CN86102224A - 核反应堆定位格架 - Google Patents

Abstract

本发明主要是对核燃料组件定位格架的支撑结构的改进，其特征是定位格架条带相互配插组成许多栅元，栅元中支撑燃料棒的延伸件弹簧和刚性凸起由相应的条带冲制成带仿形支承面的拱形，拱形向栅元内突起，沿拱形纵向边缘向条带方向弯成突缘。这种支撑结构设计的主要优点是：减轻了燃料棒的振动和磨损，减小了燃料棒包壳在装卸时的擦伤，增加了支承件的刚度以及易于保证燃料棒处在栅元的中心，改善燃料组件核、热工和水力特性等。

Description

核反应堆定位格架

本发明一般与核反应堆燃料组件有关，特别是与核燃料组件中支承和保持燃料棒间距的改进型定位格架组件有关。

在核燃料组件中，用定位格架组件精确地保持核反应堆堆芯内燃料棒之间的间距，防止燃料棒振动和为燃料棒提供侧向支撑。一般的定位格架组件设计包括许多金属格架条带互相连成蛋篮型以形成栅元，燃料棒和控制棒导向管分别通过这些栅元中的标准栅元和导向管栅元。常常利用窄槽来实现格架条带之间的相互啮合连接。每个标准栅元通过使用金属格架条带或与金属格架条带连接的弹性格架弹簧和刚性凸起对一根燃料棒在给定的轴向位置提供支撑。为了对燃料组件提供强度和刚度以及为外围栅元格架弹簧和刚性突起提供位置，可使用外围条带把相互连接的格架条带包围起来。为了尽量减小运行期间的燃料棒侧向位移和改善燃料组件的燃料特性，可沿燃料组件高度按规定的间隔设置若干个这样的定位格架组件。这些格架通常是通过众所周知的胀接技术或同类的技术把它们与控制棒导向管连接起来来保持其特定的位置。

例如，美国专利3，389，056;3，713，971;3，944，467;和4，224，107透露了这种定位格架组件。

在核反应堆运行期间，格架弹簧和刚性凸起均处在强辐照条件下。强辐照可使格架弹簧丧失足够的弹性，以致最终导致燃料棒会振动并对着刚性突起震颤，结果使燃料棒包壳磨损。典型的燃料棒，其包壳是由装有核燃料芯块的金属管构成。文中所用的“磨损”一词其含义是指燃料包壳和格架弹簧以及刚性凸起之间的摩擦作用。如果足够严重，磨损会导致燃料棒破损。在核燃料组件中，由堆芯中的冷却剂和（或）慢化剂流动以及也许由在装运和装燃料棒期间形成的力引起的燃料棒振动可能产生磨损。此外，燃料棒一般是细长（几米）的圆柱体。在装料期间，当把燃料棒插进一般的定位格架组件中去的时候，燃料棒的圆周表面就同刚性凸起和格架弹簧平的或突起的表面接触，从而在某种程度上导致燃料棒表面和格架弹簧、刚性凸起之间的点或线接触。当把燃料棒装进这种通常的定位格架组件中去的时候，擦伤（称为装料擦伤）是一个共同的问题。据信，在燃料棒插入定位格架组件期间，刚性凸起和弹簧上的锐利边缘沿燃料棒包壳刮削从而产生这类擦伤。

一些通常的定位格架还易于产生的另外的一个问题是燃料棒弹簧和刚性凸起并不能使燃料棒精确地处于标准栅元的中心位置。燃料棒偏离中心位置能在燃料组件中引起不利的核特性以及使正常的流量分配受到破坏和引起机械损坏（例如，使刚性凸起和格架弹簧弯曲）。

减缓这些问题是本发明的主要目的，因此体现本发明的核燃料组件包括一束大体上相互平行并保持一定间距的燃料棒和若干个侧向支撑燃料棒的横向格架，上述定位格架沿燃料组件纵向按规定的间隔配置，而每个格架是由许多条带交织成蛋篮型以形成确定的栅元，这些栅元包括燃料棒接收栅元，每个燃料棒的接收栅元有一根燃料棒延伸通过，并由带有刚性凸起和与之相对的弹簧，（弹簧使燃料棒压在刚性凸起上）的条带部分来限界，其特征是每个刚性凸起和每个弹簧都有一个表面压在通过相应栅元延伸的燃料棒的圆周表面上，而且刚性凸起和弹簧的表面是仿形的（即与燃料棒圆周表面轮廓一致），以便支承燃料棒。

