新一代壓水堆燃料組件技術特點及其在華專利申請

高尚梅，盧 慧，李 燁，王 朋，閆兆梅，孫成林，羅立冬

（中國核科技信息與經濟研究院，北京 100048）

新一代壓水堆燃料組件技術特點及其在華專利申請

高尚梅，盧 慧，李 燁，王 朋，閆兆梅，孫成林，羅立冬

（中國核科技信息與經濟研究院，北京 100048）

以美國西屋電氣公司的 Next Generation Fuel 燃料組件技術特點為線索，收集了美國西屋電氣公司在中國燃料組件技術方面的專利申請和專利文獻，從中篩選出與NGF燃料組件技術特點符合的專利申請和專利文獻，對其技術方案進行了深入剖析，從中了解西屋新一代壓水堆燃料組件技術的發展趨勢。

美國西屋；壓水堆燃料組件；專利

美國西屋電氣公司（簡稱西屋）繼PERFORMANCE+燃料組件和ROBUST燃料組件之后，在多年燃料組件設計、生產、使用經驗的基礎上，提出了Next Generation Fuel（簡稱NGF）壓水堆燃料組件，該NGF燃料組件集中體現了西屋壓水堆燃料組件技術的發展趨勢。

1 格架設計增大了包殼與燃料組件柵格的磨損裕度

NGF增加格架與燃料棒的接觸面積，網格壁面上下各有一個卡緊燃料棒的波紋，而中間是與波紋反向凸出的彈簧。彈簧是縱向布置的，并非對角線布置。彈簧的剛度減弱，以減小靜態和動態載荷。同樣，波紋的形狀也做了優化，以降低卡緊的剛度。這些設計在實驗中得到驗證，增大了包殼與燃料組件柵格的磨損裕度。

西屋針對NGF燃料組件的上述技術特點的技術方案在中國提出了專利申請，并且取得了專利權，其專利號：ZL03136814.X，專利文獻中公告的具體結構，如圖1和圖2所示。一種定位格架，多個條帶以網格方式相互交織形成多個單元格。技術改進點/專利保護點：

（1）每個條帶限定至少一個單元格的一個壁包括一個突出彈簧和一個突出凹陷，該彈簧和凹陷設置在形成于相應帶元件中的單一溝槽的至少一部分的交替側部，該溝槽大致位于條帶的中間；

圖1 NGF燃料組件結構（ZL03136814.X）示意圖（一）Fig.1 Schematic view of NGF fuel assembly (ZL03136814.X) (1)

圖2 NGF燃料組件結構（ZL03136814.X）示意圖（二）Fig.2 Schematic view of NGF fuel assembly (ZL03136814.X）(2)

（2）每個單元格設有一對彈簧和一對凹陷，其中一對彈簧和其中一對凹陷彼此直接面對，另一對彈簧和另一對凹陷彼此直接面對；

（3）一對彈簧和一對凹陷具有基本上相同的高度和寬度，彈簧輪廓和凹陷輪廓分別與燃料棒至少一部分外表面齒合。

2 強化導熱

NGF采用了帶攪渾翼的格架，以強化傳熱，增加DNB裕度。采用了ROBUST的技術特點和技術方案。

西屋針對NGF燃料組件的上述技術特點的技術方案在中國提出了專利申請，并且取得了專利權，其專利號：ZL98806803.6，專利文獻中公告的具體結構，如圖3所示。一種定位格架，夾持燃料棒的單元網格壁上設有上、下沖壓區，上、下沖壓區沿著一個方向凸出并形成波紋，單元格壁上還具有冷卻液混合葉片，混合葉片從條帶上邊伸出。在相交的條帶之一具有一條從其上端邊沿著交線延伸的狹縫，另一條相交的條帶具有一條從其下端邊沿著交線延伸的狹縫，狹縫相互相交構成一個雞蛋框模式。技術改進點/專利保護點：

圖3 NGF燃料組件結構（ZL98806803.6）示意圖Fig.3 Schematic view of NGF fuel assembly (ZL98806803.6）

（1）由單元網格壁上兩個平行對角線狹縫形成彈簧，彈簧與對面單元格壁上的波紋支撐了燃料棒；在形成彈簧的單元格壁中，平行對角線狹縫的任一端終止在單元格壁中的狹縫中，該狹縫沿著平行于單元格壁的交線作延伸，在相鄰狹縫端之間作出的虛線平行于單元格壁的交線；

（2）狹縫延伸到大于條帶高度的一半；

（3）對角線彈簧至少沿著一條邊的一部分上有一個倒角；

（4）形成對角彈簧的平行狹縫與單元格壁的交線成45°角。

3 WIN上管座

西屋的一體化WIN上管座從1990年開始已在歐洲得到成功應用，并計劃在其新的NGF燃料組件中應用。彈簧整個被一個鑄件約束，沒有任何螺母，以保證在運行中無故障。

西屋針對NGF燃料組件的上述技術特點的技術方案在中國提出了專利申請，并且取得了專利權，其專利號：ZL200480009895.X，專利文獻中公告的具體結構，如圖4所示。一種可吸收膨脹、沖擊的可拆卸上管座，技術改進點/專利保護點：

（1）一個上管狀筒組件，包括外套筒及其內部中間位置的壓緊板，壓緊板上具有一個中心孔和多個輔助孔；一個上轂塞組件，包括棒彈射板、中心管、支撐管、內筒和支腿構成，內筒位于棒彈射板的上部，兩者之間借助于彈射板中間延伸的中心管和中心管周圍延伸出的支撐管連接，若干支腿連接在棒彈射板和內筒下端之間；

（2）一個彈簧裝置，包括螺旋彈簧和反作用板。先在中心管和支撐管上均套裝螺旋彈簧，再在中心管和中心管內側的支撐管上套裝反作用板。將外套筒套裝到內筒，中心管、支撐管延伸到壓緊板的中心孔和多個輔助孔內，外套筒可以沿著內筒的外壁、中心管和支撐管滑動。

4 優化Zirlo合金

NGF的燃料棒包殼、套管、中間格架以及柵格都采用優化Zirlo合金。

圖4 NGF燃料組件結構（ZL200480009895.X）示意圖Fig.4 Schematic view of NGF fuel assembly (ZL200480009895.X）

西屋針對NGF燃料組件的上述技術特點的技術方案在中國提出了專利申請，并且取得了專利權，其專利號：ZL01805237.1，專利文獻中公告的技術方案，如圖5所示。一種優化Zirlo合金，技術改進點/專利保護點：

低錫含量的鋯合金基本上由質量分數為0.60%～2.0%的Nb和Sn、Fe組成。圖5給出了Sn質量分數和Fe質量分數關系：當Sn為0.25%時，Fe為0.50%；當Sn為0.40%時，Fe為0.35%～0.50%；當Sn為0.50%時，Fe為0.25%～0.50%；當Sn為0.70%時，Fe為0.05%～0.50%；當Sn為1.0%時，Fe為0.05%～0.50%。其中，Fe和Sn的質量分數之和大于0.75%，其他另外的組成元素不超過0.50%，余量為Zr。

上述優化Zirlo合金的生產方法，包括：1）混合干燥成分；2）真空熔融這些成分；將熔融體段造成所需形狀；3）β熱加工后快速冷卻；4）熱加工；5）在α相溫度范圍內進行冷加工和中間再結晶退火；6）在450～625 ℃范圍內，以消除應力退火或再結晶退火形式，進行最終退火。

圖5 NGF燃料組件結構（ZL01805237.1）示意圖Fig.5 Schematic view of NGF fuel assembly (ZL01805237.1）

5 燃料棒彈簧片

NGF采用彈簧片以提高燃料棒內部壓力裕度。利用彈簧片來取代以前的盤繞式彈簧能夠增大空腔，容納更多的裂變氣體。

6 ZrB2一體化可燃毒物吸收體

西屋的ZrB2一體化可燃毒物吸收體對降低燃料成本很關鍵。它能夠充分利用燃料，無殘余毒物抑制，中子經濟性好。

西屋針對NGF燃料組件的上述技術特點的技術方案在中國提出了專利申請，但是尚未取得專利權，申請號：200510109634.1，其專利申請文獻所公開的技術方案為：一種硼或濃縮硼-10在UO2中的用途，旨在提供一種具有一體的可燃吸收劑，其在成本上合理，且在沒有產生額外的反應性材料的情況下，可延長燃料的壽命。技術改進點：

（1）在燃料組件內大于50%所述的燃料棒中至少一個燃料芯塊包括：錒系元素氧化物、錒系元素碳化物或錒系元素氮化物和含硼化合物的燒結混合物，上述錒系元素氧化物不僅限于UO2、PuO2或其混合物；

（2）含硼化合物選自ZrB2、TiB2、MoB2、UB2、UB3、BC4、PuB4及其結合；

（3）在所述的燃料芯塊內燃料的總含量，所述的含硼化合物以(5～20 000) ppm的用量存在于所述燃料芯塊內。

7 碎片過濾增強的下管座

西屋針對NGF燃料組件的上述技術特點的技術方案在中國提出了專利申請，但是尚未取得專利權，申請號：200510004033，其專利申請文獻公開的具體結構，如圖6所示。碎片過濾下管座，減少下管座上的壓降，技術改進點：

圖6 NGF燃料組件結構（200510004033）示意圖Fig.6 Schematic view of NGF fuel assembly (200510004033）

（1）將直管流通孔（帶有進口切角），設置成文丘里管輪廓的流通孔。文丘里管輪廓的流通孔改善了下管座的水力性能，明顯減少了壓降。文丘里管輪廓的流通孔的收縮喉部直徑相當于標準碎片過濾下管座的流通孔直徑，碎片過濾能力沒有減退；

（2）文丘里管輪廓的流通孔具有一個雙進口切角和一個單出口切角，被優化以提供最低壓降。

8 軸向屏蔽層

NGF在燃料組件束的上、下部設置了6～8英尺的中子屏蔽層[1]，以減少中子從堆芯的泄漏，提高了中子經濟性，以允許18～24個月的長燃料周期。

[1] Westhouse Next Generation of PWR Fuel Design—VANTAGE5[EB]. www.westinghousenuclear. com.

Features of new generation PWR fuel assembly

GAO Shang-mei，LU Hui，LI Ye，WANG Peng，YAN Zhao-mei，SUN Cheng-lin, LUO Li-dong
（China Institute of Nuclear Information and Economics，Beijing 100048，China）

Based on the features of Next Generation Fuel (NGF) of Westinghouse Electric Company (USA), the Chinese patents and patent applications of Westinghouse Electric Company are collected and studied. With the concentration on NGF fuel assembly, the new technology for Pressurized-Water Reactor is analyzed in details and the development tendency of NGF fuel assembly of pressurized-water reactor designed by Westinghouse is concluded.

Westinghouse Electric Company (USA)；fuel assembly of pressurized-water reactor；patent

TL35

A

1674-1617(2010)02-0186-04

2010-04-07

高尚梅（1965—），女，遼寧人，本科，從事知識產權研究工作。