CN109767848B - 燃料棒的无损安装结构及其操作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种燃料棒的无损安装结构及其操作方法，包括若干块扩撑板依次连接构成内部中空且两端开口的扩撑器，所述扩撑器中其中一块或多块扩撑板能够绕着各自连接处转动或从连接处脱离，在扩撑板的外壁上均设置有导向槽，且导向槽均与扩撑器的一端连通，导向槽的深度向着扩撑器的另一端降低。本发明可以实现对同一栅元内或者多个栅元内的弹簧同时进行压迫，效率提高燃料棒能够方便地插入对应的栅元，对锆材表层进行保护，整个操作过程方便，由于燃料棒安装后，其实际没有与弹簧之间产生相对移动，表层锆材不会受到破坏，这样反应堆及核电安全性提高。

Description

燃料棒的无损安装结构及其操作方法

技术领域

本发明涉及燃料棒安装技术领域，具体涉及一种燃料棒的无损安装结构及其操作方法。

背景技术

核燃料的形式为由铀混合物粉末烧结成的二氧化铀陶瓷芯块。瓷芯块为直径1厘米，高度1厘米的圆柱体。几百个芯块叠在一起装入直径1厘米，长度约4米，厚度为1毫米左右的细长锆合金材料套管内，因为核裂变反应就像是在燃烧原子，因此称为燃料棒。以最常见的压水堆核电站为例，核燃料采用的铀是低浓缩铀，其中含裂变材料铀-235的含量为3％(称为富集度，天然铀的铀-235富集度为0.714％)。

核电站进行在燃料棒装入格架栅元内时，栅元内壁都凸出安装有弹簧，燃料棒在插入格架栅元过程中不可避免地要与弹簧接触，会发生摩擦和刮伤，弹簧对燃料棒挤压并导致燃料棒表面锆材损伤脱落，对反应堆及核电安全造成隐患。

申请号为“CN201610281447.X”，名称为“燃料棒装入燃料组件的保护装置及方法”的中国发明专利，燃料棒装入燃料组件的保护装置用于栅元格架上，栅元格架包括多个由条带分隔形成的栅元；燃料棒装入保护装置包括至少一个夹持于相邻的两个栅元的条带上、并压迫栅元内弹簧去掉预载荷的夹头；夹头包括间隔相对且用于分别伸入两个栅元内的两个夹臂；两个夹臂之间的间隔小于相邻的两个栅元内弹簧的最大间距，或小于栅元内弹簧和其所在条带的最大间距。本发明中，在燃料棒装入栅元格架前，通过其夹头夹持在栅元之间的条带上，压迫栅元内弹簧去掉预载荷，消除夹持力，使得燃料棒拉入时不受到弹簧夹持刮擦，解决燃料组件装配中燃料棒拉入时的包壳刮伤问题。但是由于每个栅元内每个壁面都有弹簧，实际上本发明每次都需要安装夹头将各自弹簧压下，操作麻烦，实施时劳动强度大，同时弹簧压缩尺寸不统一，还是会存在燃料棒壁面被刮擦的现象。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是现有燃料棒在插入格架栅元过程中不可避免地要与弹簧接触，会发生摩擦和刮伤，弹簧对燃料棒挤压并导致燃料棒表面锆材损伤脱落，对反应堆及核电安全造成隐患，其目的在于提供一种燃料棒的无损安装结构及其操作方法，该安装结构及操作方法能够防止燃料棒插入时弹簧与燃料棒壁面发生摩擦和刮伤，不会导致燃料棒表面锆材损伤脱落，不会对反应堆及核电安全造成隐患。

本发明通过下述技术方案实现：燃料棒的无损安装结构，包括若干块扩撑板依次连接构成内部中空且两端开口的扩撑器，所述扩撑器中其中一块或多块扩撑板能够绕着各自连接处转动或从连接处脱离，在扩撑板的外壁上均设置有导向槽，且导向槽均与扩撑器的一端连通，导向槽的深度向着扩撑器的另一端降低。燃料棒外壁都涂覆有锆材，燃料棒使用时，需要保证表层锆材的完整性，以免反应堆及核电安全出现隐患，燃料棒使用时需要插入到栅元中进行固定，实际上通过栅元内壁上的弹簧进行夹持固定，而由于弹簧本身采用金属制成，其结构较硬，在燃料棒插入对不断对燃料棒表层的锆材进行摩擦，很容易造成锆材刮伤，这样燃料棒表层的锆材完整性受到破坏，会对反应堆及核电的安全造成隐患，而人们为了解决上述问题，设计了燃料棒装入燃料组件的保护装置，利用夹头压迫栅元内弹簧去掉预载荷，这种装置虽然能够起到一定的作用来减少锆材与弹簧接触，但是其操作麻烦，因为格架包括很多个栅元，而每个栅元内壁上均设置有弹簧，这样弹簧的数量大，操作劳动强度大，同时弹簧在栅元内部，每次无法将同一栅元内的弹簧进行压缩，压缩时还要进行位置调整，否则出现偏差会造成实际弹簧的压缩尺寸不统一，燃料棒插入时还是会存在燃料棒壁面被刮擦的现象，而本方案则是通过同时将同一栅元内的壁面上的弹簧同时压迫去掉预载荷，在燃料棒插入过程中完全隔离了弹簧，并不会与弹簧进行接触，为了使得弹簧与扩撑器外壁不会打滑，在扩撑板的外壁上均设置有导向槽，且导向槽均与扩撑器的一端连通，导向槽的深度向着扩撑器的另一端降低，这样能够引导弹簧与扩撑器进行限位与导向，弹簧压缩更加便利，同时由于是插入时四周为封闭结构，不用考虑栅元内部弹簧是否压缩一致，燃料棒从扩撑器内部空腔插入，没有与弹簧接触，燃料棒插入到位后，拔出扩撑器，弹簧的弹性作用下对燃料棒夹持，此时弹簧和燃料棒之间无相对运动，不会对燃料棒表层锆材刮伤，不会对反应堆及核电安全造成隐患。

进一步地，为了方便对扩撑器插入时进行施压，在扩撑器上固定有限位受压板，限位受压板靠近扩撑器远离导向槽的端口，限位受压板是用于与下压装置限位固定，限位受压板的数量根据栅元空间中是否有导向管阻挡，无导向管阻挡时限位受压板才用一块即可，如果有导向管阻挡，则是设计两块限位受压板来错开，使得导向管位于两块限位受压板之间，实际上为了便于后续扩撑器从格架中撤出，扩撑板中与限位受压板固定的扩撑板和能够从连接处脱离的扩撑板分别设置在扩撑器的中心线两侧，这样扩撑器撤出时更加方便，组合式部件之间能够分离不会相对干涉。

而有时候由于结构需要，需要在栅元内进行扩撑器组装，其由于受到空间限制，需要保证组装的便利性和结构的稳定性，利用扩撑板中与限位受压板固定的扩撑板上设置有限位条，限位条与该扩撑板连接并且能够绕着连接处转动，实际上限位条是能够绕着连接处进行360°转动，在限位条上设置有能够在限位条上移动的定位柱，通过定位柱来限定与相邻扩撑板之间的安装位置，在限位条上设置有滑槽，定位柱设置在滑槽中并能够沿着滑槽移动，定位柱的滑动位置要在相邻的扩撑板外部，即组装后该扩撑板位于定位柱和限位条与扩撑板的连接处之间，才能够满足装拆的功能需求。

为了使得下压装置能够和限位受压板进行固定，在限位受压板上设置有固定槽，下压装置分别插入对应的固定槽中来实现固定，这样下压时结构稳定，安装方便。

一般栅元都是四边形结构，弹簧分别设置在栅元的四个壁面上，所以扩撑板的数量也优选为四块，即扩撑器也为四边体结构，这样能够将所有弹簧进行压缩。

燃料棒的无损安装结构的操作方法，包括以下步骤：

(1)将每个扩撑器对准相应的栅元；

(2)扩撑器的导向槽分别与对应栅元中的弹簧对准，压下扩撑器，使得弹簧变形去掉预载荷；

(3)扩撑器下压到位后，将燃料棒插入扩撑器内孔；

(4)燃料棒插入到位后，向上退出扩撑器，弹簧因回复力作用复位，对燃料棒产生夹持力，将燃料棒固定。

采用上述操作方法，可以实现对同一栅元内或者多个栅元内的弹簧同时进行压迫，效率提高，燃料棒不会与弹簧接触，燃料棒能够方便地插入对应的栅元，对锆材表层进行保护，整个操作过程方便，由于燃料棒安装后，其实际没有与弹簧之间产生相对移动，表层锆材不会受到破坏，这样反应堆及核电安全性提高。

根据扩撑器插入的数量以及动力需要，选择是否安装下压装置，为了较为省力的方式，可以在步骤(1)中扩撑器在未插入栅元前安装下压装置，下压装置与限位受压板固定。这样力量作用于下压装置，下压过程更加方便，同时可以将下压装置与多个扩撑器固定，可以同时进行多个栅元的弹簧压缩，提高了燃料棒安装效率。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：本发明可以实现对同一栅元内或者多个栅元内的弹簧同时进行压迫，效率提高燃料棒能够方便地插入对应的栅元，对锆材表层进行保护，整个操作过程方便，由于燃料棒安装后，其实际没有与弹簧之间产生相对移动，表层锆材不会受到破坏，这样反应堆及核电安全性提高。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为实施例1中采用的扩撑器结构示意图；