据鉴别，这种刚性凸起和弹簧的支承表面与燃料棒接触是以较大的面接触代替点接触，从而能把振动或冲撞力分布到较大的支承面积上去，而且对燃料棒包壳造成的擦伤或磨损多半也会减小。

燃料棒大体上是圆柱体，并且每个刚性凸起和每个弹簧的仿形支承表面的曲率半径至少等于燃料棒圆周表面的曲率半径。每个刚性凸起和每个弹簧都是一个延伸构件，这种构件的拱形是从相应的格架条带上向着相应的栅元内突起成型，并且在拱形的突起中心部分形成支承表面，延伸构件最好沿它的纵向边缘提供向相应格架条带的平面弯曲的突缘。本发明最佳实施例还要描述，延伸的，拱形的刚性凸起和延伸的、拱形的弹簧分别相对于各自的格架栅元的纵轴向着横向和向着大体平行的方向扩展，其弹簧最好有纵向肋，这种纵向肋是从它中心部分的两端延伸出来的基础部分或端部形成的。

现在仅仅作为例子参考附图来描述本发明最佳实施例，附图中：

图1是一般燃料组件的正视图，其中包括体现本发明的定位格架;

图2是体现本发明的定位格架的等轴视图，表示时取走了一些零件;

图3是定位格架弹簧的正视图;

图4是图3中沿A-A线取的剖视图;

图5是图4中沿-B-B或C-C线取的剖视图;

图6是图4中沿D-D线取的剖视图;

图7是体现本发明定位格架刚性凸起的正视图;

图8是图7中沿E-E线取的剖视图;

图9是图8中沿F-E线取的剖视图;

图10是图8中沿G-G线取的剖面图;

图11是表示图9的刚性凸起构形的另外一种改进型式。

在下面的描述中，为方便起见选用了诸如“向前”、“向后”、“向左”、“向右”和“向下”等词，不可解释为限定性词。

现在来参见附图，尤其是图1，它表示燃料组件（一般用参考号10标示）。燃料组件由下部结构或下管座12、控制棒导向管14、定位格架16、燃料棒18、代表管20和上部结构或上管座22组成，燃料组件中的下管座12是用来支撑座落在堆芯（没示出）下堆芯板（没示出）上的组件;控制棒导向管14是从下管座12向上伸展的;横向的定位格架16是用来对以一定方式排列的燃料棒提供侧向支撑，上管座22连接在导向管14的上端，以形成完整组件可进行常规的不损坏燃料组件构件的操作。下管座12和上管座22均为常规设计，正如众所周知的每个管座都有一块连接板，板上开孔可供液体冷却剂（如，水）从中流过。

上管座22包括由连接板向上延伸出来的竖立的围板，围板上有凸缘（没示出），在凸缘上适宜设有压紧片状弹簧26（只示出一组）。压紧片状弹簧26与上堆芯板（没示出）合作以阻止燃料组件10由向上流动的冷却剂产生的水力提升，但容许燃料组件10由于热膨胀（在堆内产生）等引起的长度变化。在上管座22的围板所确定的箱体内就位的是一组一般的棒束控制组件28。众所周知，为了使控制棒32在控制棒导向管14内垂直运动，这种组件28设有径向伸展布置的锚钩30与控制棒32顶端连接。

当组装燃料组件10时，定位格架16与导向套管14在予先确定的轴向位置连接，燃料棒18通过相互连接的条带形成的各自的栅元插入就位，下管座12适于与导向套管14下端连接，上管座22与导向套管14上端连接。燃料组件10的一般零件的更详细地描述可参见美国专利4，061，536。

在说明体现本发明的定位格架结构以前，人们注意到定位格架，众所周知主要是用来精确保持燃料棒之间的间距和阻止燃料棒振动。常规的定位格架，例如，美国专利3，379，619和4，061，536所表明和描述的定位格架，都是由条带互相配插成蛋篮型来提供接收燃料棒的栅元。每个栅元借助于弹簧指和刚性凸起支撑燃料棒，而每个栅元的弹簧指和刚性凸起一般以6个点与燃料棒摩擦啮合。同样众所周知，为了促使冷却剂流体混合，定位格架可包含交混翼。

现在来参见图2，图中示出体现本发明定位格架的零件。与常规的定位格架类似，格架16是由条带24交织成蛋篮型以形成让相应的燃料棒18从中延伸通过的栅元34。定位格架16也包括外围或周边条带36，外围条带36在其末端采用搭接连接，从而把内条带24形成的蛋篮型结构包围起来，同时内条带24的末端要与外围条带36连接。正如由图2所看到的，每个外围条带36都有一个主体部分40和可以有上、下弹性边缘部分（分别以42和44表示）。更可取的是边缘部分42和44与主体部分40为一体，并且相应于主体部分40的平面向外突起，其目的是缓冲运输容器或像用于把燃料组件运往反应堆的运输、操作等产生的震动以保护被它包围的燃料棒。边缘部分42和44可以做成带交混翼的型式，为的是产生湍流和促使流过燃料组件的冷却剂流体混合。外围条带36最好由一种具有低中子俘获截面的材料组成，例如锆或锆合金，并且通过焊接把外围条带与格架的内条带连在一起。

正像表明那样，向定位格架16每个栅元34内突进的凸起是两对刚性凸起46和两个格架弹簧46。两对刚性凸起46分别成形在栅元34相邻的两边的条带边缘，而两个弹簧48分别成形在栅元另外两个相邻边的条带上，即带有刚性凸起的条带部分与带弹簧的条带正好相对配置。每个部分上的两个刚性凸起46上下保持一定的间距，并在栅元的纵向彼此互相对齐，以保证当燃料棒延伸通过时与燃料棒的纵向吻合。采用这种布置，每个格架栅元中的弹簧48将同燃料棒啮合，并把燃料棒压到对面的刚性凸起的支承面上。

刚性凸起46和格架弹簧48都是延伸件，并且一般为梯形，刚性凸起46相对于各自的格架栅元的纵轴向横向伸展，而弹簧48伸展则是大致平行于格架栅元的纵轴。在所说明的实施例中，刚性凸起46和格架弹簧是各自格架条带的一个整体部件，它们中的每一个都是由相应条带24沿其纵向边缘冲制，并做成拱形，由平面向着相应格架栅元内部突起。

现在转到参见图3到图6，将详细地描述按本发明建造的燃料棒支承格架弹簧48。正如上面所指出的那样，本发明最佳实施例中的弹簧48是各自条带24的整体部件，每个弹簧48都是用相应条带24通过沿弹簧48纵向边缘冲出窄槽52和54而冲成的。每个弹簧48都有一个仿形的突出部分50，以支承相应的燃料棒，并且要在突出部分50提供较大的支承表面，这种较大的支承表面能把振动和撞击引起的力分布到较大的燃料表面上去。此外，这种大的支承表面也尽量减小了在装卸料操作过程中擦伤燃料棒的概率。为了提供大的支承表面，每个格架弹簧48的突起部分50都有一个弯曲的拱形表面56，以便与一般为圆柱体的燃料棒表面轮廓相近，同时也是为了进一步减少任何磨损的倾向，每个弹簧48最好沿弹簧突起的中心部分50的两端延伸出来的基础部分60和62的横向中心提供纵向肋58。肋58也对格架弹簧48提供了附加的刚度。每个弹簧48可以通过沿突起弹簧纵向边缘向着条带24平面弯成突缘64来进一步提高刚度。由图5清楚地看到，由每个突缘与格架弹簧主平面形成的角度α可以达到90°，但最好是处在从30°到60°范围之内。

现在参见图7到图10，将详细地描述燃料棒支承刚性凸起46。像弹簧48、刚性凸起46最好是由各自条带24冲出的条带材料的带片，通过冲出沟槽66和68以形成各自的刚性凸起的纵向边缘。由图8清楚地看出，每个刚性凸起46如同每个格架弹簧48一样，一般成型为有中心部分70的一个拱形以及由中心部分的两端向格架条带24延伸的基础部分72。在所述本发明的实施例中，既然刚性凸起46在冷却剂流动方向上是敞开的（因为它们相对于格架栅元的纵轴是向横向延伸的），因此，每个刚性凸起的中心部分70是在其基础部分72之间的一个弧面，以便支承通过相应格架栅元的一般为圆柱体的燃料棒。更可取的是，在每个格架弹簧（图6）和每个刚性凸起（图8）中的弧面曲率半径（r）是稍大于被支承的燃料棒外径的曲率半径，为的是当容许定位格架组件中格架弹簧和刚性凸起的位置有小的偏差时，仍能很好地支承燃料棒。总而言之，当燃料棒是处于膨胀的条件下，即加热条件下，上述的曲率半径r至少必须等于被支撑燃料棒的曲率半径。

既然插燃料棒的方向平行于刚性凸起46的面，所以刚性凸起边缘向下倾斜（该方向与插燃料棒的方向相反）至少是需要的。这样就形成了防止燃料棒擦伤的斜面。由图9和图10清楚地可以看出，下倾或斜面部分由突缘74组成，突缘74是向着格架条带24的突起刚性凸起的平面弯曲，并与拱成β角，从而在基础部分72和中心部分70上形成一个光滑的斜面。β角可以变化到90°，但最好处在30°和60°之间。突缘74将用来加强刚性凸起以及能无擦伤地装燃料棒。

如图11所示，每个刚性凸起的基础部分72也可以提供加强肋76。

在燃料组件制造或堆内运行期间，燃料棒开始偏离它的与格架栅元的轴对准的正常中心位置。按照本发明设计的燃料棒支承定位格架要求：要使燃料棒偏离正常位置，就得使燃料棒“骑在”刚性凸起或弹簧支承面的较高的位置。这样就迫使燃料棒由偏离的位置返回到支承面的凹处，从而降低了大的偏离正常中心位置方向的趋向，否则就会使刚性凸起和弹簧弯曲并改变燃料组件的核、热工和水力特性。

在运行期间，本发明支承格架弹簧和刚性凸起设计也趋于保持燃料棒处在格架栅元的中心位置。这一点在辐照开始使格架弹簧施加到燃料棒上的力松弛以后是特别重要的。关于这一点，支承设计使燃料棒流动的冷却剂流量趋向于保持更为均匀的分配。在运行期间，如果燃料棒经受到脱离格架弹簧或刚性凸起（一般不大于一毫米的百分之几），则用本发明的支承设计比用一般的平的设计更能限制流进和流出由脱离的燃料棒和弹簧或刚性凸起支承面之间形成的空穴的冷却剂流量，从而对增加燃料棒的水力提升可能性较小。的确，靠支承设计的优点使燃料棒脱离形成更有限的空穴来降低流体引起的燃料棒振动的频率，从而也降低了任何使燃料棒包壳磨损的趋向。

Claims (8)

1、核燃料组件包括一束大体上互相平行并保持一定间距的燃料棒和若干侧向支撑燃料棒的横向格架，上述定位格架沿燃料组件纵向按规定的间隔配置，而每个格架是由许多条带交织成蛋篮型以形成确定的栅元，这些栅元包括燃料棒接收栅元，每个燃料棒接收栅元有一根燃料棒延伸通过，并由带有刚性凸起和与之相对的弹簧(弹簧使燃料棒压在刚性凸起上)的条带部分来限界，其特征是：每个刚性凸起(46)和每个弹簧(48)都有一个表面(70；56)压在通过相应栅元(34)延伸的燃料棒(18)的圆周表面上，而且对刚性凸起(46)和弹簧(48)的表面是仿形的，以便支承燃料棒。

2、按照权利要求1，所述核燃料组件，其中，燃料棒大体上是圆柱体，其特征是每个刚性凸起（46）和每个弹簧（48）的仿形表面（56;70）弯成具有曲率半径至少等于各自燃料棒的圆周表面的曲率半径。

3、按照权利要求1或2所述核燃料组件，其特征是：上述的每个弹簧（48）和上述的每个刚性凸起（46）都是拱形的延伸件，其拱形是出自相应的条带（24）并向相应的栅元（34）内突起，而突起的中心部分为仿形表面（56;70）。

4、按照权利要求3所述核燃料组件，其特征是：每个弹簧（48）延伸方向大致与相应栅元（34）的纵轴平行，而包含的基础部分（60;62）是由弹簧突起中心部分的两端延伸出来的，每个延伸的基础部分都有一个纵向肋（58）。

5、按照权利要求3或4所述核燃料组件，其特征是每个弹簧（48）都有沿其纵向边缘形成的突缘（64），而突缘是弯向相应条带（24）的平面。

6、按照权利要求3、4或5所述核燃料组件，其特征是：上述的每个刚性凸起（46）都有沿其纵向边缘形成的突缘（74），其突缘向相应条带（24）的平面方向弯曲。

7、按照权利要求6所述核燃料组件，其特征是每个刚性凸起（46）相对于相应栅元（34）的纵轴横向延伸。

8、按照权利要求3、4、5、6或7所述核燃料组件，其特征是每个刚性凸起（46）都包含由其突起的中心部分的两端延伸出来的基础部分（72），而每个基础部分都有在其上形成的纵向肋（76）。

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