一种复合型燃料组件、核反应堆堆芯以及组装方法与流程

本发明涉及核电领域，尤其涉及一种复合型燃料组件、核反应堆堆芯以及组装方法。

背景技术：

在核电技术领域，燃料组件作为核反应堆堆芯的主要组件，其安全性、稳定性是十分重要的。如图1所示，传统的燃料组件包括刚性骨架和燃料棒2。其中，刚性骨架包括搅混格架3、上管座1、下管座5和导向管4。搅混格架3由规则排列的用于容纳和夹持燃料棒2的栅元组成。导向管4比燃料棒2长，其从燃料棒2的端部伸出来，并固定在上管座1和下管座5上。下管座5位于燃料组件的下部，下管座5具有一些支撑腿和一个匹配板，有一些用来固定导向管4的孔道和贯通的冷却剂流道。燃料组件的另一端，即燃料组件上端的上管座1，包括一个横向的匹配板，有一些容纳和固定导向管4的孔道和贯穿的流水孔。其中燃料棒2在刚性骨架中平行排列并被均匀分隔，且每根燃料棒2的包壳均为一体成型。

现有技术的燃料组件中，至少存在以下缺陷：

高径比很高，这种特殊的结构会造成其横向刚度很小，那么在地震工况下，在反应堆堆芯中相邻的燃料组件会产生较大的冲击力，特别是燃料组件中间部分的冲击力最大，最容易造成结构性破坏，影响反应堆运行的安全性。

因为燃料棒2包壳与导向管4结构、材料、运行温度及中子通量的不同，会产生不同的生长量，同时由于定位格架对燃料棒2的夹持作用，因此燃料棒2与导向管4会承受方向相反的轴向力，生长量差越大，此轴向力越大。

单根燃料棒2的长度很长，一根燃料棒2内也会装载很多的燃料芯块，在整个燃料寿期内，会有更多裂变气体释放，造成燃料棒2内压的变化范围更大，这会给燃料棒2整体的结构完整性设计带来挑战。

单根燃料棒2的长度很长，因而包壳很更长，这会造成包壳制造工艺难度的增加；燃料棒2长度很长也会给燃料棒2整体的装配及制造的难度增加。

单根燃料棒2的长度很长，该特征会对燃料组件组装过程的燃料棒2拉棒造成困难，单根燃料棒2包壳经过的格架层数会增加，特别是最新先入燃料组件骨架的燃料棒2部分，这会增加燃料棒2包壳因格架弹簧刚凸加持造成的表面剐蹭幅度，进而增加锆屑的产生量，最终还是会影响反应堆的安全性。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的燃料棒太长而造成的缺陷，提供一种复合型燃料组件、核反应堆堆芯以及组装方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种复合型燃料组件，包括：第一燃料组件、第二燃料组件、以及将所述第一燃料组件和第二燃料组件在轴向方向上固定连接的连接机构。

优选的，所述第一燃料组件包括第一上管座、第一下管座、设置在所述第一上管座和第一下管座之间的第一格架、以及由所述第一格架夹持安装在所述第一上管座和第一下管座之间的第一燃料棒组；

所述第二燃料组件包括第二上管座、第二下管座、设置在所述第二上管座和第二下管座之间的第二格架、以及由所述第二格架夹持安装在所述第二上管座和第二下管座之间的第二燃料棒组。

优选的，所述连接机构包括在所述第一下管座向所述第二上管座一侧延伸的至少一连接销钉、以及在所述第二上管座上设置的、与所述连接销钉配合锁紧的连接槽；和/或，

所述连接机构包括在所述第二上管座向所述第一下管座一侧延伸的至少一连接销钉、以及在所述第一下管座上设置的、与所述连接销钉配合锁紧的连接槽。

优选的，所述第一下管座、第二上管座大致呈方形；

所述连接销钉包括四个，分别设置在所述第一下管座和/或第二上管座靠近角落的位置处；

所述连接槽包括四个，分别设置在所述第二上管座和/或第一下管座的侧边中间位置。

优选的，每一所述连接销钉包括与所述第一下管座和/或第二上管座连接的连接部、在所述连接部末端设置的头部、以及在所述头部与连接部之间形成的台阶部；

所述连接槽包括在所述第二上管座和/或第一下管座的侧壁设置贯通至侧壁端面的插入部、与所述插入部连通贯通至所述侧壁端面的弧形槽、以及在所述弧形槽靠近所述侧壁端面的一侧设置的弧形凸缘；

所述头部和连接部进入所述插入部，并转动使得所述头部和连接部进入所述弧形槽，所述台阶部卡止于所述弧形凸缘内侧。

优选的，所述第一燃料棒组和/或第二燃料棒组包括若干燃料棒；所述燃料棒的长度小于4米；并且所述第一燃料棒组和第二燃料棒组组合后的长度大于4米。

优选的，所述复合型燃料组件还包括一个或多个第三燃料组件，所述第三燃料组件设置在所述第一燃料组件和第二燃料组件之间，并设置与所述第一燃料组件、第二燃料组件和/或相邻的所述第三燃料组件分别进行轴向方向上的固定连接的连接机构。

本发明还提供一种核反应堆堆芯，上堆芯板、下堆芯板、以及安装在所述上堆芯板和下堆芯板之间的核燃料组件；其特征在于，所述核燃料组件包括上述任一项所述的复合型燃料组件。

优选的，所述复合型燃料组件的第一上管座与所述上堆芯板之间通过销钉径向固定连接；

所述复合型燃料组件的第二下管座与所述下堆芯板之间通过销钉径向固定连接。

本发明还提供一种复合型燃料组件的组装方法，用于上述任一项所述复合型燃料组件；包括：通过连接机构将第一燃料组件和第二燃料组件在轴向方向上固定连接，形成轴向固定的一体结构。

优选的，将所述复合型燃料组件的连接销钉的头部和连接部从插入部进入，旋转第一燃料组件或第二燃料组件，使得所述头部和连接部进入弧形槽，所述连接销钉的台阶部卡止于连接槽的弧形凸缘内侧。

实施本发明的有益效果是：本发明的第一燃料组件和第二燃料组件通过连接机构在轴向方向上固定连接，从而可以有效的降低第一燃料组件和第二燃料组件的单个组件的轴向长度，从而提高了制造可行性以及反应堆的安全性。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是现有技术的燃料组件的示意图；

图2是本发明的复合型燃料组件一个实施例的结构示意图；

图3是本发明的复合型燃料组件一个实施例的第一下管座的示意图；

图4是本发明的复合型燃料组件一个实施例的第二上管座的示意图；

图5是本发明的复合型燃料组件一个实施例的组装过程的示意图。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。

图2-5示出了本发明的复合型燃料组件一个实施例，包括第一燃料组件10、第二燃料组件30以及连接机构。可以通过该连接机构将第一燃料组件10、第二燃料组件30在轴向方向上固定连接，从而组成整体式的复合型燃料组件。

其中，该第一燃料组件10包括第一上管座11、第一下管座12、设置在第一上管座11和第一下管座12之间的第一格架13、以及由第一格架13夹持安装在第一上管座11和第一下管座12之间的第一燃料棒组14。可以理解的，该第一上管座11、第一下管座12、第一格架13、第一燃料棒组14等可以采用现有技术的各种结构，在此不做赘述。

第二燃料组件30包括第二上管座31、第二下管座32、设置在第二上管座31和第二下管座32之间的第二格架33、以及由第二格架33夹持安装在第二上管座31和第二下管座32之间的第二燃料棒组34。可以理解的，该第二上管座31、第二下管座32、第二格架33、第二燃料棒组34等可以采用现有技术的各种结构，在此不做赘述。

其中，第一燃料棒组14、第二燃料棒组34可以包括若干按规则排布的燃料棒，特别的，该燃料棒的长度可以为长度小于4米；并且第一燃料棒组14和第二燃料棒组34组合后的长度大于4米。当然，该燃料棒还可以为任意因工艺问题无法做成较大长度的燃料棒。

如图所示，该连接机构设置在整个复合型燃料组件的中间位置，将第一燃料棒组14和第二燃料棒组34在轴向上固定连接。在本实施例中，该连接机构包括在第一下管座12向第二上管座31一侧延伸的至少一连接销钉51、以及在第二上管座31上设置的、与连接销钉51配合锁紧的连接槽53。可以理解的，在其他实施例中，也可以将连接销钉51设置在第二上管座31上并向第一下管座12一侧延伸；对应的，连接槽53设置在第一下管座12上并与连接销钉51对应配合锁紧；或者，同时分别在第一下管座12和第二上管座31上设置连接销钉51，对应的，同时分别在第二上管座31和第一下管座12上设置连接槽53，连接销钉51与连接槽53匹配锁紧即可。

如图所示，本实施例的第一下管座12、第二上管座31大致呈方形，对应的，连接销钉51包括四个，分别设置在第一下管座12和/或第二上管座31靠近角落的位置处；连接槽53包括四个，分别设置在第二上管座31和/或第一下管座12的侧边中间位置。可以理解的，该第一下管座12、第二上管座31的形状可以根据需要设计成矩形、圆形或其他任意形状；而连接销钉51、连接槽53的位置、数量也可以根据实际需要进行调整。

在本实施例中，如图3所示，每一连接销钉51包括连接部511、在连接部511末端设置的头部512、以及在头部512与连接部511之间形成的台阶部513。当连接销钉51设置在第一下管座12上时，该连接部511与第一下管座12固定连接，而连接销钉51设置在第二上管座31上时，该连接部511与第二上管座31固定连接。该头部512的尺寸大于连接部511的尺寸，轴向截面形状形成“T”形，从而可以形成倒勾的功能，在轴向方向上与连接槽53形成卡勾，实现轴向上的定位。当然，连接销钉51的形状、结构也可以根据需要进行调整，只要能够实现轴向卡勾即可。

如图4所示，该连接槽53与连接销钉51相对设置，即，当连接销钉51设置在第一下管座12时，该连接槽53设置在第二上管座31上；连接销钉51设置在第二上管座31时，连接槽53设置在第一下管座12上。该连接槽53包括插入部531、弧形槽532以及弧形凸缘533等。

其中，该插入部531在第二上管座31和/或第一下管座12的侧壁上设置，其开口贯通至侧壁端面，以便于连接销钉51插入。该弧形槽532与插入部531连通并贯通至侧壁的端面，从而在旋转第一下管座12时，使得连接销钉51可以在弧形槽532内移动。并且，弧形凸缘533在弧形槽532靠近侧壁端面的一侧设置，可以连接销钉51的台阶部513可以抵止于弧形凸缘533的内侧，使得连接销钉51难以从弧形槽532中脱出，进而实现了第一下管座12与第二上管座31之间的轴向定位。

可以理解的，该连接槽53的形状、结构形式也可以根据需要进行调整，只要能够实现在轴向上与连接销钉51固定连接，实现轴向定位即可。

进一步的，在其他一些实施例中，该复合型燃料组件还可以包括一个或多个第三燃料组件。该第三燃料组件可以设置在第一燃料组件10和第二燃料组件30之间，并可以根据需要设置一个或多个，从而适应不同的尺寸要求。对应的，该第三燃料组件与第一燃料组件10、第二燃料组件30直接也可以设置连接机构，分别与相邻的燃料组件进行轴向方向上的固定连接。

该第三燃料组件包括第三上管座、第三下管座、设置在第三上管座和第三下管座之间的第三格架、以及由第三格架夹持安装在第三上管座和第三下管座之间的第三燃料棒组。

可以理解的，该连接结构可以包括上述实施例中相配合的连接销钉51、连接槽53等，分别设置在第三上管座和第三下管座上设置，与第一下管座12、第二上管座31对应连接，即可在轴向方向上实现第一燃料组件10、第二燃料组件30、第三燃料组件的轴向限位连接。

在本发明的核反应堆堆芯的一些实施例中，该核反应堆堆芯包括上堆芯板、下堆芯板、以及上述任意实施例的复合型燃料组件。该复合型燃料组件安装在上堆芯板和下堆芯板之间。可以理解的，复合型燃料组件的数量可以根据实际需要进行配置。

其中，复合型燃料组件的第一上管座11与上堆芯板之间通过销钉径向固定连接；复合型燃料组件的第二下管座32与下堆芯板之间通过销钉径向固定连接，从而组成整体的核反应堆堆芯。

在复合型燃料组件组装时，通过连接机构将第一燃料组件10和第二燃料组件30在轴向方向上固定连接，形成轴向固定的一体结构。

具体的，如图5所示，将复合型燃料组件的第一燃料组件10与第二燃料组件30的中心对中，并错开45度（可以理解的，错开的角度与连接销钉51与连接槽53的设置位置相关）；将第一燃料组件10垂直插入第二燃料组件30并抵死，即，将第一燃料组件10的连接销钉51的头部512和连接部511从第二燃料组件30的插入部531进入；然后，将第一燃料组件10或第二燃料组件30旋转45度，使得头部512和连接部511进入弧形槽532，连接销钉51的台阶部513卡止于连接槽53的弧形凸缘533内侧，即实现第一燃料组件10、第二燃料组件30的轴向锁死。

可以理解的，当有第三燃料组件时，同样可以通过类似组装方法进行组装，从而形成一体式结构。

复合型燃料组件装入核反应堆堆芯后，第一燃料组件10的径向位置由上堆芯板销钉插入第一上管座11的定位孔中，而第二燃料组件30的径向位置由下堆芯板销钉插入第二下管座32的定位孔中。通过以上各方向的定位，即完成了对复合型燃料组件整体的轴向和径向的定位。

在本发明的实施例中，第一燃料组件10的第一下管座12和第二燃料组件30的第二上管座31可以通过精密铸造而成，本身具有很大的刚度及强度，一般的撞击力根本不能使其发生结构性破坏。在现有技术的燃料组件中，因为高度很高，所以其横向刚度就会很小，如果在反应堆运行中发生地震等事故工况时，整个堆芯就会发生震动变形，特别是燃料组件的中间部位变形会最大，那么中间部位的定位格架就会承受较大的冲击力，定位格架一般由金属条带通过钣金工艺制成，强度较低，所以很容易就会发生结构型破坏；通过采用本发明实施例的复合型燃料组件后，结合部较大的刚度及强度保证了燃料组件不会发生破坏，提高了反应堆的运行安全性。

另外，通过本发明实施例的复合型燃料组件，在不对反应堆总的功率输出造成太大影响的情况下，可以缩短单根燃料棒的长度，单根燃料棒的长度缩短以后，会带来诸多好处：

首先，因为燃料棒是被定位格架夹持而悬在燃料组件骨架中的，而定位格架又与燃料组件导向管焊接固定，这就会产生一个问题，因为燃料棒与导向管的结构、运行温度、材料、承受的中子通量等方面的差别，就会造成燃料棒与导向管的长度变化差（热膨胀与辐照生长），因此燃料棒与导向管会承受方向相反的轴向力，生长量差越大，此轴向力越大，进而会威胁到燃料组件的结构完整性；本发明的实施例采用了较短的燃料棒，那么就会将此生长量差分配到两根较短的燃料棒上，那么每根燃料棒所产生的生长量差就会显著减小，进而减小由于此生长量差所产生的轴向力。

对于目前世界上正在运行的大部分大型压水堆，所使用的现有技术燃料棒的高度大部分在4米以上，较长的燃料棒就会给包壳的制造带来一定挑战，例如包壳管的直线度、壁厚均匀度等，特别是对于目前世界上在研的最先进的事故容错型包壳管，如Mo合金包壳、碳化硅复合材料包壳等，均因为工艺方面存在一定问题，导致无法在精确控制包壳尺寸的情况下做到4米或更长。

对于现有技术，因为燃料组件很高，为了可靠的夹持燃料棒，一般都会设置多层定位格架来加持燃料棒，定位格架的加持力由其内部的弹簧提供；在燃料组件的制造过程中，一般都是现将除燃料棒以外的骨架部分先行组装制造完成，然后通过拉棒的形式将燃料棒拉入骨架中最终形成燃料组件；而定位格架中的夹持弹簧对燃料棒包壳有剐蹭，并会产生一定量的屑体，当燃料组件越高，那么定位格架的数量一般也就越多，那么拉棒时燃料棒通过的定位格架数量也就越多， 那么对燃料棒的剐蹭就越严重，产生的屑体也就越多，这些最终都会影响到反应堆运行的安全性；因此，通过本发明实施例的复合型燃料组件，可以解决上述问题。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干个改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。