專利名稱:核反應(yīng)堆定位格架的制作方法
本發(fā)明一般與核反應(yīng)堆燃料組件有關(guān)，特別是與核燃料組件中支承和保持燃料棒間距的改進(jìn)型定位格架組件有關(guān)。
在核燃料組件中，用定位格架組件精確地保持核反應(yīng)堆堆芯內(nèi)燃料棒之間的間距，防止燃料棒振動(dòng)和為燃料棒提供側(cè)向支撐。一般的定位格架組件設(shè)計(jì)包括許多金屬格架條帶互相連成蛋籃型以形成柵元，燃料棒和控制棒導(dǎo)向管分別通過(guò)這些柵元中的標(biāo)準(zhǔn)柵元和導(dǎo)向管柵元。常常利用窄槽來(lái)實(shí)現(xiàn)格架條帶之間的相互嚙合連接。每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)柵元通過(guò)使用金屬格架條帶或與金屬格架條帶連接的彈性格架彈簧和剛性凸起對(duì)一根燃料棒在給定的軸向位置提供支撐。為了對(duì)燃料組件提供強(qiáng)度和剛度以及為外圍柵元格架彈簧和剛性突起提供位置，可使用外圍條帶把相互連接的格架條帶包圍起來(lái)。為了盡量減小運(yùn)行期間的燃料棒側(cè)向位移和改善燃料組件的燃料特性，可沿燃料組件高度按規(guī)定的間隔設(shè)置若干個(gè)這樣的定位格架組件。這些格架通常是通過(guò)眾所周知的脹接技術(shù)或同類的技術(shù)把它們與控制棒導(dǎo)向管連接起來(lái)來(lái)保持其特定的位置。
例如，美國(guó)專利3，389，056;3，713，971;3，944，467;和4，224，107透露了這種定位格架組件。
在核反應(yīng)堆運(yùn)行期間，格架彈簧和剛性凸起均處在強(qiáng)輻照條件下。強(qiáng)輻照可使格架彈簧喪失足夠的彈性，以致最終導(dǎo)致燃料棒會(huì)振動(dòng)并對(duì)著剛性突起震顫，結(jié)果使燃料棒包殼磨損。典型的燃料棒，其包殼是由裝有核燃料芯塊的金屬管構(gòu)成。文中所用的“磨損”一詞其含義是指燃料包殼和格架彈簧以及剛性凸起之間的摩擦作用。如果足夠嚴(yán)重，磨損會(huì)導(dǎo)致燃料棒破損。在核燃料組件中，由堆芯中的冷卻劑和(或)慢化劑流動(dòng)以及也許由在裝運(yùn)和裝燃料棒期間形成的力引起的燃料棒振動(dòng)可能產(chǎn)生磨損。此外，燃料棒一般是細(xì)長(zhǎng)(幾米)的圓柱體。在裝料期間，當(dāng)把燃料棒插進(jìn)一般的定位格架組件中去的時(shí)候，燃料棒的圓周表面就同剛性凸起和格架彈簧平的或突起的表面接觸，從而在某種程度上導(dǎo)致燃料棒表面和格架彈簧、剛性凸起之間的點(diǎn)或線接觸。當(dāng)把燃料棒裝進(jìn)這種通常的定位格架組件中去的時(shí)候，擦傷(稱為裝料擦傷)是一個(gè)共同的問(wèn)題。據(jù)信，在燃料棒插入定位格架組件期間，剛性凸起和彈簧上的銳利邊緣沿燃料棒包殼刮削從而產(chǎn)生這類擦傷。
一些通常的定位格架還易于產(chǎn)生的另外的一個(gè)問(wèn)題是燃料棒彈簧和剛性凸起并不能使燃料棒精確地處于標(biāo)準(zhǔn)柵元的中心位置。燃料棒偏離中心位置能在燃料組件中引起不利的核特性以及使正常的流量分配受到破壞和引起機(jī)械損壞(例如，使剛性凸起和格架彈簧彎曲)。