图2为实施例2中采用的扩撑器结构示意图；

图3为实施例2中采用的扩撑器和限位受压板组合示意图；

图4为采用实施例1中的扩撑器操作示意图；

图5为采用实施例2中的扩撑器操作示意图。

附图中标记及对应的零部件名称：

1-弧形扩撑板，2-导向槽，3-扩撑器，4-限位受压板，5-固定槽，6-连接栓，7-滑槽，8-定位柱，9-限位条，10-前压板，11-弹簧，12-中压板，13-限位器，14-后压板，15-燃料棒，16-栅元，17-扩撑板，18-导向管。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例1：

如图1和图4所示，燃料棒的无损安装结构，包括四块扩撑板17依次连接构成内部中空且两端开口的扩撑器3，其中一组相邻的扩撑板17之间通过铰链或合页方式连接，并且该两块扩撑板17都能够绕着铰链或合页转动，其它的相邻扩撑板17相互接触的壁面设计为齿状结构，使得其能够彼此卡住组合，实际上本实施例中的扩撑器3称为U型扩撑器，在扩撑器3外部垂直固定有一块限位受压板4，与限位受压板4固定的扩撑板17相对的扩撑板17设计为弧形，命名为弧形扩撑板1，另外三块扩撑板17组合为横截面为U型结构，弧形扩撑板1与其中一侧相邻的扩撑板17采用铰链或合页方式连接，另一侧通过齿状结构与另一块扩撑板17组合，这样在限位受压板4拉动与其固定的扩撑板17时，弧形扩撑板1绕着铰链或合页转动并且齿状结构受力脱开连接，能够较为方便地从燃料棒退出。

为了实现对弹簧11的引导，在扩撑板17的外壁上均设置有导向槽2，导向槽2加工中倒斜角形成，导向槽2均与扩撑器3插入栅元16的一端连通，而且向着另一端导向槽2的深度逐渐降低，这种结构设计的导向槽2是便于插入时弹簧11有压紧的空间，将弹簧11引入导向槽2后，其就不会在扩撑板17上打滑，随着扩撑器3插入，导向槽2深度降低或者消失，弹簧11压紧力度增加，也不会在扩撑板17上打滑，导向槽2深度降低或者消失，也使得扩撑器3结构完整性和强度增加，以适应弹簧压紧强度的变化。限位受压板4靠近扩撑器3远离导向槽2的端口即是将限位受压板4远离扩撑器3插入方向，使得有足够的空间来与下压器固定。

下压装置由前压板10、中压板12、后压板14及限位器13构成。在扩撑器3受压的情况下，下压装置的运用可确保无论是采用人力或采用气压及液压等加压方式对扩撑器均匀受压。下压装置采用钢性强的长方形薄板材料，在每个薄板开有限位槽，限位槽与扩撑器的限位受压板4的固定槽5精准对接，控制每个扩撑位置及下压时不跑偏，并起固定扩撑器作用。本实施例中的U型扩撑器其中一组固定槽5设置在扩撑板17上，另外两组都设置在限位受压板4上，扩撑板17安装的前压板10也是位于弧形扩撑板1上方，中压板12安装在另一侧，即需要插入燃料棒的栅元位于前压板10和中压板12之间，并在限位受压板4上也装有限位器13和后压板14，以三点同时向下加压的方式，确保扩撑器准确、受力平衡、均匀的下压。

限位受压板4作用是给扩撑器精准限位，使每个扩撑器(整排17个)准确对准相应的格架内栅元位置，并配合后压板给扩撑器均衡向下加压。U型扩撑器整体呈长筒形。其中U形部件由三面加工成一体而成。U型扩撑器适用扩撑器后方无或隔一个栅元有导向管18的位置。U型扩撑器需在格架外组装，扩撑器的外径小于格架栅元内径，采用合页或铰链组合方式，将弧形扩撑板1的一边与U型部件的右侧边连接，采用齿状组合的方式，将弧形扩撑板1的另一边和U型部件开口的另一边进行组合，扩撑器组装好后，扩撑器限位受压板装入限位器相对应的槽内，在限位器13上方装有后压板14，扩撑器上方装前压板10和中压板12，前压板10、中压板12的限位槽相对应扩撑器的固定槽5，组装的同时起到固定扩撑器的作用，扩撑器下边倒斜角对准栅元内各弹簧11。在格架两侧同时对前压板10、中压板12、后压板14向下施压，使扩撑器的导向槽2沿弹簧11表面向下移动，弹簧11变形去掉预载荷。扩撑器下压到位后，将燃料棒15插入扩撑器内孔，因扩撑器外径小于格架栅元内孔直径，扩撑器内孔大于燃料棒外径，对燃料棒包壳不会造成刮伤和损伤，燃料棒安装到位后扩撑器向上退出。栅元16内弹簧11因回弹力的作用复位，对燃料棒产生夹持力，从而将燃料棒固定在栅元内，完成燃料棒无损安装。

限位受压板4在扩撑器的位置是根据导向管18位置决定。当扩撑器后方隔一个栅元是导向管18时，限位受压板4在U形部件左侧或右侧，方便扩撑器的退出。本实施例的U型扩撑器采用直接退出法，首先把下压装置撤出，当限位受压板在U型部件的正后方时，以未插入燃料棒方向为参考方向，将扩撑器向上提并向后拉动限位受压板4，当U型部件向后受力后，弧形扩撑板1的齿状组合打开，而另一侧因采用合页或铰链与U型部件连接，故在受到U型部件牵引后，将围绕燃料棒旋转，最后与U型扩撑器一起退出。当限位受压板在U型部件左或右侧时，均可采用以上方法操作。

实施例2：

如图2、图3、图5所示，本实施例与实施例1基本相同，不同之处在于：扩撑板17中与限位受压板4固定的扩撑板17上设置有限位条9，限位条9与该扩撑板17连接并且能够绕着连接处转动，限位条9上设置有定位柱8，限位条9上设置有滑槽7，定位柱8设置在滑槽7中并能够沿着滑槽7移动。

本实施例也是采用4块扩撑板17依次连接，将其命名为组合式扩撑器，还是有一块扩撑板17为弧形扩撑板1，另外三块扩撑板17组合成“凵”形，将左和右两侧扩撑板和限位受压板为一体各自独立配件，限位受压板和扩撑板各自为长方形相连接的直角形(如图3所示)，将扩撑板制作成长方形薄板。两长边下部成齿状，将左右扩撑板和后方扩撑板接触的上部加工成限位固定槽，后方扩撑板上部为长方形板状用于插入限位固定槽内起到限位固定作用，下部为齿状和左右扩撑板齿相组合。限位条9采用薄钢带，成长方形中间开有长形滑槽，滑槽7固定定位柱8在左侧扩撑板的一侧，另一边固定在后方扩撑板的边上用连接栓6连接，可360度活动，扩撑器接触弹簧的四个边加工成倒斜角为导向槽2。

本实施例的扩撑器需在格架内组装，将三块扩撑板17组合成“凵”形，对应的齿组装，“凵”形内部形成U形结构，弧形扩撑板1的两长边齿和相邻的扩撑板17上的齿组装，形成完整的扩撑器，之后将完整的扩撑器与前压板10、中压板12进行组装，将限位受压板4装入限位器相对应的限位槽内后装上后压板14，完成组合型扩撑器的最终组装。

在格架内将整排(17个)扩撑器和压板组装，准确插入栅元内，将每个扩撑器对准相对应的栅元，预放到位，扩撑器下部四边导向槽2对准弹簧11，在格架两侧对前压板10，中压板12及后压板14同时向下加压(由于受导向管18的位置阻挡无法安装前压板10或中压板12时，可用中压板12、后压板14给扩撑器向下加压，也可用前压10和后压板14加压)，使弹簧11变形去掉预载荷，扩撑器下压到位后，将燃料棒插入扩撑器内孔(扩撑器内孔大于燃料棒外径，插入时不会对燃料棒包壳造成刮伤等损坏)；扩撑器向上退出栅元16内弹簧11因回复力作用复位，对燃料棒产生夹持力、将燃料棒固定在栅元内，完成燃料棒的无损安装。

组合式扩撑器退出采用拆分退出法，燃料棒装入格架栅元内后，由于格架内导向管的阻档，同时导向管和燃料棒间距非常小，首先将下压装置撒出(前中后压板及限位器)，图中5上下左右拉动限位受压板使所有齿状组合打开分离，相应的扩撑板17由于受到限位条9和定位柱8的牵连向外退出，剩余的右侧扩撑板17退出时带动弧形扩撑板1，薄钢带连接牵引围绕燃料棒旋转退出，此时就完成单个扩撑器的退出。

