión.
2. La estructura de un resorte de retención
superior (20) de un conjunto combustible para un reactor nuclear
como la descrita en la reivindicación 1, caracterizada porque
el resorte de placa inferior (23) tiene una ranura (23a) que se
extiende en una dirección lateral en una porción de extremo distante
del mismo, el resorte de placa superior (21) tiene una porción
doblada (21b) y una porción orientada verticalmente (21c) con un
resalto (21d) de apoyo, y los resortes de placa superior e inferior
están montados de manera que la porción orientada verticalmente
(21c) se extiende a través de la ranura (23a) por debajo del resalto
(21d) de apoyo.
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