CN113450931B - 燃料组件定位格架、燃料组件及堆芯 - Google Patents

燃料组件定位格架、燃料组件及堆芯 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种燃料组件定位格架、燃料组件及堆芯，该燃料组件定位格架，包括：燃料棒定位格栅；互锁组件，燃料棒定位格栅的外条带上设置有互锁组件，相邻燃料棒定位格栅能够通过互锁组件实现相互紧锁。本申请提供的上述方案，当燃料组件布置于堆芯内以后，由于每个燃料组件上的燃料组件定位格架上的凸起与相邻燃料组件上的燃料组件定位格架上的凹槽相配合，因此相邻的燃料组件可以通过该结构实现相互锁紧和定位，从而使得整个反应堆堆芯内的燃料组件互锁为一个整体，该整体结构的横向弯曲刚度将显著高于单个燃料组件，在此结构的基础上应用基于SiC复合材料包壳的燃料棒，将有效降低SiC复合材料包壳因弯曲而产生裂纹的可能性。

Description

燃料组件定位格架、燃料组件及堆芯
技术领域
本发明涉及核燃料技术领域，特别是涉及一种燃料组件定位格架、燃料组件及堆芯。
背景技术
传统的燃料组件由刚性骨架和燃料棒组成，刚性骨架包括搅混格架、上管座、下管座和导向管，其中，搅混格架由规则排列的用于容纳和夹持燃料棒的栅元组成；导向管比燃料棒长，其从燃料棒束的端部伸出来，并固定在上管座和下管座上；下管座位于燃料组件的下部，下管座具有一些支撑腿和一个匹配板，有一些用来固定导向管的孔道和冷却剂流道穿透该匹配板；燃料组件的另一端，即燃料组件上端的上管座，包括一个横向的匹配板，有一些容纳和固定导向管的孔道和流水孔贯穿该配板。其中燃料棒在刚性骨架中平行排列并被均匀分隔；燃料棒由包壳管、燃料芯块、气腔弹簧、上端塞和下端塞构成，包壳管内部装入燃料芯块和气腔弹簧后在上下端部分别焊接上端塞和下端塞后制成燃料棒。
为了提高燃料棒上包壳管的性能，相比锆合金而言，由于SiC复合材料在高温强度、辐照稳定性、抗蠕变、抗氧化、耐磨蚀等方面具有显著优势，在轻水堆事故工况下的容错潜力显著，因此，采用SiC复合材料包壳的核燃料成为目前国际上重点研究方向。
然而SiC复合材料虽有较好的强度、抗蠕变等特性，但是SiC复合材料属于陶瓷脆性材料，相比目前传统的UO2-Zr燃料***中采用的金属包壳，其延展性较低，当发生小量弯曲或应变后，就容易产生裂纹，这对于燃料棒是比较关键的问题，因为裂纹的产生可能会导致燃料棒密封的实效，影响反应堆的安全运行。
同时，由于燃料组件的设计高度较高，且横向截面尺寸较小，导致燃料组件本身的抗横向弯曲能力较弱。在反应堆内运行时，反应堆堆芯内存在一定强度的冷却剂横流，由于相邻燃料组件之间存在间隙，在反应堆冷却剂横流的冲击下，现有燃料组件很容易发生弯曲。那么，当基于现有技术的燃料组件应用SiC复合材料包壳时，当其随燃料组件发生整体横向弯曲时，很容易造成SiC复合材料包壳裂纹的生成，从而导致燃料棒密封实效及裂变产物释放。
发明内容
基于此，有必要针对采用SiC复合材料包壳的核燃料上的SiC复合材料包壳容易产生裂纹的问题，提供一种燃料组件定位格架、燃料组件及堆芯。
本发明提供了一种燃料组件定位格架，包括：
燃料棒定位格栅；
互锁组件，所述燃料棒定位格栅上的外条带上设置互锁组件，当多个所述燃料组件定位格架组合在一起时，相邻所述燃料棒定位格栅能够通过所述互锁组件实现相互紧锁。
