ТОПЛИВНЫЕ СТЕРЖНИ С КОНЦЕВЫМИ ДЕТАЛЯМИ В КАЧЕСТВЕ ОБЛУЧАЕМЫХ МИШЕНЕЙ
FUEL RODS WITH END PARTS AS BOMBARDED TARGETS

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Примерные варианты реализации в общем случае относятся к топливным системам и материалам, используемым в атомных электростанциях.
Описание известного уровня техники
В общем случае, атомные электростанции включают в себя ядерный реактор, снабженный топливной системой для вырабатывания энергии посредством ядерного деления. В американских атомных электростанциях обычная конструкция топливной системы состоит из множества топливных стержней, связанных в топливную сборку или топливный пучок, помещаемый в ядерный реактор. Эти топливные стержни обычно включают в себя несколько элементов, соединяющих топливные стержни с компонентами сборки в различных осевых положениях по всей сборке.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Примерные варианты реализации относятся к топливному стержню, имеющему концевые детали на каждом конце стержня, содержащие специальные мишени. Концевые детали примерного варианта реализации могут содержать материалы, которые могут быть преобразованы в желаемые изотопы при облучении их потоком нейтронов. Концевые детали примерного варианта реализации могут быть изготовлены из выбранного материала(-ов) для мишени или могут быть полыми и содержать материал(-ы) мишени. Концевые детали примерного варианта реализации могут сопрягаться с различными топливными стержнями примерного варианта реализации полной длины и/или частичной длины и могут функционировать как верхняя и/или нижняя концевые заглушки, сопрягая топливные стержни с верхней и/или нижней направляющими пластинами.
Топливные стержни примерного варианта реализации могут в другом случае содержать стандартные компоненты, включая ядерное топливо, и быть пригодными для использования в действующем ядерном реакторе. Топливные стержни примерного варианта реализации, имеющие концевые детали примерного варианта реализации, могут, таким образом, производить различные желаемые изотопы в их концевых деталях с облучаемой мишенью, одновременно функционируя как обычные топливные стержни, обеспечивающие энергию для активной зоны ядерного реактора.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Примерные варианты реализации станут вполне очевидными из подробного описания приложенных чертежей, на которых подобные элементы имеют подобные же цифровые обозначения и которые даны только с целью иллюстрации и, таким образом, никак не ограничивают примерные варианты реализации.
Фиг.1 изображает топливную сборку, имеющую концевые детали примерного варианта реализации, прикрепленные к топливным стержням.
Фиг.2A, 2B, и 2C - иллюстрации топливных стержней примерного варианта реализации, включая концевые детали примерного варианта реализации.
Фиг.3 - детальная иллюстрация концевой детали примерного варианта реализации.
Фиг.4 - детальная иллюстрация другой концевой детали примерного варианта реализации.
Фиг.5 - детальная иллюстрация другой концевой детали примерного варианта реализации.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ
Ниже для иллюстрации детально раскрываются воплощения примерного варианта реализации. Однако раскрытые здесь конкретные конструктивные и функциональные детали являются исключительно иллюстративными и служат для рассмотрения примерных вариантов реализации. Примерные варианты реализации могут, однако, быть воплощены во многих дополнительных формах и не должны рассматриваться как ограниченные только сформулированными здесь примерными вариантами реализации.
Следует понимать что, хотя термины первый, второй и т.д. могут использоваться здесь для описания различных элементов, эти элементы не должны быть ограничены этими терминами. Эти термины используются только для того, чтобы отличить один элемент от другого. Например, первый элемент можно было бы назвать вторым элементом и, аналогично, второй элемент можно было бы назвать первым элементом, не отступая от области притязаний примерных вариантов реализации. Используемый здесь термин "и/или" включает в себя любые и все комбинации одного или нескольких соответствующих перечисленных объектов.
Следует понимать, что когда элемент упоминается как "присоединенный", "связанный", "сопряженный", "прикрепленный" или "установленный" относительно другого элемента, он может быть непосредственно соединен или связан с другим элементом или могут присутствовать промежуточные элементы. И напротив, когда элемент упоминается как "непосредственно соединенный" или "непосредственно связанный" с другим элементом, то нет никаких промежуточных элементов. Другие выражения, используемые для описания соотношения между элементами должны интерпретироваться подобным же образом (например, "между" относительно "непосредственно между", "смежный" относительно "непосредственно смежный" и т.д.).
