CN114352834B - 一种分级缓冲的高抗震抗弯曲管中管式导向管及燃料组件 - Google Patents

Abstract

本发明属于核电站核燃料组件技术领域，具体涉及一种分级缓冲的高抗震抗弯曲管中管式导向管及燃料组件。导向管由外管、内管和端塞组成，内管套装在外管内，内管和外管的底端均与端塞固定连接，外管上且位于内管上端部向上位置设置有溢流孔，外管靠近底部位置径向设置有若干旁流孔；内管径向上设置有若干缓冲孔；在内管长度上与外管通过多个连接部连接。本发明通过在外管上且位于内管上端部向上位置设置溢流孔，使落棒开始时导向管内的水快速溢出，实现快速落棒；通过内管径向上开设的若干流水孔配合端塞底部流水孔实现水力缓冲；通过外管旁流孔缓解缝隙腐蚀；通过多个连接部提高等效刚度和承载能力，提升燃料组件抗震能力和高燃耗下抗弯曲能力。

Description

一种分级缓冲的高抗震抗弯曲管中管式导向管及燃料组件

技术领域

本发明属于核电站核燃料组件技术领域，具体涉及一种分级缓冲的高抗震抗弯曲管中管式导向管及燃料组件。

背景技术

核燃料组件由若干燃料棒、导向管部件、定位格架及上下管座等构成。导向管部件作为燃料组件承载结构，其基本功能如下：为燃料组件结构提供连续性；为燃料相关组件提供插入通道；为反应堆紧急停堆时控制棒下落提供水力缓冲；为燃料相关组件棒提供冷却剂流量。运行经验表明随着燃料组件燃耗的加深发生了导向管弯曲进而导致落棒不畅，同时核安全要求的提高要求燃料组件满足0.3g极限地震动的抗震要求和更高的热工安全裕量。因此在不影响燃料棒热工性能的情况下提升导向管的力学性能、同时确保落棒时间和落棒缓冲满足要求成为高燃耗高抗震燃料组件设计的瓶颈之一。

目前，压水堆燃料组件典型导向管结构主要有一体化缩径结构和管中管(或套管式)结构导向管，如图2所示，详见CN102360570B《套管式导向管及轻水堆核电站燃料组件》、US2011/0182396A1《Guide Thimble Plug for Nuclear Fuel Assembly》和CN108538410A《一种核燃料组件导向管》。一体化缩径结构简单，但缩径段部位力学性能较差，难以满足三代核电0.3g极限地震动的抗震要求，且导向管制造难度较大；管中管结构内管一端自由或仅关注管两端的连接，套管式结构的套管连接处为其力学薄弱环节，均没有充分发挥其力学性能作用；同时管中管结构和套管式结构都容易在内外管之间的缝隙形成死水区，容易造成缝隙腐蚀，进而影响导向管的承载能力。

发明内容

针对上述问题，本发明提供了一种分级缓冲的高抗震抗弯曲管中管式导向管，提升导向管的承载能力和燃料组件的抗震性能，实现高燃耗运行。

本发明通过下述技术方案实现：

一种分级缓冲的高抗震抗弯曲管中管式导向管，由外管、内管和端塞组成，所述内管套装在所述外管内，所述内管和外管的底端均与所述端塞固定连接，所述外管上且位于所述内管上端部向上位置设置有溢流孔，所述外管靠近底部位置径向设置有若干旁流孔；所述内管径向上设置有若干缓冲孔。

本发明通过在外管上且位于内管上端部向上位置设置的溢流孔，使得落棒开始时(即进入外管时)导向管内的水快速溢出，实现快速落棒；通过内管径向上开设的若干流水孔配合端塞底部流水孔实现水力缓冲(进入内管过程)，在确保落棒时间的前提下降低燃料组件的落棒冲击载荷和缓冲压力，进而降低导向管应力以及燃料组件和控制棒组件的撞击应力，有利于保证导向管以及燃料组件和控制棒组件的结构完整性。

本发明还通过在外管靠近底部位置径向开有若干微小流水孔，与内管径向上设置的若干流水孔形成流道，避免内管和外管之间的间隙变成死水区，进减缓或消除缝隙腐蚀，进而提高承载能力，有利于燃料组件的高燃耗运行。

本发明的内管与所述外管内壁通过多个连接部连接，且多个连接部沿管体轴向设置，相邻两个连接部之间的距离为d。本发明根据实际需要，确定内管和外管的连接间距，实现外管与内管“聚束成柱”的效果，显著增加了轴向等效刚度和横向抗弯刚度，达到了趋近一体化结构的效果，在不影响导向管周围燃料棒热工性能以及落棒性能的前提下，显著提升了导向管的承载能力和燃料组件的抗震性能，降低导向管应力水平，缓解热蠕变和辐照蠕变，有效避免燃料组件运行弯曲，有利于高燃耗运行。

优选的，本发明的相邻两个连接部之间的距离d≤Dmax，所述Dmax为最大连接间距，其满足内管和外管在承受最大轴向载荷时理论上不接触。

优选的，本发明采用这种等效高刚度管中管式导向管结构，减小内径以增加导向管壁厚，进一步提高导向管刚度，提升导向管的承载能力和燃料组件的抗震性能，降低导向管应力水平，缓解热蠕变和辐照蠕变，有效避免燃料组件运行弯曲，有利于高燃耗运行。

优选的，本发明的连接部采用胀接或焊接形成。

优选的，本发明的内管上端部设置有倒角。

优选的，本发明的内管径向上设置的缓冲孔为一层。内管的同一轴向高度上沿圆周设置多个缓冲孔。

优选的，本发明的内管径向上设置的缓冲孔为N层，1<N<11。缓冲孔的孔径沿轴向自上而下依次减小。内管在不同轴向高度上沿圆周设置多个缓冲孔，轴向高度相同的缓冲孔为同一层缓冲孔。N层缓冲孔使得在落棒过程中(进入内管过程中)实现多级水力缓冲，确保落棒时间的前提下进一步降低燃料组件的落棒冲击载荷和缓冲压力。

优选的，本发明的内管和外管通过冷装工艺装配以增加所述内管的壁厚。本发明通过冷装工艺减少装配间隙需求而增加内管壁厚，从而进一步提高导向管的刚度，进一步提高导向管的承载能力和燃料组件的抗震性能。

优选的，本发明采用焊接或旋压工艺实现内管、外管与端塞的刚性连接。

优选的，本发明内管采用镍基合金材料制备而成。导向管材料采用锆合金，本发明选用中子吸收截面较低的镍基合金等高强度材料制作内管，进而进一步提高缓冲段部位的等效刚度，提高承载能力，有利于燃料组件的高燃耗运行。

优选的，本发明内管上端设置为开槽翻开结构。本发明的外管满足抗震等力学性能要求，内管上端制成开槽翻开结构，插入外管后即可自动贴紧，无需进行焊接或胀接等额外连接，大幅度简化制造工艺，同时避免相对振动和潜在的腐蚀，提升结构可靠性。

另一方面，本发明还提出了一种燃料组件，包括燃料棒、定位格架，还包括如本发明所述的导向管。采用本发明所述的导向管作为燃料组件导向管，等效刚度高，缓解缝隙腐蚀和承载能力强，燃料组件抗震性能和高燃耗下抗弯曲能力强，满足高燃耗高抗震要求。

优选的，本发明的燃料组件中，直径和壁厚大的导向管布置在燃料组件外围。在导向管装配时，将多个需要装配的导向管中直径和壁厚大的布置在燃料组件外围，缓解导向管应力分布不均，进而降低最大导向管应力，有利于高燃耗运行。

优选的，本发明的燃料组件采用通过胀接或焊接凸点连接的导向管时，导向管在燃料组件中凸点对准燃料棒。安装时导向管周向旋转，使凸点朝向燃料棒中心线。在导向管装配时，采用形变突出部连接内外管的导向管时，将导向管的突出部对准燃料棒，进而在燃料组件形变过程中，燃料棒提前接触凸点进而限制导向管的弯曲量，缓解燃料组件弯曲，降低弯曲应力。

本发明具有如下的优点和有益效果：

1、本发明通过合理设置内外管上的流水孔，从而构成多级水力缓冲机制；落棒开始时，导向管内的水可通过导向管上设置的溢流孔快速溢出，到达缓冲段(即达到内管时，内管和外管构成缓冲段)时，导向管内的水可通过内管上的缓冲孔溢出，特别是当缓冲孔为多层时，还可分层实现水力缓冲，在确保落棒时间的前提下降低燃料组件的落棒冲击载荷和缓冲压力，进而降低导向管应力以及燃料组件和控制棒组件的撞击应力，有利于保证导向管以及燃料组件和控制棒组件的结构完整性。

2、本发明还通过内管上设置的溢流孔和外管上设置的旁流孔配合形成流道，避免内管和外管之间的间隙变成死水区，减缓或消除缝隙腐蚀，进一步提高承载能力，有利于燃料组件的高燃耗运行；

3、本发明通过设置管中管式导向管结构，并合理确定内管和外管的连接间距，实现外管与内管“聚束成柱”的效果，显著增加了轴向等效刚度和横向抗弯曲刚度，显著提升了导向管的承载能力和燃料组件的抗震性能，降低导向管应力水平，缓解热蠕变和辐照蠕变，有效避免燃料组件运行弯曲，有利于高燃耗运行。