在其中一个实施例中，所述互锁组件包括凸起和凹槽，所述凸起和所述凹槽间隔设置在所述燃料棒定位格栅上的外条带上；
当多个所述燃料组件定位格架组合在一起时，其中一个所述燃料组件定位格架上的凸起能够卡入到相邻另一个所述燃料组件定位格架上的凹槽中。
在其中一个实施例中，当相邻两个所述燃料组件定位格架组合在一起时，其中一个所述燃料组件定位格架上的燃料棒定位格栅上的凸起与相应的栅元的内条带对中，或者与导向翼对中；其中另一个所述燃料组件定位格架上的燃料棒定位格栅上的凸起位于对应栅元的中间位置。
在其中一个实施例中，所述凸起的两端设有导向结构。
在其中一个实施例中，所述凸起的横向宽度为对应栅元宽度的一半。
在其中一个实施例中，所述凸起的高度与相应反应堆堆芯内燃料组件间的间隙大小相对应。
在其中一个实施例中，所述定位格架上的栅元上部分设置有所述互锁组件，或者栅元上全部设置有所述互锁组件。
本发明还提供了一种燃料组件，包括燃料棒、导向管、上管座、下管座以及如本申请实施例描述中任意一项所述的燃料组件定位格架。
在其中一个实施例中，包含凸起的燃料组件定位格架设置在所述燃料组件的中间位置或者任意位置。
本发明还提供了一种堆芯，包括多个如本申请实施例描述中任意一项所述的燃料组件，其中每个所述燃料组件上的燃料组件定位格架上的凸起与相邻所述燃料组件上的燃料组件定位格架上的凹槽相配合。
本发明的有益效果：
本发明提供的堆芯，当燃料组件布置于堆芯内以后，由于每个燃料组件上的燃料组件定位格架上的凸起与相邻燃料组件上的燃料组件定位格架上的凹槽相配合，因此相邻的燃料组件可以通过该结构实现相互锁紧和定位，从而使得整个反应堆堆芯内的燃料组件互锁为一个整体，该整体结构的横向弯曲刚度将显著高于单个燃料组件，在此结构的基础上应用基于SiC复合材料包壳的燃料棒，将有效降低SiC复合材料包壳因弯曲而产生裂纹的可能性；
同时，本发明可以一定程度消除反应堆堆芯内布置的相邻燃料组件之间的间隙，该间隙消除后，可以使冷却剂更多地流经燃料组件内部参与搅混，提升燃料组件对冷却剂的搅混效率；此外，该间隙消除后，可以有效降低由于燃料组件的格架内外的冷却剂流速差而造成的格架内外压力差，从而进一步降低燃料组件的弯曲风险；且因采用本发明后格架的内外压力差可以有效降低，因此无需通过在格架外条带上设置冷却剂横向流通孔来降低格架的内外压力差，可以提升格架的整体强度；
进一步地，本发明可以一定程度消除反应堆堆芯内布置的相邻燃料组件之间的间隙，当反应堆发生四类事故工况时，可以有效降低相邻燃料组件之间的碰撞冲击力，从而提升燃料组件的可靠性。
附图说明
图1为本发明一实施例提供的燃料组件定位格架的结构示意图；
图2为图1的又一示意图；
图3为图1的另一示意图；
图4为图1的立体示意图；
图5为图1中的其中一个燃料组件定位格架的示意图；
图6为图1中的其中另一个燃料组件定位格架的示意图；
图7为本发明一实施例提供的燃料组件定位格架的整体示意图；
图8为本发明一实施例提供的燃料组件的示意图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的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发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。
