CN114220558B - 一种燃料组件格架、燃料组件及压水堆堆芯 - Google Patents

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Abstract

本发明属于核燃料技术领域，具体涉及一种燃料组件格架、燃料组件及压水堆堆芯。本发明的燃料组件格架包括搅混翼，所述搅混翼经过N次折弯成形，侧面呈“S”型，其中N≥2。本发明的搅混翼利用多次弯折成形分步对流体进行横向引导。本发明还提供了一种燃料组件，采用若干个上述燃料组件格架沿燃料组件轴向排列布置，格架栅元对燃料棒进行夹持，不同格架的搅混翼持续对冷却剂起到搅混作用。采用上述燃料组件，本发明还提供了一种压水堆堆芯，同一堆芯中有不同富集度燃料组件，在换料期间卸出若干燃料组件，并装入若干新的燃料组件。本发明能够增强燃料组件格架的搅混性能，同时增强冷却剂传热能力，进而提升核燃料组件的热工性能。

Description

一种燃料组件格架、燃料组件及压水堆堆芯
技术领域
本发明属于核燃料技术领域，具体涉及一种燃料组件格架、燃料组件及压水堆堆芯。
背景技术
燃料组件是核电站的核心部件，其性能直接影响核电站的可靠性、安全性和经济性。燃料组件要实现高的经济性、安全性、可靠性的目标，通常从提升热工水力性能、燃料组件燃耗、抗弯曲性能，以及采用避免运行中燃料破损的其它措施。
现有压水堆燃料组件的结构，通常由下述两部分组成：
a)骨架结构，包括上管座、下管座、导向管、仪表管和沿组件不同高度分布的格架；
b)含易裂变材料的燃料棒。
其中，格架一般由条带组装，具有多个方形腔体。导向管平行放置在部分的格架腔体中，格架将导向管成功隔开，控制了导向管之间间距，这样就构成了管束。管束上下两端由上管座和下管座固定，组成了燃料组件骨架。
燃料棒平行放置在没有被导向管占据的腔体中。冷却流体从下管座下部流入流经燃料棒，将中子慢化并带走裂变能，从上管座流出，从而起到降温作用。
燃料棒、导向管和仪表管按照方形、六角形等网格排列。反应堆堆芯由若干燃料组件按照一定的栅格布置组成，满足反应堆物理学和热工水力学的要求。反应堆堆芯示意图见图1，燃料组件参考示意图见图2，其包含一个上管座(含板弹簧压紧部件)、一个下管座、若干格架，若干燃料棒、若干导向管等部件。其燃料棒可按照一定的形式排列成四边形(如N×N排列，2≤N≤25)，也可排列成六边形等各种形状。其轴向布置若干格架，格架数量可从2至20。
燃料棒穿过各格架，被格架夹持，使其保持相互间的横向间距以及与上、下管座间的轴向间距。
格架作为骨架的重要组成部分，锆合金条带相互镶嵌并焊接而成，其主要功能一是夹持燃料棒使其定位，二是内条带含有搅混翼，可加强冷却剂的搅混以提高燃料组件的临界热流密度。如图3所示，传统的格架内条带上布置有搅混翼，同时内条带上冲压形成第一刚凸，中部卡有弹簧，外条带上设置有导向翼，传统的格架在其顶端设置有搅混翼结构，在条带十字交叉处纵横交替布置，对应于每个子通道，将会形成子通道内部对流体的涡旋搅混以及子通道之间的横向流搅混；每层格架的外条带上带有导向翼，除了搅混流体的作用外，还在燃料组件装卸过程中起导向作用。
围绕着先进核电机组对经济性的要求，需要燃料组件格架具有良好的热工水力性能，这就对格架中的搅混翼、导向翼及相关部件的设置提出了如何更好的起到引流作用、并在保证减小紊流程度和流动一致性的基础上降低流动阻力的要求。本领域的现有技术一般是通过对搅混翼和导向翼及相关部件的结构形式和连接关系进行改进以解决上述问题。
一般的，为了解决上述问题，现有技术通常在设有燃料棒的腔体的角落位置处设置搅混件，来增加冷却流体对燃料棒的冷却效果。美国专利US6144716的搅混件，通过插槽将搅混件插设在腔体的角落位置，并设置一些槽孔来增加冷却流体的沿程，并通过调整搅混翼的面积和角度等，来提高换热效果。但以这种方法为代表的技术方案中，难以将相邻腔体的冷却流体引入搅混，换热不充分；单个通道内的存在无效涡流，影响冷却流体的流动换热；而且冷却流体流经搅混件时，压降较大。
综上可知，现有的搅混翼结构并未考虑其如何才能充分发挥其对流体的搅混作用、其下部的弹簧和刚凸对搅混翼引导流体的影响以及格架外条带导向翼与搅混翼对流体搅混的协同作用，从而导致搅混性能不够理想，进而影响核燃料组件的热工性能，导致核电站的反应堆机组经济性不能得到进一步提高。
发明内容
为了解决现有的格架搅混翼结构的搅混性能不够理想的问题，本发明提供了一种燃料组件格架。
本发明通过下述技术方案实现：
一种燃料组件格架，设置在燃料组件的轴向，包括内条带、外条带；内条带和外条带互相正交插配，并在交叉位置上焊接固定，形成若干个燃料棒栅元；内条带位于燃料棒栅元内部，外条带位于燃料棒栅元外围；内条带上冲压形成第一刚凸、弹簧以及搅混翼，弹簧位于内条带中部，第一刚凸位于内条带上部和下部，搅混翼位于内条带的上端；外条带上冲压形成第二刚凸，第二刚凸位于外条带上部和下部，外条带上下两端均设置有向内弯折的导向翼，导向翼与外条带为一体结构；所述内条带的搅混翼经过N次折弯成形，侧面呈“S”型，其中N≥2；每一次折弯与燃料组件格架的轴向之间夹角均为20°-40°；第一次折弯沿着搅混翼根部与内条带上边沿接触的第一水平基线，或者沿着与第一水平基线呈10-20°夹角的第一斜基线；第二次折弯沿第二水平基线或者与第二水平基线呈10-20°夹角的第二斜基线；第二水平基线与第一水平基线之间间距2-5mm；第二斜基线与第一斜基线之间间距2-5mm；第N次弯折的水平基线与第N-1次弯折的水平基线之间距离2-5mm；第N次弯折的斜基线与第N-1次弯折的斜基线之间距离2-5mm；第N次折弯的角度小于第N-1次折弯的角度；所有折弯均为圆滑过渡。本发明采用特定结构的搅混翼，其搅混翼利用多次弯折成形分步对流体进行横向引导，增强格架的搅混性能。
位于内条带上部第一刚凸的上下边沿和位于内条带下部第一刚凸的上下边沿各设置有一个冲制槽，所述冲制槽是在内条带上冲压形成的，内条带上边沿水平线与距离最近的冲制槽上边沿之间的距离大于第一刚凸本身的轴向高度，其中第一刚凸本身的轴向高度是指第一刚凸沿着燃料棒栅元轴向的长度。现有技术中搅混翼与下部刚凸、搅混翼与弹簧的距离均小于刚凸自身高度，不利于流体发展。本发明通过增加搅混翼与弹簧、刚凸的距离有利于减小流体到达搅混翼时的紊乱程度，从而充分发挥搅混翼对流体的引导作用，提高搅混性能。
所述搅混翼与导向翼协同工作；当冷却剂在燃料组件中从下至上流经搅混翼时，发生变向产生第一横流；冷却剂在燃料组件中从下至上流经导向翼时，发生变向产生第二横流，当第一横流与第二横流在冷却剂横流方向上的投影向量方向相反时，则搅混翼与导向翼方向冲突；当第一横流与第二横流在冷却剂横流方向上的投影向量方向相同时，则搅混翼与导向翼方向为匹配；当搅混翼与导向翼方向匹配时，导向翼的高度为H1；当搅混翼与导向翼方向冲突时，导向翼的高度为H2；H2<H1；H1尺寸为6mm-10mm；H2尺寸为2mm-6mm；所述导向翼高度为导向翼的顶点至导向翼弯折起点与外条带接触的水平基线之间在竖直方向的投影距离。
本发明根据格架外围搅混翼对流体的引导方向，协同设计外条带上部导向翼的高度，以充分匹配二者对流体的引导，提高格架的搅混性能。本发明通过对格架上部搅混翼、内部弹簧和刚凸以及外部导向翼的设计，强化格架的搅混性能。
所述弹簧从内条带壁面冲压成型，弹簧两端与内条带连接，弹簧中间部分凸出内条带表面，形成拱形结构，用于夹持燃料棒；所述弹簧沿燃料棒栅元轴向布置；所述拱形结构与燃料棒接触位置设置接触区，接触区总长度为4mm-12mm。在内条带上弹簧的上下两端分别开设有孔结构，孔的形状为圆形、椭圆形、等腰三角形、矩形中的一种；其中等腰三角形的三个顶角位置经过倒角处理；矩形的四个顶角经过倒角处理；上下两个孔的表面积之和不大于弹簧面积的50％。
现有燃料组件格架，从材料类型上区分为双金属格架：如法国AFA系列组件；以及单金属格架：如西屋AP1000燃料组件。双金属格架以锆合金为条带，镍基合金为弹簧材料，镍基合金优点是强度高，但缺点是中子吸收截面大，不利于燃料组件的中子经济性。采用单金属格架有利于堆芯中子经济性，是格架的发展方向之一。西屋AP1000组件格架弹簧从栅元条带壁面冲压成型，弹簧结构类似于倾斜刚凸，解决了单金属弹簧应用，不利之处是燃料棒拉棒中仍遇到弹簧的棱边，不利于拉棒过程中对棒表面的保护。另外，该结构弹簧的刚度相对大，弹簧压缩行程较短，制造公差的影响较为敏感。本发明通过沿格架栅元纵向布置的弹簧，弹簧从条带壁面直接冲压成型，格架整体为单金属材料，有利于其中子经济性。弹簧采用连续的弧形结构导向，降低拉棒中对包壳表面划伤。同时流线型结构有利于降低冷却剂流动阻力。此外，形成的弹簧结构刚度容易调整，能够降低对制造公差的敏感性。
优选的，本发明的接触区为平面或包裹燃料棒的弧形面。
优选的，本发明在内条带上弹簧的上下两端分别开设有孔结构，孔的形状为圆形、椭圆形、等腰三角形、矩形中的一种；其中等腰三角形的三个顶角位置经过倒角处理；矩形的四个顶角经过倒角处理；上下两个孔的表面积之和不大于弹簧面积的50％。
优选的，本发明弹簧上下两端宽度均大于所述弹簧中间区域的宽度，并且弹簧中间区域的最小宽度分别不小于上下两端宽度的1/3；
或者，所述弹簧上下两端宽度均小于所述弹簧中间区域的宽度；
或者，所述弹簧上下两端宽度均等于所述弹簧中间区域的宽度。
内条带的上下两端与导向翼接触位置设置有形状为梯形的导向翼支撑结构，导向翼支撑结构与内条带为一体结构，所述导向翼靠在对应的导向翼支撑结构上。所述导向翼支撑结构的顶端与其相对应的导向翼内侧通过焊接方式固定为一体结构。
现有燃料组件在使用过程中，出现过格架勾挂的情况，造成燃料组件损伤，本发明通过设置导向翼支撑结构和导向翼一体结构，防止燃料组件装卸料时勾挂产生破损，增强燃料组件防勾挂性能。
另一方面，本发明还提出了一种燃料组件，采用若干个导向管、仪表管以及本发明所述的燃料组件格架沿燃料组件轴向排列布置，所述燃料组件格架的栅元对燃料棒进行夹持，不同格架的所述搅混翼持续对冷却剂起到搅混作用，增强冷却剂传热能力；导向管、仪表管均匀分布在栅元中；堆芯测量仪表插入仪表管中；上管座位于燃料组件的顶端；下管座位于燃料组件的底部。
优选的，本发明的燃料组件的燃料棒包壳、导向管和仪表管的材料采用完全再结晶锆-锡-铌合金。
本发明通过采用高性能锆合金作为燃料包壳，增强燃料包壳抗腐蚀性能、抗辐照蠕变、抗辐照生长性能，燃料棒可实现高燃耗。本发明的导向管材料采用抗辐照生长性能好的锆合金，减小不同导向管辐照生长的差异，可减小高燃耗下燃料组件弯曲变形。
优选的，本发明的完全再结晶锆-锡-铌合金包含：0.80％-1.20％锡，0.90％-1.25％铌，0.12％-0.45％铁，0.06％-0.15％氧，小于0.015％碳，小于0.008％氮，其余为锆；所述百分比均为质量百分比。
下管座用于保证冷却剂在燃料组件中的流量分配，承受通过导向管施加于燃料组件支承结构的垂直载荷，并防止异物进入燃料组件。下管座由不锈钢制成。现有燃料组件下管座通常采用密排小孔的防异物板等进行过滤异物，其不足之处是：燃料组件能够过滤一定尺寸的异物，但对于更为细小的异物，过滤效率偏低；密排小孔尺寸小，流体通过时突缩-突扩造成流动阻力较大。本专利提供的下管座综合过滤效率达到87％；高于国内现有下管座过滤效率78％。
优选的，本发明的燃料组件采用具有过滤异物功能的下管座，所述下管座包括若干轴线互相平行的叶片和若干轴线相互平行的筋条组件，若干筋条组件和叶片交错设置构成网格结构，所述筋条组件的轴线与叶片的轴线互相垂直。本发明通过下管座防异物装置，增强防止异物造成损伤的能力。
优选的，本发明的下管座叶片包括若干凸起方向一致的凸起件，相邻两凸起件之间由直段连接；所述直段上端面和下端面均开有凹槽，所述凹槽的开口方向与凸起件的凸起方向互相垂直；所述筋条组件由两根对称的上筋条和下筋条构成，上筋条和下筋条相对的面各自开有与叶片数量对应的卡槽，上筋条位于叶片上方，上筋条的卡槽和叶片上端面的凹槽采用咬合方式卡接在一起，下筋条位于叶片下方，下筋条的卡槽与叶片下端面的凹槽采用咬合方式卡接在一起。
上管座作为燃料组件的关键部件，起到横向定位燃料组件、承受和传递压紧力、为冷却剂提供出口空腔，为燃料组件吊装提供接口、防止燃料棒弹出的作用。现有的燃料组件上管座主要由连接板、围板和框板组成。现有的上管座存在以下问题：1)流水孔的布置方式不佳，使流水孔的数量较少，直接导致连接板上流通面积的比例较低，连接板上下两侧的压降较大，这种情况下，需要消耗更多的主泵扬程才能使冷却水的流动性达到要求，经济性欠佳；2)流水孔为非对称排列，对燃料组件出口的流场分布有不利影响，冷却水在通过上管座后再分布时，容易产生横向流，增加控制棒和可燃毒物棒振动磨蚀而导致失效的风险。
本发明提供的上管座由连接板、固定在连接板边缘的围板和固定在围板上的框板构成，连接板上开设有用于安装燃料组件导向管的连接孔A和用于安装仪表管的连接孔B，在所述连接板上均匀开设有多个长条形的流水孔，流水孔包括流水孔A和流水孔B，流水孔A和流水孔B的轴线之间存在大于0°的夹角；在所述连接板上，轴向相邻的两个流水孔A和两个流水孔B之间形成连接部；在所述连接板上，径向相邻的两个流水孔A和两个流水孔B之间形成合围部；所述连接板上还开设有中心流水孔，连接孔A、连接孔B和中心流水孔分别设置于合围部上；所述流水孔的侧面内凹形成圆弧面A，圆弧面A的弧度与相邻的连接孔A、连接孔B或中心流水孔的弧度相匹配；所述连接孔A和所述中心流水孔交错设置，所述连接孔B开设在位于所述连接板中心位置的合围部上。
优选的，本发明的燃料棒有两种：第一种燃料棒采用UO2燃料芯块，第二种燃料棒采用UO2-Gd2O3可燃毒物燃料芯块。其中，UO2-Gd2O3可燃毒物燃料芯块中Gd2O3的质量百分比为2％～12％；UO2燃料芯块的晶粒尺寸25 -60μm。
优选的，本发明的燃料棒内采用弹簧对燃料芯块进行压紧，所述燃料棒内充有氦气，所述弹簧为变节距的弹簧；弹簧从弹簧左端、弹簧右端到弹簧中点的节距增大，弹簧节距变化范围为5mm-12mm，达到最大节距后保持恒定节距，弹簧左端至弹簧中点以及弹簧右端至弹簧中点之间设置5-8圈变节距。
优选的，所述燃料组件含有导向管，用于容纳核反应堆控制棒的插入；导向管下部的内侧设置有内套管，导向管和内套管通过胀接或焊接方式进行连接，形成控制棒缓冲段。本发明通过管中管导向管结构设计，形成控制棒落棒的缓冲段，制造工艺简单，具备对控制棒下落进行缓冲的能力。
优选的，芯测量仪表从仪表管的上部插入，或者从仪表管的下部插入。
此外，本发明还提出了一种压水堆堆芯，采用多个本发明所述的燃料组件，同一堆芯中有不同富集度燃料组件，在换料期间卸出若干燃料组件，并装入若干新的燃料组件。
本发明具有如下的优点和有益效果：
1、本发明中搅混翼采用多次弯折成形的设计，根部折弯角度较小，对轴向流体进行一次引导，搅混翼中部进行多次折弯，进一步对流体进行横向引导，使冷却剂搅混效果提升25％以上；同时根部折弯角度较小，使格架的整体阻力减小5％以上。
2、本发明中搅混翼位于格架的顶部，其下设置有弹簧、刚凸等夹持结构，流体在流经弹簧、刚凸等结构时由于流道变化产生扰动，增加搅混翼与弹簧、刚凸的距离有利于减小流体到达搅混翼时的紊乱程度，从而充分发挥搅混翼对流体的引导作用，提高搅混性能。
3、本发明在外条带上设置有导向翼，其主要承担防勾挂的作用，导向翼向格架内侧弯折，尤其是上部导向翼将会影响到格架边栅元的搅混，根据附近搅混翼对流体的引导方向，协同设计导向翼的高度。对于导向翼弯折方向引导的横向流能与附近搅混翼匹配的情况，增加导向翼高度以充分发挥其搅混作用；对于导向翼弯折方向引导的横向流与附近搅混翼冲突的情况，在保证其防勾挂功能的前提下，减小导向翼的高度以缓解不利影响。
4、弹簧沿栅元轴向布置，冷却剂流动中截面为连续变化，结构突变少，有利于降低流动的阻力。弹簧侧面呈弧形，弹簧靠近两端位置设立开孔结构，增加冷却剂流动面积，降低流动阻力。本发明设计的弹簧使格架阻力系数从原有的1.18降低为1.08，减小阻力8.5％。
5、本发明的格架内条带的端部设置支撑结构，强化了导向翼的抗弯曲能力。另一方面，通过将导向翼与内条带端部的支撑结构固定在一起，增强了导向翼的抗弯曲变形能力，更进一步防止了导向翼的损伤。导向翼与内条带配合加支撑结构，防勾挂能力相对于现有格架有显著提升。现有格架在横向压紧力100N下发生勾挂，本发明提供的导向翼在500N横向压紧力没有发生勾挂，性能得到提升。
6、本发明中弹簧沿栅元轴向布置，拉棒过程中对燃料棒表面形成连续导向，可降低对包壳表面的擦挂损伤。拱形结构弹簧，在弹簧受压缩后，将应力传递到条带基体上，避免弹簧中高应力区域集中。较宽的根部减小了应力水平，同等载荷作用下可使根部的应力水平下降25％。总体降低弹簧造成燃料棒破损的概率，提高了结构的可靠性。
8、本发明采用的变节距弹簧，通过加大节距实现保留相同刚度的情况下减少弹簧圈数，从而减少弹簧体积，进而获得更大的气腔体积，可贮存更多的裂变气体。相较于标准节距弹簧的设计，增加5％的气腔体积。
8、本发明采用的大晶粒燃料芯块有更强的裂变气体释放能力。且在芯块包壳相互作用过程中，由于硬度更低，能够缓解芯块包壳相互作用，有利于燃料元件安全性的提升。
9、本发明采用完全再结晶锆-锡-铌合金的包壳，在燃料棒高燃耗情况下，包壳抗腐蚀、蠕变、辐照生长等性能优良，满足核电站18个月换料运行要求。由于包壳抗腐蚀性能增强，在高燃耗下腐蚀产物厚度小，不会出现腐蚀产物剥落问题，保证燃料棒完整性。采用该合金包壳的燃料棒在辐照寿期末，相对于其它常用锆合金包壳燃料棒，辐照生长量减小10％以上。由于包壳辐照生长小，在燃料棒高燃耗下，燃料棒与燃料组件之间仍留有较大间隙，不会由于辐照生长产生棒和组件之间刚性挤压造成燃料棒弯曲破坏。同时由于包壳辐照生长量小，在高燃耗下不同燃料棒辐照生长差异小，燃料组件整体抗弯曲性能得到提高。采用该锆合金作为燃料棒包壳的燃料组件，燃耗最大可提升10％。本发明采用的完全再结晶锆-锡-铌合金已累积超过6000支燃料棒的堆内辐照经验，辐照燃耗达58000MWd/tU，运行经验和池边检查结果表明该合金具有良好的耐腐蚀、辐照生长和力学性能。
9、本发明防异物下管座中，封闭式流道、叶片凸起形成弯曲流道形状、密排结构几项特点，提高了下管座的过滤能力。通过合理配置流道尺寸，限制可通过的异物尺寸远小于格架与燃料棒的空隙，使得通过下管座的异物不会停留在格架和燃料棒之间，从而避免燃料组件不会因异物进入造成破坏。
10、本发明在导向管中，通过胀接或焊接形成缓冲段。其结构简单，节省结构材料，提高燃料组件的中子经济性，降低制造工艺要求，提高燃料组件的制造经济性。导向管具备良好的对控制棒落棒进行缓冲的能力。
11、本发明由于采用完全再结晶锆-锡-铌合金作为导向管材料，导向管辐照生长量小，燃料组件可承受高燃耗而不会与堆内构件刚性接触。在高燃耗下不同导向管辐照生长差异小，燃料组件整体抗弯曲性能得到提高。
12、本发明提供的上管座，通过改变流水孔的形状和布置方式，使流水孔能够均匀布置，同时增大了流通面积比例，解决了上管座经济性不好和对燃料组件出口的流场分布不利的技术问题。
附图说明
图1为反应堆堆芯结构示意图。
图2为燃料组件结构示意图。
图3为传统的燃料组件格架结构示意图。
图4为搅混翼弯折示意图。
图5为本发明第一实施例的内条带上搅混翼与弹簧、刚凸的结构示意图。
图6为图5的侧视图。
图7为本发明的内条带上搅混翼与弹簧、刚凸的结构示意图。其中，A为第二实施例，B为第三实施例，C为第四实施例。
图8为本发明导向翼与搅混翼的协同关系示意图。
图9为外条带局部结构示意图。
图10为图8的侧视图。
图11为本发明的下管座示意图。
图12为本发明下管座叶片和筋条组件配合示意图。
图13为本发明的叶片局部结构示意图。
图14为本发明的导向管剖面图。
图15为上管座剖面结构示意图。
图16为上管座俯视图。
图17为弹簧结构的示意图。
附图中标记及对应的零部件名称：
2a：板弹簧压紧部件；2b：上管座；2c：格架；2d：燃料棒；2e：导向管；2f：下管座；3a：传统搅混翼；3b：传统刚凸；3c：传统弹簧；3d：传统导向翼；4a：搅混翼；4b：第一刚凸；4c：弹簧；4d：孔结构；4e：弧形结构；4f：外凸弧形；4g：直边；4h：接触区；5a：导向翼；6a：内条带；6b：导向翼支撑结构；6c：外条带；6e：第二刚凸；6d：冲制槽；7a：冷却剂流道；7b：上筋条；7c：围板；7d：支腿；7e：连接孔；8a：叶片；8b：上筋条；8c：下筋条；8d：围板；8e：支腿；9a：凸起件；9b：凹槽；9c：直段；10a：导向管；10b：内套管组件；10c：导向管端塞；D2：第N次折弯的角度；D1：第N-1次折弯的角度；H3：内条带上边沿水平线与距离最近的冲制槽上边沿之间的距离；H4：第一刚凸本身的轴向高度；A1：第一水平基线；A2：第一斜基线；B1：第二水平基线；B2：第二斜基线；T：冷却剂横流方向；R1：第一横流；R2：第二横流；SA：弹簧左端；SB：弹簧右端；SC：弹簧中心；2：连接板；3：围板；4：框板；5：连接孔A；6：连接孔B；10：吊装面；201：流水孔A；202：流水孔B；203：连接部；204：合围部；205：中心流水孔；206：圆弧面A；SA：弹簧结构左端；SB：弹簧结构右端；SC：弹簧结构中心。
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。
如图1所示，现有反应堆堆芯结构中，0°、90°、180°、270°表示堆芯方位。横坐标字母、纵坐标数字用于表示堆芯内坐标，一个坐标代表一个燃料组件装入的位置。例如G15、F14、E14是3个燃料组件的位置。
实施例1
本实施例提出了一种燃料组件格架，燃料组件格架内条带和外条带组装焊接而成；内条带由搅混翼、第一刚凸、冲制槽、弹簧、导向翼支撑结构构成；外条带由导向翼、第二刚凸构成。
本实施例提出了一种燃料组件格架搅混翼、弹簧与刚凸结构，具体如图4-5所示，本实施例采用一种具有高效搅混性能的格架，其格架采用的搅混翼多次弯折成形，侧面呈“S”型。
内条带上边沿水平线与距离最近的冲制槽上边沿之间的距离H3大于第一刚凸本身的轴向高度H4，其中H4是指第一刚凸沿着燃料棒栅元轴向的长度。单金属格架中，一个栅元相对方向上包括弹簧和第一刚凸构成一对夹持结构。弹簧从栅元条带上直接冲压突出条带表面，形成拱形结构，弹簧沿栅元的轴向布置。冲压形成拱形结构是单一拱形，或者根据需要是多个拱形的组合。当燃料棒拉棒经过栅元时，沿轴向布置的拱形形成连续的导向，没有锐面或边与燃料棒包壳接触，可降低对包壳的损伤。弧形的最高点位置与燃料棒接触，接触位置设置一定长度的接触区域，该区域是平直面或者包裹燃料棒包壳的弧形部分，以降低接触位置的应力。在靠近弹簧的两端附近开设孔结构增加冷却剂的流通面积以减小流动的阻力，弹簧的侧面为弧形结构。弹簧两端宽度大于中间区域，其好处是降低根部的应力，同时在保证合适的燃料棒接触面积条件下降低流动面积的阻挡，减小流动的阻力。
如图7所示，本实施例的导向翼在与搅混翼方向匹配的情况下，导向翼的高度为H1；当搅混翼与导向翼方向冲突时，导向翼的高度为H2；H2<H1；H1尺寸范围为3mm-6mm；H2尺寸范围为1mm-3mm；
本实施例采用多次弯折成形，侧面呈“S”型的搅混翼，同时还增加了搅混翼与下部弹簧、刚凸距离，以及通过导向翼与搅混翼协同作用，提高了格架搅混性能。
实施例2
如图6所示，本实施例对上述实施例1提出的弹簧进行了进一步优化，本实施例的弹簧侧面的轮廓可以根据需要调整为直边；或者反向的外凸弧形，即中间宽度大于两端，同时中间与燃料棒接触区域加工一定半径的弧形，包裹燃料棒包壳。
实施例3
本实施例对上述实施例提出的格架作了进一步优化，如图7-9，该格架由若干个条带互相正交插配构成，并在交叉位置的上下两处实施焊接固定，形成方形燃料棒栅元；在能明确表示出结构关系的前提下，为了简明，上述图7-9显示的均为格架的局部；位于内部和外围的条带分别为内条带和外条带，所述外条带的上下两端均连续设置有向内弯折的导向翼，导向翼连续布置，形成连续的导向作用，防止吊装过程组件勾挂。
为了强化导向翼的抗弯曲能力，本发明在内条带的两端对应导向翼均设置了导向翼支撑结构，该导向翼支撑结构顶靠在与其位置相对应的导向翼内侧，在互相压靠时可加强外条带的刚性。
由于格架发生勾挂后，导向翼存在外翻或撕裂的现象。本发明为了进一步防止导向翼的损伤，将导向翼支撑结构与导向翼内侧焊接在一起。
实施例4
本实施例提出了一种燃料组件，包括上管座、燃料棒、导向管、仪表管、下管座以及上述实施例提出的格架。
燃料棒包壳、导向管和仪表管的材料均采用完全再结晶锆-锡-铌合金；所述完全再结晶锆-锡-铌合金包含：0.80％-1.20％锡，0.90％-1.25％铌，0.12％-0.45％铁，0.06％-0.15％氧，小于0.015％碳，小于0.008％氮，其余为锆；所述百分比均为质量百分比。
堆芯测量仪表从仪表管的上部插入，或者从仪表管的下部插入。
实施例5
本实施例对上述实施例4的下管座进行了进一步优化，如图10-12所示，本实施例采用具有过滤异物功能的下管座，包括若干轴线互相平行的叶片和若干轴线互相平行的筋条组件，所述筋条组件的轴线与叶片的轴线互相垂直；筋条组件由两根对称的上筋条和下筋条构成，上筋条和下筋条相对的面各自开有与叶片数量对应的卡槽；叶片包括若干凸起方向一致的凸起件，相邻两凸起件之间由直段连接，直段上端面和下端面均开有凹槽，所述凹槽的开口方向与凸起件的凸起方向互相垂直；上筋条位于叶片上方，其上筋条的卡槽和叶片上端面的凹槽采用口对口咬合方式卡接在一起，下筋条位于叶片下方，其下筋条的卡槽和叶片下端面的凹槽采用口对口咬合方式卡接在一起。
本实施例通过采用由多个弧面凸起件组成的叶片，将叶片以一定间距整齐和对称的排列在一起，两个相邻叶片上的两个平行的凸起件之间形成过滤异物的流道；而使用两根结构相同对称设置的上筋条和下筋条分别从叶片的上下两个方向、并在叶片相邻凸起件间的空隙处夹持住叶片，将两个相邻叶片间的流道进一步分割为单个完全封闭的流道，可增强过滤功能并能降低冷却剂压降；为了增加结构强度，支承座嵌入在由叶片和筋条组件组成的组合体中，为燃料组件的导向管与仪表管提供安装结构；上述组合体由框体固定，即筋条组件的两端和叶片的两端均镶嵌在框体上，上述整个结构由支腿支撑；将以上整个结构完全结合为一个整体，即成为下管座。叶片是由多个弧面凸起件组成，刚度与强度较好，筋条贯通了整个叶片，进一步提高了下管座的结构强度，并且单个封闭的流道相对于开放的流道来说提高了下管座的过滤能力，降低了冷却剂压降，叶片与筋条的几何形状也采用有利于降低冷却剂压降的形式，综合以上因素，该下管座在结构强度、过滤能力、冷却剂压降三方面均具有优良的性能。
实施例6
本实施例对上述实施例提出的导向管作了进一步优化，本实施例采用管中管式导向管，具体如图13所示，由导向管、内套管组件以及导向管端塞组成，导向管、焊接在导向管下端开口处的导向管端塞、以及通过胀接方式固定在导向管的内壁上的内套管组件；本实施例中，内套管组件为一个单层内套管，且该内套管与导向管为等壁厚的直管。
本实施例内套管组件的数目根据燃料组件性能要求进行选择，数目为1个或多个，其固定在导向管内壁需要缓冲的位置上，从而形成缓冲段，获得满足燃料组件的要求的缓冲效果，同时能减少结构材料的消耗，还提高了燃料组件的中子经济性。
实施例7
如图14-15所示，本实施例对上述实施例提出的上管座进一步优化。上管座由连接板、固定在连接板边缘的围板和固定在围板上的框板构成，连接板上开设有用于安装燃料组件导向管的连接孔A和用于安装仪表管的连接孔B，在所述连接板上均匀开设有多个长条形的流水孔，流水孔包括流水孔A和流水孔B，流水孔A和流水孔B的轴线之间存在大于0°的夹角；在所述连接板上，轴向相邻的两个流水孔A和两个流水孔B之间形成连接部；在所述连接板上，径向相邻的两个流水孔A和两个流水孔B之间形成合围部；所述连接板上还开设有中心流水孔，连接孔A、连接孔B和中心流水孔分别设置于合围部上；所述流水孔的侧面内凹形成圆弧面A，圆弧面A的弧度与相邻的连接孔A、连接孔B或中心流水孔的弧度相匹配；所述连接孔A和所述中心流水孔交错设置，所述连接孔B开设在位于所述连接板中心位置的合围部上。
实施例8
本实施例提出了一种压水堆堆芯，该堆芯采用上述实施例提出的燃料组件，在堆芯中不同燃料组件可采用不同富集度燃料，在换料期间卸出若干燃料组件，并装入若干新的燃料组件，保证合适的燃料利用率。通过对不同富集度燃料组件位置的合理布置，降低堆芯热点因子和核焓升因子，使堆芯总体具有高的功率水平。
本发明提供的燃料组件格架、燃料组件、压水堆堆芯适用于三代压水堆及二代+压水堆，能够增强燃料组件格架的搅混性能，增强冷却剂传热能力，提升核燃料组件的热工性能；有助于堆芯总体功率水平的提高。
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 (21)

1.一种燃料组件格架，设置在燃料组件的轴向，其特征在于：包括内条带、外条带；内条带和外条带互相正交插配，并在交叉位置上焊接固定，形成若干个燃料棒栅元；内条带位于燃料棒栅元内部，外条带位于燃料棒栅元外围；内条带上冲压形成搅混翼，搅混翼的全部结构均位于内条带的上端；外条带上下两端均设置有向内弯折的导向翼，导向翼与外条带为一体结构；所述内条带的搅混翼经过N次折弯成形，侧面呈“S”型，其中N≥2；第N次折弯的角度小于第N-1次折弯的角度；第一次折弯沿着搅混翼根部与内条带上边沿接触的第一水平基线，第N次弯折的水平基线与第N-1次弯折的水平基线之间距离2-5mm。
2.根据权利要求1所述的一种燃料组件格架，其特征在于：所述N次折弯的每一次折弯与燃料组件格架的轴向之间夹角均为20-40°；所有折弯均为圆滑过渡。
3.根据权利要求2所述的一种燃料组件格架，其特征在于：除了沿第一水平基线以外，第一次折弯还可以沿着与第一水平基线呈10-20°夹角的第一斜基线；第二次折弯沿第二水平基线或者与第二水平基线呈10-20°夹角的第二斜基线；第N次弯折的斜基线与第N-1次弯折的斜基线之间距离2-5mm。
4.根据权利要求3所述的一种燃料组件格架，其特征在于：所述内条带上还设置有弹簧；弹簧从内条带壁面冲压成型，弹簧位于内条带中部，弹簧两端与内条带连接，弹簧中间部分凸出内条带表面，形成拱形结构，用于夹持燃料棒；所述弹簧沿燃料棒栅元轴向布置；所述拱形结构与燃料棒接触位置设置接触区，接触区总长度为4mm-12mm。
5.根据权利要求4所述的一种燃料组件格架，其特征在于：在所述内条带上冲压形成第一刚凸，第一刚凸位于内条带上部和下部；位于内条带上部第一刚凸的上边沿、下边沿和位于内条带下部第一刚凸的上边沿、下边沿各设置有一个冲制槽，所述冲制槽是在内条带上冲压形成的，内条带上边沿水平线与距离最近的冲制槽上边沿之间的距离大于第一刚凸本身的轴向高度，其中第一刚凸本身的轴向高度是指第一刚凸沿着燃料棒栅元轴向的长度。
6.根据权利要求5所述的一种燃料组件格架，其特征在于：所述搅混翼与导向翼协同工作；当冷却剂在燃料组件中从下至上流经搅混翼时，发生变向产生第一横流；冷却剂在燃料组件中从下至上流经导向翼时，发生变向产生第二横流，当第一横流与第二横流在冷却剂横流方向上的投影向量方向相反时，则搅混翼与导向翼方向冲突；当第一横流与第二横流在冷却剂横流方向上的投影向量方向相同时，则搅混翼与导向翼方向为匹配；当搅混翼与导向翼方向匹配时，导向翼的高度为H1；当搅混翼与导向翼方向冲突时，导向翼的高度为H2；H2<H1；H1尺寸为6mm-10mm；H2尺寸为2mm-6mm；所述导向翼高度为导向翼的顶点至导向翼弯折起点与外条带接触的水平基线之间在竖直方向的投影距离。
7.根据权利要求6所述的一种燃料组件格架，其特征在于：所述接触区为平面或包裹燃料棒的弧形面。
8.根据权利要求7所述的一种燃料组件格架，其特征在于：在内条带上弹簧的上下两端分别开设有孔结构，孔的形状为圆形、椭圆形、等腰三角形、矩形中的一种；其中等腰三角形的三个顶角均经过倒角处理；矩形的四个顶角均经过倒角处理；上下两个孔的表面积之和不大于弹簧面积的50％。
9.根据权利要求8所述的一种燃料组件格架，其特征在于：所述弹簧上下两端宽度均大于所述弹簧中间区域的宽度，并且弹簧中间区域的最小宽度分别不小于上下两端宽度的1/3；
或者，所述弹簧上下两端宽度均小于所述弹簧中间区域的宽度；
或者，所述弹簧上下两端宽度均等于所述弹簧中间区域的宽度。
10.根据权利要求1-9任一项所述的一种燃料组件格架，其特征在于：在所述内条带的上下两端，并且与导向翼接触的位置设置有形状为梯形的导向翼支撑结构，导向翼支撑结构与内条带为一体结构，所述导向翼靠在对应的导向翼支撑结构上。
11.根据权利要求10所述的一种燃料组件格架，其特征在于：所述导向翼支撑结构的顶端与其相对应的导向翼内侧通过焊接方式固定为一体结构。
12.一种燃料组件，其特征在于：采用若干个导向管、仪表管以及权利要求1-11任一项所述的燃料组件格架沿燃料组件轴向排列布置，所述燃料组件格架的栅元对燃料棒进行夹持，不同格架的所述搅混翼持续对冷却剂起到搅混作用，增强冷却剂传热能力；导向管、仪表管均匀分布在栅元中；堆芯测量仪表插入仪表管中；上管座位于燃料组件的顶端；下管座位于燃料组件的底部。
13.根据权利要求12所述的一种燃料组件，其特征在于：燃料棒包壳、导向管和仪表管的材料均采用完全再结晶锆-锡-铌合金；所述完全再结晶锆-锡-铌合金包含元素的质量百分比：0.80％-1.20％锡，0.90％-1.25％铌，0.12％-0.45％铁，0.06％-0.15％氧，小于0.015％碳，小于0.008％氮，其余为锆。
14.根据权利要求13所述的一种燃料组件，其特征在于：采用具有过滤异物功能的下管座，所述下管座包括若干轴线互相平行的叶片和若干轴线相互平行的筋条组件，若干筋条组件和叶片交错设置构成网格结构，所述筋条组件的轴线与叶片的轴线互相垂直。
15.根据权利要求14所述的一种燃料组件，其特征在于：所述下管座的叶片包括若干凸起方向一致的凸起件，相邻两凸起件之间由直段连接；所述直段上端面和下端面均开有凹槽，所述凹槽的开口方向与凸起件的凸起方向互相垂直；所述筋条组件由两根对称的上筋条和下筋条构成，上筋条和下筋条相对的面各自开有与叶片数量对应的卡槽，上筋条位于叶片上方，上筋条的卡槽和叶片上端面的凹槽采用咬合方式卡接在一起，下筋条位于叶片下方，下筋条的卡槽与叶片下端面的凹槽采用咬合方式卡接在一起。
16.根据权利要求15所述的一种燃料组件，其特征在于：所述上管座由连接板、固定在连接板边缘的围板和固定在围板上的框板构成，连接板上开设有用于安装燃料组件导向管的连接孔A和用于安装仪表管的连接孔B，在所述连接板上均匀开设有多个长条形的流水孔，流水孔包括流水孔A和流水孔B，流水孔A和流水孔B的轴线之间存在大于0°的夹角；在所述连接板上，轴向相邻的两个流水孔A和两个流水孔B之间形成连接部；在所述连接板上，径向相邻的两个流水孔A和两个流水孔B之间形成合围部；所述连接板上还开设有中心流水孔，连接孔A、连接孔B和中心流水孔分别设置于合围部上；所述流水孔的侧面内凹形成圆弧面A，圆弧面A的弧度与相邻的连接孔A、连接孔B或中心流水孔的弧度相匹配；所述连接孔A和所述中心流水孔交错设置，所述连接孔B开设在位于所述连接板中心位置的合围部上。
17.根据权利要求13所述的一种燃料组件，其特征在于：所述燃料棒有两种；第一种燃料棒采用UO2燃料芯块，第二种燃料棒采用UO2-Gd2O3可燃毒物燃料芯块；其中，UO2-Gd2O3可燃毒物燃料芯块中Gd2O3的质量百分比为2％～12％；UO2燃料芯块的晶粒尺寸25μm-60μm。
18.根据权利要求17所述的一种燃料组件，其特征在于：所述燃料棒内采用弹簧对燃料芯块进行压紧，所述燃料棒内充有氦气，所述弹簧为变节距的弹簧；弹簧从弹簧左端、弹簧右端到弹簧中点的节距增大，弹簧节距变化范围为5mm-12mm，达到最大节距后保持恒定节距，弹簧左端至弹簧中点以及弹簧右端至弹簧中点之间设置5-8圈变节距。
19.根据权利要求12所述的一种燃料组件，其特征在于：所述燃料组件含有导向管，用于容纳核反应堆控制棒的插入；导向管下部的内侧设置有内套管，导向管和内套管通过胀接或焊接方式进行连接，形成控制棒缓冲段。
20.根据权利要求12所述的一种燃料组件，其特征在于：堆芯测量仪表从仪表管的上部插入，或者从仪表管的下部插入。
21.一种压水堆堆芯，其特征在于：采用多个如权利要求12-20任一项所述的燃料组件，同一堆芯中有不同富集度燃料组件，在换料期间卸出若干燃料组件，并装入若干新的燃料组件。
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