減緩這些問(wèn)題是本發(fā)明的主要目的，因此體現(xiàn)本發(fā)明的核燃料組件包括一束大體上相互平行并保持一定間距的燃料棒和若干個(gè)側(cè)向支撐燃料棒的橫向格架，上述定位格架沿燃料組件縱向按規(guī)定的間隔配置，而每個(gè)格架是由許多條帶交織成蛋籃型以形成確定的柵元，這些柵元包括燃料棒接收柵元，每個(gè)燃料棒的接收柵元有一根燃料棒延伸通過(guò)，并由帶有剛性凸起和與之相對(duì)的彈簧，(彈簧使燃料棒壓在剛性凸起上)的條帶部分來(lái)限界，其特征是每個(gè)剛性凸起和每個(gè)彈簧都有一個(gè)表面壓在通過(guò)相應(yīng)柵元延伸的燃料棒的圓周表面上，而且剛性凸起和彈簧的表面是仿形的(即與燃料棒圓周表面輪廓一致)，以便支承燃料棒。
據(jù)鑒別，這種剛性凸起和彈簧的支承表面與燃料棒接觸是以較大的面接觸代替點(diǎn)接觸，從而能把振動(dòng)或沖撞力分布到較大的支承面積上去，而且對(duì)燃料棒包殼造成的擦傷或磨損多半也會(huì)減小。
燃料棒大體上是圓柱體，并且每個(gè)剛性凸起和每個(gè)彈簧的仿形支承表面的曲率半徑至少等于燃料棒圓周表面的曲率半徑。每個(gè)剛性凸起和每個(gè)彈簧都是一個(gè)延伸構(gòu)件，這種構(gòu)件的拱形是從相應(yīng)的格架條帶上向著相應(yīng)的柵元內(nèi)突起成型，并且在拱形的突起中心部分形成支承表面，延伸構(gòu)件最好沿它的縱向邊緣提供向相應(yīng)格架條帶的平面彎曲的突緣。本發(fā)明最佳實(shí)施例還要描述，延伸的，拱形的剛性凸起和延伸的、拱形的彈簧分別相對(duì)于各自的格架柵元的縱軸向著橫向和向著大體平行的方向擴(kuò)展，其彈簧最好有縱向肋，這種縱向肋是從它中心部分的兩端延伸出來(lái)的基礎(chǔ)部分或端部形成的。
現(xiàn)在僅僅作為例子參考附圖來(lái)描述本發(fā)明最佳實(shí)施例，附圖中圖1是一般燃料組件的正視圖，其中包括體現(xiàn)本發(fā)明的定位格架;
圖2是體現(xiàn)本發(fā)明的定位格架的等軸視圖，表示時(shí)取走了一些零件;
圖3是定位格架彈簧的正視圖;
圖4是圖3中沿A-A線取的剖視圖;
圖5是圖4中沿-B-B或C-C線取的剖視圖;
圖6是圖4中沿D-D線取的剖視圖;
圖7是體現(xiàn)本發(fā)明定位格架剛性凸起的正視圖;
圖8是圖7中沿E-E線取的剖視圖;
圖9是圖8中沿F-E線取的剖視圖;
圖10是圖8中沿G-G線取的剖面圖;
圖11是表示圖9的剛性凸起構(gòu)形的另外一種改進(jìn)型式。
在下面的描述中，為方便起見(jiàn)選用了諸如“向前”、“向后”、“向左”、“向右”和“向下”等詞，不可解釋為限定性詞。
現(xiàn)在來(lái)參見(jiàn)附圖，尤其是圖1，它表示燃料組件(一般用參考號(hào)10標(biāo)示)。燃料組件由下部結(jié)構(gòu)或下管座12、控制棒導(dǎo)向管14、定位格架16、燃料棒18、代表管20和上部結(jié)構(gòu)或上管座22組成，燃料組件中的下管座12是用來(lái)支撐座落在堆芯(沒(méi)示出)下堆芯板(沒(méi)示出)上的組件;控制棒導(dǎo)向管14是從下管座12向上伸展的;橫向的定位格架16是用來(lái)對(duì)以一定方式排列的燃料棒提供側(cè)向支撐，上管座22連接在導(dǎo)向管14的上端，以形成完整組件可進(jìn)行常規(guī)的不損壞燃料組件構(gòu)件的操作。下管座12和上管座22均為常規(guī)設(shè)計(jì)，正如眾所周知的每個(gè)管座都有一塊連接板，板上開(kāi)孔可供液體冷卻劑(如，水)從中流過(guò)。