关于扩撑器无限位受压板的说明：

组合式扩撑器分格架内和外组装，当格架内(横排17个栅元)无导向管18时，扩撑器采用无限位受压板方式，在格加外组合安装，可根据扩撑器后方(未装燃料棒方向)导向管位置，组装装入格架内U型扩撑器和组合式扩撑器，并和前压板中压板相组装，装入格架内各自相对应的位置，使扩撑器倒斜角对准弹簧。(退出采用磁棒代替限位受压板取出各扩撑器和扩撑板等)。

U型部件是三面为一体的整体扩撑器部件，在格架内竖排无导向管时使用。限位受压板4是和U型部件为一体(也和组合扩撑器的扩撑板为一体整体部件)，作用是装入限位器，使扩撑器准确对准格架各栅元的位置，和后压板配合使用。弧形扩撑板1和U型部件组合在一起成完整扩撑器，弧形作用为退出时围绕燃料棒旋转退出。导向槽2是在扩撑器接触弹簧的边加工成倒斜角，引导扩撑器沿弹簧表面向下相对移动。合页器方式连接是U型部件或扩撑板与弧形扩撑板1的一种现有连接结构，便于扩撑器组装和退出。采用一块限位受压板4是与U型部件为一体，扩撑器限位向下加压并绕开导向管，作用是便于组装和退出。

前压板、中压板和后压板都是用于整排(17个)扩撑器向下均衡稳定准确加压，其中后压板和限位器配合使用，限位器是固定限位扩撑器位置。限位条9采用薄钢带，起到扩撑板和弧形板及后方扩撑板相互牵连作用，便于扩撑器组装退出。

定位柱8采用螺帽，可使扩撑板同后方扩撑板在薄钢带牵连的同时相互移动，便于扩撑器组装和拆分退出。滑槽7是薄钢带中间的长槽，定位柱8在内滑动，便于后方扩撑板组装和退出。扩撑板17的齿状组合，是U型部件或组合扩撑板与弧形板及后方扩撑板的连接方式。限位固定槽5为限位固定后方扩撑板在左、右扩撑板上部开的槽。内U形是左、右扩撑板和后方扩撑板组装后成内U形。弧形板、扩撑板和薄钢带牵连的连接采用焊接固定。燃料棒15是圆形长棒，内装核燃料的包壳。导向管18是圆形长棒，格架内控制核反应的外包壳。连接栓6是活动固定点，作为后方扩撑板和薄钢带连接点，可360度活动的固定点。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.燃料棒的无损安装结构，其特征在于，包括若干块扩撑板（17）依次连接构成内部中空且两端开口的扩撑器（3），所述扩撑器（3）中其中一块或多块扩撑板（17）能够绕着各自连接处转动或从连接处脱离，在扩撑板（17）的外壁上均设置有导向槽（2），且导向槽（2）均与扩撑器（3）的一端连通，导向槽（2）的深度向着扩撑器（3）的另一端降低；所述扩撑器（3）上固定有限位受压板（4），限位受压板（4）靠近扩撑器（3）远离导向槽（2）的端口；所述扩撑板（17）中与限位受压板（4）固定的扩撑板（17）和能够从连接处脱离的扩撑板（17）分别设置在扩撑器（3）的中心线两侧；所述扩撑板（17）中与限位受压板（4）固定的扩撑板（17）上设置有限位条（9），限位条（9）与该扩撑板（17）连接并且能够绕着连接处转动，限位条（9）上设置有能够在限位条（9）上移动的定位柱（8）；所述限位条（9）上设置有滑槽（7），定位柱（8）设置在滑槽（7）中并能够沿着滑槽（7）移动。

2.根据权利要求1所述的燃料棒的无损安装结构，其特征在于，所述限位受压板（4）上设置有固定槽（5）。

3.根据权利要求1至2中任意一项所述的燃料棒的无损安装结构，其特征在于，所述扩撑板（17）的数量为四块。

4.根据权利要求3所述的燃料棒的无损安装结构的操作方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）将每个扩撑器（3）对准相应的栅元（16）；

（2）扩撑器（3）的导向槽（2）分别与对应栅元（16）中的弹簧（11）对准，压下扩撑器（3），使得弹簧（11）变形去掉预载荷；

（3）扩撑器（3）下压到位后，将燃料棒（15）插入扩撑器（3）内孔；

（4）燃料棒（15）插入到位后，向上退出扩撑器（3），弹簧（11）因回复力作用复位，对燃料棒（15）产生夹持力，将燃料棒（15）固定。

5.根据权利要求4所述的燃料棒的无损安装结构的操作方法，其特征在于，所述步骤（1）中扩撑器（3）在未插入栅元（16）前安装下压装置，下压装置与限位器和限位受压板（4）固定。

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