技术领域
[0001] 本发明属于核燃料技术领域，具体涉及一种燃料组件格架、燃料组件及压水堆堆芯。
相关背景技术
[0002] 燃料组件是核电站的核心部件，其性能直接影响核电站的可靠性、安全性和经济性。燃料组件要实现高的经济性、安全性、可靠性的目标，通常从提升热工水力性能、燃料组件燃耗、抗弯曲性能，以及采用避免运行中燃料破损的其它措施。
[0003] 现有压水堆燃料组件的结构，通常由下述两部分组成：
[0004] a)骨架结构，包括上管座、下管座、导向管、仪表管和沿组件不同高度分布的格架；
[0005] b)含易裂变材料的燃料棒。
[0006] 其中，格架一般由条带组装，具有多个方形腔体。导向管平行放置在部分的格架腔体中，格架将导向管成功隔开，控制了导向管之间间距，这样就构成了管束。管束上下两端由上管座和下管座固定，组成了燃料组件骨架。
[0007] 燃料棒平行放置在没有被导向管占据的腔体中。冷却流体从下管座下部流入流经燃料棒，将中子慢化并带走裂变能，从上管座流出，从而起到降温作用。
[0008] 燃料棒、导向管和仪表管按照方形、六角形等网格排列。反应堆堆芯由若干燃料组件按照一定的栅格布置组成，满足反应堆物理学和热工水力学的要求。反应堆堆芯示意图见图1，燃料组件参考示意图见图2，其包含一个上管座(含板弹簧压紧部件)、一个下管座、若干格架，若干燃料棒、若干导向管等部件。其燃料棒可按照一定的形式排列成四边形(如N×N排列，2≤N≤25)，也可排列成六边形等各种形状。其轴向布置若干格架，格架数量可从2至20。
[0009] 燃料棒穿过各格架，被格架夹持，使其保持相互间的横向间距以及与上、下管座间的轴向间距。
[0010] 格架作为骨架的重要组成部分，锆合金条带相互镶嵌并焊接而成，其主要功能一是夹持燃料棒使其定位，二是内条带含有搅混翼，可加强冷却剂的搅混以提高燃料组件的临界热流密度。如图3所示，传统的格架内条带上布置有搅混翼，同时内条带上冲压形成第一刚凸，中部卡有弹簧，外条带上设置有导向翼，传统的格架在其顶端设置有搅混翼结构，在条带十字交叉处纵横交替布置，对应于每个子通道，将会形成子通道内部对流体的涡旋搅混以及子通道之间的横向流搅混；每层格架的外条带上带有导向翼，除了搅混流体的作用外，还在燃料组件装卸过程中起导向作用。
[0011] 围绕着先进核电机组对经济性的要求，需要燃料组件格架具有良好的热工水力性能，这就对格架中的搅混翼、导向翼及相关部件的设置提出了如何更好的起到引流作用、并在保证减小紊流程度和流动一致性的基础上降低流动阻力的要求。本领域的现有技术一般是通过对搅混翼和导向翼及相关部件的结构形式和连接关系进行改进以解决上述问题。
[0012] 一般的，为了解决上述问题，现有技术通常在设有燃料棒的腔体的角落位置处设置搅混件，来增加冷却流体对燃料棒的冷却效果。美国专利US6144716的搅混件，通过插槽将搅混件插设在腔体的角落位置，并设置一些槽孔来增加冷却流体的沿程，并通过调整搅混翼的面积和角度等，来提高换热效果。但以这种方法为代表的技术方案中，难以将相邻腔体的冷却流体引入搅混，换热不充分；单个通道内的存在无效涡流，影响冷却流体的流动换热；而且冷却流体流经搅混件时，压降较大。
[0013] 综上可知，现有的搅混翼结构并未考虑其如何才能充分发挥其对流体的搅混作用、其下部的弹簧和刚凸对搅混翼引导流体的影响以及格架外条带导向翼与搅混翼对流体搅混的协同作用，从而导致搅混性能不够理想，进而影响核燃料组件的热工性能，导致核电站的反应堆机组经济性不能得到进一步提高。
具体实施方式
[0076] 在下文中，可在本发明的各种实施例中使用的术语“包括”或“可包括”指示所发明的功能、操作或元件的存在，并且不限制一个或更多个功能、操作或元件的增加。此外，如在本发明的各种实施例中所使用，术语“包括”、“具有”及其同源词仅意在表示特定特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合，并且不应被理解为首先排除一个或更多个其它特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合的存在或增加一个或更多个特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合的可能性。
[0077] 在本发明的各种实施例中，表述“或”或“A或/和B中的至少一个”包括同时列出的文字的任何组合或所有组合。例如，表述“A或B”或“A或/和B中的至少一个”可包括A、可包括B或可包括A和B二者。
[0078] 在本发明的各种实施例中使用的表述(诸如“第一”、“第二”等)可修饰在各种实施例中的各种组成元件，不过可不限制相应组成元件。例如，以上表述并不限制所述元件的顺序和/或重要性。以上表述仅用于将一个元件与其它元件区别开的目的。例如，第一用户装置和第二用户装置指示不同用户装置，尽管二者都是用户装置。例如，在不脱离本发明的各种实施例的范围的情况下，第一元件可被称为第二元件，同样地，第二元件也可被称为第一元件。
[0079] 应注意到：如果描述将一个组成元件“连接”到另一组成元件，则可将第一组成元件直接连接到第二组成元件，并且可在第一组成元件和第二组成元件之间“连接”第三组成元件。相反地，当将一个组成元件“直接连接”到另一组成元件时，可理解为在第一组成元件和第二组成元件之间不存在第三组成元件。
[0080] 在本发明的各种实施例中使用的术语仅用于描述特定实施例的目的并且并非意在限制本发明的各种实施例。如在此所使用，单数形式意在也包括复数形式，除非上下文清楚地另有指示。除非另有限定，否则在这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明的各种实施例所属领域普通技术人员通常理解的含义相同的含义。所述术语(诸如在一般使用的词典中限定的术语)将被解释为具有与在相关技术领域中的语境含义相同的含义并且将不被解释为具有理想化的含义或过于正式的含义，除非在本发明的各种实施例中被清楚地限定。
[0081] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
[0082] 如图1所示，现有反应堆堆芯结构中，0°、90°、180°、270°表示堆芯方位。横坐标字母、纵坐标数字用于表示堆芯内坐标，一个坐标代表一个燃料组件装入的位置。例如G15、F14、E14是3个燃料组件的位置。
[0083] 实施例1
[0084] 本实施例提出了一种燃料组件格架，燃料组件格架内条带和外条带组装焊接而成；内条带由搅混翼、第一刚凸、冲制槽、弹簧、导向翼支撑结构构成；外条带由导向翼、第二刚凸构成。
[0085] 本实施例提出了一种燃料组件格架搅混翼、弹簧与刚凸结构，具体如图4‑5所示，本实施例采用一种具有高效搅混性能的格架，其格架采用的搅混翼多次弯折成形，侧面呈“S”型。
[0086] 内条带上边沿水平线与距离最近的冲制槽上边沿之间的距离H3大于第一刚凸本身的轴向高度H4，其中H4是指第一刚凸沿着燃料棒栅元轴向的长度。单金属格架中，一个栅元相对方向上包括弹簧和第一刚凸构成一对夹持结构。弹簧从栅元条带上直接冲压突出条带表面，形成拱形结构，弹簧沿栅元的轴向布置。冲压形成拱形结构是单一拱形，或者根据需要是多个拱形的组合。当燃料棒拉棒经过栅元时，沿轴向布置的拱形形成连续的导向，没有锐面或边与燃料棒包壳接触，可降低对包壳的损伤。弧形的最高点位置与燃料棒接触，接触位置设置一定长度的接触区域，该区域是平直面或者包裹燃料棒包壳的弧形部分，以降低接触位置的应力。在靠近弹簧的两端附近开设孔结构增加冷却剂的流通面积以减小流动的阻力，弹簧的侧面为弧形结构。弹簧两端宽度大于中间区域，其好处是降低根部的应力，同时在保证合适的燃料棒接触面积条件下降低流动面积的阻挡，减小流动的阻力。
[0087] 如图7所示，本实施例的导向翼在与搅混翼方向匹配的情况下，导向翼的高度为H1；当搅混翼与导向翼方向冲突时，导向翼的高度为H2；H2
[0088] 本实施例采用多次弯折成形，侧面呈“S”型的搅混翼，同时还增加了搅混翼与下部弹簧、刚凸距离，以及通过导向翼与搅混翼协同作用，提高了格架搅混性能。
[0089] 实施例2
[0090] 如图6所示，本实施例对上述实施例1提出的弹簧进行了进一步优化，本实施例的弹簧侧面的轮廓可以根据需要调整为直边；或者反向的外凸弧形，即中间宽度大于两端，同时中间与燃料棒接触区域加工一定半径的弧形，包裹燃料棒包壳。
[0091] 实施例3
[0092] 本实施例对上述实施例提出的格架作了进一步优化，如图7‑9，该格架由若干个条带互相正交插配构成，并在交叉位置的上下两处实施焊接固定，形成方形燃料棒栅元；在能明确表示出结构关系的前提下，为了简明，上述图7‑9显示的均为格架的局部；位于内部和外围的条带分别为内条带和外条带，所述外条带的上下两端均连续设置有向内弯折的导向翼，导向翼连续布置，形成连续的导向作用，防止吊装过程组件勾挂。
[0093] 为了强化导向翼的抗弯曲能力，本发明在内条带的两端对应导向翼均设置了导向翼支撑结构，该导向翼支撑结构顶靠在与其位置相对应的导向翼内侧，在互相压靠时可加强外条带的刚性。
[0094] 由于格架发生勾挂后，导向翼存在外翻或撕裂的现象。本发明为了进一步防止导向翼的损伤，将导向翼支撑结构与导向翼内侧焊接在一起。
[0095] 实施例4
[0096] 本实施例提出了一种燃料组件，包括上管座、燃料棒、导向管、仪表管、下管座以及上述实施例提出的格架。
[0097] 燃料棒包壳、导向管和仪表管的材料均采用完全再结晶锆‑锡‑铌合金；所述完全再结晶锆‑锡‑铌合金包含：0.80％‑1.20％锡，0.90％‑1.25％铌，0.12％‑0.45％铁，0.06％‑0.15％氧，小于0.015％碳，小于0.008％氮，其余为锆；所述百分比均为质量百分比。
[0098] 堆芯测量仪表从仪表管的上部插入，或者从仪表管的下部插入。
[0099] 实施例5
[0100] 本实施例对上述实施例4的下管座进行了进一步优化，如图10‑12所示，本实施例采用具有过滤异物功能的下管座，包括若干轴线互相平行的叶片和若干轴线互相平行的筋条组件，所述筋条组件的轴线与叶片的轴线互相垂直；筋条组件由两根对称的上筋条和下筋条构成，上筋条和下筋条相对的面各自开有与叶片数量对应的卡槽；叶片包括若干凸起方向一致的凸起件，相邻两凸起件之间由直段连接，直段上端面和下端面均开有凹槽，所述凹槽的开口方向与凸起件的凸起方向互相垂直；上筋条位于叶片上方，其上筋条的卡槽和叶片上端面的凹槽采用口对口咬合方式卡接在一起，下筋条位于叶片下方，其下筋条的卡槽和叶片下端面的凹槽采用口对口咬合方式卡接在一起。
[0101] 本实施例通过采用由多个弧面凸起件组成的叶片，将叶片以一定间距整齐和对称的排列在一起，两个相邻叶片上的两个平行的凸起件之间形成过滤异物的流道；而使用两根结构相同对称设置的上筋条和下筋条分别从叶片的上下两个方向、并在叶片相邻凸起件间的空隙处夹持住叶片，将两个相邻叶片间的流道进一步分割为单个完全封闭的流道，可增强过滤功能并能降低冷却剂压降；为了增加结构强度，支承座嵌入在由叶片和筋条组件组成的组合体中，为燃料组件的导向管与仪表管提供安装结构；上述组合体由框体固定，即筋条组件的两端和叶片的两端均镶嵌在框体上，上述整个结构由支腿支撑；将以上整个结构完全结合为一个整体，即成为下管座。叶片是由多个弧面凸起件组成，刚度与强度较好，筋条贯通了整个叶片，进一步提高了下管座的结构强度，并且单个封闭的流道相对于开放的流道来说提高了下管座的过滤能力，降低了冷却剂压降，叶片与筋条的几何形状也采用有利于降低冷却剂压降的形式，综合以上因素，该下管座在结构强度、过滤能力、冷却剂压降三方面均具有优良的性能。
[0102] 实施例6
[0103] 本实施例对上述实施例提出的导向管作了进一步优化，本实施例采用管中管式导向管，具体如图13所示，由导向管、内套管组件以及导向管端塞组成，导向管、焊接在导向管下端开口处的导向管端塞、以及通过胀接方式固定在导向管的内壁上的内套管组件；本实施例中，内套管组件为一个单层内套管，且该内套管与导向管为等壁厚的直管。
[0104] 本实施例内套管组件的数目根据燃料组件性能要求进行选择，数目为1个或多个，其固定在导向管内壁需要缓冲的位置上，从而形成缓冲段，获得满足燃料组件的要求的缓冲效果，同时能减少结构材料的消耗，还提高了燃料组件的中子经济性。
[0105] 实施例7
[0106] 如图14‑15所示，本实施例对上述实施例提出的上管座进一步优化。上管座由连接板、固定在连接板边缘的围板和固定在围板上的框板构成，连接板上开设有用于安装燃料组件导向管的连接孔A和用于安装仪表管的连接孔B，在所述连接板上均匀开设有多个长条形的流水孔，流水孔包括流水孔A和流水孔B，流水孔A和流水孔B的轴线之间存在大于0°的夹角；在所述连接板上，轴向相邻的两个流水孔A和两个流水孔B之间形成连接部；在所述连接板上，径向相邻的两个流水孔A和两个流水孔B之间形成合围部；所述连接板上还开设有中心流水孔，连接孔A、连接孔B和中心流水孔分别设置于合围部上；所述流水孔的侧面内凹形成圆弧面A，圆弧面A的弧度与相邻的连接孔A、连接孔B或中心流水孔的弧度相匹配；所述连接孔A和所述中心流水孔交错设置，所述连接孔B开设在位于所述连接板中心位置的合围部上。
[0107] 实施例8
[0108] 本实施例提出了一种压水堆堆芯，该堆芯采用上述实施例提出的燃料组件，在堆芯中不同燃料组件可采用不同富集度燃料，在换料期间卸出若干燃料组件，并装入若干新的燃料组件，保证合适的燃料利用率。通过对不同富集度燃料组件位置的合理布置，降低堆芯热点因子和核焓升因子，使堆芯总体具有高的功率水平。
[0109] 本发明提供的燃料组件格架、燃料组件、压水堆堆芯适用于三代压水堆及二代+压水堆，能够增强燃料组件格架的搅混性能，增强冷却剂传热能力，提升核燃料组件的热工性能；有助于堆芯总体功率水平的提高。
[0110] 以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
