CN111968760A - 一种基于增材制造技术的核燃料组件定位格架 - Google Patents

一种基于增材制造技术的核燃料组件定位格架 Download PDF

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Abstract

一种基于增材制造技术的核燃料组件定位格架，包括内部格架单元，内部格架单元相互连接，组成了方阵；内部格架单元方阵的外侧和定位格架最外围的边缘格架单元连接，相邻两条边上的两个最外侧的边缘格架单元均与一个角格架单元相连，组成完整的定位格架；所述的内部格架单元、边缘格架单元、角格架单元分别具有四个、两个和一个搅混翼以改变水力场；所述的定位格架整体是由金属3D打印自下而上一体成型，材料选择锆合金或高温合金，各个格架单元间通过共接的桥路实现相连；本发明利用增材制造技术易于制造形状复杂、难以加工的结构的优势，设计出利于水流通过、搅混翼搅混效果更佳、易于安装的格架，大幅度降低制造成本。

Description

一种基于增材制造技术的核燃料组件定位格架
技术领域
本发明涉及核燃料组件技术领域，具体涉及一种基于增材制造技术的核燃料组件定位格架。
技术背景
反应堆燃料组件是核反应堆的核心部件，由一定数量的核反应燃料棒按照确定的间隔呈方阵排列，并被定位格架、上下管座、导向管等零部件约束固定。燃料组件在工作时处于高温、高压、高强中子场的严苛环境，其性能极大地影响了反应堆的安全性、经济性和可靠性。
定位格架作为燃料组件的关键部件，其基本功能是夹持并定位燃料棒，使得燃料棒间保持合适的间距。定位格架的强度、中子学性能、热工水力参数、磨蚀性能、抗震能力等对燃料组件都具有重要影响，将大大影响燃料棒的结构完整性与反应堆安全性。而且在链式反应过程中，反应温度和速度是核反应堆的重要控制参数，燃料组件内起到冷却和减缓中子运动作用的水的流量就至关重要，因此定位格架的设计还常需要考虑水流的通畅性，并能够承受住高速水流的冲刷，对水流起到一定的导流作用。
现阶段定位格架大多由内外条带结构构成，内条带的板状主体上设置斜弹簧或刚凸结构，短边边缘设置搅混翼以改变水力场；外条带板状主体与内条带相似，短边边缘则一般设置有导向翼以方便安装。这样的设计使得条带结构过于复杂，在生产制造时需要多种模具和工艺，一旦要修改格架的特性，往往需要重新生产大部分的模具，生产成本过高；而且这类格架结构还存在内部燃料棒冷却水流量不足，搅混翼搅混效果不佳的问题。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供了一种基于增材制造技术的核燃料组件定位格架，利用增材制造技术易于制造形状复杂、难以加工的结构的优势，设计出利于水流通过、搅混翼搅混效果更佳、易于安装的格架，并可有效地克服大量模具的制造和工艺设计，大幅度降低制造成本。
为了实现上述的目的，本发明的新型定位格架的设计方案为：
一种基于增材制造技术的核燃料组件定位格架，包括内部格架单元1，内部格架单元1相互连接，组成了方阵；内部格架单元1方阵的外侧和定位格架最外围的边缘格架单元2连接，相邻两条边上的两个最外侧的边缘格架单元2均与一个角格架单元3相连，组成完整的定位格架；
所述的内部格架单元1、边缘格架单元2、角格架单元3分别具有四个、两个和一个搅混翼以改变水力场；
所述的定位格架整体是由金属3D打印自下而上一体成型，材料选择锆合金或高温合金，各个格架单元间通过共接的桥路实现相连。
所述的内部格架单元1包括底部一个厚度不均匀的第一异形弹性夹持结构1-6，第一异形弹性夹持结构1-6存在数个薄壁的内凹的弹性夹持部位，能够与插入的燃料棒4形成线接触，依靠过盈配合，从而进行横向的夹持和定位；第一异形弹性夹持结构1-6向上呈小角度倾斜生长出起支撑作用的四个第一支撑曲面1-4，小角度取值为5°～10°，第一支撑曲面1-4顶部为第一下导向圆环1-3；第一下导向圆环1-3继续向上和向外生长出四个第一桥臂1-2，第一桥臂1-2顶部支撑着第一上导向圆环1-1；另外，四个第一支撑曲面1-4还向外生长出四片狭长微曲的第一搅混翼1-5。