Используемая в данном случае терминология служит только для описания вариантов реализации и не предназначена для ограничения примерных вариантов реализации. Используемые выражения в единственном числе включают в себя также и множественное число, если иной смысл явно не оговаривается. Кроме того, следует понимать, что используемые термины "содержит", "содержащий", "включает в себя" и/или "включающий в себя" определяют наличие установленных признаков, целых значений, этапов, операций, элементов и/или компонентов, но не исключают наличие или добавление одного или нескольких других признаков, целых значений, этапов, операций, элементов, компонентов и/или групп из этого.
Следует также отметить, что в некоторых альтернативных вариантах реализации, отмеченные функции/действия могут встретиться вне порядка, отмеченного на чертежах. Например, два последовательно показанных чертежа могут фактически быть выполнены по существу одновременно или могут иногда выполняться в обратном порядке, в зависимости от конкретных функциональных возможностей/действий.
Как показано на Фиг.1, топливная сборка 10 ядерного реактора, например, реактора BWR, может включать в себя внешний канал 12, окружающий верхнюю направляющую пластину 14 и нижнюю направляющую пластину 16. Множество топливных стержней 18 полной длины и/или топливных стержней 19 частичной длины могут быть установлены в матрице в пределах топливной сборки 10 и могут проходить через множество разделителей 20. Верхняя концевая деталь 120 примерного варианта реализации и/или нижняя концевая деталь 130 могут присоединять топливные стержни 18 и 19 к верхней и нижней направляющим пластинам 14 и 16, но в случае стержней 19 частичной длины такое присоединение имеет место только для нижней концевой детали 130. Концевые детали 120 и 130 примерного варианта реализации могут сопрягаться с верхней и нижней направляющими пластинами 14 и 16, соответственно, а в случае направляющих стержней и проходить через них, и аксиально закреплять топливные стержни 18 или 19 на топливной сборке 10.
На Фиг.2A, 2B и 2C показан топливный стержень 18 полной длины примерного варианта реализации, топливный стержень 19 частичной длины и сегментированный стержень 100, соответственно, причем каждый имеет две концевые детали 120 и 130 топливного стержня примерного варианта реализации на обоих концах топливных стержней 18, 19 и 100 примерного варианта реализации. Кроме концевых деталей 120 и 130 примерного варианта реализации, топливные стержни 18 и 19 могут содержать обычные элементы, используемые в различных топливных стержнях, включая топливные элементы 22 и оболочку. Например, топливный стержень 18 примерного варианта реализации, показанный на Фиг.2A, может быть топливным стержнем полной длины, традиционно использующимся в топливной сборке BWR, за исключением концевых деталей 120 и 130 примерного варианта реализации. Топливный стержень 19 примерного варианта реализации, показанный на Фиг.2B, может быть топливным стержнем частичной длины, традиционно использующимся в топливной сборке BWR, за исключением концевых деталей 120 и 130 примерного варианта реализации. Топливный стержень 18 полной длины показан на Фиг.2B пунктирно, чтобы проиллюстрировать сокращенную длину топливного стержня 19 частичной длины. В топливном стержне 19 частичной длины, концевая деталь 130 примерного варианта реализации может присоединяться к нижней направляющей пластине (не показано), и концевая деталь 120 примерного варианта реализации может не присоединяться ни к чему, поскольку топливный стержень 19 частичной длины может завершать середину пучка. Концевая деталь 130 примерного варианта реализации может быть резьбовой или иметь другие дополнительные элементы сопряжения, чтобы скрепить топливный стержень 19 частичной длины с нижней направляющей пластиной, поскольку топливный стержень 19 частичной длины может не присоединять к сборке верхнюю концевую деталь 120 примерного варианта реализации. Топливный стержень 100 примерного варианта реализации, показанный на Фиг.2C, может быть сегментирован с несколькими сегментированными стержнями, обратимо присоединяющимися в соединительных точках 103, как описано в связи с заявкой 11/002677, поданной 28 ноября 2007 и озаглавленной КОНСТРУКЦИИ СЕГМЕНТИРОВАННОГО ТОПЛИВНОГО ПУЧКА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ФИКСИРОВАННЫХ РАЗДЕЛИТЕЛЬНЫХ ПЛАСТИН, топливные стержни и сегменты которого, за исключением концевых заглушек таких топливных стержней и сегментов, включены сюда посредством ссылки. Альтернативно, топливные стержни, используемые в реакторах типа PWR или CANDU, могут использоваться с концевыми деталями 120 и 130 примерного варианта реализации.
Концевые детали 120 и 130 примерного варианта реализации могут быть изготовлены из изотопов или содержать изотопы, например, кадмия, кобальта, иридия, никеля, таллия и тулия, которые могут быть преобразованы в желаемые изотопы при облучении в активной зоне в рабочих режимах ядерного реактора.
Примерные изотопы имеют существенные сечения ядерной реакции и легче изменяются при наличии потока нейтронов, в противоположность обычным материалам, используемым для изготовления верхней и нижней концевых заглушек, которые могут быть выбраны из-за их инертности к потоку нейтронов. Например, концевые детали могут быть изготовлены из Иридия-191 и/или Кобальта-59, или такие изотопы могут быть помещены в примерные концевые детали 120 и 130. Нейтронный поток в пределах активной зоны ядерного реактора в положениях концевых деталей 120 и 130 примерного варианта реализации может преобразовать Иридий-191 в Иридий-192, который может распасться с образованием стабильного изотопа Платина-192 - относительно редкий и дорогой материал, полезный в разнообразных развивающихся технологиях. Аналогично, Кобальт-59 может преобразоваться в Кобальт-60, полезный и высоковостребованный для лечения рака, при тех же самых условиях.
В концевых деталях 120 и 130 примерного варианта реализации могут быть получены и некоторые другие изотопы. Кроме того, поскольку концевые детали 120 и/или 130 примерного варианта реализации могут быть помещены в положения в пределах активной зоны реактора с уникальными уровнями потока нейтронов, например, на краях активной зоны реактора с более низкими и более постоянными профилями потока, изотопы с более короткими периодами полураспада или более высокими сечениями реакции, могут быть облучены потоком таких уровней, которые больше подходят для получения желаемых материалов от этих изотопов.
Концевые заглушки 120 и 130 примерного варианта реализации показаны на Фиг.2A, 2B и 2C как верхняя и нижняя концевые заглушки, соответственно, которые могут соединяться с верхней и нижней направляющими пластинами. В этом примере, концевые детали 120 и 130 примерного варианта реализации могут заменить обычные верхнюю и нижнюю концевые заглушки в различных известных конструкциях топливных стержней. Концевые детали 120 и 130 примерного варианта реализации могут, вообще говоря, быть выполнены в конусообразной форме, чтобы сопрягаться с верхними и/или нижними направляющими пластинами и закреплять топливные стержни 18, 19 и 100 примерного варианта реализации на верхней и/или нижней направляющих пластинах.
Альтернативно, концевые детали 120 и 130 примерного варианта реализации могут быть выполнены как не суженные концевые заглушки, которые не соединяются с направляющими пластинами. Например, если топливный стержень примерного варианта реализации 100 представляет собой стержень частичной длины, верхняя концевая деталь 120 примерного варианта реализации может продолжаться от края топливного стержня частичной длины без соединения с чем-либо.
Концевые детали 120 и 130 примерного варианта реализации могут соединяться с топливным стержнем 100 примерного варианта реализации по-разному. Например, примерные концевые детали 120 и 130 могут быть непосредственно приварены к топливным стержням примерного варианта реализации или обратимо сопрягаться с топливными стержнями примерного варианта реализации посредством винта и резьбового отверстия, хвостовика и гнезда или другого эффективного элемента соединения. Примерные концевые детали 120 и 130 могут сопрягаться и/или могут быть приварены заподлицо с топливными стержнями примерного варианта реализации так, чтобы образовать единый внешний диаметр вдоль топливных стержней примерного варианта реализации и снизить или предотвратить захват продуктов износа между концевыми деталями примерного варианта реализации и примерными топливными стержнями.
Как показано на Фиг.3, концевая деталь 200 примерного варианта реализации может быть, вообще говоря, твердой и жесткой. Концевая деталь 200 примерного варианта реализации может включать в себя соединительный элемент 210. Соединительный элемент 2 10 показан как резьбовой участок на Фиг.3, который сопрягается с резьбовым отверстием в топливном стержне примерного варианта реализации для обратимого скрепления концевой детали 200 и топливного стержня. Концевая деталь 200 примерного варианта реализации может включать в себя хвостовик 220, сконфигурированный для подгонки к направляющей пластине, как рассмотрено выше. Хвостовик 200 может дополнительно быть сконфигурирован для приема расширяющейся пружины (не показана), которая находится между примерной концевой деталью 200 и направляющей пластиной и позволяет небольшое осевое расширение и сокращение топливных стержней примерного варианта реализации относительно направляющих пластин.
