CN87100909A - 核燃料组件用的定位格架 - Google Patents

Abstract

一种在压水反应堆燃料组件中使用的格架，它包括环形框和至少两组平行的板。一组中的板相对于另一组中的板成一定角度，使得这些板组可以形成容放燃料棒的格孔。平行板至少分布在沿燃料组件的纵向分开的两个板层中。在具有燃料棒三角形阵列的燃料组件中，装有三个接续的相互平行板的板层。

Description

本发明一般涉及这种类型核反应堆的燃料组件，在这种反应堆中含有燃料棒束，燃料棒配置在规定阵列的节点上，定位格架沿棒束分布。本发明具体涉及用于燃料组件的格架。此格架至少包括两系列相互平行的平板或条板，用以构成容放燃料棒和部件的格孔，在阵列的某些位置上，这些部件可能代替燃料棒。

虽然本发明看起来是一般的，但是它特别适用于燃料棒被配置成格距很“紧密”的，即只略大于燃料棒直径的三角形格子的燃料组件。在慢化不足的反应堆的堆芯中，很希望采用这种三角形格子，这意味着，在棒之间的冷却剂流一定很窄。然而，这种结构应当允许必要的冷却剂流和适当混合冷却剂流而不引起过分的热损失。

水慢化和冷却的反应堆特别是压水反应堆的核燃料组件的格架，一般使燃料棒保持在方形阵列的节点上。格架通常包括一个环形框和两组正交的平板。一种具有将燃料棒保持在方形阵列节点上的格架的燃料组件（美国专利NO.3068163）也已经被提出了，这种格架由平的或波浪形的在燃料棒之间穿过而在交叉点互相啮合的条板构成。这种办法如果应用到“紧密”格距的燃料组件，则不能提供满意的冷却剂流动、状态、不同液流的混合和可容许的压力损失。保持燃料棒的三角形阵列的支承格架也已经在例如欧洲专利NO.0065613（由Downs提出）中提出，然而此格架只包含了一层交叉的沿两个不同方向配置的波纹条板。

本发明的目的是提供一种核燃料组件的格架，此格架可有效地和准确地支持燃料棒並达到液流的混合，尽管其中包括了少量的中子吸收材料。

为此，提供了一种核燃料组件的定位格架，这种格架包括周边的环形框和至少两组相互平行的平板，一组平板相对于另一组平板是倾斜的，使得这两组板确定穿过燃料棒的格孔。其中，平行的平板在燃料组件的纵向至少被排列成两个隔开的板层。

在具有三角形阵列燃料棒的燃料组件中，每一组平板一般平行于相应的一条连接被准直燃料棒中心的假想线，所以需要三组平板。

在第一实施例中，格架这样支承燃料棒：这些板装有像凸出部、凹座或舌键之类的燃料棒支承装置，用于至少在两个直径相对点将每一根燃料棒保持在每一板层上，在格架中的燃料棒支承点被排列在若干板层中，在板层中，平板分属于不同的组。换言之，在一层平板上的同一根燃料棒的支承点相对于另一层平板的支承具有角度偏移。

在另一实施例中，格架主要用来基本上实现混合液流的作用。因此格架的两个板层（如果格架包括多个板层则至少两个板层）设置有在两个板层中具有不同角位置的半翼片。

在这种其作用基本上是热水力学的格架中，平板可以是薄板，并且和通常的对燃料棒支承、定中心和具有混合作用的格架的高度相比，平板具有不大的高度。

在和由所有平板均在同一平面内的格架引起的压力损失相比，对于全部格架具有相同的累积横切面来说，利用若干接续板层中的平板配置，压力损失可以减小。因为若干板层的板都包含了混合翼片，此混合翼片达到了三维作用。根据阵列的类型和翼片的配置，在每一种情况下选择最合适的配置可以提供各种类型的混合和流动分布。