假设待安装的燃料棒4的直径为D，第一异形弹性夹持结构1-6内凹部分相对顶点间的距离为：D-2Δ，外凸部分相对顶点间的距离则为：D+3Δ，Δ的值为
Figure BDA0002650149770000031
第一异形弹性夹持结构1-6内凹部分壁厚相对较薄，壁厚取值
Figure BDA0002650149770000032
外凸部分壁厚相对较厚，壁厚取值Δ；这样变厚度的设计使得内凹部分有一定的外张能力，形成弹性夹持，外凸部分则有足够的承受能力。
所述的第一上导向圆环1-1与第一下导向圆环1-3的内径尺寸为D+0.5mm。
所述的边缘格架单元2包括底部一个厚度不均匀的第二异形弹性夹持结构2-6，第二异形弹性夹持结构2-6存在数个薄壁的内凹的弹性夹持部位，能够与插入的燃料棒4形成线接触，依靠过盈配合，从而进行横向的夹持和定位；第二异形弹性夹持结构2-6向上呈小角度倾斜生长出起支撑作用的四个第二支撑曲面2-4，小角度取值为5°～10°，第二支撑曲面2-4顶部为第二下导向圆环2-3；第二下导向圆环2-3继续向上和向外生长出三个第二桥臂2-2，第二桥臂2-2顶部支撑着第二上导向圆环2-1；另外，四个第二支撑曲面2-4还向外生长出两片狭长微曲的第二搅混翼2-5，第二搅混翼2-5分别布置于每两个第二桥臂2-2之间。
所述的角格架单元3包括底部一个厚度不均匀的第三异形弹性夹持结构3-6，第三异形弹性夹持结构3-6存在数个薄壁的内凹的弹性夹持部位，能够与插入的燃料棒4形成线接触，依靠过盈配合，从而进行横向的夹持和定位；第三异形弹性夹持结构3-6向上呈小角度倾斜生长出起支撑作用的四个第三支撑曲面3-4，小角度取值为5°～10°，第三支撑曲面3-4顶部为第三下导向圆环3-3；第三下导向圆环3-3继续向上和向外生长出两个第三桥臂3-2，用于与相邻的格架单元构成连接桥路，第三桥臂3-2顶部支撑着第三上导向圆环3-1；另外，四个第三支撑曲面3-4还向外生长出一片狭长微曲的第三搅混翼3-5，第三搅混翼3-5布置于两个第三桥臂3-2之间。
本发明的有益效果为：
相较于传统的使用多种模具和工艺制造的条带型定位格架，本发明使用增材制造中常用的3D打印技术生产复杂结构的格架，大幅度降低了制造成本。定位格架方案中采用的格架单元允许更多的空隙，确保燃料棒附近的冷却水流量；狭长微曲的搅混翼能产生更大的搅混范围，在相同的水力场投影面积下减少水流压力的损失，提高搅混效果；这些都有益于提升对燃料棒的冷却效率和对核反应速度的控制效果，提高核反应的安全性。除此之外，厚度不均匀的异形弹性夹持结构在保证夹持效果的同时，能够根据需求增加夹持部位线接触的数量，或是修改夹持的尺寸，易于做后续优化。
附图说明
图1为本发明定位格架整体的轴测图。
图2为本发明定位格架整体的俯视图。
图3为本发明内部格架单元的示意图。
图4为本发明内部格架单元的俯视图。
图5为本发明第一异形弹性夹持结构的几种方案，从左往右依次为4、5、6个线接触夹持。
图6为本发明边缘格架单元的示意图。
图7为本发明边缘格架单元的俯视图。
图8为本发明角格架单元的示意图。
图9为本发明角格架单元的俯视图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为明确的界定。
参考图1和图2，一种基于增材制造技术的核燃料组件定位格架，以5×5的格架结构为例，包括内部格架单元1，内部格架单元1共9个，相互连接，组成了3×3的方阵；内部格架单元1方阵的外侧和定位格架最外围的边缘格架单元2连接，本实施例共12个边缘格架单元2，相邻两条边上的两个最外侧的边缘格架单元2均与一个角格架单元3相连，角格架单元3共4个，组成完整的定位格架；
所述的内部格架单元1、边缘格架单元2、角格架单元3分别具有四个、两个和一个搅混翼以改变水力场。
参照图3和图4，所述的内部格架单元1包括底部一个厚度不均匀的第一异形弹性夹持结构1-6，第一异形弹性夹持结构1-6存在数个薄壁的内凹的弹性夹持部位，能够与插入的燃料棒4形成线接触，依靠过盈配合，从而进行横向的夹持和定位；第一异形弹性夹持结构1-6上方设有第一下导向圆环1-3，由于尺寸和形状的改变，为了易于3D打印成形，第一异形弹性夹持结构1-6向上呈小角度倾斜生长出起支撑作用的四个第一支撑曲面1-4，小角度取值为5°～10°，第一支撑曲面1-4顶部为第一下导向圆环1-3；第一下导向圆环1-3继续向上和向外生长出四个第一桥臂1-2，用于与相邻的格架单元构成连接桥路，第一桥臂1-2顶部支撑着第一上导向圆环1-1；另外，四个第一支撑曲面1-4还向外生长出四片狭长微曲的第一搅混翼1-5。
在实际设计中为了确保第一异形弹性夹持结构1-6具有一定的弹性，且在夹持过程中不会发生开裂，假设待安装的燃料棒4的直径为D(本实例中燃料棒直径为9.4mm)，内凹部分相对顶点间的距离为：D-2Δ，提供一定的过盈量；外凸部分相对顶点间的距离则为：D+3Δ，让棒体容易插入；Δ的值在
Figure BDA0002650149770000061
(本实施例Δ中取值为1.2mm)；与此同时，异形弹性夹持结构1-6内凹部分相对较薄，外凸部分相对较厚(本实施例中最薄处壁厚为0.6mm，最厚处壁厚为1.2mm)，这样变厚度的设计使得内凹部分有一定的外张能力，形成弹性夹持，外凸部分则有足够的承受能力；除此之外，参考图5，所述的第一异形弹性夹持结构1-6能够根据需求增加夹持部位线接触的数量(如图从左往右，分别是4、5、6个线接触夹持，还可继续扩充)，或是修改夹持的尺寸，有一定的优化空间。
第一上导向圆环1-1与第一下导向圆环1-3的作用主要是在燃料棒4安装进第一异形弹性夹持结构1-6的过程中起到一个导向作用，并在燃料组件工作过程中一定程度上约束燃料棒4棒体的横向微动，其内径尺寸为D+0.5mm，每个内部格架单元1高为32mm。
参考图6和图7，所述的边缘格架单元2结构与内部格架单元1近似，包括底部一个厚度不均匀的第二异形弹性夹持结构2-6，第二异形弹性夹持结构2-6存在数个薄壁的内凹的弹性夹持部位，能够与插入的燃料棒4形成线接触，依靠过盈配合，从而进行横向的夹持和定位；第二异形弹性夹持结构2-6上方设有第二下导向圆环2-3，由于尺寸和形状的改变，为了易于3D打印成形，第二异形弹性夹持结构2-6向上呈小角度(此处取值为8°)倾斜生长出起支撑作用的四个第二支撑曲面2-4，第二支撑曲面2-4顶部为第二下导向圆环2-3；第二下导向圆环2-3继续向上和向外生长出三个第二桥臂2-2，用于与相邻的格架单元构成连接桥路，第二桥臂2-2顶部支撑着第二上导向圆环2-1；另外，四个第二支撑曲面2-4还向外生长出两片狭长微曲的第二搅混翼2-5，第二搅混翼2-5分别布置于每两个第二桥臂2-2之间。
参考图8和图9，所述的角格架单元3结构也与内部格架单元1近似，包括底部一个厚度不均匀的第三异形弹性夹持结构3-6，第三异形弹性夹持结构3-6存在数个薄壁的内凹的弹性夹持部位，能够与插入的燃料棒4形成线接触，依靠过盈配合，从而进行横向的夹持和定位；第三异形弹性夹持结构3-6上方设有第三下导向圆环3-3，由于尺寸和形状的改变，为了易于3D打印成形，第三异形弹性夹持结构3-6向上呈小角度(此处取值为8°)倾斜生长出起支撑作用的四个第三支撑曲面3-4，第三支撑曲面3-4顶部为第三下导向圆环3-3；第三下导向圆环3-3继续向上和向外生长出两个第三桥臂3-2，用于与相邻的格架单元构成连接桥路，第三桥臂3-2顶部支撑着第三上导向圆环3-1；另外，四个第三支撑曲面3-4还向外生长出一片狭长微曲的第三搅混翼3-5，第三搅混翼3-5布置于两个第三桥臂3-2之间。
本实施例的制造方法是由金属3D打印(如激光熔覆、激光选区熔化)自下而上整体打印成型，材料选择锆合金或高温合金，各个格架单元间通过共接的桥路实现相连，安装过程中只需将25根底部带有圆角的燃料棒4通过上、下导向圆环插入夹持结构固定即可。在工作过程中，水流自下向上流过，冲击搅混翼从而在燃料棒4的侧面产生充分的搅混区域，实现其功能。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所做的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (6)

