CN103155046B - 核燃料组件压紧弹簧 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种核燃料组件，所述核燃料组件具有多个从顶部喷嘴延伸的多叶片压紧弹簧组。每一个弹簧组包括多个弹簧叶片以提供大的弹簧偏转工作范围。每一个弹簧叶片具有跟随有笔直平坦的逐渐变细的杆的笔直平坦基部段，且二级弹簧组在其外周端部处具有弧度。

Description

核燃料组件压紧弹簧

技术领域

本发明通常涉及核反应堆燃料组件、并且更具体地涉及在燃料组件的顶部喷嘴上的改进的压紧弹簧。

背景技术

在压力下通过水冷却的核反应堆发电系统的一级侧部包括闭合回路，所述闭合回路被隔离并且与用于产生有用能量的二级侧部进行热量交换。一级侧部包括：包封堆芯内部结构的反应堆容器、在热量交换蒸汽发生器内的一级电路、稳压器的内容积、泵、和用于使增压水循环的管路，其中所述堆芯内部结构支承多个容纳可裂变物质的燃料组件；管路将蒸汽发生器和泵中的每一个独立地连接至反应堆容器。一级侧部的部件中的每一个（包括蒸汽发生器、泵以及连接至容器的管路系统）形成一级侧部的环路。

为了说明，图1示出简化的核反应堆一级系统，包括通常圆筒形的反应堆压力容器10，所述反应堆压力容器10具有顶盖12（也在图2中示出）且包封堆芯14。诸如水的液体反应堆冷却剂通过泵16被泵送至容器10内穿过堆芯14，在所述堆芯14处热能被吸收并且排放至热交换器18（通常称为蒸汽发生器），在所述热交换器18中热量被传递至利用回路（未示出），诸如蒸汽受驱涡轮发电机。反应堆冷却剂随后返回至泵16，从而完成一级环路。一般来说，多个上述环路通过反应堆冷却剂管路20连接至单个反应堆容器10。

示范性反应堆设计在图2中更详细地示出。除了包括多个平行的、竖直的、共同延伸的燃料组件22的堆芯14之外，为了描述方便，其他的容器内部结构能够被划分为下内部24和上内部26。在传统的设计中，下内部的功能为支承、对齐和引导堆芯部件和仪表以及指引容器内的流动。上内部约束燃料组件22（在这个附图中为了简化仅示出所述燃料组件22中的两个）或者为其提供二级约束，并且支承和引导诸如控制棒28的仪表和部件。在图2中示出的示范性反应堆中，冷却剂穿过一个或多个入口喷嘴30进入反应堆容器10，向下流动穿过容器和堆芯筒32之间的环形空间，在下腔室34中被转向180°，向上穿过下支承板37和其上有燃料组件22的下堆芯板36，并且穿过和围绕组件。在一些设计中，下支承板37和下堆芯板36在与37相同的高度处被单个结构（下堆芯支承板）替换。冷却剂流动穿过堆芯，并且包围区域38一般为以每秒大约20英寸的速度每分钟400,000加仑数量级之大。产生的压力下降和摩擦力倾向于导致燃料组件抬起，所述移动被包括环形上堆芯板40的上内部约束。流出堆芯14的冷却剂沿上堆芯板40的下侧流动并且向上流动穿过多个穿孔42。冷却剂随后向上径向上流动至一个或多个出口喷嘴44。

上内部26能够从容器或容器头部被支承并且包括上支承组件46。负载主要通过多个支承柱48在上支承组件46和上堆芯板40之间传递。支承柱在选定的燃料组件22和上堆芯板40中的穿孔42上方对齐。

能够成直线移动的控制棒28一般包括驱动轴50和中子毒物棒28的连接柄组件52，所述中子毒物棒28通过控制棒引导管54被引导穿过上内部26并且至对齐的燃料组件22内。引导管被固定地结合至上支承组件46并且连接至上堆芯板40的顶部。

图3为通常由附图标记22表示的一般燃料组件的以竖直缩短形式呈现的正视图。燃料组件22为在压水反应堆中使用的类型、并且具有在其下端部处包括底部喷嘴58（有时称为下端部装配件）的结构轮廓。底部喷嘴58将燃料组件22支承于核反应堆的堆芯区域中的下堆芯支承板60上（下堆芯支承板60由图2中的附图标记36表示）。除了底部喷嘴58之外，燃料组件22的结构轮廓还包括在其上端部处的顶部喷嘴62（有时称为上端部装配件或顶端部装配件）和一些引导管或套筒54（也称为引导管），所述引导管或套筒54在底部和顶部喷嘴58和62之间纵向地延伸并且在相对的端部处被刚性地附接至底部和顶部喷嘴58和62。