在具有混合作用的格架中，环形框可以由若干分别与一个板层相连的接续部分组成，这些部分单独用像置于环形框角上的柱之类的纵向连接部件连接在一起。

在又一个实施例中，格架同时实现了上述所有的不同功能。

平板可以用平的金属条板构成，或者，为了增加强度，采用按照燃料棒沿板的间距成形的波纹金属条板。不管是平的还是波纹状的金属条板都可以包含从板的一侧，或者从板的另一侧指向由板形成的格孔中心的凸出部。

本发明还提供了一种上述类型的燃料组件在这种类型的燃料组件中，至少用来支承和定中燃料棒的一些格架被固定于连接到端部管接头的管子上以构成组件骨架。至少有些格架具有一种上述确定的提供支承的结构並用套管固定到骨架的管子上，每个这种套管对于格架中的所有板层都是共用的。

下面采用举例的方式叙述特殊的实施例，由此可以更加清楚地理解本发明。

图1是可以装配本发明格架的燃料组件的局部垂直切面示意图;

图2是沿图5的Ⅱ线切开的格架切面图，图中省去了燃料棒;

图3、4、5分别是沿图2的Ⅲ-Ⅲ、Ⅳ-Ⅳ和Ⅴ-Ⅴ线切开的局部横切面图;

图6是通过一个垂直面的横切面图，示出了格架如何用套管或管套连接到导向导管;

图7是图6套管的俯视图;

图8、9类似于图6、7，示出一种改进的套管结构;

图10是一种等比例轮廓图，示出了在具有两个板层的混合型格架中翼片可能的配置;

图11是从格架的顶端观察的局部细节图，示出了在板内侧成形的翼片;

图12是透视细节图，示出了由板的切开部分构成的半翼片;

图13是一透视图，示意说明在一种特殊实施例中的混合型格架;

图14是透视示意图，示出在两个板层中翼片的可能配置，每一板层包括两个正交方向的板;

图15和16是示意图，示出在三个板层的格架中，当板分别为阶梯形和锯齿形时，这些板如何彼此相对定位;

图17是示意图，示出在三个板层的格架中，成型板阶梯的可能结构。

图18是一示意图，示出从上面观察到的示于图17的格架三个板层的叠置;

图19示出可以用在图17所示那种格架中和配备有连接销的两块板;

图20是透视细节图，示出在格架中使连接销交织的一种可能方法;

图21是俯视图，示出了确定方形格孔阵列的格架，每个格孔有两个相对的翼片;

图22类似于图21，示出可以被称作编织格子的翼片分布;

图22A类似于图22，示出如何将分别属于一个板层的並在每个板层中具有“编织格子”型分布的两组半翼片进行叠置，形成如图21所示的那种类型的网格;

图23是示意图，示出了在构成三角形阵列的三板层格架中板的可能配置;

图24是俯视示意图，示出了在一种完全的格架中半翼片的分布，此完全的格架包括示于图23的三个板层。

图1只示意地示出了和本核燃料组件的发明有关的部件，通常，这些部件包括用导向导管14连接在一起的上端件10和下端件12。在导向导管14上安装有若干沿燃料组件间隔开的格架16。至少有一些格架被固定到导向导管14上，並使燃料棒18定位在规则阵列中的位置。

举例所述的燃料组件具有六角形横切面，格架16使燃料棒定位在阵列或“格子”的节点上，阵列或“格子”的基本格孔是边长平行于构成格架16的环形框20的框板的等边三角形。在一些阵列的节点上，导向导管14代替了燃料棒18。

图2至图5示出了最少限度的格架16。这些格架分别包括许多层由互相平行的使燃料棒定位並使其间隔开的板组成的板层，每一板层固定到环形框20並在纵向间隔开。在图2至图5所示的实施例中，格架16具有三个板层，每一层都垂直于燃料组件的纵轴。每一板层由一系列相互平行的板组成。构成顶端层24的那组板同板22和板23成60°角，並且所有的板都用常规的方法，通常用焊接的方法固定到环形框上。