上管座22包括由連接板向上延伸出來(lái)的豎立的圍板，圍板上有凸緣(沒(méi)示出)，在凸緣上適宜設(shè)有壓緊片狀彈簧26(只示出一組)。壓緊片狀彈簧26與上堆芯板(沒(méi)示出)合作以阻止燃料組件10由向上流動(dòng)的冷卻劑產(chǎn)生的水力提升，但容許燃料組件10由于熱膨脹(在堆內(nèi)產(chǎn)生)等引起的長(zhǎng)度變化。在上管座22的圍板所確定的箱體內(nèi)就位的是一組一般的棒束控制組件28。眾所周知，為了使控制棒32在控制棒導(dǎo)向管14內(nèi)垂直運(yùn)動(dòng)，這種組件28設(shè)有徑向伸展布置的錨鉤30與控制棒32頂端連接。
當(dāng)組裝燃料組件10時(shí)，定位格架16與導(dǎo)向套管14在予先確定的軸向位置連接，燃料棒18通過(guò)相互連接的條帶形成的各自的柵元插入就位，下管座12適于與導(dǎo)向套管14下端連接，上管座22與導(dǎo)向套管14上端連接。燃料組件10的一般零件的更詳細(xì)地描述可參見(jiàn)美國(guó)專利4，061，536。
在說(shuō)明體現(xiàn)本發(fā)明的定位格架結(jié)構(gòu)以前，人們注意到定位格架，眾所周知主要是用來(lái)精確保持燃料棒之間的間距和阻止燃料棒振動(dòng)。常規(guī)的定位格架，例如，美國(guó)專利3，379，619和4，061，536所表明和描述的定位格架，都是由條帶互相配插成蛋籃型來(lái)提供接收燃料棒的柵元。每個(gè)柵元借助于彈簧指和剛性凸起支撐燃料棒，而每個(gè)柵元的彈簧指和剛性凸起一般以6個(gè)點(diǎn)與燃料棒摩擦嚙合。同樣眾所周知，為了促使冷卻劑流體混合，定位格架可包含交混翼。
現(xiàn)在來(lái)參見(jiàn)圖2，圖中示出體現(xiàn)本發(fā)明定位格架的零件。與常規(guī)的定位格架類似，格架16是由條帶24交織成蛋籃型以形成讓相應(yīng)的燃料棒18從中延伸通過(guò)的柵元34。定位格架16也包括外圍或周邊條帶36，外圍條帶36在其末端采用搭接連接，從而把內(nèi)條帶24形成的蛋籃型結(jié)構(gòu)包圍起來(lái)，同時(shí)內(nèi)條帶24的末端要與外圍條帶36連接。正如由圖2所看到的，每個(gè)外圍條帶36都有一個(gè)主體部分40和可以有上、下彈性邊緣部分(分別以42和44表示)。更可取的是邊緣部分42和44與主體部分40為一體，并且相應(yīng)于主體部分40的平面向外突起，其目的是緩沖運(yùn)輸容器或像用于把燃料組件運(yùn)往反應(yīng)堆的運(yùn)輸、操作等產(chǎn)生的震動(dòng)以保護(hù)被它包圍的燃料棒。邊緣部分42和44可以做成帶交混翼的型式，為的是產(chǎn)生湍流和促使流過(guò)燃料組件的冷卻劑流體混合。外圍條帶36最好由一種具有低中子俘獲截面的材料組成，例如鋯或鋯合金，并且通過(guò)焊接把外圍條帶與格架的內(nèi)條帶連在一起。