4、本发明通过在内管上设置逐级减小的多层缓冲孔，实现多级水力缓冲，降低燃料组件的落棒冲击载荷和缓冲压力。

5、本发明的内管和外管通过冷装工艺装配以增加所述内管的壁厚，以及高强度材料制作内管，提高导向管的刚度，提升导向管的承载能力、燃料组件的抗震性能以及高燃耗下的抗弯性能和结构稳定性。

6、本发明内管上端设置为开槽翻开结构，插入外管后即可自动贴紧，无需进行焊接或胀接等额外连接，大幅度简化制造工艺，同时可避免相对振动和潜在的腐蚀，提升结构可靠性。

7、本发明的燃料组件中，直径和壁厚相对较大的导向管布置在燃料组件外围，缓解导向管应力分布不均，进而降低最大导向管应力，有利于高燃耗运行。

8、本发明的燃料组件采用通过形变突出部连接的导向管时，导向管在燃料组件中突出部对准燃料棒，限制导向管的弯曲量，缓解燃料组件弯曲，降低弯曲应力。

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为压水堆燃料组件示意图。

图2为现有导向管结构示意图。

图3为本发明的导向管结构示意图。

图4为外管结构示意图。

图5为内管结构示意图。

附图中标记及对应的零部件名称：

1-导向管，2-外管，21-溢流孔，22-旁流孔，3-内管，31-倒角，32-缓冲孔，33-开槽翻开结构，4-外管与内管连接部，5-外管、内管和端塞三者的连接部。

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

针对现有的导向管结构(如图2所示)存在缝隙形成死水区，容易造成缝隙腐蚀，进而影响导向管的承载能力等问题，本实施例提出了一种分级缓冲的高抗震抗弯曲管中管式导向管，本实施例的导向管为制造工艺简单的管中管结构(减小内径，增大壁厚)，提升了导向管等效刚度，提高抗震能力和高燃耗下抗弯曲能力。同时通过内管开孔实现多级水力缓冲，降低落棒冲击载荷进而降低运行过程中导向管的最大应力，提高燃料组件抗弯曲能力，同时避免死水区以缓解缝隙腐蚀，进而提高导向管承载能力。

具体如图3-5所示，本实施例的导向管1由外管2、内管3和端塞6构成，内管3和外管2均为直管，通过在外管2内壁下部位置套接内管3形成缓冲段，内管3和外管2的底端均通过外管、内管和端塞三者的连接部5与端塞6固定连接。

本实施例的外管2上部设置有若干溢流孔21，下部靠近底端位置径向设置有若干旁流孔22(微小流水孔)，内管3径向上设置若干有缓冲孔32，上端部设置有倒角31。

控制棒快速下落时，导向管内冷却剂通过溢流孔21快速流出实现快速落棒；控制棒通过倒角31进入缓冲段(即内管2)后，冷却剂通过内管缓冲孔32形成缓冲，降低燃料组件的落棒冲击载荷和缓冲压力，进而降低导向管应力以及燃料组件和控制棒组件的撞击应力，有利于保证导向管以及燃料组件和控制棒组件的结构完整性；外管底部有旁流孔22、内管缓冲孔32以及内管和外管之间的径向间隙构成旁通流道，避免形成死水区，缓解或消除缝隙腐蚀。

实施例2

本实施例对上述实施例1进行了进一步优化，如图3所示，在内管3与外管2之间通过胀接或焊接进行连接，即如图3所示的外管与内管通过连接部4连接，且连接部4是通过胀接或焊接形成的凸部.

本实施例在内管3轴向上与外管2通过多个连接部4连接。相邻两个连接部之间的距离，即内管3和外管2之间的连接间距为d，d的大小要充分考虑导向管在燃料组件内的跨距，在燃料组件两个格架之间的跨距上均匀布置；且d的最大值Dmax应满足内管和外管在承受最大轴向载荷时不接触，实现了内管和外管“聚束成柱”的效果，显著增加了轴向等效刚度和横向抗弯刚度，达到了趋近一体化结构的效果，在不影响导向管周围燃料棒热工性能以及落棒性能的前提下，显著提升了导向管的承载能力和燃料组件的抗震性能，降低导向管应力水平，缓解热蠕变和辐照蠕变，有效避免燃料组件运行弯曲，有利于高燃耗运行。

实施例3

本实施例对上述实施例1进行了进一步优化，本实施例的内管3上端制成开槽翻开结构33，插入外管2后即可自动紧贴，无焊接或胀接连接部4，大幅度简化制造工艺，同时可避免相对振动和潜在的磨蚀，提高结构可靠性。

实施例4

本实施例对上述实施例进行了进一步优化，本实施例的内管3径向上设置的缓冲孔32为多层，且其孔径沿内管轴向自上而下依次减小，通过多级水力缓冲进一步降低燃料组件的落棒冲击载荷和缓冲压力，进而降低导向管应力以及燃料组件和控制棒组件的撞击应力，有利于保证导向管以及燃料组件和控制棒组件的结构完整性。

实施例5

本实施例对上述实施例进行了进一步优化，本实施例的内管3和外管2通过冷装工艺装配。冷装工艺能够减少装配间隙，增加内管3壁厚，进而进一步提高缓冲段部位的等效刚度，提高承载能力，有利于燃料组件的高燃耗运行。

实施例6

本实施例对上述实施例进行了进一步优化，本实施例的导向管1采用锆合金材料，内管3采用中子吸收截面低的其他高强度材料，如镍基合金，进而提高缓冲段部位的等效刚度、提高承载能力，有利于燃料组件的高燃耗运行。

实施例7

本实施例提出了一种如图1所示的燃料组件，采用上述实施例提出的导向管与格架、管座、燃料棒及相应的连接结构组装成满足高燃耗高抗震性的燃料组件。

本实施例的导向管在装配时，选择直径和壁厚大的导向管布置在燃料组件外围，缓解导向管应力分布不均，进而降低最大导向管应力，缓解热蠕变和辐照蠕变，有利于高燃耗运行。

本实施例的导向管在装配时，将导向管装配在燃料组件中的凸部(如胀包等)对准燃料棒，使燃料组件变形过程中，燃料棒提前接触凸部进而限制导向管的弯曲量，缓解燃料组件弯曲，降低弯曲应力，提升安全裕量。

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 (14)

1.一种分级缓冲的高抗震抗弯曲管中管式导向管，其特征在于：由外管（2）、内管（3）和端塞（6）组成，所述内管（3）套装在所述外管（2）内，所述内管（3）和外管（2）的底端均与所述端塞（6）固定连接，所述外管（2）上且位于所述内管（3）上端部向上位置设置有溢流孔（21），所述外管（2）靠近底部位置径向设置有若干旁流孔（22）；所述内管（3）径向上设置有N层缓冲孔（32），N层缓冲孔（32）的孔径沿轴向自上而下依次减小。

2.根据权利要求1所述的一种分级缓冲的高抗震抗弯曲管中管式导向管，其特征在于：所述内管（3）与所述外管（2）内壁通过若干连接部（4）连接，且连接部（4）沿管体轴向设置，相邻两个连接部（4）之间的距离为d。

3.根据权利要求2所述的一种分级缓冲的高抗震抗弯曲管中管式导向管，其特征在于：相邻两个连接部（4）之间的距离d≤Dmax，所述Dmax为最大连接间距，其满足内管（3）和外管（2）在承受最大轴向载荷时理论上不接触。

4.根据权利要求2所述的一种分级缓冲的高抗震抗弯曲管中管式导向管，其特征在于：所述连接部（4）采用胀接或焊接形成。

5.根据权利要求1所述的一种分级缓冲的高抗震抗弯曲管中管式导向管，其特征在于：所述内管（3）上端部设置有倒角（31）。

6.根据权利要求1所述的一种分级缓冲的高抗震抗弯曲管中管式导向管，其特征在于：所述内管（3）径向上设置的缓冲孔（32）为一层，所述一层是指同一轴向高度，内管（3）同一轴向高度上沿圆周设置多个缓冲孔（32）。

7.根据权利要求1所述的一种分级缓冲的高抗震抗弯曲管中管式导向管，其特征在于：所述内管（3）径向上设置N层缓冲孔（32），1<N<11。

8.根据权利要求1所述的一种分级缓冲的高抗震抗弯曲管中管式导向管，其特征在于：所述内管（3）和外管（2）通过冷装工艺装配以增加所述内管（3）的壁厚。

9.根据权利要求1所述的一种分级缓冲的高抗震抗弯曲管中管式导向管，其特征在于：采用焊接或旋压工艺实现外管（2）、内管（3）和端塞（6）的刚性连接。

10.根据权利要求1所述的一种分级缓冲的高抗震抗弯曲管中管式导向管，其特征在于：所述内管（3）采用镍基合金材料制备而成。

11.根据权利要求1所述的一种分级缓冲的高抗震抗弯曲管中管式导向管，其特征在于：所述内管（3）上端设置为开槽翻开结构（33）。

12.一种燃料组件，其特征在于：包括如权利要求1-11任一项所述的导向管。

13.根据权利要求12所述的一种燃料组件，其特征在于：该燃料组件中，直径和壁厚大的导向管布置在燃料组件外围。

14.根据权利要求12所述的一种燃料组件，其特征在于：采用胀接方式形成连接部（4）时，胀形突出位置形成凸点，安装时导向管周向旋转，使凸点朝向燃料棒中心线。

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