在图2至图5所示的结构中，框架由平的弯金属条构成，三个板层的板按照燃料棒的定位距离被成形为波纹状。为了有弹性地定位燃料棒，在环形框和板上均装有支承装置。这种支承装置包括两排安装在环形框20上并位于板层半中间（如图2所示）的支承凸出部26和28。这种凸出部是由构成环形框的金属条板中切割出的部分构成的，使切割出的部分弯折，向环形框的内部突出。

支承装置还包括在每一块板22、23和24上的用于燃料棒啮合的弹性舌键，这些舌键中标记30的那些具有S形，使得它可以同格子中紧接的燃料棒相配合。标记为32的另外一些舌键只向一侧突出。这些舌键特别安装在这样的位置，在这些位置由板形成的孔槽不是容放燃料棒18，而是容放导向导管14。

利用这种配置，每一根燃料棒被支承在每一板层水平面的四个点上。当从一个板层穿到下一板层时，四个支承点在角度上偏移120°。环形框和板可以利用常规方式由所谓因科镍合金、不锈钢或锆基合金制作。

每一根导向导管14，如图3、4和5中用点划线所示的导向导管，都固定于格架16的三层板层的每一层。最好利用例如示于图6和图7的割开的套管或管套进行固定。如图6可清楚地看出，可采用将导管14限制在套管34中的方法将每个套管34在适当的位置固定到导向导管14上。在套管中存在的纵向割缝38提供了插入导向导管和夹住该管所需要的灵活性。在套管上成形的成对的平面40、42和44被提供来定位和保持有关的板24、23和22。这些板可以焊接到套管34上或简单地放置。关于后一种情况，在图8和图9所示的一种变形结构中（在图6和图7中已示的部件在图8和图9中具有相同的参考编号），板具有穿孔的部分46，用以将套管34上为此目的而形成的凸耳48装入，这些穿孔的部分充当燃料棒支承元件。

示于图2的格架还包括翼片50，这种翼片成形在环形框的边缘上，在保持冷却剂混合的同时，有助于将燃料组件引入到堆芯中。

在图2至图9所示的格架中，板22、23和24的板层是脱离的，隔着一间隙，距离约为板的高度。但是也可以采用相连接的板层，使一层中的板同相邻接的一层中的板啮合，或者相反，还可以增加层之间的距离。

板还可以装配混合翼片，从而提供支承作用和混合液流作用。这些翼片在应用于具有混合作用的格架时，可以具有下面将要叙述的其中一种结构。

在同样的燃料组件中，混合型格架可以代替支承型格架。

混合型格架必须在一定程度上有矛盾的要求中提供最好的折衷。其中子吸收一定要尽可能低，这就要求尽量减小制造格架的材料的量並在可能的范围内选择像锆基合金那样的捕获中子截面小的材料。混合翼片一定要使流动均匀並减小由于引起冷却流横向再分布而形成的温度差。但翼片的存在一定不能使压力损失增加，从而出现不允许的流速降低。

在不同板层中的板在轴向是不重合的，这种板的排列减小了压力损失。当板装有翼片时，这些翼片可以轴向排列在板层之间，从而得到三维的效应。下面叙述各种示范性的类型及引起不同流动形式的有利排列，其中有的排列特别适合于三角形网眼，而另外的排列适合于正方形网眼。

作为混合型格架的第一个例子，图10示出了5×5燃料棒容放孔槽的架子。只示出一部分的格架16a包括两个分开的板层50和52。这两个板层是用角杆或角棒连接在一起的。每一板层包括位于两个方向的板，但是每一个板层都不是完全的，因为一个孔槽要用属于两个板层的板才能完全确定。例如，可以看到，板层52包括处于第一方向的板56和处于在其垂直方向的板58。在第一方向的一组板是由板60完成的，板60相对于第一方向的板成交错排列，但它属于板层50。板56、58和60包括混合液流的装置。这些装置是由半翼片构成的，这些半翼片分别置于单个的基本孔槽上，並以相反成对的方式配置在孔槽的角上。

