CN112071443B - 一种基于3d打印的核燃料组件定位格架 - Google Patents

Abstract

一种基于3D打印的核燃料组件定位格架，包括内部结构及***结构；内部结构包括方形阵列的内部栅格单元，每个内部栅格单元由两个内部双面弹性夹持单元和两个内部双面刚凸单元组成；***结构由外部单面弹性夹持单元或外部单面刚凸单元与内部结构外侧的内部双面弹性夹持单元、内部双面刚凸单元围成外部栅格单元，栅格单元内安装有燃料棒；内部双面弹性夹持单元和内部双面刚凸单元分别具有搅混翼；外部单面弹性夹持单元和外部单面刚凸单元分别具有导向翼，工作过程水流冲击搅混翼和导向翼，在燃料棒侧面产生搅混区域；定位格架整体是由金属3D打印自下而上一体成型；本发明具有夹持效果好、冷却水冷却和减缓核反应作用提升、格架***变形小等优点。

Description

一种基于3D打印的核燃料组件定位格架

技术领域

本发明涉及核燃料组件技术领域，具体涉及一种基于3D打印的核燃料组件定位格架。

技术背景

定位格架作为核燃料组件的关键部件，起到悬空夹持并定位核反应燃料棒，使得燃料棒间保持合适的间距的作用，其性能极大的影响燃料棒的结构完整性与反应堆安全性。在核燃料链式反应过程中，由于需要起慢化剂和冷却剂作用的水流对核燃料组件进行高速的冲刷，以及辐照易导致格架的加持力减小，定位格架本身需要有一定的强度，能够夹持并支撑燃料棒承受水流力和辐照的影响，避免燃料棒的窜动，并且还能对高速水流起到一定的导流作用。另外，由于核燃料组件具有很高的横向柔性，在实际安装中只能通过吊装的方式垂直进行，以防止过大的侧向变形，此时由于相邻燃料组件的间距极小，组件间易发生干涉现象，这需要定位格架也具有良好的安装导向作用。

现有的定位格架设计中，定位格架基本都是由内、外条带的结构组成，内单元的板状主体上设置斜弹簧或刚凸结构，边缘设置有搅混翼，各种内条带通过合理的布置以改变水力场；外条带板状主体与内条带相似，边缘则一般设置有导向翼起到导流和方便相邻格架安装的作用。一方面，这样的设计使得内、外条带结构较为复杂，而现有的制造方案往往是采用多种模具进行减材或等材制造，这样就使得生产的工艺成本过高，一旦要修改格架的特性，还需要重新生产大部分的模具；另一方面，传统的条带设计方案容易使得内部条带与燃料棒表面间距很小(最小间距处只有1.5mm左右)，易导致冷却水流量在局部的不足，冷却和减缓反应作用不佳；搅混翼和导向翼的设置还会使格架内部产生较大的流动阻力，而相邻格架间的区域的流动阻力较小，易使定位格架外条带内、外两侧存在水压差异，进而使得定位格架外条带长期处于水力学受力状态，增加定位格架变形的风险。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供了一种基于3D打印的核燃料组件定位格架，具有夹持效果好、利于水流通过、便于安装燃料棒的优点，大幅度降低制造成本，改善格架的水力场分布，提高定位格架的综合性能。

为了实现上述的目的，本发明采取的技术方案为：

一种基于3D打印的核燃料组件定位格架，包括内部结构及其外侧的***结构；内部结构包括方形阵列的内部栅格单元，每个内部栅格单元由两个内部双面弹性夹持单元1和两个内部双面刚凸单元2组成；***结构由外部单面弹性夹持单元3或外部单面刚凸单元4与内部结构外侧的内部双面弹性夹持单元1、内部双面刚凸单元2围成外部栅格单元，栅格单元内安装有燃料棒7；

所述的内部双面弹性夹持单元1和内部双面刚凸单元2分别具有一个搅混翼6；外部单面弹性夹持单元3和外部单面刚凸单元4分别具有一个导向翼5，在工作过程中，水流自下而上流过，冲击搅混翼6和导向翼5，在燃料棒7的侧面产生搅混区域；

所述的定位格架整体是由金属3D打印自下而上一体成型，材料选择高温合金。

所述的内部双面弹性夹持单元1包括第一板状主体1-1，第一板状主体1-1的两侧设计有对称的弹性夹持结构，弹性夹持结构从第一板状主体1-1底部开始呈小于10°的微角度向上生长，形成第一下支撑结构1-4后，继续竖直向上生长形成第一支撑面1-3，第一支撑面1-3向上反向呈小于10°的微角度生长出第一上支撑结构1-2，第一上支撑结构1-2顶部与第一板状主体1-1连接；