燃料组件22进一步包括多个沿引导套筒54在轴向上隔开并且安装至引导套筒54的横向栅格64、以及被栅格64横向隔开并支承的有组织的细长燃料棒阵列66。虽然不能够在图3中见到，但是栅格64传统上由以蛋架图案交错的正交带形成，且四个带的相邻界面限定近似正方形的支承单元，燃料棒66通过所述支承单元以彼此横向隔开的关系被支承。在许多传统的设计中，弹簧和凹痕被冲压至形成支承单元的带的相对的壁内。弹簧和凹痕在径向上延伸至支承单元内并且捕获其之间的燃料棒，从而施加压力于燃料棒包壳上以将棒保持就位。还有，组件22具有定位于其中心的仪表管68，所述仪表管68在底部和顶部喷嘴58和62之间延伸并且安装至底部和顶部喷嘴58和62。通过这样的部件布置，燃料组件22形成能够被方便地掌控而不损坏部件组装的整体单位。

如上所述，组件22中的燃料棒阵列中的燃料棒66通过沿燃料组件长度隔开的栅格64被保持为彼此隔开的关系。每一个燃料棒66包括多个核燃料芯块70并且在其相对的端部处被上和下端塞72和74闭合。芯块70通过布置于上端塞72和芯块堆叠的顶部之间的空气室弹簧（plenumspring）76维持在堆叠中。包括可裂变物质的燃料芯块70负责创造反应堆的反应动力。包围芯块的包壳作为用于防止裂变副产品进入冷却剂并进一步污染反应堆系统的屏障。

为控制裂变过程，一些控制棒78能够在位于燃料组件22中的预定位置处的引导套筒54中往复地移动。特别地，定位于顶部喷嘴62上方的棒簇控制机构80支承控制棒78。控制机构具有带多个径向延伸的锚爪或臂52的内螺纹圆筒形毂构件82。每一个臂52与控制棒78相互连接，以使得控制棒机构80能够在联接至控制棒毂80的控制棒驱动轴50的运动动力下操作地在引导套筒54中竖直地移动控制棒，以由此控制燃料组件22中的裂变过程，上述内容全部以已知的方式进行。

如上所述，燃料组件经受液压力，所述液压力超过燃料棒的重量并且因此施加显著的力于燃料棒和燃料组件上。这些力被燃料组件22和多个在顶部喷嘴62上的压紧弹簧组件56的重量的组合抵消，所述压紧弹簧组件56推动抵靠在反应堆的上堆芯板40上（图2）。压紧弹簧组件56因此防止向上冷却剂流的作用力使燃料组件提升到与上堆芯板有损接触，与此同时容许由于堆芯引起的热膨胀和辐射增加而改变燃料组件的长度。操作经验已经示出：这些压紧弹簧能够经历能够影响其效果的应力腐蚀开裂。

因此，需要一种在长期燃料循环过程中维持其弹性的新的压紧装置。此外，需要一种更加抗应力腐蚀开裂的新的压紧组件。

发明内容

通过一种改进的燃料组件实现这些和其他目的，所述改进的燃料组件具有通过结构组件连接在一起的顶端部装配件和底端部装配件，所述结构组件具有从底端部装配件延伸至顶端部装配件的轴向尺寸，顶端部装配件具有在顶端部装配件的上表面上方突出的压紧弹簧组件。所述压紧弹簧组件包括：在顶端部装配件上方延伸的一级弹簧构件，所述一级弹簧构件包括笔直的第一腿部分，所述第一腿部分具有以相对于与燃料组件的轴向尺寸垂直的平面成锐角角度附接至顶端部装配件的框架的一个端部，其中所述锐角角度大于零度。弯曲的过渡部分在笔直的第一腿的另一个端部处延伸，其中笔直的第二腿部分以与第一腿成锐夹角角度从过渡部分朝向框架延伸。一级弹簧构件被定向在顶端部装配件上，以使得过渡部分处于竖直最高的高度处，由此端部装配件和反应堆的上板朝向彼此的相对移动主要给过渡部分增加负载并且围绕附接至顶端部装配件的框架的附接部偏转第一腿部分，核燃料组件被设计成在所述反应堆中运行。压紧弹簧组件还包括具有第一端部和第二端部的至少一个二级弹簧。第一端部与一级弹簧的第一腿的第一端部相邻地附接至顶端部装配件。第二端部邻近过渡部分终止，并且包括用于当一级弹簧构件以悬臂方式偏转时与过渡部分相互作用以抵抗过渡部分的向下移动的装置。

优选地，一级弹簧的附接至顶端部装配件的框架的所述端部被支承在框架中的大体上以锐角角度延伸的槽中。理想地，弹簧被夹钳在框架上的表面的大体上以锐角角度延伸的第一部分上，其中在一级弹簧下方的框架的表面的第一部分的周缘呈弧形以过渡至在一级弹簧下方的框架的表面的第二部分，所述第二部分与垂直于轴向尺寸的平面大体上平行地延伸。

在另一个实施例中，所述至少一个二级弹簧具有从第一端部延伸至第二端部附近的居中部分的大体上平坦的腿，在所述居中部分处平坦的腿在框架的方向上呈弧形。优选地，呈弧形的居中部分在10°至70°之间弯曲。

附图说明

当结合附图阅读时能够从以下优选的实施例的描述中获得本发明的进一步的理解，其中：

图1为能够应用本发明的核反应堆系统的简化示意图；

图2为能够应用本发明的核反应堆容器和内部部件的部分剖视的正视图；

图3为以竖直缩短的形式说明的燃料组件的部分剖视的正视图，且为了清晰目的部件被去除；

图4为先前技术的顶部燃料组件喷嘴的立体图，示出从径向相对的角支承的四个悬臂片簧组件；

图5为部分被切除的燃料组件顶部喷嘴的示意图，示出本发明的悬臂片簧组件的支承件；

图6为捕获于顶部喷嘴的节段中的在图5中说明的本发明的弹簧组件的立体图；

图7为先前技术的片簧设计的应变分布的图解；以及

图8为本发明的片簧设计的应变分布的图解。

具体实施方式

如上所示，在图3中示出的压紧弹簧组件56为用于核燃料组件的重要结构构件。若干叶片被组装在一起以形成弹簧组，以用于向燃料组件提供所需的压紧力，从而抵消由于液压流引起的向上提升力，并且允许由于在正常设备使用过程中有差异的热膨胀和辐射剂量引起的燃料组件生长。

传统的压紧弹簧56安装于顶部燃料喷嘴62上并且被定位于顶部板20（如图3中所示）的径向相对的角处的销60保持。一般说来，顶部喷嘴62支承四个弹簧组56，如图4中所说明。每一个弹簧组具有一级弹簧84和至少一个二级弹簧86，其中图3示出两个二级弹簧并且图4示出三个。根据先前技术，弹簧叶片84和86具有平坦的水平基部88，所述水平基部88通过销60被抵靠顶部喷嘴62的顶部板20固定。叶片随后向上弯曲远离顶部喷嘴62，其中所述一级弹簧构件84具有的第一平坦腿90以与顶部板20成大于0°的锐角角度延伸至在第一腿90的另一个端部处的弯曲过渡部分92。笔直的第二腿部分94以与第一腿90成锐夹角角度从过渡部分92朝向顶部喷嘴62的框架延伸。该现有实施例的二级弹簧叶片86具有与一级弹簧的平坦弹簧基部88相对应的短平坦段，并且随后在一级弹簧的下方向上弯曲，从而在一级弹簧下方延伸一笔直部分并且在第二端部处终止于过渡部分92附近，其中当一级弹簧84以悬臂方式向下偏转时二级叶片86的第二端部与一级弹簧84的过渡部分92相互作用以抵抗过渡部分92的向下移动。一级弹簧的第二腿94延伸穿过第二弹簧叶片86中的开口至顶部喷嘴框架62，在所述顶部喷嘴框架62处第二腿94与未示出的止动器相互作用。

燃料组件22被竖直地安装于反应堆堆芯14中并且直立于下堆芯板60（36）上。正如能够从图2中所理解的，在燃料组件设定就位后，安装上支承结构26。上堆芯板40随后向下承载抵靠每一个燃料组件22的顶部喷嘴62上的压紧弹簧56，以将燃料组件保持就位。弹簧通常由镍-铬-铁合金718制成。将弹簧设定就位的保持销60能够被旋拧至顶部喷嘴内或者被焊接以防止当在使用时松脱。

在图5中说明本发明的改进。如下文说明的，虽然应当被理解的是个体组件的设计将与图3和4中说明的相对应的现有部件不同，但是类似的附图标记被用于弹簧56和顶部喷嘴62的相对应的部件。根据本发明，每一个叶片（即一级弹簧构件和二级弹簧构件）的弹簧基部88由跟随有笔直长平坦杆90的一小段笔直平坦杆形成，所述笔直长平坦杆90的厚度逐渐变细且在沿叶片远离基部88的方向上延伸。杆88和90因此形成一个连续的平坦腿。除了顶部一级弹簧84以外，在笔直二级杆86的端部部分处具有稍微弯曲部96。由于弹簧组56为悬臂结构系统，因此最大弯曲力矩和拉伸发生于支承端部98处。从直杆的挠曲负载来说，在内纤维和外纤维上的应变或应力的绝对量级相等。然而，关于传统的弹簧设计的弯曲基部，由于曲率效应内纤维和外纤维的应变或应力的绝对量级不相等，从在图7中示出的现有片簧设计的应变分布的图解以及在图8中说明的本发明的片簧设计的应变分布中能够理解所述弯曲效应。该分析根据运行状况采用弹塑性偏转。依据相同的负载分析，用于笔直（平坦）端部弹簧设计的最大绝对应变被平均地分布于内纤维和外纤维上。用于先前技术的弯曲基部以及本发明的直的基部设计的最大应变分别为0.014247和0.0101014。这意味着用于直的基部设计的最大应变减少大约29%。

图6提供在图5中说明的弹簧设计的采取另一个角度的另一个视图。在图5和6中示出的节段88和90提供从顶部喷嘴中的倾斜槽100延伸的笔直平坦杆片簧组。笔直杆延伸直到一级弹簧叶片中的过渡部分92和二级弹簧叶片的第二端部中的稍微弯曲节段96为止。倾斜槽100以相对于与燃料组件的纵向轴线垂直的平面成大于0°的锐角角度延伸。弯曲部96在10°至70°之间呈弧形（radiused）。类似地，槽100的下唇部102类似地在10°至70°之间呈弧形。在其他方面中，顶部喷嘴62类似于在图4中示出的顶部喷嘴62。

虽然已经详细地描述本发明的特定实施例，但是本领域的技术人员将理解的是能够在本公开的全部教导下研发所述细节的各种修改和替换。因此，公开的具体的实施例意在仅为说明性的并且不作为限制本发明的范围，通过附属权利要求及其任何和全部等价物的全部广度给定所述本发明的范围。

Claims (5)

1.一种核燃料组件，所述核燃料组件具有通过结构组件连接在一起的顶端部装配件和底端部装配件，所述结构组件具有从底端部装配件延伸至顶端部装配件的轴向尺寸，顶端部装配件具有在顶端部装配件的上表面上方突出的弹簧组件，所述弹簧组件包括：

在顶端部装配件上方延伸的一级弹簧构件，所述一级弹簧构件包括：笔直的第一腿部分，所述第一腿部分从靠近一级弹簧构件的一个端部的附接点沿直线延伸，且所述第一腿部分的一个端部以相对于与轴向尺寸垂直的平面成锐角的角度附接至顶端部装配件的框架，其中所述锐角的角度大于零度；在第一腿部分的另一个端部处的弯曲的过渡部分；以及笔直的第二腿部分，所述第二腿部分以与第一腿部分成锐夹角的角度从过渡部分朝向框架延伸，一级弹簧构件被定向在顶端部装配件上，以使得过渡部分处于竖直最高的高度处，由此端部装配件和反应堆的上板朝向彼此的相对移动给过渡部分增加负载并且围绕附接至顶端部装配件的框架的附接部偏转第一腿部分，核燃料组件被设计成在所述反应堆中运行；

具有第一端部和第二端部的至少一个二级弹簧，二级弹簧的第一端部与一级弹簧的第一腿部分的所述一个端部相邻地附接至顶端部装配件，并且二级弹簧的第二端部邻近过渡部分终止，并且二级弹簧具有用于当一级弹簧构件以悬臂方式偏转时与过渡部分相互作用以抵抗过渡部分的向下移动的在二级弹簧的第二端部处的装置；

其中一级弹簧的附接至顶端部装配件的框架的所述一个端部被夹钳在框架表面的在倾斜槽内以所述锐角的角度延伸的第一部分上，在一级弹簧下方的框架表面的第一部分的周缘下唇部呈弧形以过渡至在一级弹簧下方的框架表面的第二部分，所述第二部分和与轴向尺寸垂直的平面平行地延伸；以及

其中所述至少一个二级弹簧具有从第一端部延伸至居中部分的平坦的腿，所述居中部分位于第二端部附近，其中，在未偏转状态下，平坦的腿在朝向框架的方向上远离一级弹簧呈弧形，从而在二级弹簧的超过一半的长度上二级弹簧接触一级弹簧的下侧，并且在一级弹簧的过渡部分处在一级弹簧和二级弹簧之间存在间隙。

2.根据权利要求1所述的核燃料组件，其中一级弹簧的附接至顶端部装配件的框架的所述一个端部被支承在框架中的以锐角的角度延伸的槽中。

3.根据权利要求1所述的核燃料组件，其中呈弧形的居中部分在10°至70°之间弯曲。

4.根据权利要求1所述的核燃料组件，其中一级弹簧构件的笔直的第一腿部分的所述一个端部通过保持销或螺钉附接至顶端部装配件的框架。

5.根据权利要求1所述的核燃料组件，其中一级弹簧下方的框架表面的第一部分的呈弧形的周缘在10°至70°之间弯曲。