相反，在如图11所示的变形结构中板56具有全翼片62，该片是在板的未露出的窗口中切出来的。图11还示出了定中抓手64，此抓手可以具有类似于图2所示的结构。

在图12所示的又一种结构变型中，通过在板56的每一窗口中冲压和变形的方法，形成两个对置的半翼片64。

图13示出了在有两个板层50和52的格架16b中半翼片66的有利排列，每一板层由一组完全具有相同方向的板构成，一组中的板和另一组中的板垂直。同一板上的半翼片66分开的距离相同，等于孔槽的尺寸，它交替地指向一个方向和另一个方面。在同一平面上两组翼片的投影形成一个正交翼片的完全格子。但是和通常碰到的不同，如果所有的板均在同一平面内，则每一个翼片格子引起它本身的横向流动形式。这种流动形式在涉及到板层50的范围内用箭头F₁大概表示，而在涉及板层52的范围内用箭头F₂表示。在冷却剂穿过第一板层时，冷却剂在给定的方向扫过同一方向的空气间隙。而在穿过第二层时，依次被扫过的是垂直方向的空气间隙。

在图14所示的变形结构中，格架16c的两层板层50和52中的每一层包括的翼片，一半属于平行于第一方向的翼片组，而另一半属于在正交方向指向的翼片组。换言之，在给定的翼片组中，每一翼片交替地属于上部板层或下部板层。

在给定的板层中，属于一组的板（例如板56）在与另一组板58相交的每一相交处包括两个半翼片，这两个半翼片处于相反的方向。同一板层的板58包括两个半翼片，这两个半翼片处于两个交点之间延伸距离的中间。

在轴向投影中，两个翼片格子的叠加又形成一个完全的相对翼片格子。但如果所有的翼片都在同一平面内，则它们将会围绕燃料棒产生环形的冷却剂流。相反，在图14所示的格架中，围绕某个燃料棒並使冷却剂流围绕燃料棒的两个半翼片处于不同的轴向侧面，引起了从混合的观点看更为有利的旋流的出现。

除开图13和图14中所示的直板而外，板还可以包括弯成阶梯形或弯成锯齿形的板。图15和图16示意示出了在每一块板为阶梯形（图15）或每一块板为锯齿形（图16）的两板层的格架中两种可能的板的配置。其它的结合也是可能的，使两个或三个板层重叠。

在又一种变形的结构中，板层被连接起来，每一层的一些板具有同另一层交叉的凸耳。这种方法具有机械强度好的优点，有利于翼片的排列，特别是在矩形网格的情况下。

图17至图20示出了三板层格架的可能结构，每一板层22、23和24的板被弯曲成阶梯形的形状。可以看出，板是这样配置的，使得在投影图上，它们完全地形成了孔槽。图18就是这样一种三板层格架的俯视图，示出了三个板层的板的重叠，为清楚起见，分别用实线、断线和点线代表三个板层。有些孔槽的壁包括将一个放在另一个上面的格架的部分。然后利用在板上在重合的部分上提供的紧固凸耳60（图19），用简单的办法将板层固定在一起。这些凸耳可以像图20大概示出的那样相互装配。另一种方法在于在一些凸耳上形成如62那样的凸球面同有关板上的凹痕相啮合。这样，凸耳的数目可以减小。最后一种解决方法是用铆钉或点焊进行固定。铆钉也可以构成定中燃料棒的装置。

这样制作的格架，特别是利用定中铆钉时，具有机械强度好和制造简单的优点。这两个相互垂直的方向的板的配置引起加速混合的多样性。最后，翼片可以配置在上层和下层两层中。当格架具有三个板层时，还可以将混合翼片分配到三个板层中。特别是，三板层格架中的板层可以利用重叠法重新构成如图21所示的那种半翼片配置，或如图22所示的那种配置，这种配置被称作“编织的格子”，它在燃料棒之间的间隙中产生对角的和相反的流动。为此，设置上板层24、中板层23和下板层，上板层24具有编织的半翼片格子，该半翼片指向第一方向;中板层具有类似编织配置的翼片，但方向相反，而下板层没有任何翼片，只有将下板层固定到上板层和中板层上的凸耳，使得在机械上形成牢固的格架。

每一个保持燃料棒的格孔装有两个半翼片，一个属于上板层，另一个属于中板层，该半翼片用来使冷却剂围绕燃料棒以旋流的方式在一个方向转动，当冷却剂从一个格孔进入到下一个格孔时，此转动的方向改变。根据两种编织格子的这种结合，我们又发现示于图21的网格的用处，只是在网格中使用的翼片是放置在两个在总的流动方向上不重合的平面内，该翼片的相对分布示于图22a。

上面刚叙述的在方格的情况下进行的设计可以直接推广到三角形格子。那时，板被弯曲到60°而不是90°，下板层是完全的，从而形成围绕每一根燃料棒的板的三角形，而不是形成菱形。采用这种配置，板上的支承元件可以垂直于每一根燃料棒。下板层的板上可以装配凸耳，用于固定到上板层和中板层上。

图23和24分别示出了三板层的可能结构和重叠这三个板层而得到的翼片配置。

总的说应当看到，本发明提供了很大的结构灵活性，並在每一种情况下允许最有利的方法。板可以是直的，也可以弯成阶梯形或锯齿形;板层可以是不相连接的;可以在一个或多个板层上提供翼片以提供混合作用。翼片可以由板的本身冲压成形，並且因为在同一水平上不存在板的交叉，所以翼片可以放置在燃料棒之间的空气间隙的高度上。板可以是多孔的或锯齿形的。最后，可以采用还参与定中燃料棒的装置，将板层牢牢固定，从而可以保证足够的机械强度。

④文件名称    页    行    补正前    补正后

说明书    1    11    热损失    水头损失

Claims (12)

1、在核燃料组件中具有燃料棒阵列和定位格架，定位格架包括环形框和至少两组相互平行的板，其中一组板相对于另外一组板是倾斜的，使得这些组板可以形成容放燃料棒的孔槽，其中，上述平行的板被分布在至少两上沿燃料组件的纵向分开的板层中。

2、一种按照权利要求1所述的燃料组件，它具有上述燃料棒的三角形阵列，其中每一个板组的板平行于三角形阵列的边中的不同的边，并装载有三组板。

3、一种按照权利要求1所述的燃料组件，其中，板上安装有支承燃料棒的凸出部装置，该装置至少在两个直径相对的点将燃料棒定位在每一板层中，在格架中燃料棒的支承点分布在若干板层中，在这些板层中，板属于不同的组。

4、一种按照权利要求3所述的燃料组件，其中，采用与每一块板上提供的装置进行啮合的方法，使每一根燃料棒在三个不同的纵向高度沿四周被支承在至少三条母线上。

5、一种按照权利要求3所述的燃料组件。其中，每一根燃料棒沿四周被支承在至少由平行方向板构成的每一板层的两个点上。

6、一种按照权利要求3所述的燃料组件，其中，每一根燃料棒在三个不同的纵向高度被支承在许多沿四周分布的並由一板层的板的弹性啮合装置确定的点上。

7、一种按照权利要求1所述的燃料组件，其中，至少在格架的两个板层上设置在两层中具有不同指向的半翼片。

8、一种按照权利要求7所述的燃料组件，其中，环形框由许多纵向的部分组成，每一部分携带一个上述的板层，这些部分单独用纵向细长的置于环形框角上的连接部件连接在一起。

9、一种按照权利要求8所述的燃料组件，其中，板是金属条板作成的，条板上形成凸出部，凸出部至少从板的一侧指向由板形成的容放燃料棒的格孔的中心。

10、一种按照权利要求1所述的燃料组件，其中，两个接续的板层被结合起来，而且这两个板层的板被相互啮合在一起。

11、一种按照权利要求7所述的燃料组件，其中，半翼片至少位于板的一条边上，或者采用冲压方法被成形在板上。

12、一种按照权利要求1所述的燃料组件，其中，用套管将上述每一根管至少连接到一些格架上，该套管永久性地固定连接在管上並卡住形成格架格孔的板，上述套管穿过该格孔伸出。

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