1.一种基于增材制造技术的核燃料组件定位格架，其特征在于：包括内部格架单元(1)，内部格架单元(1)相互连接，组成了方阵；内部格架单元(1)方阵的外侧和定位格架最外围的边缘格架单元(2)连接，相邻两条边上的两个最外侧的边缘格架单元(2)均与一个角格架单元(3)相连，组成完整的定位格架；
所述的内部格架单元(1)、边缘格架单元(2)、角格架单元(3)分别具有四个、两个和一个搅混翼以改变水力场；
所述的定位格架整体是由金属3D打印自下而上一体成型，材料选择锆合金或高温合金，各个格架单元间通过共接的桥路实现相连。
2.根据权利要求1所述的一种基于增材制造技术的核燃料组件定位格架，其特征在于：所述的内部格架单元(1)包括底部一个厚度不均匀的第一异形弹性夹持结构(1-6)，第一异形弹性夹持结构(1-6)存在数个薄壁的内凹的弹性夹持部位，能够与插入的燃料棒(4)形成线接触，依靠过盈配合，从而进行横向的夹持和定位；第一异形弹性夹持结构(1-6)向上呈小角度倾斜生长出起支撑作用的四个第一支撑曲面(1-4)，小角度取值为5°～10°，第一支撑曲面(1-4)顶部为第一下导向圆环(1-3)；第一下导向圆环(1-3)继续向上和向外生长出四个第一桥臂(1-2)，第一桥臂(1-2)顶部支撑着第一上导向圆环(1-1)；另外，四个第一支撑曲面(1-4)还向外生长出四片狭长微曲的第一搅混翼(1-5)。
3.根据权利要求2所述的一种基于增材制造技术的核燃料组件定位格架，其特征在于：假设待安装的燃料棒(4)的直径为D，第一异形弹性夹持结构(1-6)内凹部分相对顶点间的距离为：D-2Δ，外凸部分相对顶点间的距离则为：D+3Δ，Δ的值为
Figure FDA0002650149760000021
第一异形弹性夹持结构(1-6)内凹部分壁厚相对较薄，壁厚取值
Figure FDA0002650149760000022
外凸部分壁厚相对较厚，壁厚取值Δ；这样变厚度的设计使得内凹部分有一定的外张能力，形成弹性夹持，外凸部分则有足够的承受能力。
4.根据权利要求3所述的一种基于增材制造技术的核燃料组件定位格架，其特征在于：所述的第一上导向圆环(1-1)与第一下导向圆环(1-3)的内径尺寸为D+0.5mm。
5.根据权利要求1所述的一种基于增材制造技术的核燃料组件定位格架，其特征在于：所述的边缘格架单元(2)包括底部一个厚度不均匀的第二异形弹性夹持结构(2-6)，第二异形弹性夹持结构(2-6)存在数个薄壁的内凹的弹性夹持部位，能够与插入的燃料棒(4)形成线接触，依靠过盈配合，从而进行横向的夹持和定位；第二异形弹性夹持结构(2-6)向上呈小角度倾斜生长出起支撑作用的四个第二支撑曲面(2-4)，小角度取值为5°～10°，第二支撑曲面(2-4)顶部为第二下导向圆环(2-3)；第二下导向圆环(2-3)继续向上和向外生长出三个第二桥臂(2-2)，第二桥臂(2-2)顶部支撑着第二上导向圆环(2-1)；另外，四个第二支撑曲面(2-4)还向外生长出两片狭长微曲的第二搅混翼(2-5)，第二搅混翼(2-5)分别布置于每两个第二桥臂(2-2)之间。
6.根据权利要求1所述的一种基于增材制造技术的核燃料组件定位格架，其特征在于：所述的角格架单元(3)包括底部一个厚度不均匀的第三异形弹性夹持结构(3-6)，第三异形弹性夹持结构(3-6)存在数个薄壁的内凹的弹性夹持部位，能够与插入的燃料棒(4)形成线接触，依靠过盈配合，从而进行横向的夹持和定位；第三异形弹性夹持结构(3-6)向上呈小角度倾斜生长出起支撑作用的四个第三支撑曲面(3-4)，小角度取值为5°～10°，第三支撑曲面(3-4)顶部为第三下导向圆环(3-3)；第三下导向圆环(3-3)继续向上和向外生长出两个第三桥臂(3-2)，用于与相邻的格架单元构成连接桥路，第三桥臂(3-2)顶部支撑着第三上导向圆环(3-1)；另外，四个第三支撑曲面(3-4)还向外生长出一片狭长微曲的第三搅混翼(3-5)，第三搅混翼(3-5)布置于两个第三桥臂(3-2)之间。
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