CN105513658A - 具有固定稳定性改良的弹簧插孔的核燃料组件顶喷嘴及其制造方法 - Google Patents

Abstract

这里公开了一种核燃料组件的顶喷嘴以及制造该顶喷嘴的方法。该顶喷嘴包括连接板、围墙和压紧弹簧单元。所述连接板连接于核燃料组件的导向套管。所述围墙从所述连接板的周边向上伸出。弹簧夹具设置于所述围墙的上表面上。压紧弹簧单元以将所述压紧弹簧单元的相应端部连接到所述弹簧夹具的方式安装于所述围墙的上表面。贯穿所述弹簧夹具的上表面而垂直地形成固定销孔。沿所述压紧弹簧的插入方向通过放电加工形成所述压紧弹簧单元插入其中的弹簧插孔。

Description

具有固定稳定性改良的弹簧插孔的核燃料组件顶喷嘴及其制造方法

本申请是申请日为2010年4月27日，申请号为201010165544.5，发明名称为“具有固定稳定性改良的弹簧插孔的核燃料组件顶喷嘴及其制造方法”的专利申请的分案申请。

技术领域

本发明涉及一种具有弹簧插孔的核燃料组件顶喷嘴。

背景技术

本领域技术人员众所周知的是，核反应堆是这样的一种装置，即为了产生热、生产放射性同位素和钚，或者形成辐射场，可裂变材料的链式裂变反应在其中受控发生。

一般地，在轻水反应堆核电站中，使用铀-235的丰度增加至2％到5％的浓缩铀。为了将浓缩铀处理成核燃料以在核反应堆中使用，采用了将铀形成为重量约5g的圆柱状颗粒的形成工艺。在真空条件下，将数百个这样的颗粒形成(retaininto)束，并插入锆管。在管中设置弹簧并充入氦气，并且在管上焊接端盖并密封，这样就完成了燃料棒。多个燃料棒组成了核燃料组件，并在核反应堆中发生核反应而燃烧。

图1为显示典型的核燃料组件的正视图。图2是根据常规技术(US5,213,757)设有弹簧夹具(springclamp)31的顶喷嘴30的透视图，该弹簧夹具带有利用铣削形成的弹簧插孔31a。

如图1所示，核燃料组件包括其中插有燃料棒(未图示)的多个支撑格栅10和与支撑格栅10连接的多个导向套管20。核燃料组件还包括与导向套管20的上端连接的顶喷嘴30，与导向套管20的下端连接的底喷嘴16，以及由弹簧和形成于支撑格栅10上的凹窝(dimple)支撑的燃料棒(未图示)。

如图2所示，顶喷嘴30包括固定件15、弹簧夹具31和压紧弹簧单元32。固定件15起使顶喷嘴30连接于上堆芯板中的定位销的作用。每个弹簧夹具31都具有形成于其中的弹簧插孔31a。每一个压紧弹簧单元32的端部插入相应的弹簧插孔31a中。贯穿相关弹簧插孔31a上方每个弹簧夹具31的上表面形成固定销孔33＇。T型槽14形成于每个弹簧夹具31中，且分别与固定销孔33＇连通。压紧弹簧单元32插入相应弹簧插孔31a中，并固定于相应弹簧夹具31。每个弹簧插孔31a按如下方式通过铣削形成，即以使铣刀末端(millingtip)(未图示)插入形成于弹簧夹具31的上表面的T型槽14中。

每个压紧弹簧单元32包括具有第一颈部32a＇的第一弹簧32a，以及与第一颈部32a＇连接的第二弹簧32b和第三弹簧32c。压紧弹簧单元32构造成使得第一、第二和第三弹簧32a、32b、32c一个叠加在另一个顶上。为了将压紧弹簧单元32连接到顶喷嘴30，与第一颈部32a＇相对的压紧弹簧单元32的弹簧连接端沿水平方向插入相应的弹簧插孔31a。此后，固定销33沿垂直方向插入弹簧夹具31的相应固定销孔33＇和压紧弹簧单元32的固定销孔32a＂中。从而，压紧弹簧单元32连接于顶喷嘴30。这里，为了防止固定销33被移除，固定销33的上端通过点焊固定于弹簧夹具31。在图2中，附图标记40表示上板，附图标记41表示上板槽。

如图1所示，具有前述构造的顶喷嘴30与核燃料组件的元件装配。随后，如众所周知的那样，核燃料组件装入堆芯并位于上堆芯板(未图示)和下堆芯板之间，以使压紧弹簧单元32由上堆芯板的下表面支撑。如此，核燃料组件装入在其中引起核裂变的核反应堆堆芯，并用作核能产生的燃料。

当装入核反应堆的核燃料组件用作核燃料时，顶喷嘴30的压紧弹簧单元32针对由核反应堆运行期间冷却剂流动所引起的水压上升力、因温度上升而引起的热膨胀、因中子长时间辐照而引起的核燃料管的辐照量增加或者因蠕变而产生的轴向长度变化所产生的振动的冲击行使吸收功能。从而确保核燃料组件的机械-结构稳定性。

然而，在根据常规技术的顶喷嘴30中，当上升力施加于为形成每个弹簧插孔31a而在插入弹簧插孔31a的压紧弹簧单元32的端部设置的T型槽14时，T型槽14变宽，导致固定于弹簧夹具31的压紧弹簧单元32变松。从而，支撑核燃料组件的力显著下降。

而且，在弹簧插孔31a沿压紧弹簧单元32插入弹簧插孔31a的方向通过铣削形成于顶喷嘴30、但未形成T型槽14的情况下，铣削操作受到位于与弹簧夹具31相对位置的、从顶喷嘴30的上表面突出的固定件15的阻碍。因此，很难精确地机械加工每个弹簧夹具31使得弹簧插孔31a的内部具有相应于压紧弹簧单元32的端部的形状。

因此，压紧弹簧单元32的端部不能达到与弹簧插孔31a的内表面紧密接触。结果，在核反应堆运行时，压紧弹簧单元32不能可靠地吸收核燃料组件的振动。

此外，在极端情况下，常规技术中的上述问题可能导致核燃料组件的变形或断裂。

发明内容

因此，针对现有技术中所产生的上述问题，本发明的一个目的是提供一种在未形成T型槽的弹簧夹具中形成弹簧插孔的核燃料组件的顶喷嘴，从而提高了握持压紧弹簧单元的弹簧夹具的结构稳定性。

本发明的另一目的是提供一种核燃料组件的顶喷嘴，弹簧插孔能容易且精确地形成于其中，使得压紧弹簧单元的端部达到与弹簧插孔的内表面紧密接触，从而提高制造效率。

本发明的又一目的是提供一种制造核燃料组件的顶喷嘴的方法，该方法使精确的机加工成为可能，从而提高了具有弹簧插孔的弹簧夹具的结构稳定性，因而提高了固定于弹簧夹具的压紧弹簧单元的稳定性。

为了实现上述目的，本发明提供了一种核燃料组件的顶喷嘴，包括：连接板，连接于核燃料组件的导向套管；围墙，从所述连接板的周边向上伸出且带有设置于所述围墙上表面的弹簧夹具；以及压紧弹簧单元，安装于所述围墙的上表面，以将所述压紧弹簧单元的相应端部连接到所述弹簧夹具。贯穿所述弹簧夹具的上表面而垂直地形成固定销孔，以及沿所述压紧弹簧的插入方向通过放电加工形成弹簧插孔，使得所述压紧弹簧单元连接到所述弹簧夹具的弹簧插孔中。

优选地，在执行放电加工工艺前，所述连接板和围墙通过铸造成单个体而一体地形成。

固定销孔可具有限定了所述弹簧插孔的、形成于所述夹具的上表面中的椭圆形销头座。

所述弹簧插孔可在不具有T型槽的情况下通过放电加工形成。

所述弹簧插孔的形成采用的方式是使形成其横截面小于所述弹簧插孔的横截面的预制孔并执行放电加工工艺。

所述顶喷嘴还可包括固定销，其设有一个与所述椭圆形销头座相应形状的头部，所述固定销插入到固定销孔以握持所述压紧弹簧单元。

为了实现上述目的，本发明提供了一种制造核燃料组件的顶喷嘴的方法，包括：沿垂直方向贯穿所述顶喷嘴上所设置的弹簧夹具的上表面形成固定销孔；使用放电加工工艺，沿压紧弹簧的插入方向形成其中插入压紧弹簧单元的弹簧插孔；以及以使所述压紧弹簧单元的端部插入所述弹簧插孔的方式将所述压紧弹簧单元连接于所述弹簧夹具。

所述放电加工工艺可在未形成T型槽的情况下执行。

所述固定销孔的形成可包括以使所述固定销孔的上端部形成椭圆形状的方式形成椭圆形销头座。

通过放电加工工艺形成所述弹簧插孔可包括在执行所述放电加工工艺前，贯穿所述椭圆形销头座形成预制孔。

所述方法还可包括在所述固定销孔形成前，铸造所述顶喷嘴的主体，所述主体包括连接于核燃料组件的导向套管的连接板，和从所述连接板的周边向上伸出的围墙，其带有设置于所述围墙上表面的弹簧夹具。

附图说明

以下结合附图的详细说明，本发明上述和其它目的、特征和优点将会被更清晰地理解，其中：

图1是显示典型的核燃料组件的正视图；

图2是根据常规技术的核燃料组件的顶喷嘴的透视图；

图3是根据本发明一个具体实施方式的顶喷嘴的透视图；

图4是图3的顶喷嘴的制造方法流程图；

图5A和5B是显示形成于图3的顶喷嘴弹簧夹具中的圆形固定销孔的视图；

图6是根据本发明另一个具体实施方式、具有其中容纳有椭圆形固定销的椭圆形头部的椭圆形销头座的顶喷嘴的制造方法流程图；以及

图7A和7B是显示根据图6的方法制造的顶喷嘴的弹簧夹具中形成的椭圆形销头座的视图。

具体实施方式

下面，将参考附图更详细地描述本发明的优选实施方式。

图3是根据本发明一个具体实施方式的顶喷嘴30＇的透视图。

如图3所示，顶喷嘴30＇包括连接板25，围墙20和多个压紧弹簧单元100。连接板25连接于核燃料组件的导向套管(未图示)。围墙20从连接板25的周边向上伸出。弹簧夹具31和固定件15设置于围墙20的上表面。在每个弹簧夹具31中形成弹簧插入孔31a。压紧弹簧单元100设置于围墙20的上表面，并且插入弹簧夹具31的相应弹簧插孔31a中。与常规技术不同，本发明的特征在于顶喷嘴30＇不具有单独的T型槽(参见图2)。

这里，因为本发明的顶喷嘴30＇是根据图4的方法制造的，可在未形成T型槽14的情况下形成弹簧插孔31a。

图4是图3的顶喷嘴30＇的制造方法流程图。图5A和5B是显示形成于顶喷嘴30＇的弹簧夹具31中的圆形固定销孔33a的视图。图5A是弹簧夹具31的平面图，图5B是沿图5A的5B-5B线的剖视图。

下面将参考图3至5详细地描述图3的顶喷嘴的制造方法。

如图3所示，为了制造顶喷嘴30＇，主体30a＇采用使得连接板25整体地连接于具有弹簧夹具31和固定件15的围墙20的方式制成。优选地，通过使用构造成使得连接板25与具有弹簧夹具31和固定件15的围墙20成为一体的模具而铸造形成主体30a＇。当主体30a＇通过铸造形成(S10：铸造步骤，参见图4)时，可大体地形成弹簧插孔31a。图4的铸造步骤S10仅仅是从制造顶喷嘴30＇的各种方法中选择的一种实例。因此，顶喷嘴30＇的主体30a＇可利用铸造步骤外的其他已知方法制造。

在步骤S20(形成固定销孔)，在通过铸造步骤S10形成主体30a＇后，通过钻孔或类似方法在预定位置贯穿弹簧夹具31的上表面而垂直地形成固定销孔33a(参见图5A和5B)。

在步骤S30(通过放电加工工艺形成弹簧插孔)，在形成固定销孔33a后，执行用于形成弹簧插孔31a的放电加工工艺。在执行放电加工工艺以形成每个弹簧插孔31a时，使用具有与压紧弹簧单元100的端部相同形状的电极。在这种情况下，机加工的精度类似于或优于铣削工艺情况下的精度。而且，在放电加工工艺的情况中，形成弹簧插孔31a的操作不受到固定件15的阻碍。因此，可更精确地形成弹簧插孔31a。因而，可显著提高固定于固定件31的压紧弹簧单元100的稳定性。在本发明的放电加工工艺中可使用各种放电加工方法，例如，公开公布号为1999-46308的韩国专利中所提议的方法，即将物体浸入机加工绝缘液体中，然后进行机加工。

当弹簧插孔31a在步骤S30(通过放电加工工艺形成弹簧插孔)中形成后，在将压紧弹簧单元100固定于弹簧夹具31上的步骤S40中，如图5A和5B所示，每一个压紧弹簧单元100的端部插入到相应弹簧插孔31a中。这里，如图3所示，压紧弹簧单元100包括具有第一颈部112的第一弹簧110、板簧120和第二弹簧130。此后，固定销33装配到每个固定销孔33a中以将压紧弹簧单元100固定于相应弹簧夹具31，从而完成顶喷嘴30＇的制造。这里，装配到固定销孔33a中的固定销33的头可通过点焊方法处理，如同参引文献美国专利No.5,213,757中的方式。

为了减小因向上地施加于压紧弹簧单元100的上升力而产生的弹簧夹具31上表面的应力，本发明可具有每一个均将固定销34的椭圆形头33＂容纳于其中的椭圆形销头座33a＂(参见图7A和7B)。

图6是根据本发明的另一具体实施方式的、具有椭圆形固定销34的椭圆形销头33＂容纳于其中的椭圆形销头座33a＂的顶喷嘴30＂(参见图7)的制造方法流程图。图7A和7B是显示根据图6的方法所制造的顶喷嘴30＂的弹簧夹具31＇中所形成的椭圆形销头座33a＂的视图。图7A是弹簧夹具31＇的平面图。图7B是图7A沿线7B-7B的剖视图。

图6的用于制造具有椭圆形销头座33a＂的顶喷嘴30＂的方法，除图4中的所有步骤，即铸造步骤S10、固定销孔形成步骤S20、弹簧插孔放电加工步骤S30和压紧弹簧单元固定步骤S40外，该方法还包括用于形成椭圆形销头座的步骤21和用于形成预制孔的步骤22。

这里，铸造步骤S10、固定销孔形成步骤S20、弹簧插孔放电加工步骤S30和压紧弹簧单元固定步骤S40与图3至5所描述的相同，因此，进一步解释视为不是必需的。

在图6的顶喷嘴30＂的制造方法中，主体30a＇(参见图3、7A和7B)通过铸造(S10)或其他的公知方法形成。当固定销孔33a＇(参见图7A和7B)在固定销孔形成步骤S20中形成后，如图7A和7B所示，椭圆形销头座33a＂分别形成于固定销孔33a＇的上端部中。在椭圆形销头座形成步骤S21中，椭圆形销头座33a＂形成于位于弹簧插孔31a上方的、弹簧夹具31＇的上表面31a＇(参见图7B)中。

此后，在预制孔形成步骤S22中，为了快速地形成每个弹簧插孔31a，在执行放电加工工艺前，钻头(drillingtip)或铣刀末端插入到椭圆形销头座33a＂中，然后弹簧夹具31＇的内部机加工成弹簧插孔31a，这样就形成了预制孔(未图示)。利用“预制孔”(未图示)表示通过去除弹簧夹具31＇的本体的一部分以形成弹簧插孔31a而预先形成的空间，以便减少执行放电加工工艺所耗费的时间。预制孔可通过钻入弹簧夹具的本体来形成，使得压紧弹簧单元100的端部可插入其中。或者，预制孔可形成中空形状而不是钻入。

随后，以与图3至5所描述的相同的方式，连续地执行弹簧插孔放电加工步骤S30和压紧弹簧单元固定步骤S40，从而完成具有椭圆形销头座33a＂的顶喷嘴30＂的制造。

这里，在本实施方式中，因为执行预制孔形成工艺S22，所以减小了要进行放电加工的部分的体积。因此，可以迅速地执行弹簧插孔放电加工工艺S30。

在形成椭圆形销头座33a＂后，具有椭圆形头33＂的椭圆形固定销34装配到相应的固定销孔33a＇和相关压紧弹簧单元100的固定销孔32a＂中，从而将压紧弹簧单元100固定于弹簧夹具31＇使得椭圆形头33＂能直接支撑压紧弹簧单元100的端部。因而，能显著地减小通过压紧弹簧单元100而施加于弹簧夹具31＇的上表面31a＇的应力。因此，防止弹簧夹具31＇变形或断裂，这样，尽管使用很长的时间，也能更稳定地夹持压紧弹簧单元100。

如上所述，在本发明中，因为通过放电加工而在设置于顶喷嘴上的弹簧夹具中形成弹簧插孔，不需要执行铣削工艺所用的T型槽。因此，提高了弹簧夹具的结构稳定性，从而防止弹簧夹具因插入弹簧插孔的压紧弹簧单元端部而变形或者损坏。

而且，在本发明中，通过放电加工精确地形成弹簧插孔，使得压紧弹簧单元的端部能紧密地装配到弹簧插孔中。支撑压紧弹簧单元的力类似于或优于利用T型槽执行机加工的常规技术的支撑力。

虽然本发明的优选实施方案已为例示目的而公开，本领域的技术人员将会理解，在没有脱离如所附权利要求公开的本发明范围和精神的情况下进行各种修改，补充和替代是可能的。

Claims (4)

1.一种制造核燃料组件顶喷嘴的方法，包括：

沿垂直方向贯穿设置于所述顶喷嘴上的弹簧夹具的上表面而形成固定销孔；

使用放电加工工艺，沿所述压紧弹簧的插入方向形成压紧弹簧单元插入其中的弹簧插孔；以及

以使得所述压紧弹簧单元的端部插入所述弹簧插孔的方式将所述压紧弹簧单元连接于所述弹簧夹具。

2.如权利要求1所述的方法，其中，所述固定销孔的形成包括：

以使所述固定销孔的上端形成为椭圆形状的方式形成椭圆形销头座。

3.如权利要求1所述的方法，其中，所述通过放电加工工艺形成所述弹簧插孔包括：

在执行所述放电加工工艺前，贯穿所述椭圆形销头座形成预制孔。

4.如权利要求1所述的方法，还包括：

在所述固定销孔形成前，铸造所述顶喷嘴的主体，所述主体包括连接于所述核燃料组件的导向套管的连接板，和从所述连接板的周边向上伸出且具有设置于其上表面的弹簧夹具的围墙。