Концевая деталь 200 примерного варианта реализации может быть выполнена из материала мишени, который является твердым и жестким, так, что концевая деталь 200 является мишенью, но также функционирует и как концевая деталь для возможного соединения с верхней или нижней направляющими пластинами. Например, концевая деталь 200 может быть выполнена полностью из Иридия-191.
Альтернативно, концевая деталь 200 примерного варианта реализации может быть покрыта или обернута жестким, инертным покровным материалом 230, например, никелем. Концевая деталь 200 примерного варианта реализации может быть изготовлена из менее жесткого и/или не столь легко обрабатываемого материала, такого как Кобальт-59, например, если имеется покрывающий материал 230. Таким образом, покрывающий материал 230 может действовать как жесткая оболочка, например, концевой детали 200 варианта реализации.
Концевая деталь 200 примерного варианта реализации может дополнительно включать в себя ряд вырезов 250, которые образуют, например, гексагональное сечение в основании для облегчения обработки, соединения и демонтажа примерных концевых деталей.
Концевая деталь 200 примерного варианта реализации может дополнительно включать в себя знак 215, который идентифицирует концевую деталь 200 или имеющийся изотопный продукт. Знаки 215 могут быть отбиты непосредственно на примерной концевой детали 200 или могут быть иначе зафиксированы на концевой детали 200.
Концевая деталь 200 примерного варианта реализации может варьироваться различным образом. Например, примерная концевая деталь 200 может быть не сужена или не быть подогнанной по размеру для соответствия верхней или нижней направляющей пластине. Аналогично, концевая деталь 200 примерного варианта реализации может использоваться или на вершине, или в положении основания топливного стержня примерного варианта реализации, включая в себя примерную концевую деталь 200. Кроме того, соединительный элемент 210 может иметь различные формы, типа штифта, клинового стыка или приемного гнезда, для обратимого прикрепления концевой детали 200 примерного варианта реализации к топливным стержням возможных примерных вариантов реализации. Соединительный элемент 210 может альтернативно отсутствовать, и концевая деталь примерного варианта реализации может быть непосредственно приварена к топливным стержням примерного варианта реализации.
Другая концевая деталь 300 примерного варианта реализации показана подробно на Фиг.4. Концевая деталь примерного варианта реализации 300 может включать в себя некоторое количество элементов, таких же, что и для концевой детали 200 на Фиг.3 примерного варианта реализации, поэтому здесь их описание опускается. Концевая деталь 300 примерного варианта реализации может включать в себя резьбовой, не суженный конец 320, который длиннее суженного конца 220 концевой детали 200 примерного варианта реализации. Более длинный конец 320 может включать в себя резьбы или другие средства закрепления и может быть пригоден для жесткого присоединения концевой детали 300 примерного варианта реализации к верхней направляющей пластине (элемент 14 на Фиг.1). Из-за увеличенной длины, концевая деталь 300 примерного варианта реализации может проходить через верхнюю направляющую пластину и позволять топливному стержню примерного варианта реализации, к которому она присоединена, функционировать как направляющий стержень. Таким образом, резьбовой, более длинный конец 320, может позволить топливным стержням примерного варианта реализации, которые включают в себя его, функционировать и как направляющие стержни в обычных топливных сборках, позволяя доступ и обслуживание для примерных топливных сборок, содержащих направляющие стержни.
Другая концевая деталь 400 примерного варианта реализации показана подробно на Фиг.5. Как видно из Фиг.5, примерная концевая деталь 400 может включать в себя кожух 440, который является полым и может принимать и содержать одну или несколько облучаемых мишеней. Концевая деталь 400 примерного варианта реализации может быть изготовлена из жесткого, инертного материала, который по существу сохраняет свои ядерно-реакционные свойства при облучении в рабочих условиях ядерного реактора, включая в себя, например, сплав циркония и/или алюминия.
