CN101377964B - 具有防止燃料棒摩擦腐蚀的划艇形弹簧的支撑格架 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种具有能够防止燃料棒摩擦腐蚀的弹簧的支撑格架。该支撑格架包括带条、凹陷及弹簧。其中，带条为具有一定长度的板状结构，形成多个格架单元。凹陷在上述带条的格架面上分别沿纵向和横向以一定方向凸出而形成，并上下成对地形成多组。弹簧设置了多个，并形成于上述格架面形成的一对凹陷之间，向凹陷相反方向凸出。所述弹簧包括燃料棒接触部、支脚连接部及支脚。本发明提供的支撑格架从一开始就使弹簧和燃料棒之间形成最大程度的线接触，从而使相同磨损体积对应的磨损深度最小化。此外，该支撑格架能够在核反应堆内的核燃料棒整个工作过程中，维持弹簧和燃料棒之间接触面形状一定，从而使由不规则接触造成的局部磨损集中现象最少化。

Description

具有防止燃料棒摩擦腐蚀的划艇形弹簧的支撑格架

技术领域

本发明涉及一种支撑核燃料组件的核燃料棒的支撑格架，具体地说，涉及一种具有能够防止燃料棒摩擦腐蚀的弹簧的支撑格架。

背景技术

所谓核反应堆是指通过人工控制核裂变物质的连锁核裂变反应，用于产生热量、或生产放射性同位素及钚、或形成放射线场等多种目的的设备。

一般来说，轻水反应堆中使用的是将铀-235的比例提高到2～5％的浓缩铀。为了加工成核反应堆使用的核燃料，需要进行成型加工，将铀制成重量为5g左右的圆筒形颗粒(Pellet)。将上述颗粒以数百个为一束，在真空状态下装入锆合金制成的被覆管，装入弹簧并充入氦气后，焊接上部密封盖制成燃料棒。上述燃料棒最终构成核燃料组件，在核反应堆内通过核反应进行燃烧。

上述核燃料组件及其组成结构如图1至图3所示。图1是一般核燃料组件的简单示意图；图2是从上方看去的支撑格架的平面示意图；图3是上述支撑格架的剖面立体图。

如图1所示，上述核燃料组件的组成包括：由上端固定体4、下端固定体5、引导管3及支撑格架2组成的骨架；装入到上述支撑格架2内部，通过在支撑格架2内部形成的弹簧6(参照图2及图3)及凹陷7(参照图2及图3)来支撑的燃料棒1。组装核燃料组件时，为了防止燃料棒1表面出现缺陷及支撑格架内部弹簧6损伤，在燃料棒表面涂上漆后装入骨架，并安装固定上端固定体和下端固定体，从而完成核燃料组件的组装，此后，除去已完成组装的组件的漆，并检查燃料棒间隔、扭曲度、全长、尺寸等，从而最终完成组件制造工程。

如图2及图3所示，支撑格架2通过以一定间隔形成的狭缝(没有图示)将带条(薄金属板)相互连接成格架状，从而形成能够分别装入多个燃料棒1的空间。上述支撑格架上下排列10个至13个，并与4m长的引导管3焊接。在由支撑格架2形成的各空间部规则地形成了弹簧6及凹陷7，通过弹簧6及凹陷7与燃料棒1(参照图1)接触，保持燃料棒1(参照图1)之间的间隔，使其排列在规定位置，并通过弹簧6的弹性来固定燃料棒1。

另一方面，当今的核燃料开发目标是实现高燃烧度及完整性。为了开发高燃烧度的核燃料，提出了提高从核燃料棒到冷却水的热传导的方法。这种提高热传导的方法主要是通过增设混合叶片及对其进行的设计变更或有效构成油路通道，改善流经核燃料棒周围的核反应堆冷却水流动。

但是，上述提高热传导的方法会使流经核燃料棒的冷却水形成更大的湍流，因此会引发流激振动，从而使核燃料棒振动。

核燃料棒的流激振动会使核燃料棒在支撑格架的弹簧或凹陷的接触面上出现相对滑动，从而对燃料棒接触面造成局部磨损，引发核燃料棒逐渐损伤的磨擦腐蚀现象。即，为开发高燃烧度核燃料而提出的提高热性能的方法，在另一方面也会带来促进核燃料棒损伤的负面影响。

另一方面，在燃烧过程中支撑格架将沿横向扩张。此外，燃料棒在反应堆内燃烧时会沿半径方向出现蠕变，即，反复发生在反应堆内冷却水等的高压作用下收缩以及半径随烧结体的膨胀而扩张的现象，使燃料棒外径出现不规则的方向性，造成支撑格架的弹簧/凹陷与燃料棒之间出现间隙，从而加剧摩擦腐蚀现象。

为了将上述摩擦腐蚀现象限制到最小程度，曾经提出了加长燃料棒与弹簧/凹陷之间的纵向接触长度或形成面接触的方案，从而即使存在摩擦腐蚀，也能够使同等磨损体积对应的磨损深度最小化。

图4a及图4b为具有加长了纵向线接触长度的现有弹簧的支撑格架的简略示意图，采用了现在普遍使用的弹簧形态。

上述弹簧最好呈平板状，从而与燃料棒形成线接触，使磨损最小化。但是，实际上如图4a所示，在板上形成了弯曲，从而在支撑核燃料棒时使其具有弹性。因此，最初燃料棒和支撑格架之间形成的不是线接触，而是3点接触，随着磨损加剧，逐渐转变为线接触。这里，通过最初的3点接触，使燃料棒的摩擦腐蚀加快。

另一方面，作为与燃料棒形成面接触，从而使摩擦腐蚀最小化的方法，可以列举2002年3月6日申请的美利坚合众国专利登记号为US6606369的“Nuclear reactor with improved grid”(以下称为先行技术)。上述先行技术如图5a及5b所示，其特征是，在弹簧62上形成了曲面，使弹簧62和燃料棒1形成面接触，与以往的点接触或线接触方式相比，能够防止流激振动造成的燃料棒沿轴向或横向晃动的现象。

但是，上述先行技术试图使弹簧62及凹陷72与燃料棒1接触的面具有与燃料棒相同的曲率半径，从而形成面接触，而实际上由于支撑格架2的制造公差及高压冷却水造成的燃料棒1振幅变化等因素，很难形成或维持准确的面接触，或者在燃料棒燃烧的整个过程中，维持一定的振幅及曲率半径也几乎不可能。

此外，如果上述弹簧62的接触部分不能形成理论上完整的曲面，将与燃料棒1形成不规则的线接触甚至点接触，从而造成无法预测的磨损现象。

发明内容

本发明为解决上述问题而提出，本发明的目的是提供在燃料棒和支撑格架之间形成线接触的弹簧，从最初时刻就使弹簧和燃料棒之间形成最大程度的线接触，从而最小化同等磨损体积对应的磨损深度。

此外，本发明的目的是提供在核反应堆内的核燃料棒整个工作过程中，能够维持弹簧和燃料棒的接触面形状一定的装置。

为达到上述目的，本发明的支撑格架在具有带条、凹陷及弹簧的普通格架基础上，还包括防止燃料棒摩擦腐蚀的划艇形弹簧，该弹簧特征如下。

带条为具有一定长度的板状结构，并以一定间隔形成了宽度与板的厚度相等的狭缝，以一定间隔纵横交错排列，通过上述狭缝相互结合，形成多个格架单元。

凹陷在上述带条的格架面上分别沿纵向和横向以一定方向凸出而形成，并上下成对地形成多组。

弹簧设置了多个，并形成于上述格架面形成的一对凹陷之间，向与该对凹陷的凸出方向相反的方向凸出，具有一定弹性，与凹陷一起支撑核燃料棒。

本发明涉及的弹簧由燃料棒接触部、曲面连接部、支脚连接部及支脚构成。燃料棒接触部沿纵向形成了具有一定长度的平面部，能够与上述核燃料棒形成线接触，在上述平面部两侧还形成了弯曲部，确保上述平面部形状不会变形。曲面连接部分别形成于上述燃料棒接触部的上下两端，呈曲面结构，随着远离上述燃料棒接触部，所述曲面连接部的外径逐渐减小。支脚连接部形成于上述曲面连接部的末端，具有外径小于上述燃料棒接触部外径的曲面结构。支脚呈具有一定长度的板状结构，连接上述支脚连接部两侧和上述支撑格架，使上述支脚连接部从支撑格架表面凸出一定高度，使上述弹簧具有一定弹性。

此外，本发明提供的具有防止燃料棒摩擦腐蚀的划艇形弹簧的支撑格架的上述支脚与上述燃料棒接触部的长度方向成斜角。

附图说明

图1是一般核燃料组件的简单示意图；

图2是一般支撑格架的平面示意图；

图3是一般支撑格架的剖面立体图；

图4a是现有的线接触式燃料棒支撑格架的立体示意图；

图4b是现有的线接触式燃料棒支撑格架的平面示意图；

图5a是现有的面接触式燃料棒支撑格架的立体示意图；

图5b是现有的面接触式燃料棒支撑格架的平面示意图；

图6a是本发明提供的具有弹簧的格架面的正面示意图；

图6b是本发明提供的具有弹簧的格架面的侧面示意图；

图6c是本发明提供的具有弹簧的格架面的立体示意图；

图6d是本发明提供的具有弹簧的格架面的剖面示意图；

图6e是本发明提供的具有弹簧的格架单元的平面示意图。

附图标记说明

631：燃料棒接触部，632：曲面连接部，633：支脚连接部，634：支脚。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明提供的实施例。如果没有特殊定义或说明，上下左右等表示方向的用语将以附图为基准。对于不同实施例，相同附图标记代表相同部件。

此外，被支撑格架的格架结构区分的每个空间部定义为格架单元，该格架单元内部的表面定义为格架面。此外，将某个格架面定义为纵向，则与其平行的所有格架面均为纵向格架面，而与上述纵向格架面垂直的格架面则定义为横向格架面。此外，轴向指的是格架单元的长度方向，即装入核燃料棒的方向。

如图6a至图6e所示，本发明的优选实施例中，主要组成部件是支撑格架的每个格架面上形成的划艇形弹簧63。图6a是形成本实施例的划艇形弹簧的一个格架面的示意图，图6b是上述格架面的侧视图，图6c是帮助理解该划艇形弹簧的上述格架面的立体图，图6d是该格架面沿P-P’方向的剖面示意图，图6e是从上方看过去的在形成上述弹簧的格架单元内假想装入核燃料棒的状态的示意图。

本实施例提供的弹簧63如图6a所示，具有燃料棒接触部631、曲面连接部632、支脚连接部633及支脚634。上述弹簧63形成于将格架面中央切成弹簧形状的孔上。

参照图6a及图6d，对燃料棒接触部631进行说明。

燃料棒接触部631如图6a所示，沿纵向具有一定长度，又如图6d所示，中央形成平面，与核燃料棒线接触，其两侧向支撑格架侧弯曲，从而确保装入燃料棒及反应堆工作时燃料棒接触部631不会弯曲。

参照图6a及图6b，对曲面连接部632进行说明。

曲面连接部632位于燃料棒接触部631和后面将要说明的支脚连接部633之间，分别形成于燃料棒接触部631的上下部分。曲面连接部632在与燃料棒接触部631相接的部分具有与燃料棒接触部631相同的外径及形状，在与支脚连接部633相接的部分具有与支脚连接部633相同的外径及外部轮廓线形状。即，曲面连接部632从燃料棒接触部631侧到支脚连接部633侧，其外径逐渐减小。曲面连接部632起到连接不同外径和外部轮廓线的燃料棒接触部631和支脚连接部633的作用。曲面连接部632与燃料棒接触部631及支脚连接部633连接的部分优选采用柔和的曲面形状，确保装入燃料棒时，燃料棒不会受到损伤。

参照图6a及图6c，对支脚连接部633进行说明。

支脚连接部633分别形成于曲面连接部632的两末端，共有2个。支脚连接部633是连接后面要说明的支脚634的部分，具有中空的半圆筒形结构。支脚连接部633如图6b所示，与后面要说明的支脚634连接时，从支撑格架表面凸出一定高度。另一方面，支脚连接部633为了充分保证形成支脚634的空间，优选使其直径小于燃料棒接触部631的外径。

参照图6a及图6c，对支脚634进行说明。

支脚634呈具有一定长度的板状。支脚634从支脚连接部633两侧面分别与支撑格架面连接，共形成了4个支脚。以往的支脚大多与装入燃料棒的方向，即与轴向垂直，但本实施例中，支脚634与轴向成斜角，从而能够充分降低弹簧的刚性。

另一方面，凹陷7沿用以往结构，这里省去对它的详细说明。

下面，对本实施例的作用进行说明。

核燃料棒(没有图示)装入到形成有本实施例提供的弹簧63的格架单元内时，如图6e所示，与燃料棒接触部631接触。这里，燃料棒接触部631两侧面的弯曲形状能够提高燃料棒接触部631的刚性，防止其变形，从而能够在核燃料组件整个使用寿命期间，维持燃料棒(没有图示)和燃料棒接触部631的线接触形状。

此时，支脚634支撑燃料棒接触部631，并在支撑格架和燃料棒接触部631之间赋予弹性，支脚634的长度越长，就越能降低弹簧的刚性。本实施例中，使支脚连接部633具有较小的外径，从而确保可以形成支脚的634空间，同时使支脚634与轴向成一定的斜角，从而可以加长支脚634的长度。即，在本实施例中，为了使弹簧具备必要的柔软性，使支脚连接部633具有较小的外径，同时设置了斜线状形成的支脚634。

支撑格架的每个格架单元内形成了上述2个划艇形弹簧63和4个凹陷7，从而总共可以在6处与燃料棒形成线接触，限制燃料棒移动。

以上对本发明的优选实施例进行了说明，但本发明技术思想并不局限于上述优选实施例，在不脱离权利要求书涉及的本发明技术思想的范畴内，可以通过多种支撑格架来实现。

发明效果

本发明组成具有上述特征，因此，本发明提供的支撑格架提供有在燃料棒和支撑格架之间形成线接触的弹簧，从一开始就使弹簧和燃料棒之间形成最大程度的接触，从而使相同磨损体积对应的磨损深度最小化。

此外，本发明涉及的支撑格架能够在核燃应堆内的核燃料棒整个工作过程中，维持弹簧和燃料棒之间接触面形状一定，从而使不规则接触造成的局部磨损集中现象最少化。

Claims (3)

1.一种具有防止核燃料棒摩擦腐蚀的划艇形弹簧的支撑格架，其特征是，该支撑格架包括：

带条，所述带条用于形成多个格架单元；

凹陷，所述凹陷在所述带条的格架面上分别沿纵向和横向以一定方向凸出而形成，并上下成对地形成多组；以及

多个弹簧，所述多个弹簧分别在所述带条的支撑格架表面上，且所述弹簧形成于所述格架面上形成的一对凹陷之间，并向所述凹陷的凸出方向相反方向凸出，并通过预定的弹性支撑核燃料棒；

其中，所述弹簧包括：

燃料棒接触部，所述燃料棒接触部具有平面部和弯曲部，所述平面部具有预定的纵向长度，从而能够与所述核燃料棒形成线接触；所述弯曲部形成在所述平面部的两侧，从而防止所述平面部变形，并且使得所述平面部的两侧与所述支撑格架表面相分离；

支脚连接部，所述支脚连接部形成于所述燃料棒接触部的端部；以及

支脚，该支脚具有一定长度的板状结构，连接所述支脚连接部两侧和所述支撑格架，使所述支脚连接部从支撑格架表面突出一定高度，使所述弹簧具有一定弹性。

2.根据权利要求1所述的具有防止核燃料棒摩擦腐蚀的划艇形弹簧的支撑格架，其特征是，在所述燃料棒接触部的上、下端与所述支脚连接部之间还形成有曲面连接部，并且所述曲面连接部的外径随着远离所述燃料棒接触部而逐渐减小，从而使得所述曲面连接部的一侧具有与所述燃料棒接触部相同的形状和外径，并使得所述曲面连接部的另一侧具有与所述支脚连接部相同的外径和轮廓。

3.根据权利要求1或2所述的具有防止核燃料棒摩擦腐蚀的划艇形弹簧的支撑格架，其特征是，所述支脚的所述支脚连接部的两侧形成为倾斜于所述燃料棒接触部的长度方向。

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