正像表明那樣，向定位格架16每個(gè)柵元34內(nèi)突進(jìn)的凸起是兩對(duì)剛性凸起46和兩個(gè)格架彈簧46。兩對(duì)剛性凸起46分別成形在柵元34相鄰的兩邊的條帶邊緣，而兩個(gè)彈簧48分別成形在柵元另外兩個(gè)相鄰邊的條帶上，即帶有剛性凸起的條帶部分與帶彈簧的條帶正好相對(duì)配置。每個(gè)部分上的兩個(gè)剛性凸起46上下保持一定的間距，并在柵元的縱向彼此互相對(duì)齊，以保證當(dāng)燃料棒延伸通過(guò)時(shí)與燃料棒的縱向吻合。采用這種布置，每個(gè)格架柵元中的彈簧48將同燃料棒嚙合，并把燃料棒壓到對(duì)面的剛性凸起的支承面上。
剛性凸起46和格架彈簧48都是延伸件，并且一般為梯形，剛性凸起46相對(duì)于各自的格架柵元的縱軸向橫向伸展，而彈簧48伸展則是大致平行于格架柵元的縱軸。在所說(shuō)明的實(shí)施例中，剛性凸起46和格架彈簧是各自格架條帶的一個(gè)整體部件，它們中的每一個(gè)都是由相應(yīng)條帶24沿其縱向邊緣沖制，并做成拱形，由平面向著相應(yīng)格架柵元內(nèi)部突起。
現(xiàn)在轉(zhuǎn)到參見(jiàn)圖3到圖6，將詳細(xì)地描述按本發(fā)明建造的燃料棒支承格架彈簧48。正如上面所指出的那樣，本發(fā)明最佳實(shí)施例中的彈簧48是各自條帶24的整體部件，每個(gè)彈簧48都是用相應(yīng)條帶24通過(guò)沿彈簧48縱向邊緣沖出窄槽52和54而沖成的。每個(gè)彈簧48都有一個(gè)仿形的突出部分50，以支承相應(yīng)的燃料棒，并且要在突出部分50提供較大的支承表面，這種較大的支承表面能把振動(dòng)和撞擊引起的力分布到較大的燃料表面上去。此外，這種大的支承表面也盡量減小了在裝卸料操作過(guò)程中擦傷燃料棒的概率。為了提供大的支承表面，每個(gè)格架彈簧48的突起部分50都有一個(gè)彎曲的拱形表面56，以便與一般為圓柱體的燃料棒表面輪廓相近，同時(shí)也是為了進(jìn)一步減少任何磨損的傾向，每個(gè)彈簧48最好沿彈簧突起的中心部分50的兩端延伸出來(lái)的基礎(chǔ)部分60和62的橫向中心提供縱向肋58。肋58也對(duì)格架彈簧48提供了附加的剛度。每個(gè)彈簧48可以通過(guò)沿突起彈簧縱向邊緣向著條帶24平面彎成突緣64來(lái)進(jìn)一步提高剛度。由圖5清楚地看到，由每個(gè)突緣與格架彈簧主平面形成的角度α可以達(dá)到90°，但最好是處在從30°到60°范圍之內(nèi)。
現(xiàn)在參見(jiàn)圖7到圖10，將詳細(xì)地描述燃料棒支承剛性凸起46。像彈簧48、剛性凸起46最好是由各自條帶24沖出的條帶材料的帶片，通過(guò)沖出溝槽66和68以形成各自的剛性凸起的縱向邊緣。由圖8清楚地看出，每個(gè)剛性凸起46如同每個(gè)格架彈簧48一樣，一般成型為有中心部分70的一個(gè)拱形以及由中心部分的兩端向格架條帶24延伸的基礎(chǔ)部分72。在所述本發(fā)明的實(shí)施例中，既然剛性凸起46在冷卻劑流動(dòng)方向上是敞開(kāi)的(因?yàn)樗鼈兿鄬?duì)于格架柵元的縱軸是向橫向延伸的)，因此，每個(gè)剛性凸起的中心部分70是在其基礎(chǔ)部分72之間的一個(gè)弧面，以便支承通過(guò)相應(yīng)格架柵元的一般為圓柱體的燃料棒。更可取的是，在每個(gè)格架彈簧(圖6)和每個(gè)剛性凸起(圖8)中的弧面曲率半徑(r)是稍大于被支承的燃料棒外徑的曲率半徑，為的是當(dāng)容許定位格架組件中格架彈簧和剛性凸起的位置有小的偏差時(shí)，仍能很好地支承燃料棒?？偠灾?，當(dāng)燃料棒是處于膨脹的條件下，即加熱條件下，上述的曲率半徑r至少必須等于被支撐燃料棒的曲率半徑。
既然插燃料棒的方向平行于剛性凸起46的面，所以剛性凸起邊緣向下傾斜(該方向與插燃料棒的方向相反)至少是需要的。這樣就形成了防止燃料棒擦傷的斜面。由圖9和圖10清楚地可以看出，下傾或斜面部分由突緣74組成，突緣74是向著格架條帶24的突起剛性凸起的平面彎曲，并與拱成β角，從而在基礎(chǔ)部分72和中心部分70上形成一個(gè)光滑的斜面。β角可以變化到90°，但最好處在30°和60°之間。突緣74將用來(lái)加強(qiáng)剛性凸起以及能無(wú)擦傷地裝燃料棒。
如圖11所示，每個(gè)剛性凸起的基礎(chǔ)部分72也可以提供加強(qiáng)肋76。
在燃料組件制造或堆內(nèi)運(yùn)行期間，燃料棒開(kāi)始偏離它的與格架柵元的軸對(duì)準(zhǔn)的正常中心位置。按照本發(fā)明設(shè)計(jì)的燃料棒支承定位格架要求要使燃料棒偏離正常位置，就得使燃料棒“騎在”剛性凸起或彈簧支承面的較高的位置。這樣就迫使燃料棒由偏離的位置返回到支承面的凹處，從而降低了大的偏離正常中心位置方向的趨向，否則就會(huì)使剛性凸起和彈簧彎曲并改變?nèi)剂辖M件的核、熱工和水力特性。
在運(yùn)行期間，本發(fā)明支承格架彈簧和剛性凸起設(shè)計(jì)也趨于保持燃料棒處在格架柵元的中心位置。這一點(diǎn)在輻照開(kāi)始使格架彈簧施加到燃料棒上的力松弛以后是特別重要的。關(guān)于這一點(diǎn)，支承設(shè)計(jì)使燃料棒流動(dòng)的冷卻劑流量趨向于保持更為均勻的分配。在運(yùn)行期間，如果燃料棒經(jīng)受到脫離格架彈簧或剛性凸起(一般不大于一毫米的百分之幾)，則用本發(fā)明的支承設(shè)計(jì)比用一般的平的設(shè)計(jì)更能限制流進(jìn)和流出由脫離的燃料棒和彈簧或剛性凸起支承面之間形成的空穴的冷卻劑流量，從而對(duì)增加燃料棒的水力提升可能性較小。的確，靠支承設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)使燃料棒脫離形成更有限的空穴來(lái)降低流體引起的燃料棒振動(dòng)的頻率，從而也降低了任何使燃料棒包殼磨損的趨向。
權(quán)利要求
1.核燃料組件包括一束大體上互相平行并保持一定間距的燃料棒和若干側(cè)向支撐燃料棒的橫向格架，上述定位格架沿燃料組件縱向按規(guī)定的間隔配置，而每個(gè)格架是由許多條帶交織成蛋籃型以形成確定的柵元，這些柵元包括燃料棒接收柵元，每個(gè)燃料棒接收柵元有一根燃料棒延伸通過(guò)，并由帶有剛性凸起和與之相對(duì)的彈簧(彈簧使燃料棒壓在剛性凸起上)的條帶部分來(lái)限界，其特征是每個(gè)剛性凸起(46)和每個(gè)彈簧(48)都有一個(gè)表面(70；56)壓在通過(guò)相應(yīng)柵元(34)延伸的燃料棒(18)的圓周表面上，而且對(duì)剛性凸起(46)和彈簧(48)的表面是仿形的，以便支承燃料棒。