如图1所示，本发明一实施例中，提供了一种燃料组件定位格架，包括：燃料棒定位格栅10和互锁组件，其中，燃料棒定位格栅10上的外条带上设置有互锁组件，当多个燃料组件定位格架组合在一起时，相邻燃料棒定位格栅10能够通过互锁组件实现相互紧锁。
在一些实施例中，如图1所示，本申请中的互锁组件包括凸起30和凹槽301，其中，凸起30和凹槽301间隔设置在燃料棒定位格栅10的外条带上；当多个燃料组件定位格架组合在一起时，其中一个燃料组件定位格架上的凸起能够卡入到相邻另一个燃料组件定位格架上的凹槽中。
需要说明的是，本申请实施例中的互锁组件包括凸起和凹槽的结构形状仅为示例，在其他可替代的方案中，也可以采用其它结构形状，例如，互锁组件为挂钩，该挂钩与另一个燃料组件定位格架上的挂环连接。本申请对互锁组件的具体结构不作特殊限制，只要上述结构能实现本申请的目的便可。
在一些实施例中，当相邻两个燃料组件定位格架组合在一起时，其中一个燃料组件定位格架上的燃料棒定位格栅10上的凸起与相应的栅元的内条带对中，或者与导向翼20对中；其中另一个燃料组件定位格架上的燃料棒定位格栅10上的凸起位于对应栅元的中间位置。
本申请以两个燃料组件定位格架为例，如图5并结合图1所示，其中一个燃料组件定位格架上的燃料棒定位格栅10上的导向翼20上设置有凸起30，该凸起30相应的栅元101的内条带对中，或者与导向翼20对中，相邻凸起30之间为凹槽301，如图6并结合图1所示，其中另一个燃料组件定位格架上的第二燃料棒定位格栅40上的导向翼50上设置的第二凸起60位于对应栅元401的中间位置，相邻第二凸起60之间形成第二凹槽601；
当两个燃料组件定位格架组合在一起时，如图2并结合图3、图4所示，其中一个燃料组件定位格架上的燃料棒定位格栅10上的导向翼20上设置的凸起30能够卡入到其中另一个燃料组件定位格架上的第二燃料棒定位格栅40上的导向翼50上设置第二凹槽601中，同时，其中另一个燃料组件定位格架上的第二燃料棒定位格栅40上的导向翼50上设置第二凸起60能够卡入到其中一个燃料组件定位格架上的燃料棒定位格栅10上的导向翼20上设置的凹槽301中。
为便于制造，本申请中的凸起可以直接在外条带上进行冲压加工，且可以不对燃料棒定位格栅外条带的结构连续性造成破坏，保证了燃料棒定位格栅的整体强度。
关于凸起沿燃料棒轴向的高度，在考虑相邻燃料组件不同的辐照生长、热膨胀等因素的情况下，需要保证在燃料组件的寿期内互锁区域始终存在，且有一定余量，为容纳一定轴向高度的互锁凸起，燃料棒定位格栅的轴向高度需适应性调整。
在一些实施例中，如图4所示，本申请中的凸起30的两端设有导向结构，该凸起可以为椭圆状结构、楔形结构、波浪形结构或其他结构，导向结构的设置，便于在燃料组件吊装操作时更好的实现互锁。
在一些实施例中，本申请中的凸起30的横向宽度为对应栅元宽度的一半。具体地，该横向宽度约为格架栅元宽度的一半，从而保证相邻燃料组件形成的互锁区域中的间隙尽量小。当然，也可以是其他尺寸，但需保证互锁后的间隙尽量小。
在一些实施例中，本申请中的凸起30的高度与相应反应堆堆芯内燃料组件间的间隙大小相对应，这样在考虑制造公差的情况下，不会造成相邻燃料组件的过量干涉。
在一些实施例中，如图7所示，在格架的外条带上设置互锁凸起，其中，在格架A面，互锁凸起的位置与相应栅元的内条带对中，抑或与导向翼对中；在格架B面，互锁凸起的位置则位于栅元中间位置。
在格架的A面和B面分别设置上述互锁凸起的情况下，当燃料组件布置于反应堆堆芯后，相邻燃料组件之间就会通过两者间的互锁凸起形成互锁区域，从而限制其单独的横向位移。如图4所示，给出了一个相邻面的互锁原理，通过该互锁区域，可以限制平行于互锁区域的位移，在格架的相邻的另外一个面，则可以限制另一个与其垂直方向的位置，从而将燃料组件的各向横向位移全部限制。通过该互锁区域，可以将反应堆堆芯内的全部燃料组件互锁为一个整体，横向刚度相比单个燃料组件会有显著提升，从而降低燃料组件的横向弯曲程度，那么，当应用基于SiC复合材料包壳的燃料棒后，可以降低由于SiC复合材料延展性较低而带来的易产生裂纹并发生燃料棒泄漏的问题；此外，还可以有效降低控制棒组件因燃料组件弯曲而导致的不能完全***的风险，提升反应堆运行的安全性；最后，因燃料组件的弯曲程度降低，可进一步降低燃料组件的换料吊装操作难度。
在一些实施例中，定位格架上的栅元上部分设置有互锁组件，或者栅元上全部设置有互锁组件。即关于互锁凸起的布置数量，可以仅在部分栅元处设置，也可以在全部栅元均设置。
如图8所示，本申请还提供了一种燃料组件，包括燃料棒01、导向管02、上管座03、下管座04以及搅混格架05，其中搅混格架05由多个如本申请实施例描述中任意一项的燃料组件定位格架组成，其中，燃料棒和导向管插设于燃料组件定位格架中，导向管的上端与上管座连接，下端与下管座连接，燃料棒的下端***到下管座中并与下管座固定连接。
在一些实施例中，本申请中包含凸起的燃料组件定位格架设置在燃料组件的中间位置或者任意位置，这样可以在使用最少的互锁格架的情况下，最大程度的提升堆芯的横向弯曲刚度。当然，也可以在燃料组件的任意位置布置互锁格架。
在一些实施例中，本申请中的燃料棒包括包壳管、燃料芯块、气腔弹簧、上端塞以及下端塞构成，其中，包壳管的一端连接上端塞，另一端连接下端塞，燃料芯块和气腔弹簧均设置在包壳管的内腔中，气腔弹簧的一端与燃料芯块抵接，另一端与上端塞抵接，燃料芯块远离气腔弹簧的一侧与下端塞抵接。
在一些实施例中，本申请中的包壳管由SiC材料制成，相比锆合金而言，SiC复合材料在高温强度、辐照稳定性、抗蠕变、抗氧化、耐磨蚀等方面具有显著优势，在轻水堆事故工况下的容错潜力显著，因此，本申请中的包壳管采用SiC材料制成。
需要说明的是，本申请实施例中的包壳管由SiC材料制成的结构仅为示例，在其他可替代的方案中，也可以采用其它结构，例如，包壳管由锌铬材料。本申请对包壳管的具体结构不作特殊限制，只要上述结构能实现本申请的目的便可。
在一些实施例中，本申请中的上管座朝向导向管的一侧设置有第一匹配板，第一匹配板上设置有导向孔，导向管的上端穿过导向孔后与上管座连接。
在一些实施例中，本申请中的下管座朝向导向管的一侧设置有第二匹配板，第二匹配板上设置有导向孔，导向管的下端穿过导向孔后与下管座连接。
本申请还提供了一种堆芯，包括多个如本申请实施例描述中的燃料组件，其中每个燃料组件上的燃料组件定位格架上的凸起与相邻燃料组件上的燃料组件定位格架上的凹槽相配合。
采用上述技术方案，当燃料组件布置于堆芯内以后，由于每个燃料组件上的燃料组件定位格架上的凸起与相邻燃料组件上的燃料组件定位格架上的凹槽相配合，因此相邻的燃料组件可以通过该结构实现相互锁紧和定位，从而使得整个反应堆堆芯内的燃料组件互锁为一个整体，该整体结构的横向弯曲刚度将显著高于单个燃料组件，在此结构的基础上应用基于SiC复合材料包壳的燃料棒，将有效降低SiC复合材料包壳因弯曲而产生裂纹的可能性，还可以有效降低控制棒组件因燃料组件弯曲而导致的不能完全***的风险，提升反应堆运行的安全性；最后，因燃料组件的弯曲程度降低，可进一步降低燃料组件的换料吊装操作难度；
同时，本发明可以一定程度消除反应堆堆芯内布置的相邻燃料组件之间的间隙，该间隙消除后，可以使冷却剂更多地流经燃料组件内部参与搅混，提升燃料组件对冷却剂的搅混效率；此外，该间隙消除后，可以有效降低由于燃料组件的格架内外的冷却剂流速差而造成的格架内外压力差，从而进一步降低燃料组件的弯曲风险；且因采用本发明后格架的内外压力差可以有效降低，因此无需通过在格架外条带上设置冷却剂横向流通孔来降低格架的内外压力差，可以提升格架的整体强度；
进一步地，本发明可以一定程度消除反应堆堆芯内布置的相邻燃料组件之间的间隙，当反应堆发生四类事故工况时，可以有效降低相邻燃料组件之间的碰撞冲击力，从而提升燃料组件的可靠性。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种燃料组件定位格架，其特征在于，包括：
燃料棒定位格栅(10)；
互锁组件，所述燃料棒定位格栅(10)上的外条带上设置互锁组件，所述互锁组件包括凸起(30)和凹槽(301)；所述凸起(30)和所述凹槽(301)间隔设置在所述燃料棒定位格栅(10)上的外条带上；当多个所述燃料组件定位格架组合在一起时，相邻两个所述燃料组件定位格架的其中一个的所述燃料棒定位格栅(10)上的凸起与相应的栅元的内条带对中，或者与导向翼(20)对中；其中另一个的所述燃料棒定位格栅(10)上的凸起位于对应栅元的中间位置，且其中一个所述燃料组件定位格架上的凸起能够卡入到相邻另一个所述燃料组件定位格架上的凹槽中，以使相邻所述燃料棒定位格栅(10)实现相互紧锁。
2.根据权利要求1所述的燃料组件定位格架，其特征在于，所述凸起(30)的两端设有导向结构。
3.根据权利要求1所述的燃料组件定位格架，其特征在于，所述凸起(30)的横向宽度为对应栅元宽度的一半。
4.根据权利要求1所述的燃料组件定位格架，其特征在于，所述凸起(30)的高度与相应反应堆堆芯内燃料组件间的间隙大小相对应。
5.根据权利要求1所述的燃料组件定位格架，其特征在于，所述定位格架上的栅元上部分设置有所述互锁组件，或者栅元上全部设置有所述互锁组件。
6.根据权利要求1-5任一项所述的燃料组件定位格架，其特征在于，所述凸起(30)为椭圆状结构、楔形结构或波浪形结构。
7.一种燃料组件，其特征在于，包括燃料棒、导向管、上管座、下管座以及如权利要求1-6任意一项所述的燃料组件定位格架。
8.根据权利要求7所述的燃料组件，其特征在于，包含凸起的燃料组件定位格架设置在所述燃料组件的中间位置或者任意位置。
9.根据权利要求7所述的燃料组件，其特征在于，所述燃料棒包括包壳管、燃料芯块、气腔弹簧、上端塞以及下端塞；
其中，所述包壳管的一端连接所述上端塞，另一端连接所述下端塞，所述燃料芯块和所述气腔弹簧均设置在所述包壳管的内腔中，所述气腔弹簧的一端与所述燃料芯块抵接，另一端与所述上端塞抵接，所述燃料芯块远离所述气腔弹簧的一侧与所述下端塞抵接。
10.一种堆芯，其特征在于，包括多个如权利要求7-9任意一项所述的燃料组件，其中每个所述燃料组件上的燃料组件定位格架上的凸起与相邻所述燃料组件上的燃料组件定位格架上的凹槽相配合。
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