Кожух 440 может быть выполнен таким, чтобы вместить облучаемые мишени и сохранить жесткость для удержания примерной концевой детали 400. Твердая, жидкая или газовая облучаемые мишени могут быть помещены непосредственно в кожух 440 во время изготовления примерной концевой детали 400. Альтернативно, дополнительный контейнер 460 может поддерживать желаемые облучаемые мишени и может быть помещенным в пределах кожуха 440. Контейнер 460 может быть одним из контейнеров, описанных в Заявке 11/002677, удерживающая сборка из которого включена сюда посредством ссылки. Множественные контейнеры 460 могут быть помещены в пределах кожуха 440, чтобы использовать различные типы отдельно поддерживаемых облучаемых мишеней, не смешивая различные мишени. Каждый контейнер 460 может включать в себя контейнерный знак 461, который идентифицирует содержание отдельных контейнеров 460. Альтернативно, кожух 440 может включать в себя одну или несколько пластин или крышек 470, жестко прикрепленных к примерной концевой детали 400, которые разделяют кожух 440. Таким образом, множественные облучаемые мишени в пределах кожуха 440 могут быть отделены пластинами или крышками 470.
Концевая деталь 400 примерного варианта реализации может включать в себя вырезы (или гексагоны) 450, как в других вариантах реализации. Гексагоны 450 могут дополнительно помочь во время демонтажа примерной концевой детали 400 для сбора облучаемых мишеней, содержащихся в пределах кожуха 440, посредством предоставления нижнего предельного вращающего момента в определенных точках для получения доступа в кожух 440. Знаки 415 могут быть прикреплены или отбиты на внешней стороне концевых деталей 400 примерного варианта реализации и указывать, какая мишень(-и) содержится в кожухе 440.
Как показано на Фиг.5, концевая деталь примерного варианта реализации может включать в себя резьбовой конец 420, который может вворачиваться непосредственно в нижние направляющие пластины. Такие резьбовые концы 420 и концевые детали примерного варианта реализации, имеющие резьбовые концы, годны к употреблению в соединении с направляющими стержнями, используемыми для подъема и перемещения топливных пучков до их жесткого соединения. Хотя концевая деталь 400 примерного варианта реализации показана с концевой деталью 410 с гнездовой посадкой и резьбовым концом 420, отличным от других примерных вариантов реализации, ясно, что любой сопрягаемый элемент и/или концевая конфигурация, рассмотренная выше, может использоваться в комбинации с примерной концевой деталью 300.
Хотя концевые детали 200, 300 и 400 примерного варианта реализации были рассмотрены раздельно, следует понимать, что признаки одного примерного варианта реализации могут быть использованы в комбинации с другими примерными вариантами реализации. Например, оболочка, показанная на одном примерном варианте реализации, может использоваться на другом примерном варианте реализации, не имеющем оболочки, но имеющем кожух. Аналогично, конструкционные материалы и облучаемые мишени могут быть использованы в альтернативных комбинациях по всем примерным вариантам реализации. Аналогично, кожухи и оболочка могут быть использованы на концевых деталях примерного варианта реализации, используемых как верхняя и/или нижняя концевые детали. Кроме того, концевые детали примерного варианта реализации, имеющие резьбу, могут быть заменены другими элементами от концевых деталей примерного варианта реализации, имеющих хвостовики.
Поскольку концевые детали примерного варианта реализации и топливные стержни обеспечивают размещение облучаемой мишени в положениях, невозможных в обычных топливных стержнях, примерные варианты реализации могут позволить уникальное облучение и создание облучаемой мишени. Например, размещение облучаемых мишеней в областях более низкого и/или постоянного потока на концах активной зоны ядерного реактора может позволить успешное преобразование и сбор изотопов с более короткими периодами полураспада, или чья цепочка распадов включает в себя элементы с более высокими сечениями ядерной реакции, которые могут быть разрушены в местах с более интенсивным потоком.
Таким образом, специалистам в данной области техники должно быть ясно, что рассмотренные примерные варианты реализации могут варьироваться при обычном экспериментировании и без дополнительной изобретательской деятельности. При этом вариации не следует рассматривать как отклонение от существа и объема притязаний примерных вариантов реализации, и все такие модификации, как должно быть ясно специалистам в данной области техники, следует считать включенными в объем притязаний нижеследующей формулы изобретения.
Перечень позиций
10 тепловыделяющий пучок
12 внешний канал
14 верхняя направляющая пластина
20 разделитель
16 нижняя направляющая пластина
18 топливный стержень полной длины
22 топливный элемент
19 топливный стержень частичной длины
100 топливный стержень
101 топливный стержень
120 верхняя концевая деталь
130 нижняя концевая деталь
200 концевая деталь
210 соединительный элемент
220 хвостовик
230 покрывающий материал
250 вырез
300 концевая деталь
310 гнездовой соединитель
320 резьбовое окончание для использования с направляющим стержнем
340 кожух
350 вырезы, образующие гексагональное сечение
360 дополнительный контейнер
370 крышка