所述的外部单面弹性夹持单元3包括第三板状主体3-1，第三板状主体3-1的一侧设有弹性夹持结构，弹性夹持结构从第三板状主体3-1底部开始呈小于10°的微角度向上生长，形成第三下支撑结构3-4后，继续竖直向上生长形成第三支撑面3-3；第三支撑面3-3向上反向呈小于10°的微角度生长出第三上支撑结构3-2，第三上支撑结构3-2顶部与第三板状主体3-1连接。

所述的弹性夹持结构有大于20N/m的弹性模量，在第一下支撑结构1-4、第一上支撑结构1-2、第三下支撑结构3-4和第三上支撑结构3-2与对应板状主体的相接处可以做局部增厚的处理；所述的弹性夹持结构的上、下支撑结构进行表面开椭圆孔或者做栅格化处理，以减少其在水力场垂直方向的投影面积。

所述的内部双面刚凸单元2包括第二板状主体2-1，在第二板状主体2-1的两侧设计有对称的第一刚凸结构2-2，第一刚凸结构2-2为长轴在竖直方向的椭球形状，椭球长短轴的比例超过3:2，并在第一刚凸结构2-2的顶部设置圆弧面，能够与燃料棒7充分接触；

所述的外部单面刚凸单元4包括第四板状主体4-1，四板状主体4-1的一侧设有第二刚凸结构4-2，第二刚凸结构4-2呈竖直椭球形状，椭球长短轴的比例超过3:2，并在第二刚凸结构4-2顶部设圆弧面，能够与燃料棒7充分接触。

所述的刚凸结构中部开椭圆孔，以减少其在垂直方向的投影面积。

所述的第一板状主体1-1、第二板状主体2-1、第三板状主体3-1和第四板状主体4-1，中部存在大面积的镂空区域，边缘有圆弧形凹槽，与其他栅格单元组成椭球形镂空区域，面上挖空部分面积占原本矩形板体面积的52％。

本发明的有益效果为：

相较于传统的使用多种模具和工艺制造的核燃料组件单元，本发明使用3D打印技术，生产复杂的单元结构和定位格架整体，大幅度降低了制造成本，还易于做后续优化；该定位格架设计方案中，自单元底端生长到单元顶端的弹性夹持结构、长轴在竖直方向的刚凸结构等的设计符合了3D打印的技术需求，有效减少了3D打印格架过程中支撑体的添加，使3D打印定位格架成为可能；圆弧形接触面的设计增加了夹持部分与燃料棒的接触面积，提高了夹持效果；内部栅格单元多个镂空区域的设计提高了水流冷却和减缓反应速度的作用，外部栅格单元多个镂空区域则有效地缓解了定位格架内外水压差导致的格架***变形现象，提高了定位格架的安全性。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明的俯视图。

图3为本发明安装燃料棒的示意图。

图4为本发明内部双面弹性支撑单元的示意图。

图5为本发明内部双面弹性支撑单元的左视图。

图6为本发明外部单面弹性支撑单元示意图。

图7为本发明外部单面弹性支撑单元左视图。

图8为本发明弹性支撑结构的几种优化方案。

图9为本发明内部双面刚凸单元的示意图。

图10为本发明内部双面刚凸单元的左视图。

图11为本发明外部单面刚凸单元示意图。

图12为本发明外部单面刚凸单元左视图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为明确的界定。

参照图1、图2和图3，一种基于3D打印的核燃料组件定位格架，以5×5的格架结构为例，包括内部结构及其外侧的***结构；内部结构包括3×3阵列的内部栅格单元，每个内部栅格单元由两个内部双面弹性夹持单元1和两个内部双面刚凸单元2组成；***结构由外部单面弹性夹持单元3或外部单面刚凸单元4与内部结构外侧的内部双面弹性夹持单元1、内部双面刚凸单元2围成外部栅格单元，本实施例共16个外部栅格单元，由此组成完整的定位格架；本实施例中的定位格架整体长、宽均为63.95mm，高为38mm，共包含25个栅格单元，栅格单元内安装有燃料棒7；

所述的内部双面弹性夹持单元1和内部双面刚凸单元2分别具有一个搅混翼6以改变水力场；外部单面弹性夹持单元3和外部单面刚凸单元4分别具有一个导向翼5起到改变水力场和方便相邻燃料组件安装的作用；导向翼5和搅浑翼6的排布可以有多种设计，在工作过程中，水流自下而上流过，冲击搅混翼6和导向翼5，在燃料棒7的侧面产生充分的搅混区域。

所述的定位格架整体是由金属3D打印(如激光熔覆、激光选区熔化)自下而上一体成型，材料选择高温合金；安装过程中将25根底部带有圆角，直径为9.4mm的燃料棒7***对应的栅格单元中即可。

参照图4和图5，所述的内部双面弹性夹持单元1包括第一板状主体1-1，第一板状主体1-1的两侧设计有对称的弹性夹持结构，目的是使栅格单元两侧受力均匀，减少对相邻栅格单元的作用力；为了在3D打印的过程中实现无或较少支撑的成型，弹性夹持结构从第一板状主体1-1底部开始呈微角度(实施例中为3°)向上生长，形成第一下支撑结构1-4后，继续竖直向上生长形成第一支撑面1-3，第一支撑面1-3厚度为0.5mm，第一支撑面1-3与第一板状主体1-1间距为1.25mm，第一支撑面1-3存在一段圆弧面，能够与燃料棒7充分接触，并且第一支撑面1-3上方设置有小圆弧，方便底部同样设有圆角的燃料棒7的安装；第一支撑面1-3向上反向微角度(实施例中为9.5°)生长出第一上支撑结构1-2，第一上支撑结构1-2顶部与第一板状主体1-1连接。

参照图6和图7，所述的外部单面弹性夹持单元3包括第三板状主体3-1，第三板状主体3-1的一侧设有弹性夹持结构，该弹性夹持结构与内部双面弹性夹持单元1的弹性夹持结构相似，在第三板状主体3-1的单侧，为了在3D打印的过程中实现无或较少支撑的成型，弹性夹持结构从第三板状主体3-1底部开始呈微角度(实施例中为3°)向上生长，形成第三下支撑结构3-4后，继续竖直向上生长形成第三支撑面3-3；第三支撑面3-3厚度为0.5mm，第三支撑面3-3与第三板状主体3-1间距为1.25mm，第三支撑面3-3存在一段圆弧面，能够与燃料棒7充分接触，并且第三支撑面3-3上方同样设置有小圆弧，方便底部设有圆角的燃料棒7的安装；第三支撑面3-3向上反向微角度(实施例中为9.5°)生长出第三上支撑结构3-2，第三上支撑结构3-2顶部与第三板状主体3-1连接。

为了充分发挥3D打印技术的优势，确保弹性夹持结构有大于20N/m的弹性模量，避免上、下支撑结构和支撑面发生破坏，在第一下支撑结构1-4、第一上支撑结构1-2、第三下支撑结构3-4和第三上支撑结构3-2与对应板状主体的相接处可以做局部增厚的处理；除此之外，参照图8，为了减少定位格架内部的水流阻力，弹性夹持结构的上、下支撑结构进行表面开椭圆孔或者做栅格化处理，减少在水力场垂直方向的投影面积。

参照图9和图10，所述的内部双面刚凸单元2包括第二板状主体2-1，在第二板状主体2-1的两侧设计有对称的第一刚凸结构2-2，第一刚凸结构2-2高度为1.75mm，使栅格单元两侧受力均匀，减少对相邻栅格单元的作用力；第一刚凸结构2-2为长轴在竖直方向的椭球形状(实施例中椭球长轴为3mm，两个短轴的长度分别为2mm和1.75mm)，减少3D打印过程中支撑结构的出现，并在第一刚凸结构2-2的顶部设置圆弧面，能够与燃料棒7充分接触。

参照图11和图12，所述的外部单面刚凸单元4包括第四板状主体4-1，第四板状主体4-1的一侧设有第二刚凸结构4-2，第二刚凸结构4-2与第一刚凸结构2-2相似，第二刚凸结构4-2高度为1.75mm，第二刚凸结构4-2呈竖直椭球形状(实施例中椭球长轴为3mm，两个短轴的长度分别为2mm和1.75mm)，减少3D打印过程中支撑结构的出现，并在第二刚凸结构4-2顶部设圆弧面，能够与燃料棒7充分接触。

为了减少定位格架内部的水流阻力，所述的刚凸结构中部都可以开椭圆孔(实施例中椭圆孔的长轴尺寸为0.8mm，短轴为0.3mm)，以减少其在垂直方向的投影面积，由于冷却水流经刚凸内部，还能对刚凸结构本身起到一定的降温作用，提高格架的安全性。

所述的第一板状主体1-1和第二板状主体2-1，中部存在大面积的镂空区域，边缘都有圆弧形凹槽，与其他栅格单元组成椭球形镂空区域，面上挖空部分面积占原本矩形板体面积的52％，这些区域能够增加燃料棒7和内部单元板状主体的间隙处水流的流动空间，提高水流冷却和减缓反应速度的作用。

所述的第三板状主体3-1和第四板状主体4-1，中部存在大面积的镂空区域，边缘有圆弧形凹槽，与其他栅格单元组成椭球形镂空区域，面上挖空部分面积占原本矩形板体面积的52％，其设计能够有效改善因为格架单元内部存在的水流阻力导致的栅格单元内、外侧水压差大的问题，减少栅格单元的变形现象。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所做的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (4)

1.一种基于3D打印的核燃料组件定位格架，包括内部结构及其外侧的***结构，其特征在于：内部结构包括方形阵列的内部栅格单元，每个内部栅格单元由两个内部双面弹性夹持单元（1）和两个内部双面刚凸单元（2）组成；***结构由外部单面弹性夹持单元（3）或外部单面刚凸单元（4）与内部结构外侧的内部双面弹性夹持单元（1）、内部双面刚凸单元（2）围成外部栅格单元，栅格单元内安装有燃料棒（7）；

所述的内部双面弹性夹持单元（1）和内部双面刚凸单元（2）分别具有一个搅混翼（6）；外部单面弹性夹持单元（3）和外部单面刚凸单元（4）分别具有一个导向翼（5），在工作过程中，水流自下而上流过，冲击搅混翼（6）和导向翼（5），在燃料棒（7）的侧面产生搅混区域；

所述的定位格架整体是由金属3D打印自下而上一体成型，材料选择高温合金；

所述的内部双面弹性夹持单元（1）包括第一板状主体（1-1），第一板状主体（1-1）的两侧设计有对称的弹性夹持结构，弹性夹持结构从第一板状主体（1-1）底部开始呈小于

的微角度向上生长，形成第一下支撑结构（1-4）后，继续竖直向上生长形成第一支撑面（1-3），第一支撑面（1-3）向上反向呈小于

的微角度生长出第一上支撑结构（1-2），第一上支撑结构（1-2）顶部与第一板状主体（1-1）连接；

所述的外部单面弹性夹持单元（3）包括第三板状主体（3-1），第三板状主体（3-1）的一侧设有弹性夹持结构，弹性夹持结构从第三板状主体（3-1）底部开始呈小于10°的微角度向上生长，形成第三下支撑结构（3-4）后，继续竖直向上生长形成第三支撑面（3-3）；第三支撑面（3-3）向上反向呈小于10°的微角度生长出第三上支撑结构（3-2），第三上支撑结构（3-2）顶部与第三板状主体（3-1）连接；

所述的内部双面刚凸单元（2）包括第二板状主体（2-1），在第二板状主体（2-1）的两侧设计有对称的第一刚凸结构（2-2），第一刚凸结构（2-2）为长轴在竖直方向的椭球形状，椭球长短轴的比例超过3:2，并在第一刚凸结构（2-2）的顶部设置圆弧面，能够与燃料棒（7）充分接触；

所述的外部单面刚凸单元（4）包括第四板状主体（4-1），第四板状主体（4-1）的一侧设有第二刚凸结构（4-2），第二刚凸结构（4-2）呈竖直椭球形状，椭球长短轴的比例超过3:2，并在第二刚凸结构（4-2）顶部设圆弧面，能够与燃料棒（7）充分接触。

2.根据权利要求1所述的一种基于3D打印的核燃料组件定位格架，其特征在于：所述的弹性夹持结构有大于

的弹性模量，在第一下支撑结构（1-4）、第一上支撑结构（1-2）、第三下支撑结构（3-4）和第三上支撑结构（3-2）与对应板状主体的相接处做局部增厚的处理；所述的弹性夹持结构的上、下支撑结构进行表面开椭圆孔或者做栅格化处理，以减少其在水力场垂直方向的投影面积。

3.根据权利要求1所述的一种基于3D打印的核燃料组件定位格架，其特征在于：所述的刚凸结构中部开椭圆孔，以减少其在垂直方向的投影面积。

4.根据权利要求1所述的一种基于3D打印的核燃料组件定位格架，其特征在于：所述的第一板状主体（1-1）、第二板状主体（2-1）、第三板状主体（3-1）和第四板状主体（4-1），中部存在大面积的镂空区域，边缘有圆弧形凹槽，与其他栅格单元组成椭球形镂空区域，面上挖空部分面积占原本矩形板体面积的52%。

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