CN101770821A - 具有实现水力平衡的混合叶片布局的支撑栅格 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种支撑核燃料组件燃料棒的支撑栅格，具体地，涉及一种具有能够混合燃料棒周围流动的冷却水的混合叶片的支撑栅格。本发明涉及具有实现水力平衡的混合叶片布局的支撑栅格，其特征在于，该支撑栅格包括：划分栅格单元的多个条带；在所述条带的栅格面上沿纵向和横向以一定的方向凸出、用于支撑所述核燃料棒的多个弹簧；在所述支撑栅格内部栅格面的上部末端沿冷却水流动方向凸出的多个混合叶片；其中，所述混合叶片的位置及方向所形成的排列在所述支撑栅格上构成一定布局，使得混合叶片产生的力矩以支撑栅格的中心为基准实现平衡，从而能够使由支撑栅格内冷却水流动引发的振动最小化。
Description
技术领域
本发明涉及一种支撑核燃料组件燃料棒的支撑栅格，具体地，涉及一种具有混合叶片的支撑栅格，该混合叶片能够混合在燃料棒周围流动的冷却水。
背景技术
核反应堆指的是对核分裂物质的连锁核分裂反应进行人工控制，以产生热量、生产放射性同位素如钚、或形成放射线场的装置。
一般来说，轻水反应堆使用的是将U-235的含量提高到2～5％的浓缩铀。为了加工核反应堆使用的核燃料，需要进行成型加工，将铀制成5g左右的圆筒形颗粒。
将上述颗粒以数百个为单位，捆绑成一束，在真空状态下装入锆合金管，并在填充弹簧及氦气后，焊接上部密闭罩，即可制成燃料棒。燃料棒最终构成核燃料组件，在反应堆内进行核反应而燃烧。
上述核燃料组件及其组成部件如图1至图3所示。
图1是一般核燃料组件的示意图，图2是从上方俯视的支撑栅格的平面图，图3是用于详细显示支撑栅格的剖面的斜视图。
参照图1说明如下，上述核燃料组件包括框架及燃料棒，其中，框架由上端固定体1、下端固定体5、引导管2及支撑栅格4构成，燃料棒3装入到支撑栅格4内，从而被支撑栅格4内形成的弹簧6(参照图3)及凹槽7(参照图3)支撑。
组装组件时，为了防止燃料棒3的表面及支撑栅格内的弹簧6受损，需要在燃料棒的表面涂漆后装入框架，然后连接上、下端固定体进行固定，从而完成核燃料组件的组装，完成的组件，在除去涂漆后，检查燃料棒的间隔、扭曲、长度、尺寸等，最终完成组件的制造过程。
参照图2及图3说明如下，为了划分用于分别装入燃料棒3的空间，支撑栅格4通过由多个条带(薄金属板)以一定间隔所形成的插槽(没有图示)相互结合成栅格状而构成。
支撑栅格沿上下方向排列10～13个，并与4m长的引导管2焊接。支撑栅格4所划分的各空间内规则地形成有弹簧6及凹槽7，上述弹簧6及凹槽7与燃料棒3(参照图1)接触，以保持燃料棒3(参照图1)之间的间隔，使其排列在固定位置，并通过弹簧6的弹性对燃料棒3进行弹性固定。
此外，支撑栅格还包括与内部弹簧连接成一体、并沿冷却水的流动方向凸出以缠绕在燃料棒周围的形态弯曲的多个混合叶片8(参照图2及图3)，该混合叶片8能够通过混合燃料棒周围的冷却水，促进热传递。
另一方面，当今的核燃料开发以高燃烧度及无缺陷性为目标。实现高燃烧度的主要障碍之一就是泡核沸腾分离(DNB：Departure from NuclearBoiling)现象，这会影响核燃料棒之间的间隔、反应堆系统压力、热通量(heatflux)、冷却水焓及冷却水速度。
一旦发生上述泡核沸腾分离，相应部位的燃料棒的表面将形成气膜，从而减少热传递，使燃料棒温度急剧增加，如果该状态一直持续，将造成燃料棒损坏。
因此，为了确保安全，反应堆需要在低于产生泡核沸腾分离现象的热通量条件下工作，这被称为热冗余度。
反应堆一般存在中子束或输出密度特别高的区域，其主要原因之一就是为了插入控制棒而设置的控制棒通道。当控制棒从控制棒通道被拔除时，其空间被作为减速剂的冷却水填充，这将造成局部减速能力提高，从而使相邻的燃料棒的输出增加。
这种具有高输出密度的区域，相比其它通道具有更高的焓增加率，成为高温通道。这种高温通道相比其它区域更早达到热冗余度，从而制约反应堆的最大运行条件及输出量。
以往采用在支撑栅格4上设置一体型的混合叶片8，通过改变冷却水的流动方向或对冷却水进行混合的方法，来增加燃料棒3和冷却材料之间的热传递，降低反应堆内的输出密度的变化，提高与泡核沸腾分离相关的各种性能。
上述混合叶片的性能受到混合叶片的大小、形状、弯曲角度及混合叶片的位置的影响。混合叶片设置在与用于插入控制棒的引导管相邻的燃料棒位置的高温区域，能够实现显著效果。
过去，混合叶片在一个支撑栅格的整个区域内采用相同布局，或将支撑栅格分为两半，采用两部分形状成镜像对称的布局。
上述支撑栅格的一部分会由于冷却水流动而产生振动，导致燃料棒出现微动磨损。
上述现象的原因是，由于混合叶片产生的作用力无法以支撑栅格的中心为基准实现平衡，从而使支撑栅格发生振动。
因此，需要一种既能提高与泡核沸腾分离相关的性能，又能减少混合叶片产生的振动的新型支撑栅格。作为上述改进的一环，在1997年7月2日申请的“美国注册专利US6526116”[Nuclear Fuel Assembly withHydraulically Balanced Mixing Vanes]中，提出了一种以支撑栅格的中心为基准，以相同的角度对支撑栅格的整个区域进行划分，并在每个区间内采用相同形状的混合叶片的支撑栅格，这样，每个区间内的混合叶片形状呈以支撑栅格的中心为基准旋转一定角度的形态，整个混合叶片形状以支撑栅格中心为基准，呈对称形态，因此，使支撑栅格实现水力平衡。
但是，如图4(与上述美国注册专利US6526116中的图2对应)所示，对于在具有17×17排列结构的支撑栅格中采用上述混合叶片形状的实施例，在支撑栅格的中心部以外的区域，确实能够实现混合叶片产生的作用力的力矩平衡，但是，由于最邻近支撑栅格中心的混合叶片的形状以支撑栅格中心为基准，沿相同方向旋转，因此，会对支撑栅格的中心产生偏向的力矩，使支撑栅格的整体混合叶片布局无法实现完美的水力平衡。
图5是如图2所示的在具有16×16排列结构的支撑栅格上采用相同混合叶片布局的实施例的支撑栅格中心部形状的示意图。在图5中，邻近支撑栅格中心部的混合叶片，按照以支撑栅格中心为基准，沿相同方向旋转的形态排列，同样无法实现水力平衡。
发明内容
本发明为解决上述问题而提出，其目的是提供一种新型支撑栅格，该支撑栅格具有在支撑栅格内部栅格面的上部末端，沿冷却水流动方向凸出的多个混合叶片，向支撑栅格的上表面看去时，混合叶片的位置及方向所形成的排列构成一定布局，能够减小由冷却水流动导致的支撑栅格的振动，从而，容易实现水力平衡。
本发明涉及的具有实现水力平衡的混合叶片布局的支撑栅格，具体说明为，一种通过核燃料组件内交错的条带构成栅格结构的支撑栅格，其特征是支撑栅格内部包括与内部条带连成一体、并沿冷却水的流动方向凸出的多个混合叶片，向支撑栅格上表面看去时，混合叶片的位置及方向所形成的排列构成一定布局。
本发明特征是，混合叶片的布局如下：当定义通过支撑栅格中心且相互垂直的纵向基准线及横向两条基准线时，对于上述两条基准线，除与该基准线平行且最邻近于条带的混合叶片外，其它所有混合叶片的排列均相对于基准线成对称形态。
本发明涉及的具有实现水力平衡的混合叶片布局的支撑栅格，具有在支撑栅格内部栅格面的上部末端沿冷却水流动方向凸出的多个混合叶片，向支撑栅格上表面看去时，混合叶片的位置及方向所形成的排列构成一定布局，能够使由冷却水流动而导致的支撑栅格的振动最小化，从而实现水力平衡。
附图说明
图1是一般核燃料组件的示意图。
图2是一般支撑栅格的平面图。
图3是一般支撑栅格的剖面的斜视图。
图4是具有现有混合叶片的17×17排列结构的支撑栅格中心部的平面图。
图5是具有现有混合叶片的16×16排列结构的支撑栅格中心部的平面图。
图6是具有本发明涉及的混合叶片布局的支撑栅格的平面图。
图7是本发明涉及的混合叶片布局的优选实施例的平面图。
附图标记：
4：支撑栅格；8：混合叶片；10：横向基准线；20：纵向基准线
具体实施方式
本发明涉及的具有实现水力平衡的混合叶片布局的支撑栅格，其特征在于，该支撑栅格包括：划分栅格单元的多个条带；在所述条带的栅格面上沿纵向和横向以一定方向凸出、具有一定的弹性、用于支撑核燃料棒的多个弹簧；在支撑栅格内部栅格面的上部末端沿冷却水流动方向凸出的多个混合叶片；其中，混合叶片的位置及方向所形成的排列在支撑栅格上构成一定布局。
下面参照附图，对本发明的实施例进行详细说明。如果没有特别定义或说明，上下、左右等表示方向的用语均以附图为基准。各实施例中相同符号表示相同部件。
另一方面，将被支撑栅格的栅格结构划分的每个空间定义为单位栅格单元，栅格单元内部的一面定义为栅格面。此外，将某一栅格面定义为纵向，则与该栅格面平行的所有栅格面均为纵向栅格面，与上述纵向栅格面垂直的栅格面则称为横向栅格面。此外，轴向指的是栅格单元的长度方向，即装入核燃料棒的方向。
图6是从上方俯视的支撑栅格的平面图，图3是详细说明栅格面与混合叶片连接形态的剖面的斜视图。
如图6所示，支撑栅格的外框为具有相同长度的四边形形态，如图3所示，混合叶片8与内部条带连结成一体，并在支撑栅格内部栅格面的上部末端沿冷却水流动方向凸出，并沿缠绕燃料棒的方向弯曲。
上述混合叶片8对燃料棒周围的冷却水进行混合，起到促进热传递的作用。
此外，如图6所示，支撑栅格在栅格单元内具有多个混合叶片，混合叶片的位置及方向构成的排列在支撑栅格的平面图上构成一定布局。
为了明确显示混合叶片的布局，图7所示为在图6所示的支撑栅格形状9中除组成外框的外部栅格板以外的内部区域，其中，内部条带用直线表示，混合叶片用三角形表示。
本发明涉及的具有实现水力平衡的混合叶片布局的支撑栅格的优选实施例如图7所示。
为方便起见，将通过支撑栅格中心且相互垂直的直线定义为纵向基准线20及横向基准线10。
本发明涉及的混合叶片8相对于纵向基准线20，左侧区域21和右侧区域22的混合叶片的排列相互对称。
此外，相对于横向基准线10，其上侧区域11和下侧区域12的混合叶片的排列也相互对称。
此外，纵向基准线20上的混合叶片8布局与其左侧区域21相同，横向基准线10上的混合叶片8布局与其下侧区域12相同。
下面对本发明实施例的作用进行说明。
当冷却水沿轴向流入装有反应堆的核燃料组件的内部时，支撑栅格具有的混合叶片将受到流经其周围的冷却水的作用力。
上述作用力将相对于支撑栅格中心产生旋转支撑栅格的力矩，如果不能实现混合叶片对支撑栅格中心的力矩平衡，支撑栅格将会产生由流体所引发的振动，使装入到支撑栅格内部的燃料棒受到微动磨损。
因此，本发明涉及的实施例的混合叶片布局，分别相对于通过支撑栅格中心的纵向基准线及横向基准线成对称形状，能够以支撑栅格的中心为基准，实现水力平衡，使由冷却水流动造成的支撑栅格的振动最小化。
以上对本发明优选实施例进行了说明，但本发明的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中详述的本发明技术思想的范畴内，可以实现多种支撑栅格。
Claims (3)
1.一种具有实现水力平衡的混合叶片布局的支撑栅格，其特征在于，该支撑栅格包括：
划分栅格单元的多个条带；
在所述条带的栅格面上沿纵向和横向以一定的方向凸出、具有一定的弹性、并用于支撑核燃料棒的多个弹簧；以及
在所述支撑栅格内部栅格面的上部末端沿冷却水流动方向凸出的多个混合叶片；
其中，所述混合叶片的位置及方向所形成的排列在所述支撑栅格上构成一定布局。
2.根据权利要求1所述的具有实现水力平衡的混合叶片布局的支撑栅格，其特征在于，所述混合叶片的布局如下：在所述支撑栅格的平面图上，以通过所述支撑栅格的中心且相互垂直的纵向基准线及横向基准线为基准，所述纵向基准线(20)的左、右区域的混合叶片以相互对称的形状构成，所述横向基准线(10)的上、下区域的混合叶片也以相互对称的形状构成。
3.根据权利要求2所述的具有实现水力平衡的混合叶片布局的支撑栅格，其特征在于，所述纵向基准线(20)上的混合叶片与该纵向基准线(20)的左侧区域的混合叶片具有相同的形状，所述横向基准线(10)上的混合叶片与该横向基准线(10)的下侧区域的混合叶片具有相同的形状。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant |