专利名称:带有多个微凹改进结构的核燃料棒支撑格架的制作方法
本发明一般涉及核反应堆的燃料组件，更具体地涉及支撑核燃料棒用的带有多个微凹改进结构的格架。
在大多数核反应堆中，反应堆堆芯由大量的细长燃料组件组成。这些通常设计的燃料组件包含有大量的燃料棒，这些燃料棒依靠多个格架形成为一个规则阵列，这些格架沿着燃料组件的长度呈轴向间隔布置并固定到燃料组件的许多根细长的控制棒导向套管上。燃料组件两端的上管咀和下管咀固定到稍微超出燃料棒上端和下端的导向套管上。
大家都知道，格架用来使反应堆堆芯中的燃料棒之间保持有准确的间距，用来阻止燃料棒产生振动，用来提供燃料棒的横向支撑，在某种程度上说，还用来摩擦夹住燃料棒，防止产生纵向移动。在通常的格架设计中，格架包括有许多相互交织的条带，这些条带设计成蛋篮形结构，以便形成许多能分别装入燃料棒和控制棒导向套管的栅元。每一个格架的栅元可装入燃料棒并在指定的轴向位置上对其进行支撑，这些栅元一般都使用带有较大弹性的弹簧以及(或)由交织条带的金属材料构成的较硬的突起物(称之为微凹)。每一个格架栅元的弹簧和微凹同装入该栅元的燃料棒保持摩擦啮合或接触。此外，外部条带彼此相连，沿四周使格架条带闭合起来，以增加格架的刚性和强度。
代表以前技术的是下述美国专利中图示和说明的格架美国专利28，079;3，679，547;4，090，918;4，111，348;4，124，444;4，125，435;4，137，125;4，325，786;4，364，902;4，411，862以及4，474，730。
对于用锆合金型材料制成的格架来说，在将燃料组件装入核反应堆堆芯中以后由于辐照和温度的影响，格架弹簧不能保持其设计的预压力。在某些情况下，难于获得抑制燃料棒弯曲所必需的弹簧刚度和弹力。
本发明的主要目的是提供燃料组件格架中的一种改进的微凹结构，这种微凹结构将提供支撑反应堆堆芯中燃料棒所必需的弹力，并随时间变化只有极小的衰减。
因此，本发明归结于一种核燃料棒支撑格架，该格架包含有许多相互交织布置的条带，以构成一个中空栅元矩阵，每一个栅元可装入一根核燃料棒，每一个栅元由两对相对着布置的与相邻栅元共用的细长侧壁来限定，每个栅元的每一个侧壁用其一个侧面构成栅元的部分周边，用其相反的侧面构成与该栅元相邻布置的另一个栅元的部分周边。该格架的特点是(a)在限定每个栅元用的每一个侧壁的上端附近形成第一个微凹组;(b)在限定每个栅元用的每一个侧壁的下端附近形成第二个微凹组。上述的每一个微凹组均由一对上微凹和下微凹以及一个中间微凹组成，上微凹和下微凹从形成该组微凹的侧壁的同一侧面向外凸出，而中间微凹位于上微凹和下微凹之间，并从形成该组微凹的侧壁的另一个侧面凸出。第一、第二组的上述微凹适用于当燃料棒装入上述栅元的相邻栅元中时同燃料棒形成带弹性的摩擦啮合。
根据上面介绍的本发明所得到的一种微凹组结构将使格架栅元侧壁中的力矩减至最小。体现本发明的各种具体结构有可能构成一种半刚性的栅元，在这种栅元中将防止燃料棒作横向移动和转动。最好，使改进型格架的交织条带在其每一个交叉点上通过焊缝连接起来。
现在参考附图仅以举例方式来说明本发明的一个优先实施例，附图中有
图1是一个燃料组件局部取剖面的正视图，该燃料组件装有体现本发明的燃料棒支撑格架;
图2是一个体现本发明的燃料棒支撑格架的顶视图;
图3是图2中格架右下角部分放大后的不完全的顶视图;
图4、图5、图6和图7是分别沿着图3的4-4、5-5、6-6和7-7线所取的剖面图，图中表示了该格架一个给定栅元的侧壁上各个微凹组的布置以及每一组中多个微凹的布置;
图8是改进型支撑格架的两个相邻栅元中两根燃料棒的示意图，该图表示了由支撑格架中各微凹组的布置所形成的约束作用;
图9a至9e是改进型支撑格架中栅元两个相对侧壁上的微凹组中各种可能的微凹布置的示意图。
在下述说明中，用相同的参考符号表示数张图中相同的或相当的零件;而诸如“前部的”、“后部的”、“左侧的”、“右侧的”、“向上的”、“向下的”等等术语用作为便于表达的词语，而不认为是限制性术语。
现在来参考附图特别是参看图1，图中是一个通常用数字10标示的垂直方向用缩短形式表示的燃料组件的正视图。燃料组件10主要包括有用来将组件支撑到反应堆活性区(图中未表示)下部堆芯板(图中未表示)的下端部结构或下管咀12，以及许多根从下管咀12向上伸出、沿轴向延伸的导向管或导向套管14。组件10还包括有许多个具有本发明改进结构的横向格架16，这在下文将予以详细说明。改进型格架16沿着导向套管14在轴向间隔布置，而细长燃料棒18的规则阵列由格架16在横向间隔开并进行支撑。此外，燃料组件10包括有位于组件中央的仪表测量管道20和连接到导向套管14上端的上端部结构或上管咀22。由于采用这样一种结构，燃料组件10便形成为一种能方便地进行装卸而不会损坏其部件的整体单元。
如上所述，燃料组件10的燃料棒阵列中的燃料棒18相互之间保持为间隔布置，这是依靠沿着燃料组件长度方向间隔布置的本发明的改进型格架16来达到的。每一根燃料棒18包括有核燃料芯块24，燃料棒的两端用上部端塞26和下部端塞28封闭起来，以使燃料棒形成为气密封。通常，在上部端塞26和芯块24之间配置有一个增压弹簧30，以使芯块在燃料棒18内紧密地堆叠在一起。由裂变材料组成的燃料芯块24产生核反应堆的功率。液态慢化剂/冷却剂(例如水或含硼水)用泵向上抽送流过堆芯的燃料组件，以便取出内部生成的热量用来产生有用的功。
为了控制这一裂变过程，有很多控制棒32在燃料组件10内预定位置的导向套管14中作相对移动。具体来说，上管咀22包括有棒来控制机构34，该机构含有内部带螺纹的园筒形部件36，上面装有许多径向伸出的翼板38的爪钩。将每一个翼板连接到控制棒32，这样，就可以操作控制机构34，使控制棒32在导向套管14中作垂直运动，从而控制燃料组件10中的裂变过程，这些大家都是知道的。
为了使反应堆堆芯中的燃料棒相互之间保持有准确的间距，为了防止燃料棒产生横向和纵向的移动，为了使燃料棒在其有效寿命期间产生弯曲的可能性降到最小，按照本发明设计了一种改进型格架16，以便沿着各个燃料棒的园周施加指向燃料棒纵轴的径向向内的力。现在来参看图2至图7，从图中可以看到，每一个改进型格架16包括有许多相互交织的内部条带40，这些条带设计成蛋篮形结构，从而形成如符号42所示的中空栅元矩阵。大多数栅元分别装入一根燃料棒18，少数栅元分别装入一根控制棒导向套管14。在内部格架条带40的每一个交叉点，用焊缝43将条带连接起来。装有一根燃料棒18的每一个栅元42由两对相对着的细长侧壁44所限定，这些侧壁为相邻的栅元共用。形成单个栅元42的每一个侧壁44具有两个侧面46和48，一个侧面46形成为单个栅元42的部分周边，相反的侧面48形成为与上述栅元相邻布置的一个栅元42的部分周边。
本发明的改进体现为每一个支撑格架16，如图3至图7可见，它主要包括有通常用符号50标示的第一微凹组，它在限定格架16中每一个栅元42用的每一个侧壁44的上端52处形成。每一个支撑格架16还包括有通常用符号54标示的第二微凹组，它在限定每一个格架栅元42用的每一个侧壁44的下端56处形成。
更具体地说，第一微凹组50和第二微凹组54均由一对上微凹和下微凹58、60及一个中间微凹62形成。上微凹58和下微凹60从栅元侧壁44的同一个侧面46向外凸出，而中间微凹62位于上、下微凹58、60之间并与它们很靠近，并从栅元侧壁44的另一个相反侧面48向相反方向向外凸出。限定每一个栅元42的各个侧壁44上的第一微凹组50一般在相同高度上形成，同样，限定每一个格架栅元42的各个侧壁44上的第二微凹组54一般也在相同高度上形成。
第一和第二微凹组50、54中的微凹58、60和62适用于当燃料棒18装入相应栅元42时同燃料棒18形成带弹性的摩擦啮合。具体说，微凹58、60和62由内部条带40的金属材料(例如锆合金)用适当方式例如通常用冲压成形技术来制成。这些微凹通常呈U形结构，虽然形成为微凹的条带40是比较软的，但因为这些微凹以交错排列方式从格架栅元的侧壁44中向外凸出，于是它们形成为较硬的突起物，能够达到较高的弹簧刚度并对燃料棒产生控制力。依靠一系列的外部条带64可使格架16具有附加的刚性和强度，这些条带64彼此相连、四周闭合并同内部条带40相连接。
图8表示了改进型支撑格架16的两个相邻栅元42中配置的两根燃料棒18，图中表示了限定栅元42的侧壁44上微凹组50、54的布置如何产生控制力，这些控制力用来阻止两根燃料棒彼此向着格架16的上部弯曲。首先，在产生限制力矩的每一个微凹组处由格架微凹产生的力来限制各个燃料棒18的横向转动。其次，由于沿着栅元侧壁的装料路径很接近，处于直接压缩状态的特定的微凹组(例如图8中燃料棒18之间侧壁44上的微凹组50)是富有刚性的，这种刚性限制了燃料棒彼此之间的横向移动。最后，限制力矩中第三个较小的成分是由每一个微凹组高度处相对侧壁上相对着的微凹组对燃料棒的相互作用力提供的。
图9a至图9e概括地表示了改进型支撑格架16中限定单个栅元42a的二个相对着的侧壁44上的微凹组50、54中微凹58、60和62的五种不同的布置方式，该栅元四个相对侧壁44中的另二个侧壁也可以采用其中的任一种布置方式。在图9a中，在限定单个栅元42a的一对侧壁44中，一个侧壁44a上第一、第二微凹组50、54中的上微凹58和下微凹60，以及另一个侧壁44b上第一、第二微凹组50、54中的中间微凹62，都从相应侧壁44a、44b的相反的侧面48向外凸出到相邻栅元42b、42c中。从另一方面来说，在限定单个栅元42a的一对侧壁44中，一个侧壁44a上第一、第二微凹组50、54中的中间微凹62，以及另一个侧壁44b上第一、第二微凹组50、54中的上微凹58和下微凹60，都从相应侧壁44a、44b的一个侧面46向内凸出到这一单个栅元42a中。
在图9b中，在限定单个栅元42a的一对侧壁44中，两个侧壁44a、44b上第一、第二微凹组50、54的上微凹58和下微凹60都从相应侧壁44a、44b的相反的侧面48向外凸出到相邻栅元42b、42c中。从另一方面来说，在限定单个栅元42a的一对侧壁44中，两个侧壁44a、44b上第一、第二微凹组50、54中的中间微凹62都从相应侧壁44a、44b的一个侧面46向内凸出到这一单个栅元42a中。
在图9c中，在限定单个栅元42a的一对侧壁44中，两个侧壁44a、44b上第一、第二微凹组50、54中的上微凹58和下微凹60都从相应侧壁44a、44b的一个侧面向内凸出到这一单个栅元42a中。从另一方面来说，在限定单个栅元42a的一对侧壁44中，两个侧壁44a、44b上第一、第二微凹组50、54中的中间微凹62都从相应侧壁44的相反的侧面48向外凸出到相邻的栅元42b、42c中。
在图9d中，在限定单个栅元42a的一对侧壁44中，一个侧壁44a上第一微凹组50中的上微凹58和下微凹60、第二微凹组54中的中间微凹62，以及另一个侧壁44b上第一微凹组50中的中间微凹62、第二微凹组54中的上微凹58和下微凹60，都从相应侧壁44a、44b的相反的侧面48向外凸出到相邻的栅元42b、42c中。从另一方面来说，在限定单个栅元42a的一对侧壁44中，一个侧壁44a上第一微凹组50中的中间微凹62、第二微凹组54中的上微凹58和下微凹60、以及另一个侧壁44b上第一微凹组50中的上微凹58和下微凹60、第二微凹组54中的中间微凹62，都从相应侧壁44a、44b的一个侧面46向内凸出到这一单个栅元42a中。
在图9e中，在限定单个栅元42a的一对侧壁44中，一个侧壁44a上第一微凹组50中的上微凹58和下微凹60、第二微凹组54中的中间微凹62，以及另一侧壁44b上第一微凹组50中上微凹58和下微凹60、第二微凹组54中的中间微凹62，都从相应侧壁44a、44b的相反的侧面48向外凸出到相邻的栅元42b、42c中。从另一方面来说，在限定单个栅元42a的一对侧壁44中，一个侧壁44a上第一微凹组50中的中间微凹62、第二微凹组54中的上微凹58和下微凹60，以及另一侧壁44b上第一微凹组50中的中间微凹62、第二微凹组54中的上微凹58和下微凹60，都从相应侧壁44a、44b的一个侧面46向内凸出到这一单个栅元42a中。
权利要求
1、一种核燃料棒支撑格架，该格架包含有许多相互交织布置的条带，以构成一个中空栅元矩阵，每一个栅元可装入一根核燃料棒，每一个栅元由两对相对着布置的与相邻栅元共用的细长侧壁来限定，每个栅元的每一个侧壁用其一个侧面构成该栅元的部分周边，用其相反的侧面构成与该栅元相邻布置的一个栅元的部分周边。该格架的特点是(a)在限定每个栅元(42)用的每一个侧壁(44)的上端(52)附近形成第一个微凹组(50)；(b)在限定每个栅元(42)的每一个侧壁(44)的下端(56)附近形成第二个微凹组(54)。上述的第一个微凹组(50，54)均由一对上微凹和下微凹(58，60)及一个中间微凹(62)所组成，上微凹和下微凹(58，60)从形成该组微凹(58，60，62)的侧壁(44)上的同一个侧面(46)向外凸出，而中间微凹(62)位于上述的上微凹和下微凹(58，60)之间，并从形成该组微凹(58，60，62)的侧壁(44)的另一个相反侧面(48)凸出。第一、第二微凹组(50、54)的上述微凹(58，60，62)适用于当燃料棒装入上述栅元的相邻栅元中时同燃料棒形成带弹性的摩擦啮合。
2、按照权利要求
1的一种核燃料棒支撑格架，该格架的特点是每一个栅元(42)的各个侧壁(44)上的第一组微凹(50)通常位于相同的高度上。
3、按照权利要求
1或2的一种核燃料棒支撑格架，该格架的特点是每一个栅元(42)的各个侧壁(44)上的第二组微凹(54)通常位于相同的高度上。
4、按照权利要求
1、2或3的一种核燃料棒支撑格架，该格架的特点是在限定上述单个栅元(42a)的一对侧壁(44)中，一个侧壁(44a)上第一、第二微凹组(50、54)中的上微凹和下微凹(58、60)，以及另一个侧壁(44b)上第一、第二微凹组(50、54)中的中间微凹(62)，都从相应的侧壁(44a，44b)向外凸出到相邻栅元(42b、42c)中，从另一方面来说，在限定上述单个栅元(42a)的一对侧壁(44)中，一个侧壁(44a)上第一、第二微凹组(50、54)中的中间微凹(62)，以及另一个侧壁(44b)上第一、第二微凹组(50、54)中的上微凹和下微凹(58，60)，都从相应侧壁(44a、44b)向内凸出到上述单个栅元(42a)中。
5、按照权利要求
1、2或3的一种核燃料棒支撑格架，该格架的特点是在限定上述单个栅元(42a)的一对相对着布置的侧壁(44)中，两个侧壁(44a、44b)上第一、第二微凹组(50、54)中的上微凹和下微凹(58、60)都从相应侧壁(44)向外凸出到上述相邻栅元(44b、44c)中;从另一方面来说，在限定上述单个栅元(42a)的一对相对着布置的侧壁(44)中，两个侧壁(44a、44b)上第一、第二微凹组(50、54)中的中间微凹(62)都从相应的侧壁(44)向内凸出到上述单个栅元(42a)中。
6、按照权利要求
1、2或3的一种核燃料棒支撑格架，该格架的特点是在限定上述单个栅元(42a)的一对相对着布置的侧壁(44)中，两个侧壁(44a、44b)述第一、第二微凹组(50、54)中的上微凹和下微凹(58、60)都从相应侧壁(44)向内凸出到上述单个栅元(42a)中;从另一方面来说，在限定单个栅元(42a)的一对相对着布置的侧壁(44)中，两个侧壁(44a、44b)上第一、第二微凹组(50、54)中的中间微凹(62)都从相应侧壁(44)向外凸出到上述的相邻栅元(42b、42c)中。
7、按照权利要求
1、2或3的一种核燃料棒支撑格架，该格架的特点是在限定上述单个栅元(42a)的一对侧壁(44)中，一个侧壁(44a)上第一微凹组(50)中的上微凹和下微凹(58、60)、第二微凹组(54)中的中间微凹(62)，以及另一个侧壁(44b)上第一微凹组(50)中的中间微凹(62)、第二微凹组(54)中的上微凹和下微凹(58、60)，都从相应侧壁(44a，44b)向外凸出到上述相邻的栅元中;从另一方面来说，在限定上述单个栅元(42a)的一对侧壁(44)中，一个侧壁(44a)上第一微凹组(50)中的中间微凹(62)、第二微凹组(54)中的上微凹和下微凹(58、60)，以及另一个侧壁(44b)上第一微凹组(50)中的上微凹和下微凹(58、60)、第二微凹组(54)中的中间微凹(62)，都从相应侧壁(44a、44b)向内凸出到上述单个栅元(42a)中。
8、按照权利要求
1、2或3的一种核燃料棒支撑格架，该格架的特点是在限定上述单个栅元(42a)的一对侧壁(44)中，一个侧壁(44a)上第一微凹组(50)中的上微凹和下微凹(58、60)、第二微凹组(54)中的中间微凹(62)，以及另一侧壁(44b)上第一微凹组(50)中的上微凹和下微凹(58、60)、第二微凹组(54)中的中间微凹(62)，都从相应侧壁(44a、44b)向外凸出到上述相邻的栅元(42b、42c)中;从另一方面来说，在限定上述单个栅元(42a)的一对侧壁(44)中，一个侧壁(44a)上第一微凹组(50)的中间微凹(62)、第二微凹组(54)中的上微凹和下微凹(58、60)，以及另一个侧壁(44b)上第一微凹组(50)中的中间微凹62、第二微凹组(54)中的上微凹和下微凹(58、60)，都从相应侧壁(44a、44b)向内凸出到上述单个栅元(42a)中。
专利摘要
本发明涉及核燃料组件改进型燃料棒支撑格架，这种格架由交织条带构成一个栅元矩阵，每个栅元可装入一根燃料棒。形成为栅元侧壁的每一条带具有两组分别在侧壁上端和下端附近形成的微凹，每一组微凹包括有一对从侧壁的一个侧面凸出的上微凹和下微凹以及从该侧壁的另一侧面凸出的一个中间微凹。各个微凹配置成当燃料棒插入相应栅元时同燃料棒形成带弹性的摩擦啮合，从而使格架栅元壁中的力矩减至最小。
文档编号G21C3/34GK86102919SQ86102919
公开日1986年11月5日 申请日期1986年4月30日
发明者约翰·安东尼·里拉特 申请人:西屋电气公司导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan