CN218957405U - 一种反应堆燃料组件 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及反应堆燃料组件技术领域，具体提供一种反应堆燃料组件，旨在解决现有慢化剂组件盒自重大，中子吸收量大的问题。为此目的，本实用新型的反应堆燃料组件包括：外套管、慢化剂和燃料棒束，慢化剂位于外套管内，慢化剂设置有孔，燃料棒束穿设于慢化剂中，外套管壁上设置有通孔。本实用新型提供的技术方案可以节省制造外套管壁的结构材料，同时可以减少外套管壁对中子的吸收量，提高燃料的利用率，间接降低反应堆燃料组件的重量。

Description

一种反应堆燃料组件

技术领域

本实用新型涉及反应堆燃料组件技术领域，具体涉及一种反应堆燃料组件。

背景技术

慢化剂，又称中子减速剂。由于核燃料裂变反应释放的中子为快中子，而在热中子或中能中子反应堆中要应用慢化中子维持链式反应，为了产生链式反应，就必须使用慢化剂将中子的飞行速度降下来。

传统反应堆内慢化剂的堆叠主要采取两种形式，一种为无组件盒方式，各慢化剂直接接触，这种方式在反应堆运输过程或发生震动时，慢化剂晃动及碰撞力较大，易破损，且该种方式换料时操作复杂。另一种为采取组件盒方式，组件盒为轴向连续设计，慢化剂堆叠于组件盒内部，组件盒的外套管采取全包裹的形式。这种形式的组件盒需求结构材料多，自重大，而且增加了中子吸收量，需提高燃料装料量来保证中子量。

相应地，本领域需要一种新的技术方案来解决上述问题。

实用新型内容

本实用新型旨在解决上述技术问题，即，解决现有慢化剂组件盒自重大，中子吸收量大的问题。

为了解决现有技术中的上述问题，本实用新型提供一种反应堆燃料组件，包括外套管、慢化剂和燃料棒束，所述慢化剂位于所述外套管内，所述慢化剂设置有孔，所述燃料棒束穿设于所述慢化剂中，所述外套管壁上设置有通孔。

在采用上述技术方案的情况下，可以节省制造外套管壁的结构材料，同时可以减少外套管壁对中子的吸收量，提高燃料的利用率，间接降低反应堆燃料组件的重量。

在上述反应堆燃料组件的具体实施方式中，所述通孔沿所述外套管的高度方向布置多个。

在采用上述技术方案的情况下，可以进一步减轻燃料组件的重量、节省结构材料以及减少外套管壁对中子的吸收量，进而降低反应堆燃料组件的重量。

在上述反应堆燃料组件的具体实施方式中，在同一高度上所述通孔沿所述外套管的周向布置有多个。

在采用上述技术方案的情况下，可以更进一步减轻燃料组件的重量、节省结构材料以及减少外套管壁对中子的吸收量，进而降低反应堆燃料组件的重量。

在上述反应堆燃料组件的具体实施方式中，所述通孔为腰孔。

在采用上述技术方案的情况下，通孔的角部为圆角，可以有效避免通孔发生角部应力集中的问题，使应力较均匀的分布，进而增加结构的稳定性。

在上述反应堆燃料组件的具体实施方式中，所述腰孔沿所述外套管的高度方向延伸设置。

在采用上述技术方案的情况下，通孔延伸的方向与外套管的主要受力方向垂直，可以在减轻燃料组件重量，节省结构材料，提高燃料利用效果的同时，满足外套管的受力需求，保证结构的强度和刚度。

在上述反应堆燃料组件的具体实施方式中，所述外套管包括多个子套管，相邻两个所述子套管之间通过分层板连接，所述分层板上设置有过孔，每个所述分层板上均设置有慢化剂，所述分层板上的过孔的位置与所述慢化剂上的孔的位置一一对应，所述燃料棒束组件穿设于所述分层板和所述慢化剂。

在采用上述技术方案的情况下，每层的慢化剂置于每层的分层板上部，慢化剂的重量由各层分层板承担，可有效降低震动或者受力时时最底层慢化剂的应力值，提高结构的安全性，降低失效的风险。

在上述反应堆燃料组件的具体实施方式中，每个所述子套管的截面均为正六边形，并且所述子套管的每个侧面均设置有一个或多个所述通孔。

在采用上述技术方案的情况下，子套管截面设置为正六边形，利于燃料组件的小型化和密排布置，燃料的分布更均匀，利于燃料组件的均匀慢化和充分慢化。而且，子套管上设置的通孔在节省结构材料，降低组件重量的同时，可以减少对中子的吸收，提高中子利用率，节省燃料。

在上述反应堆燃料组件的具体实施方式中，所述子套管的每个侧面沿高度方向均设置一行或者多行所述通孔。

在采用上述技术方案的情况下，可以在节省结构材料，降低组件重量，同时，可以减少对中子的吸收，提高中子利用率，节省燃料。

在上述反应堆燃料组件的具体实施方式中，所述分层板的外缘形成有第一槽型结构和第二槽型结构，相邻的两个所述子套管彼此相对的端部中，一个延伸设置有第一齿形结构，另一个延伸设置有第二齿形结构，所述第一齿形结构与所述第一槽型结构插接，所述第二齿形结构与所述第二槽型结构插接。

在采用上述技术方案的情况下，分层板与上部和下部的子套管交错配合，限制三者在水平平面方向的位移和转动，增加反应堆燃料组件的结构稳定性。

在上述反应堆燃料组件的具体实施方式中，所述反应堆燃料组件还包括上固定框板、下固定框板和导向杆，所述上固定框板与最上端的所述子套管连接，所述下固定框板与最下端的所述子套管连接，所述导向杆穿设于所述子套管中，且所述导向杆的一端与所述下固定框板连接，另一端与所述上固定框板连接。

在采用上述技术方案的情况下，首先，慢化剂放置于外套管、分层板及上下固定框板共同组成笼式结构的内部，可以限制慢化剂的位移，与上固定框板和下固定框板连接的导向杆可以约束各子套管和分层板的轴向位移。再次，利用导向杆约束各子套管及分层板轴向位移，组件各部件中无需焊接，可依据需求方便快速调整层数进而调整组件高度。

在上述反应堆燃料组件的具体实施方式中，所述上固定框板与最上端的所述子套管扣合连接，所述下固定框板与最下端的所述子套管之间扣合连接。

在采用上述技术方案的情况下，可以限制子套管与上固定框板和下固定框板连接部位的水平移动和转动，以及轴向移动。

在上述反应堆燃料组件的具体实施方式中，所述上固定框板和所述下固定框板上均设置有镂空结构。

在采用上述技术方案的情况下，可以进一步减轻反应堆燃料组件的重量，节省材料。

附图说明

图1是本实用新型一实施例提供的反应堆燃料组件结构图。

图2是本实用新型一实施例提供的子套管与分层板的爆炸图。

图3是本实用新型一实施例提供的分层板的结构示意图。

附图标记列表

1、上固定框板；2、外套管，21、子套管，211、第一齿形结构，212、第二齿形结构，213、通孔；3、慢化剂；4、燃料棒束；5、下固定框板；6、导向杆；7、分层板，71、第一槽型结构，72、第二槽型结构，73、过孔。

具体实施方式

下面参照附图来描述本实用新型的优选实施方式。本领域技术人员应当理解的是，这些实施方式仅仅用于解释本实用新型的技术原理，并非用于限制本实用新型的保护范围。本领域技术人员可以根据需要对其作出调整，以便适应具体的应用场合。例如，尽管说明书中的通孔是结合腰孔来描述的，但是，本实用新型显然可以采用其他各种形式的通孔，只要该通孔不影响反应堆燃料组件整体结构的刚度和强度，如圆孔和长条孔等。

需要说明的是，在本实用新型的描述中，术语“高度”、“上端”、“下端”、“上”、“下”、“轴向”、“水平”、“之间”、“一端”、“另一端”、等指示位置关系的术语是基于附图所示的方向或位置关系，这仅仅是为了便于描述，而不是指示或暗示相关装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，序数词“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，还需要说明的是，在本实用新型的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“穿设”、“连接”、“腰孔”、“通孔”、“过孔”、“孔”、“延伸”、“镂空”应作广义理解，例如，“连接”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接或一体连接；可以是机械连接，也可以是其他连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域技术人员而言，可根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

为了解决现有慢化剂组件盒自重大，中子吸收量大的问题，本实用新型提供一种反应堆燃料组件，包括外套管、慢化剂和燃料棒束，慢化剂位于外套管内，慢化剂设置有孔，燃料棒束穿设于慢化剂中，外套管壁上设置有通孔。本实用新型提供的技术方案可以节省结构材料，减轻反应堆燃料组件的自重，同时减少了对中子的吸收，提供了燃料的利用率。

下面结合图1-图3对本实用新型的反应堆燃料组件进行描述。

如图1所示，本实用新型的一个实施例提供的反应堆燃料组件，包括外套管2、慢化剂3和燃料棒束4，慢化剂3位于外套管2内，慢化剂3设置有孔，燃料棒束4穿设于慢化剂3中，外套管2壁上设置有通孔213。如此，可以节省结构材料，减轻反应堆燃料组件的自重，同时减少了对中子的吸收，提供了燃料的利用率。

需要说明的是，本实用新型对通孔213的形状不做具体限制，可以为圆形，也可以为椭圆形等，可以为变径通孔213，也可以为等截面通孔213，通孔213的大小可以根据具体需要进行设定。

在本实用新型的一个优选实施例提供的反应堆燃料组件中，通孔213沿外套管2的高度方向布置多个。如此，可以进一步减轻反应堆燃料组件的重量、节省结构材料以及减少外套管2壁对中子的吸收量，进而降低反应堆燃料组件的重量。

需要说明的是，通孔213沿外套管2的高度方向布置多个，其中多个可以为1个，也可以为2个或其他数量，本领域技术人员可以根据实际应用场景确定。

在本实用新型的一个优选实施例提供的反应堆燃料组件中，在同一高度上通孔213沿外套管2的周向布置有多个。这样，可以更进一步减轻反应堆燃料组件的重量、节省结构材料以及减少外套管2壁对中子的吸收量，进而降低反应堆燃料组件的重量。此外，也可以在不同高度上通孔213沿外套管2的周向布置有多个。

需要说明的是，在同一高度上通孔213沿外套管2的周向布置有多个，其中多个可以为1个，也可以为2个或其他数量，本领域技术人员可以根据实际应用场景确定。此外，在外套管具有多个侧面时，通孔213沿周向可以连续布置，也可以间隔布置。

在本实用新型的一个优选实施例提供的反应堆燃料组件中，通孔213为腰孔。此时，通孔213的角部为圆角，可以有效避免通孔213发生角部应力集中的问题，使应力较均匀的分布，进而增加结构的稳定性。

需要说明的是，通孔213也可以为其他形状的孔，例如圆孔，椭圆孔、长条孔等，本领域技术人员可以根据实际应用场景确定。

在本实用新型的一个优选实施例提供的反应堆燃料组件中，腰孔沿外套管2的高度方向延伸设置。这样，通孔213延伸的方向与外套管2的主要受力方向垂直，可以在减轻燃料组件重量，节省结构材料，提高燃料利用效果的同时，满足外套管2的受力需求，保证结构的强度和刚度。

需要说明的是，通孔213的延伸方向也可以是其他方向，比如与高度方向有30°夹角的方向。

在本实用新型的一个优选实施例提供的反应堆燃料组件中，外套管2包括多个子套管21，相邻两个子套管21之间通过分层板7连接，分层板7上设置有过孔73，每个分层板7上均设置有慢化剂3，分层板7上的过孔73的位置与慢化剂3上的孔的位置一一对应，燃料棒束4组件穿设于分层板7和慢化剂3。如此，每层的慢化剂3置于每层的分层板7上部，慢化剂3的重量由各层分层板7承担，可有效降低震动或者受力时时最底层慢化剂3的应力值，提高结构的安全性，降低失效的风险。

需要说明的是，外套管2也可以是其他设置方式，如一体式设置，或者只包括多个子套管21，而不设置分层板7等。此外，分层板7也可以是其他形式，比如镂空隔层。

在本实用新型的一个优选实施例提供的反应堆燃料组件中，每个子套管21的截面均为正六边形，并且子套管21的每个侧面均设置有一个或多个通孔213。子套管21截面设置为正六边形，利于燃料组件的小型化和密排布置，燃料的分布更均匀，利于燃料组件的均匀慢化和充分慢化。而且，子套管21上设置的通孔213在节省结构材料，降低组件重量的同时，可以减少对中子的吸收，提高中子利用率，节省燃料。

需要说明的是，子套管21的截面也可以是其他形状，比如矩形、圆形、椭圆形等。此外，子套管21的每个侧面沿高度方向均设置一行或者多行通孔213。而且，上行通孔213可以高于下行通孔213设置，也可以在高度方向上交叠一定高度设置，同时每行孔之间不相互连通。再次，本实用新型对每行通孔213之间的间距、通孔213距子套管21两端的距离、通孔213距每边边缘的距离以及通孔213的尺寸不作具体限定，本领域技术人员可以根据具体应用场景确定。

在本实用新型的一个优选实施例提供的反应堆燃料组件中，分层板7的外缘形成有第一槽型结构71和第二槽型结构72，本实用新型中第一槽型结构71为设置于分层板7的每条边中部的矩形槽，第二槽型结构72为设置于分层板7相邻两条边交汇处的拐角槽。与此相对地，相邻的两个子套管21彼此相对的端部中，一个延伸设置有第一齿形结构211，另一个延伸设置有第二齿形结构212，具体地，第一齿形结构211为设置于相邻两子套管21中靠上的子套管21底端侧边中部的巨型凸起，第二齿形结构212为设置于两相邻子套管21中靠下的子套管21顶端两侧边交汇处的拐角凸起。设置好的情况下，第一齿形结构211与第一槽型结构71插接，第二齿形结构212与第二槽型结构72插接。这样，分层板7与上部和下部的子套管21交错配合，限制三者在水平平面方向的位移和转动，增加反应堆燃料组件的结构稳定性。

需要说明的是，本实用新型对第一槽型结构71、第二槽型结构72、第二齿形结构212和第一齿形结构211的具体形状不加限制，可以为半圆形槽和齿，也可以为三角形槽和齿，只需槽和齿的结构尺寸相互匹配即可。

在本实用新型的一个优选实施例提供的反应堆燃料组件中，反应堆燃料组件还包括上固定框板1、下固定框板5和导向杆6，上固定框板1与最上端的子套管21连接，下固定框板5与最下端的子套管21连接，导向杆6穿设于子套管21中，且导向杆6的一端与下固定框板5连接，另一端与上固定框板1连接。首先，慢化剂3放置于外套管2、分层板7及上下固定框板5共同组成笼式结构的内部，可以限制慢化剂3的位移，与上固定框板1和下固定框板5连接的导向杆6可以约束各子套管21和分层板7的轴向位移。再次，利用导向杆6约束各子套管21及分层板7轴向位移，组件各部件中无需焊接，可依据需求方便快速调整层数进而调整组件高度。

需要说明的是，本实用新型对导向杆6与上固定框板1和下固定框板5的具体连接方式不做限定，可以为螺纹连接，也可以为其他形式的连接，比如焊接。一种具体的实施方式中，设置为导向杆6底部与下固定框板5螺纹配合，顶部利用导向杆6底部的螺栓预紧力与上固定框板1配合。

在本实用新型的一个优选实施例提供的反应堆燃料组件中，上固定框板1与最上端的子套管21扣合连接，下固定框板5与最下端的子套管21之间扣合连接。如此，可以限制子套管21与上固定框板1和下固定框板5连接部位的水平移动和转动，以及轴向移动。

需要说明的是，本实用新型对子套管21与上固定框板1、下固定框板5之间扣合连接的具体形式不做限定，本领域技术人员可以根据具体使用场景选择。

在本实用新型的一个优选实施例提供的反应堆燃料组件中，上固定框板1和下固定框板5上均设置有镂空结构，可以进一步减轻反应堆燃料组件的重量，节省材料。

需要说明的是，上固定框板1和下固定框板5上也可以不设置镂空结构，或者设置盲孔结构，本实用新型对此不作具体限制。

下面参阅图1-图3，对本实用新型的反应堆燃料组件的一个优选实施例进行描述。在该实施例中，反应堆燃料组件包括外套管2，慢化剂3、燃料棒束4、上固定框板1、下固定框板5和导向杆6。外套管2设置为多个子套管21，每个子套管21的截面均为正六边形。每个子套管21的每个侧面沿高度方向设置1个通孔213，通孔213为腰孔。相邻两个子套管21之间设置分层板7进行连接，每个分层板7上设置慢化剂3，慢化剂3位于外套管2内且设置有孔，燃料棒束4穿设于慢化剂3中。分层板7的外缘设置第一槽型结构71和第二槽型结构72，相邻的两个子套管21彼此相对的端部中，一个延伸设置有第一齿形结构211，另一个延伸设置有第二齿形结构212，第一齿形结构211与第一槽型结构71插接，第二齿形结构212与第二槽型结构72插接。上固定框板1与最上端的子套管21扣合连接，下固定框板5与最下端的子套管21之间扣合连接。导向杆6穿设在子套管21中，其一端与下固定框板5连接，另一端与上固定框板1连接_，具体设置为导向杆6底部与下固定框板5螺纹配合，顶部利用导向杆6底部的螺栓预紧力与上固定框板1配合。

如此，在保证反应堆燃料组件结构的刚度和强度的同时，减少了结构材料用量，降低了反应堆燃料组件的自重，减少对中子的吸收，提高了中子利用率，有利于小型化轻量设计。同时，利用导向杆6约束各子套管21及分层板7的轴向位移，组件各部件中无需焊接，可依据需求方便快速调整层数进而调整组件高度。

实施例1

本实施例的反应堆燃料组件，外套管2由五层子套管21(截面为正六边形)组成，每个子套管21的每个侧面沿高度方向设置1个腰孔。套管沿每层子套管21100mm高度，相邻子套管21的端部与分层板7边缘锯齿形交错配合，限制分层板7和子套管21在水平平面内位移与转动，子套管21直接配合区域进行焊接，用于限制外套管2的轴向位移，各层的慢化剂3(设有孔)置于分层板7上部，分层板7上设置有过孔73，分层板7上的过孔73的位置与慢化剂3上的孔的位置一一对应，燃料棒束4组件穿设于分层板7和慢化剂3。最顶端的子套管21与上固定框板1扣合连接，最底端的子套管21与下固定框板5扣合连接。导向杆6穿设于子套管21中，导向杆6底部与下固定框板5螺纹配合，顶部利用导向杆6底部的螺栓预紧力与上固定框板1配合_。

实施例2

外套管2高度500mm，不分层，中间无分层板7，各层慢化剂3堆叠置于外套管2内部，外套管2每个侧面沿高度方向设置5个均布的腰孔，其余同实施例一。

将实施例1和实施例2中的燃料组件进行抗震时域分析，对比两种方案底层慢化剂3的受力情况。

经分析计算实施例1中底层慢化剂3的应力值为3.46Mpa，实施例2中慢化剂3的应力值为11.27Mpa，由此可知，外套管2分层设计可以进一步降低底部慢化剂3的应力值。

实施例3

子套管21的内表面与慢化剂3之间保留合适的间隙，子套管21对边距小于上下固定框板5的对边距。子套管21壁厚1mm，高度500mm，六边形对边距为81mm，沿高度方向均匀开5个长方形孔，各孔长度82mm，宽度20mm，为减少长方形孔直角处的应力集中现象，各直角处倒角半径为5mm。其余同实施例1。

经分析计算外套管2在水平方向峰值为0.3g，垂直方向峰值为0.2g的地震时域响应中最大变形为0.16mm，结构最大应力值为27Mpa，小于材料许用应力，结构强度满足设计要求。

单个子套管21上不设置通孔213时的重量为1.14kg，开孔后的重量为0.76kg，重量降低33.3％；结构材料的减少，降低了对中子的吸收，提高中子利用率，可降低燃料装料量25％；如原堆芯内共76组组件盒，燃料装料量为448kg，采取上述设计方案后，可共减少28.9kg的结构材料用量，减少112kg的燃料用量，有利于堆芯的小型化和轻量化设计。

至此，已经结合附图所示的优选实施方式描述了本实用新型的技术方案，但是，本领域技术人员容易理解的是，本实用新型的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。在不偏离本实用新型的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术特征作出等同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种反应堆燃料组件，其特征在于，包括外套管、慢化剂和燃料棒束，所述慢化剂位于所述外套管内，所述慢化剂设置有孔，所述燃料棒束穿设于所述慢化剂中，所述外套管壁上设置有通孔。

2.根据权利要求1所述的反应堆燃料组件，其特征在于，所述通孔沿所述外套管的高度方向布置多个。

3.根据权利要求1所述的反应堆燃料组件，其特征在于，在同一高度上所述通孔沿所述外套管的周向布置有多个。

4.根据权利要求1所述的反应堆燃料组件，其特征在于，所述通孔为腰孔。

5.根据权利要求4所述的反应堆燃料组件，其特征在于，所述腰孔沿所述外套管的高度方向延伸设置。

6.根据权利要求1-5任一项所述的反应堆燃料组件，其特征在于，所述外套管包括多个子套管，相邻两个所述子套管之间通过分层板连接，所述分层板上设置有过孔，每个所述分层板上均设置有慢化剂，所述分层板上的过孔的位置与所述慢化剂上的孔的位置一一对应，所述燃料棒束组件穿设于所述分层板和所述慢化剂。

7.根据权利要求6所述的反应堆燃料组件，其特征在于，每个所述子套管的截面均为正六边形，并且所述子套管的每个侧面均设置有一个所述通孔。

8.根据权利要求6所述的反应堆燃料组件，其特征在于，所述分层板的外缘形成有第一槽型结构和第二槽型结构，相邻的两个所述子套管彼此相对的端部中，一个延伸设置有第一齿形结构，另一个延伸设置有第二齿形结构，所述第一齿形结构与所述第一槽型结构插接，所述第二齿形结构与所述第二槽型结构插接。

9.根据权利要求6所述的反应堆燃料组件，其特征在于，所述反应堆燃料组件还包括上固定框板、下固定框板和导向杆，所述上固定框板与最上端的所述子套管连接，所述下固定框板与最下端的所述子套管连接，所述导向杆穿设于所述子套管中，且所述导向杆的一端与所述下固定框板连接，另一端与所述上固定框板连接。

10.根据权利要求9所述的反应堆燃料组件，其特征在于，所述上固定框板与最上端的所述子套管扣合连接，所述下固定框板与最下端的所述子套管之间扣合连接；并且/或者

所述上固定框板和所述下固定框板上均设置有镂空结构。

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