CN113362972B - 克服燃料棒磨蚀的场力排斥燃料棒定位结构和燃料组件 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种克服燃料棒磨蚀的场力排斥燃料棒定位结构和燃料组件，本发明的定位结构包括燃料棒横向定位装置和燃料棒轴向定位装置；所述燃料棒横向定位装置通过定位格架条带与燃料棒的场力排斥实现燃料棒的横向定位；所述燃料棒轴向定位装置通过将燃料棒底部限位在管座上实现燃料棒轴向定位。本发明通过消除定位格架与燃料棒的直接接触，从原理上消除了燃料棒磨蚀(统计振动磨蚀和异物磨蚀约占燃料棒失效的70％)这一失效机理，大幅度提升了燃料组件的可靠性。

Description

克服燃料棒磨蚀的场力排斥燃料棒定位结构和燃料组件
技术领域
本发明属于燃料组件技术领域，具体涉及一种克服燃料棒磨蚀的场力排斥燃料棒定位结构和燃料组件。
背景技术
现有反应堆燃料组件通常由若干燃料棒和上下管座、定位格架和导向管构成的骨架组成(如图1)。定位格架用于保持燃料棒的栅距形成冷却剂流道以实现良好热量导出。由于燃料板和骨架的温度差和快中子注量差导致燃料棒和骨架的相对长度发生变化，因此常规燃料组件均通过格架来实现燃料棒的横向定位并允许燃料棒轴向滑移。但是定位格架和燃料棒在冷却剂引起的流致振动情况下会发生振动磨蚀，同时定位格架位置容易引起异物滞留而发生异物磨蚀，进而损坏燃料棒包壳，使燃料棒尚失最重要的屏蔽核燃料和裂变产物的功能。
此外，现有通过优化定位格架与燃料棒接触位置的形状以期望降低燃料棒磨蚀风险的技术，然而该技术仍然未从根本上缓解或消除磨蚀作用。
发明内容
针对上述问题，发明提供了一种克服燃料棒磨蚀的场力排斥燃料棒定位结构。本发明通过消除燃料棒与定位格架的直接接触，进而缓解乃至消除燃料棒的磨蚀风险，提高燃料组件的可靠性。
本发明通过下述技术方案实现：
一种克服燃料棒磨蚀的场力排斥燃料棒定位结构，包括燃料棒横向定位装置和燃料棒轴向定位装置；
所述燃料棒横向定位装置通过定位格架条带与燃料棒的场力排斥实现燃料棒的横向定位；
所述燃料棒轴向定位装置通过将燃料棒底部限位在管座上实现燃料棒轴向定位。
优选的，本发明的燃料棒横向定位装置包括定位格架场力材料层和包壳场力材料层；
其中，所述定位格架场力材料层设置在靠近燃料棒的条带一侧表面上，所述包壳场力材料层设置在燃料棒包壳外表面上且与所述定位格架场力材料层相对应；
通过调整所述定位格架场力材料层和所述包壳场力材料层的磁极使其产生相互排斥力，实现燃料棒的自定心从而实现燃料棒的横向定位。
优选的，本发明的定位格架场力材料层和所述包壳场力材料层采用永磁性材料。
优选的，本发明的燃料棒轴向定位装置包括可变形燃料棒端塞和可供端塞穿过的下管座；
燃料棒通过底部的可变形燃料棒端塞变形限位在下管座中实现燃料棒轴向定位。
优选的，本发明的燃料棒轴向定位装置包括下管座、下管座场力材料层和包壳场力材料层；
所述下管座场力材料层设置在下管座内孔壁上，所述包壳场力材料层设置在燃料棒包壳外表面且与所述下管座场力材料层相对应；
通过调整所述包壳场力材料层和下管座场力材料层的磁极使其产品相互吸引力，使燃料棒限位在所述下管座中从而实现轴向定位。
优选的，本发明的下管座场力材料层和所述包壳场力材料层采用永磁性材料。
第二方面，本发明提出了一种燃料组件，包括定位格架和燃料棒，所述燃料棒采用本发明所述的定位结构实现横向和轴向定位。
优选的，本发明的燃料组件中的燃料棒排列成自定心结构，通过在燃料棒包壳表面上设置场力材料层，通过调节自定心结构中各燃料棒表面设置的场力材料层的磁极使其产生相互排斥力从而实现横向定位，以减少定位格架数量。
第三方面，本发明提出了一种核反应堆，该核反应堆采用本发明所述的燃料组件。
本发明具有如下的优点和有益效果：
1、本发明通过消除定位格架与燃料棒的直接接触，从原理上消除了燃料棒磨蚀(统计振动磨蚀和异物磨蚀约占燃料棒失效的70％)这一失效机理，大幅度提升了燃料组件的可靠性。
2、本发明消除了定位格架的夹持系统，减少了燃料组件的压紧和阻力，提高了燃料组件的经济性；
3、本发明消除了燃料棒的轴向外载荷，降低了燃料棒的载荷要求，有利于补充包壳包容核燃料和裂变产物的能力进而实现高燃耗，提高燃料组件经济性。
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为燃料组件结构示意图。
图2为定位格架结构示意图。其中，下图为上图的A-A剖视图。
图3为本发明的定位结构示意图。
附图中标记及对应的零部件名称：
1-燃料组件，11-上管座，12-导向管，13-定位格架，14-燃料棒，15-下管座，21-行条带，22-列条带，23-刚凸，24-弹簧，25-燃料棒，251-燃料芯块，252-包壳，253-芯块-包壳间隙，31-燃料棒包壳，32-定位格架条带，33-定位格架场力材料层，34-包壳场力材料层，35-燃料棒芯块。
具体实施方式
在下文中，可在本发明的各种实施例中使用的术语“包括”或“可包括”指示所发明的功能、操作或元件的存在，并且不限制一个或更多个功能、操作或元件的增加。此外，如在本发明的各种实施例中所使用，术语“包括”、“具有”及其同源词仅意在表示特定特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合，并且不应被理解为首先排除一个或更多个其它特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合的存在或增加一个或更多个特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合的可能性。
在本发明的各种实施例中，表述“或”或“A或/和B中的至少一个”包括同时列出的文字的任何组合或所有组合。例如，表述“A或B”或“A或/和B中的至少一个”可包括A、可包括B或可包括A和B二者。
在本发明的各种实施例中使用的表述(诸如“第一”、“第二”等)可修饰在各种实施例中的各种组成元件，不过可不限制相应组成元件。例如，以上表述并不限制所述元件的顺序和/或重要性。以上表述仅用于将一个元件与其它元件区别开的目的。例如，第一用户装置和第二用户装置指示不同用户装置，尽管二者都是用户装置。例如，在不脱离本发明的各种实施例的范围的情况下，第一元件可被称为第二元件，同样地，第二元件也可被称为第一元件。
应注意到：如果描述将一个组成元件“连接”到另一组成元件，则可将第一组成元件直接连接到第二组成元件，并且可在第一组成元件和第二组成元件之间“连接”第三组成元件。相反地，当将一个组成元件“直接连接”到另一组成元件时，可理解为在第一组成元件和第二组成元件之间不存在第三组成元件。
在本发明的各种实施例中使用的术语仅用于描述特定实施例的目的并且并非意在限制本发明的各种实施例。如在此所使用，单数形式意在也包括复数形式，除非上下文清楚地另有指示。除非另有限定，否则在这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明的各种实施例所属领域普通技术人员通常理解的含义相同的含义。所述术语(诸如在一般使用的词典中限定的术语)将被解释为具有与在相关技术领域中的语境含义相同的含义并且将不被解释为具有理想化的含义或过于正式的含义，除非在本发明的各种实施例中被清楚地限定。
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2所示，现有定位格架通过设置夹持系统(刚凸和弹簧构成)来实现对燃料棒的夹持定位(通过夹持系统与燃料棒直接接触实现)进而实现燃料棒的横向定位，然而定位格架和燃料棒在冷却剂引起的流致振动情况下会发生振动磨蚀，同时定位格架位置容易引起异物滞留而发生异物磨蚀，进而损坏燃料棒包壳，使燃料棒尚失最重要的屏蔽核燃料和裂变产物的功能，为了克服上述缺陷，本实施例提出了一种克服燃料棒磨蚀的场力排斥燃料棒定位结构。
本实施例通过定位格架条带与燃料棒的场力排斥实现燃料棒的横向定位，通过燃料棒底部限位在管座上实现燃料棒轴向定位。
具体如图3所示，本实施例的定位结构包括燃料棒横向定位装置和燃料棒轴向定位装置；本实施例的燃料棒横向定位装置由燃料棒包壳31、定位格架条带32、定位格架场力材料层33和包壳场力材料层34构成，其中，定位格架场力材料层33设置在定位格架栅元条带的靠近燃料棒的一侧表面，包壳场力材料层34设置在燃料棒包壳外周且与定位格架场力材料层33相对应。
本实施例的定位格架场力材料层33和包壳场力材料层34采用但不限于永磁性材料，通过调整包壳和定位格架上材料层的磁极使其产生相互排斥力，使燃料棒实现横向定位。
燃料棒轴向定位装置由可变形燃料棒端塞和可供端塞穿过的下管座构成，将燃料棒通过底部可变形燃料棒端塞变形限位在下管座中实现燃料棒轴向定位。
本实施例通过消除定位格架与燃料棒的直接接触，消除了燃料棒磨蚀这一失效机理，大幅度提升了燃料组件的可靠性。
本实施例在不明显改变现有燃料组件材料和结构的基础上，取消了定位格架的夹持系统，通过在定位格架条带表面以及对应的燃料棒表面镀上能够产生场力的材料替代夹持结构功能，通过燃料棒四周条带上的场排斥力使燃料棒自动居中(自定心)实现横向定位，减少了燃料组件的压降和阻力，提高了燃料组件的经济性。
实施例2
本实施例与实施例1的不同之处在于：燃料棒轴向定位装置由下管座、包壳场力材料层和下管座场力材料层构成。
本实施例的下管座场力材料层设置在下管座内孔壁，包壳场力材料层设置在燃料棒的包壳外周且与下管座场力材料层相对应。
本实施例通过下管座场力材料层和包壳场力材料层采用但不限于永磁性材料，通过调整包壳和下管座上的材料层的磁极使其产生相互吸引力，使燃料棒实现轴向定位。
本实施例通过场力吸引实现燃料棒的轴向定位，消除了燃料棒的轴向外载荷，降低了燃料棒的载荷要求，有利于补充包壳包容核燃料和裂变产物的能力进而实现高燃耗，提高了燃料组件的经济性。
实施例3
本实施例提出了一种燃料组件，将燃料组件中的燃料棒排列成正三角形或正六边形等自定心结构，在燃料棒的包括表面镀上能够产生场力排斥力的材料，使燃料棒之间相互排斥自定心而实现横向定位，可以减少定位格架数量甚至取消定位格架。
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 (8)

1.一种克服燃料棒磨蚀的场力排斥燃料棒定位结构，其特征在于，包壳燃料棒横向定位装置和燃料棒轴向定位装置；
所述燃料棒横向定位装置通过定位格架条带与燃料棒的场力排斥实现燃料棒的横向定位；
所述燃料棒轴向定位装置通过将燃料棒底部限位在管座上实现燃料棒轴向定位；所述燃料棒横向定位装置包括定位格架场力材料层（33）和包壳场力材料层（34）；
其中，所述定位格架场力材料层（33）设置在靠近燃料棒的条带（32）一侧表面上，所述包壳场力材料层（34）设置在燃料棒包壳（31）外表面上且与所述定位格架场力材料层（33）相对应；
通过调整所述定位格架场力材料层（33）和所述包壳场力材料层（34）的磁极使其产生相互排斥力，实现燃料棒的自定心从而实现燃料棒的横向定位。
2.根据权利要求1所述的一种克服燃料棒磨蚀的场力排斥燃料棒定位结构，其特征在于，所述定位格架场力材料层（33）和所述包壳场力材料层（34）采用永磁性材料。
3.根据权利要求1所述的一种克服燃料棒磨蚀的场力排斥燃料棒定位结构，其特征在于，所述燃料棒轴向定位装置包括可变形燃料棒端塞和可供端塞穿过的下管座；
燃料棒通过底部的可变形燃料棒端塞变形限位在下管座中实现燃料棒轴向定位。
4.根据权利要求1所述的一种克服燃料棒磨蚀的场力排斥燃料棒定位结构，其特征在于，所述燃料棒轴向定位装置包括下管座、下管座场力材料层和包壳场力材料层；
所述下管座场力材料层设置在下管座内孔壁上，所述包壳场力材料层设置在燃料棒包壳外表面且与所述下管座场力材料层相对应；
通过调整所述包壳场力材料层和下管座场力材料层的磁极使其产品相互吸引力，使燃料棒限位在所述下管座中从而实现轴向定位。
5.根据权利要求4所述的一种克服燃料棒磨蚀的场力排斥燃料棒定位结构，其特征在于，所述下管座场力材料层和所述包壳场力材料层采用永磁性材料。
6.一种燃料组件，包括定位格架和燃料棒，其特征在于，所述燃料棒采用如权利要求1-5任一项所述的定位结构实现横向和轴向定位。
7.根据权利要求6所述的燃料组件，其特征在于，该燃料组件中的燃料棒排列成自定心结构，通过在燃料棒包壳表面上设置场力材料层，通过调节自定心结构中各燃料棒表面设置的场力材料层的磁极使其产生相互排斥力从而实现横向定位，以减少定位格架数量。
8.一种核反应堆，其特征在于，该核反应堆采用如权利要求6-7任一项所述的燃料组件。
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