2.按照權(quán)利要求
1，所述核燃料組件，其中，燃料棒大體上是圓柱體，其特征是每個(gè)剛性凸起(46)和每個(gè)彈簧(48)的仿形表面(56;70)彎成具有曲率半徑至少等于各自燃料棒的圓周表面的曲率半徑。
3.按照權(quán)利要求
1或2所述核燃料組件，其特征是上述的每個(gè)彈簧(48)和上述的每個(gè)剛性凸起(46)都是拱形的延伸件，其拱形是出自相應(yīng)的條帶(24)并向相應(yīng)的柵元(34)內(nèi)突起，而突起的中心部分為仿形表面(56;70)。
4.按照權(quán)利要求
3所述核燃料組件，其特征是每個(gè)彈簧(48)延伸方向大致與相應(yīng)柵元(34)的縱軸平行，而包含的基礎(chǔ)部分(60;62)是由彈簧突起中心部分的兩端延伸出來(lái)的，每個(gè)延伸的基礎(chǔ)部分都有一個(gè)縱向肋(58)。
5.按照權(quán)利要求
3或4所述核燃料組件，其特征是每個(gè)彈簧(48)都有沿其縱向邊緣形成的突緣(64)，而突緣是彎向相應(yīng)條帶(24)的平面。
6.按照權(quán)利要求
3、4或5所述核燃料組件，其特征是上述的每個(gè)剛性凸起(46)都有沿其縱向邊緣形成的突緣(74)，其突緣向相應(yīng)條帶(24)的平面方向彎曲。
7.按照權(quán)利要求
6所述核燃料組件，其特征是每個(gè)剛性凸起(46)相對(duì)于相應(yīng)柵元(34)的縱軸橫向延伸。
8.按照權(quán)利要求
3、4、5、6或7所述核燃料組件，其特征是每個(gè)剛性凸起(46)都包含由其突起的中心部分的兩端延伸出來(lái)的基礎(chǔ)部分(72)，而每個(gè)基礎(chǔ)部分都有在其上形成的縱向肋(76)。
專利摘要
本發(fā)明主要是對(duì)核燃料組件定位格架的支撐結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，其特征是定位格架條帶相互配插組成許多柵元，柵元中支撐燃料棒的延伸件彈簧和剛性凸起由相應(yīng)的條帶沖制成帶仿形支承面的拱形，拱形向柵元內(nèi)突起，沿拱形縱向邊緣向條帶方向彎成突緣。這種支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要優(yōu)點(diǎn)是減輕了燃料棒的振動(dòng)和磨損，減小了燃料棒包殼在裝卸時(shí)的擦傷，增加了支承件的剛度以及易于保證燃料棒處在柵元的中心，改善燃料組件核、熱工和水力特性等。
文檔編號(hào)G21C3/34GK86102224SQ86102224
公開(kāi)日1986年11月26日 申請(qǐng)日期1986年4月1日
發(fā)明者利尼·埃尼·維蘭德, 伯爾·胡格·帕克斯 申請(qǐng)人:西屋電氣公司導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan