新一代压水堆燃料组件技术特点及其在华专利申请

高尚梅，卢 慧，李 烨，王 朋，闫兆梅，孙成林，罗立冬

（中国核科技信息与经济研究院，北京 100048）

新一代压水堆燃料组件技术特点及其在华专利申请

高尚梅，卢 慧，李 烨，王 朋，闫兆梅，孙成林，罗立冬

（中国核科技信息与经济研究院，北京 100048）

以美国西屋电气公司的 Next Generation Fuel 燃料组件技术特点为线索，收集了美国西屋电气公司在中国燃料组件技术方面的专利申请和专利文献，从中筛选出与NGF燃料组件技术特点符合的专利申请和专利文献，对其技术方案进行了深入剖析，从中了解西屋新一代压水堆燃料组件技术的发展趋势。

美国西屋；压水堆燃料组件；专利

美国西屋电气公司（简称西屋）继PERFORMANCE+燃料组件和ROBUST燃料组件之后，在多年燃料组件设计、生产、使用经验的基础上，提出了Next Generation Fuel（简称NGF）压水堆燃料组件，该NGF燃料组件集中体现了西屋压水堆燃料组件技术的发展趋势。

1 格架设计增大了包壳与燃料组件栅格的磨损裕度

NGF增加格架与燃料棒的接触面积，网格壁面上下各有一个卡紧燃料棒的波纹，而中间是与波纹反向凸出的弹簧。弹簧是纵向布置的，并非对角线布置。弹簧的刚度减弱，以减小静态和动态载荷。同样，波纹的形状也做了优化，以降低卡紧的刚度。这些设计在实验中得到验证，增大了包壳与燃料组件栅格的磨损裕度。

西屋针对NGF燃料组件的上述技术特点的技术方案在中国提出了专利申请，并且取得了专利权，其专利号：ZL03136814.X，专利文献中公告的具体结构，如图1和图2所示。一种定位格架，多个条带以网格方式相互交织形成多个单元格。技术改进点/专利保护点：

（1）每个条带限定至少一个单元格的一个壁包括一个突出弹簧和一个突出凹陷，该弹簧和凹陷设置在形成于相应带元件中的单一沟槽的至少一部分的交替侧部，该沟槽大致位于条带的中间；

图1 NGF燃料组件结构（ZL03136814.X）示意图（一）Fig.1 Schematic view of NGF fuel assembly (ZL03136814.X) (1)

图2 NGF燃料组件结构（ZL03136814.X）示意图（二）Fig.2 Schematic view of NGF fuel assembly (ZL03136814.X）(2)

（2）每个单元格设有一对弹簧和一对凹陷，其中一对弹簧和其中一对凹陷彼此直接面对，另一对弹簧和另一对凹陷彼此直接面对；

（3）一对弹簧和一对凹陷具有基本上相同的高度和宽度，弹簧轮廓和凹陷轮廓分别与燃料棒至少一部分外表面齿合。

2 强化导热

NGF采用了带搅浑翼的格架，以强化传热，增加DNB裕度。采用了ROBUST的技术特点和技术方案。

西屋针对NGF燃料组件的上述技术特点的技术方案在中国提出了专利申请，并且取得了专利权，其专利号：ZL98806803.6，专利文献中公告的具体结构，如图3所示。一种定位格架，夹持燃料棒的单元网格壁上设有上、下冲压区，上、下冲压区沿着一个方向凸出并形成波纹，单元格壁上还具有冷却液混合叶片，混合叶片从条带上边伸出。在相交的条带之一具有一条从其上端边沿着交线延伸的狭缝，另一条相交的条带具有一条从其下端边沿着交线延伸的狭缝，狭缝相互相交构成一个鸡蛋框模式。技术改进点/专利保护点：

图3 NGF燃料组件结构（ZL98806803.6）示意图Fig.3 Schematic view of NGF fuel assembly (ZL98806803.6）

（1）由单元网格壁上两个平行对角线狭缝形成弹簧，弹簧与对面单元格壁上的波纹支撑了燃料棒；在形成弹簧的单元格壁中，平行对角线狭缝的任一端终止在单元格壁中的狭缝中，该狭缝沿着平行于单元格壁的交线作延伸，在相邻狭缝端之间作出的虚线平行于单元格壁的交线；

（2）狭缝延伸到大于条带高度的一半；

（3）对角线弹簧至少沿着一条边的一部分上有一个倒角；

（4）形成对角弹簧的平行狭缝与单元格壁的交线成45°角。

3 WIN上管座

西屋的一体化WIN上管座从1990年开始已在欧洲得到成功应用，并计划在其新的NGF燃料组件中应用。弹簧整个被一个铸件约束，没有任何螺母，以保证在运行中无故障。

西屋针对NGF燃料组件的上述技术特点的技术方案在中国提出了专利申请，并且取得了专利权，其专利号：ZL200480009895.X，专利文献中公告的具体结构，如图4所示。一种可吸收膨胀、冲击的可拆卸上管座，技术改进点/专利保护点：

（1）一个上管状筒组件，包括外套筒及其内部中间位置的压紧板，压紧板上具有一个中心孔和多个辅助孔；一个上毂塞组件，包括棒弹射板、中心管、支撑管、内筒和支腿构成，内筒位于棒弹射板的上部，两者之间借助于弹射板中间延伸的中心管和中心管周围延伸出的支撑管连接，若干支腿连接在棒弹射板和内筒下端之间；

（2）一个弹簧装置，包括螺旋弹簧和反作用板。先在中心管和支撑管上均套装螺旋弹簧，再在中心管和中心管内侧的支撑管上套装反作用板。将外套筒套装到内筒，中心管、支撑管延伸到压紧板的中心孔和多个辅助孔内，外套筒可以沿着内筒的外壁、中心管和支撑管滑动。

4 优化Zirlo合金

NGF的燃料棒包壳、套管、中间格架以及栅格都采用优化Zirlo合金。

图4 NGF燃料组件结构（ZL200480009895.X）示意图Fig.4 Schematic view of NGF fuel assembly (ZL200480009895.X）

西屋针对NGF燃料组件的上述技术特点的技术方案在中国提出了专利申请，并且取得了专利权，其专利号：ZL01805237.1，专利文献中公告的技术方案，如图5所示。一种优化Zirlo合金，技术改进点/专利保护点：

低锡含量的锆合金基本上由质量分数为0.60%～2.0%的Nb和Sn、Fe组成。图5给出了Sn质量分数和Fe质量分数关系：当Sn为0.25%时，Fe为0.50%；当Sn为0.40%时，Fe为0.35%～0.50%；当Sn为0.50%时，Fe为0.25%～0.50%；当Sn为0.70%时，Fe为0.05%～0.50%；当Sn为1.0%时，Fe为0.05%～0.50%。其中，Fe和Sn的质量分数之和大于0.75%，其他另外的组成元素不超过0.50%，余量为Zr。

上述优化Zirlo合金的生产方法，包括：1）混合干燥成分；2）真空熔融这些成分；将熔融体段造成所需形状；3）β热加工后快速冷却；4）热加工；5）在α相温度范围内进行冷加工和中间再结晶退火；6）在450～625 ℃范围内，以消除应力退火或再结晶退火形式，进行最终退火。

图5 NGF燃料组件结构（ZL01805237.1）示意图Fig.5 Schematic view of NGF fuel assembly (ZL01805237.1）

5 燃料棒弹簧片

NGF采用弹簧片以提高燃料棒内部压力裕度。利用弹簧片来取代以前的盘绕式弹簧能够增大空腔，容纳更多的裂变气体。

6 ZrB2一体化可燃毒物吸收体

西屋的ZrB2一体化可燃毒物吸收体对降低燃料成本很关键。它能够充分利用燃料，无残余毒物抑制，中子经济性好。

西屋针对NGF燃料组件的上述技术特点的技术方案在中国提出了专利申请，但是尚未取得专利权，申请号：200510109634.1，其专利申请文献所公开的技术方案为：一种硼或浓缩硼-10在UO2中的用途，旨在提供一种具有一体的可燃吸收剂，其在成本上合理，且在没有产生额外的反应性材料的情况下，可延长燃料的寿命。技术改进点：

（1）在燃料组件内大于50%所述的燃料棒中至少一个燃料芯块包括：锕系元素氧化物、锕系元素碳化物或锕系元素氮化物和含硼化合物的烧结混合物，上述锕系元素氧化物不仅限于UO2、PuO2或其混合物；

（2）含硼化合物选自ZrB2、TiB2、MoB2、UB2、UB3、BC4、PuB4及其结合；

（3）在所述的燃料芯块内燃料的总含量，所述的含硼化合物以(5～20 000) ppm的用量存在于所述燃料芯块内。

7 碎片过滤增强的下管座

西屋针对NGF燃料组件的上述技术特点的技术方案在中国提出了专利申请，但是尚未取得专利权，申请号：200510004033，其专利申请文献公开的具体结构，如图6所示。碎片过滤下管座，减少下管座上的压降，技术改进点：

图6 NGF燃料组件结构（200510004033）示意图Fig.6 Schematic view of NGF fuel assembly (200510004033）

（1）将直管流通孔（带有进口切角），设置成文丘里管轮廓的流通孔。文丘里管轮廓的流通孔改善了下管座的水力性能，明显减少了压降。文丘里管轮廓的流通孔的收缩喉部直径相当于标准碎片过滤下管座的流通孔直径，碎片过滤能力没有减退；

（2）文丘里管轮廓的流通孔具有一个双进口切角和一个单出口切角，被优化以提供最低压降。

8 轴向屏蔽层

NGF在燃料组件束的上、下部设置了6～8英尺的中子屏蔽层[1]，以减少中子从堆芯的泄漏，提高了中子经济性，以允许18～24个月的长燃料周期。

[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，辽宁人，本科，从事知识产权研究工作。