CN110580961A - 用于瞬态辐照考验工况下单根燃料元件的夹持组件及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了用于瞬态辐照考验工况下单根燃料元件的夹持组件及方法，包括依次分布的上端固定环、中心格架、下端固定环，所述上端固定环、中心格架、下端固定环通过若干支撑杆固定；所述中心格架用于对单根燃料元件进行夹持；所述下端固定环朝向中心格架的一端设置弹性件。本发明的目的在于提供用于瞬态辐照考验工况下单根燃料元件的夹持组件及方法，以解决现有技术中难以对单根燃料元件进行夹持以满足瞬态试验需求的问题，实现能够满足瞬态辐照考验下高温高压以及流质振动的要求、保持单根燃料元件的固定的目的。

Description

用于瞬态辐照考验工况下单根燃料元件的夹持组件及方法

技术领域

本发明涉及辐照技术领域，具体涉及用于瞬态辐照考验工况下单根燃料元件的夹持组件及方法。

背景技术

燃料元件是燃料组件的最小组成单元，通常为棒形，由芯块，包壳，端塞等组成，是裂变反应的场所，也是新型燃料及材料研究最小的载体单元。

在核电领域，新型燃料元件的研发必须经过充分理论分析验证和辐照试验等，以证明其可达到预期的设计指标，确保在设计寿命内安全可靠的运行。其中辐照试验最可行的方法是在试验堆上进行瞬态试验，获得燃料元件功率变化时的行为数据，优化物理模型，分析导致元件受到破坏的原因，从而制定合理的设计和运行参数来确保燃料元件运行时的安全性和可靠性。

根据反应堆特点以及功率变化要求，单根燃料元件进行瞬态试验时需要对单根燃料元件进行夹持固定以保证试验过程中高温高压、流质振动、流速匹配等要求，然而现有技术中还没有出现这类能够满足单根燃料元件瞬态试验的夹持工具。

发明内容

本发明的目的在于提供用于瞬态辐照考验工况下单根燃料元件的夹持组件及方法，以解决现有技术中难以对单根燃料元件进行夹持以满足瞬态试验需求的问题，实现能够满足瞬态辐照考验下高温高压以及流质振动的要求、保持单根燃料元件的固定的目的。

本发明通过下述技术方案实现：

用于瞬态辐照考验工况下单根燃料元件的夹持组件，包括依次分布的上端固定环、中心格架、下端固定环，所述上端固定环、中心格架、下端固定环通过若干支撑杆固定；所述中心格架用于对单根燃料元件进行夹持；所述下端固定环朝向中心格架的一端设置弹性件。

针对现有技术中难以对单根燃料元件进行夹持以满足瞬态试验需求的问题，本发明提出用于瞬态辐照考验工况下单根燃料元件的夹持组件，本申请中上端固定环、下端固定环作为整个夹持组件的两端，中心格架位于上端固定环与下端固定环之间，且上端固定环、中心格架、下端固定环共同通过若干支撑杆固定连接成整体。中心格架用于对单根燃料元件进行夹持，下端固定环朝向中心格架的一端设置弹性件，在置入单根燃料元件时，使燃料元件的端部与弹性件接触，当燃料元件发生辐照生长时，弹性件能够提供一定的行程，避免因硬接触造成燃料元件的损伤。

进一步的，所述中心格架包括两个相互正对的中心固定环，两个中心固定环之间设置若干环形分布的弹性棒，所述弹性棒具有向中心固定环的轴向方向内凹的弯曲段。即是在弹性棒的两端均固定连接中心固定环，各支撑杆通过与中心固定环的连接实现与中心格架整体的连接。本方案通过若干环形分布的弹性棒来实现对单根燃料元件的夹持，具体的，每根弹性棒都具有向中心固定环的轴线方向内凹的弯曲段，在夹持时，单根燃料元件位于各弹性棒内部，各弹性棒与燃料元件均构成点接触，若干个接触点实现径向的夹紧；本方案中各弹性棒与单根燃料元件的点接触，能够尽可能地模拟原型件中燃料元件夹持状态以及夹持力，使得瞬态辐照考验对象的结果具有代表性。

进一步的，若干支撑杆环形分布，所述上端固定环、下端固定环的圆周上均设置有若干用于固定所述支撑杆端部的固定孔，所述中心固定环上设置有用于支撑杆穿过的通孔。即是支撑杆的两端分别插入至上端固定环、下端固定环的固定孔内并进行固定，同时支撑杆中部穿过中心固定环上的通孔，从而确保通过支撑杆将上端固定环、下端固定环、中心格架连接成整体。

进一步的，所述上端固定环过轴线的截面呈台阶状，且上端固定环靠近中心格架的一端的外径，大于远离中心格架的一端的外径；所述上端固定环远离中心格架的一端设置外螺纹。外螺纹的设置便与其它组件相连接。

进一步的，下端固定环靠近中心格架的一端设置第一凹槽，所述弹性件固定在第一凹槽内。通过第一凹槽为弹性件提供安装工位。此外，本方案中由于弹性件位于第一凹槽内，而工作时燃料元件的端部又会与弹性件接触，因此燃料元件的端部也会进入第一凹槽中，从而通过第一凹槽对燃料元件的端部提供限位，使得在燃料元件脱落等特殊情况下，能够通过第一凹槽提高燃料元件端部的稳定性。

进一步的，下端固定环远离中心格架的一端设置第二凹槽，所述第二凹槽的内壁设置内螺纹。便于通过第二凹槽即内螺纹与其它组件相连接。

进一步的，所述第一凹槽与第二凹槽之间通过若干进水孔连通。通过进水孔为冷却剂提供沿燃料元件轴线方向的流动通道，确保流经本申请的冷却剂能够带走燃料元件所产生的热量；此外还能够通过进水孔匹配进水面积，从而有效控制燃料元件进口水流速度。

进一步的，所述弹性棒、弹性件均由GH4169A材料制作而成。弹性棒采用GH4169A材料，能够确保在强中子场的堆内恶劣环境下的可靠性；弹性件采用GH4169A材料，能够确保较好的压紧力。

进一步的，所述弹性件为弹簧。所述弹簧需为符合压水堆核电标准的小弹簧。

基于用于瞬态辐照考验工况下单根燃料元件的夹持组件的夹持方法，包括以下步骤：

(a)将弹性件固定在下端固定环上；

(b)将若干支撑杆的一端固定在下端固定环上；

(c)装入中心格架，使各支撑杆穿过中心格架上对应的通孔，点焊支撑杆与中心格架的相交处；

(d)装入上端固定环，并使得上端固定环与各支撑杆固定；

(e)从上端固定环处插入单根燃料元件，使得单根燃料元件的端部与弹性件接触，通过中心格架对单根燃料元件进行夹持。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

1、本发明用于瞬态辐照考验工况下单根燃料元件的夹持组件及方法，整体强度与安全性能均十分可靠，能够满足瞬态辐照考验高温高压以及流质振动的要求，能够有效保持燃料元件的稳定。

2、本发明用于瞬态辐照考验工况下单根燃料元件的夹持组件及方法，燃料元件段塞部分与弹性件接触，避免与下端固定环直接硬接触。当燃料元件发生辐照生长时，轴向能够有一定的弹性空间，避免因硬接触造成的燃料元件包壳的损坏。

3、本发明用于瞬态辐照考验工况下单根燃料元件的夹持组件及方法，既能够满足瞬态辐照考验高温高压以及流质振动的要求，保持燃料元件的固定，也能确保流经格架组件的冷却剂能够带走燃料元件所产生的热量，将为国内首次单根燃料元件的辐照考验提供工程经验积累。

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为本发明具体实施例的结构示意图；

图2为本发明具体实施例中中心格架的侧视图；

图3为本发明具体实施例中中心固定环的主视图；

图4为本发明具体实施例中上端固定环端面的示意图；

图5为沿图4中A-A方向线的剖视图；

图6为本发明具体实施例中下端固定环端面的示意图；

图7为沿图6中B-B方向线的剖视图。

附图中标记及对应的零部件名称：

1-上端固定环，2-支撑杆，3-中心格架，4-弹性件，5-下端固定环，6-中心固定环，7-弹性棒，8-固定孔，9-通孔，10-第一凹槽，11-第二凹槽，12-进水孔。

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至图6所示的用于瞬态辐照考验工况下单根燃料元件的夹持组件，包括依次分布的上端固定环1、中心格架3、下端固定环5，所述上端固定环1、中心格架3、下端固定环5通过若干支撑杆2固定；所述中心格架3用于对单根燃料元件进行夹持；所述下端固定环5朝向中心格架3的一端设置弹性件4。

优选的，所述中心格架3包括两个相互正对的中心固定环6，两个中心固定环6之间设置若干环形分布的弹性棒7，所述弹性棒7具有向中心固定环6的轴线方向内凹的弯曲段。若干支撑杆2环形分布，所述上端固定环1、下端固定环5的圆周上均设置有若干用于固定所述支撑杆2端部的固定孔8，所述中心固定环6上设置有用于支撑杆2穿过的通孔9。所述上端固定环1过轴线的截面呈台阶状，且上端固定环1靠近中心格架3的一端的外径，大于远离中心格架3的一端的外径；所述上端固定环1远离中心格架3的一端设置外螺纹。下端固定环5靠近中心格架3的一端设置第一凹槽10，所述弹性件4固定在第一凹槽10内。下端固定环5远离中心格架3的一端设置第二凹槽11，所述第二凹槽11的内壁设置内螺纹。所述第一凹槽10与第二凹槽11之间通过若干进水孔12连通。所述弹性棒7、弹性件4均由GH4169A材料制作而成。所述弹性件4为弹簧。

本实施例中上固定环设计为圆柱型阶梯结构，中心通孔，四周设有六个固定孔，一端设有的外螺纹，便于与其它组件相连接；

本实施例通过六根圆周分布的支撑杆，连接起其它零部件，通过焊接构建起格架的整体强度，安全可靠；弹性棒采用GH4169A材料，能够确保在强中子场的堆内恶劣环境下的可靠性；中心格架由中心固定环和弹性棒组成，弹性棒弯曲部分朝向中心固定环内孔，六根弹性棒圆周阵列，其弯曲部分构成一个外径为约9.5mm的圆，恰好与燃料元件构成点接触，六个点实现径向的夹紧；中心格架的点接触，尽可能地模拟原型件中燃料元件夹持状态以及夹持力，使得瞬态辐照考验对象的具有代表性。

本实施例中设置支撑弹簧作为弹性件，使燃料元件段塞部分与支撑弹簧接触，避免与下端固定环直接硬接触。当燃料元件发生辐照生长时，轴向能够有一定的弹性空间，避免因硬接触造成的燃料元件包壳的损坏；下端固定环设置进水孔，进水孔截面优选为椭圆形，能够匹配进水面积，能够有效控制燃料元件进口水流速度；下端固定环下端面设置长度为10mm的凸台，中心开孔，便于整个格架组件与其它组件连接和固定；各零件连接位置采取点焊或圆周焊的方式，焊接工艺成熟，焊接质量可靠；除弹性棒、弹性件采用GH4169A外，其余零件材材料均为不锈钢，在辐照考验领域具有良好的应用经验；本发明专利将为国内首次单根燃料元件的辐照考验提供工程经验积累。

基于本实施例的夹持方法包括以下步骤：

(a)将弹性件4固定在下端固定环5上；(b)将若干支撑杆2的一端固定在下端固定环5上；(c)装入中心格架3，使各支撑杆2穿过中心格架3上对应的通孔，点焊支撑杆2与中心格架3的相交处；(d)装入上端固定环1，并使得上端固定环1与各支撑杆2固定；(e)从上端固定环1处插入单根燃料元件，使得单根燃料元件的端部与弹性件4接触，通过中心格架3对单根燃料元件进行夹持。

实施例2：

上端固定环1、下端固定环5以及中心格架3通过支撑杆2连接，装配时弹性件4与下端固定环5焊接，然后支撑杆2插入到下端固定环5固定孔，焊接后装入中心格架3，整个组件装入两个中心格架3，两者保持一定距离，支撑杆2与中心格架3的中心固定环6接触的地方点焊，最后将支撑杆2插入到上端固定环1的固定孔处焊接。整个组件通过支撑杆2与各零件相连，接触部位通过焊接保证格架整体强度。中心格架3焊接在支撑杆2上，通过弹性棒7实现燃料元件的夹持。燃料元件端部与弹性件4接触，避免因硬接触造成燃料元件的损伤。

如图2所示，中心格架3由中心固定环6和弹性棒7组成，中心固定环6材料为不锈钢，弹性棒7材料为GH4169A，弹性棒7弯曲部分朝向中心固定环6内孔，六根弹性棒7圆周阵列，其弯曲部分构成一个外径为约9.5mm的圆，弹性棒7上下两端分别与中心固定环6焊接。

支撑杆2为外径3mm的实心不锈钢细棒，外壁抛光。

如图4-5所示，上端固定环1为圆柱型阶梯结构，中心通孔，四周设有六个固定孔，整体高度为70mm，一端设有长度20mm的外螺纹，以便与其它组件相连接，其材料为不锈钢。

弹性件4为弹簧，其材料为GH4169A，弹簧丝直径为1mm，总圈数7圈，有限圈数为5圈，其工作行程5mm，此时压紧力约为1.5Kg；极限行程8mm，此时压紧力约为3Kg，弹簧两端并紧后磨平，并进行时效处理。

如图6-7所示，下端固定环5，为阶梯状圆柱形，整体高度42mm，设有六个均匀分布的固定孔，中心开孔16mm，孔深20mm，用于与弹性件4焊接，在中间部位设置六个椭圆形进水孔，用于匹配进水面积，下端开有直径14mm，深10mm的孔，便于与其它组件连接，下端固定环5材料为不锈钢。

本实施例的工作原理是：通过六根沿圆周均匀分布的支撑杆2，连接起其它零部件，通过焊接构建起格架组件的整体强度，格架组件按照一定距离设置两个中心格架3，中心格架的弹性棒7圆周阵列与燃料元件构成点接触，六个点实现径向的夹紧，通过弹性件4和上端固定环1实现轴向固定，当燃料元件发生辐照生长时，弹性件4能够提供一定的行程，避免硬接触，通过下端固定环5实现水流面积的匹配，确保燃料元件产生的热量能够及时被冷却剂带走。

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 (10)

1.用于瞬态辐照考验工况下单根燃料元件的夹持组件，其特征在于，包括依次分布的上端固定环(1)、中心格架(3)、下端固定环(5)，所述上端固定环(1)、中心格架(3)、下端固定环(5)通过若干支撑杆(2)固定；所述中心格架(3)用于对单根燃料元件进行夹持；所述下端固定环(5)朝向中心格架(3)的一端设置弹性件(4)。

2.根据权利要求1所述的用于瞬态辐照考验工况下单根燃料元件的夹持组件，其特征在于，所述中心格架(3)包括两个相互正对的中心固定环(6)，两个中心固定环(6)之间设置若干环形分布的弹性棒(7)，所述弹性棒(7)具有向中心固定环(6)的轴线方向内凹的弯曲段。

3.根据权利要求2所述的用于瞬态辐照考验工况下单根燃料元件的夹持组件，其特征在于，若干支撑杆(2)环形分布，所述上端固定环(1)、下端固定环(5)的圆周上均设置有若干用于固定所述支撑杆(2)端部的固定孔(8)，所述中心固定环(6)上设置有用于支撑杆(2)穿过的通孔(9)。

4.根据权利要求1所述的用于瞬态辐照考验工况下单根燃料元件的夹持组件，其特征在于，所述上端固定环(1)过轴线的截面呈台阶状，且上端固定环(1)靠近中心格架(3)的一端的外径，大于远离中心格架(3)的一端的外径；所述上端固定环(1)远离中心格架(3)的一端设置外螺纹。

5.根据权利要求1所述的用于瞬态辐照考验工况下单根燃料元件的夹持组件，其特征在于，下端固定环(5)靠近中心格架(3)的一端设置第一凹槽(10)，所述弹性件(4)固定在第一凹槽(10)内。

6.根据权利要求5所述的用于瞬态辐照考验工况下单根燃料元件的夹持组件，其特征在于，下端固定环(5)远离中心格架(3)的一端设置第二凹槽(11)，所述第二凹槽(11)的内壁设置内螺纹。

7.根据权利要求6所述的用于瞬态辐照考验工况下单根燃料元件的夹持组件，其特征在于，所述第一凹槽(10)与第二凹槽(11)之间通过若干进水孔(12)连通。

8.根据权利要求2所述的用于瞬态辐照考验工况下单根燃料元件的夹持组件，其特征在于，所述弹性棒(7)、弹性件(4)均由GH4169A材料制作而成。

9.根据权利要求1所述的用于瞬态辐照考验工况下单根燃料元件的夹持组件，其特征在于，所述弹性件(4)为弹簧。

10.基于权利要求1至9中任一所述的用于瞬态辐照考验工况下单根燃料元件的夹持组件的夹持方法，其特征在于，包括以下步骤：

(a)将弹性件(4)固定在下端固定环(5)上；

(b)将若干支撑杆(2)的一端固定在下端固定环(5)上；

(c)装入中心格架(3)，使各支撑杆(2)穿过中心格架(3)上对应的通孔，点焊支撑杆(2)与中心格架(3)的相交处；

(d)装入上端固定环(1)，并使得上端固定环(1)与各支撑杆(2)固定；

(e)从上端固定环(1)处插入单根燃料元件，使得单根燃料元件的端部与弹性件(4)接触，通过中心格架(3)对单根燃料元件进行夹持。