專利名稱:帶有多個微凹改進結構的核燃料棒支撐格架的制作方法
本發(fā)明一般涉及核反應堆的燃料組件，更具體地涉及支撐核燃料棒用的帶有多個微凹改進結構的格架。
在大多數(shù)核反應堆中，反應堆堆芯由大量的細長燃料組件組成。這些通常設計的燃料組件包含有大量的燃料棒，這些燃料棒依靠多個格架形成為一個規(guī)則陣列，這些格架沿著燃料組件的長度呈軸向間隔布置并固定到燃料組件的許多根細長的控制棒導向套管上。燃料組件兩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導向套管上。
大家都知道，格架用來使反應堆堆芯中的燃料棒之間保持有準確的間距，用來阻止燃料棒產(chǎn)生振動，用來提供燃料棒的橫向支撐，在某種程度上說，還用來摩擦夾住燃料棒，防止產(chǎn)生縱向移動。在通常的格架設計中，格架包括有許多相互交織的條帶，這些條帶設計成蛋籃形結構，以便形成許多能分別裝入燃料棒和控制棒導向套管的柵元。每一個格架的柵元可裝入燃料棒并在指定的軸向位置上對其進行支撐，這些柵元一般都使用帶有較大彈性的彈簧以及(或)由交織條帶的金屬材料構成的較硬的突起物(稱之為微凹)。每一個格架柵元的彈簧和微凹同裝入該柵元的燃料棒保持摩擦嚙合或接觸。此外，外部條帶彼此相連，沿四周使格架條帶閉合起來，以增加格架的剛性和強度。
代表以前技術的是下述美國專利中圖示和說明的格架美國專利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。
對于用鋯合金型材料制成的格架來說，在將燃料組件裝入核反應堆堆芯中以后由于輻照和溫度的影響，格架彈簧不能保持其設計的預壓力。在某些情況下，難于獲得抑制燃料棒彎曲所必需的彈簧剛度和彈力。
本發(fā)明的主要目的是提供燃料組件格架中的一種改進的微凹結構，這種微凹結構將提供支撐反應堆堆芯中燃料棒所必需的彈力，并隨時間變化只有極小的衰減。
因此，本發(fā)明歸結于一種核燃料棒支撐格架，該格架包含有許多相互交織布置的條帶，以構成一個中空柵元矩陣，每一個柵元可裝入一根核燃料棒，每一個柵元由兩對相對著布置的與相鄰柵元共用的細長側壁來限定，每個柵元的每一個側壁用其一個側面構成柵元的部分周邊，用其相反的側面構成與該柵元相鄰布置的另一個柵元的部分周邊。該格架的特點是(a)在限定每個柵元用的每一個側壁的上端附近形成第一個微凹組;(b)在限定每個柵元用的每一個側壁的下端附近形成第二個微凹組。上述的每一個微凹組均由一對上微凹和下微凹以及一個中間微凹組成，上微凹和下微凹從形成該組微凹的側壁的同一側面向外凸出，而中間微凹位于上微凹和下微凹之間，并從形成該組微凹的側壁的另一個側面凸出。第一、第二組的上述微凹適用于當燃料棒裝入上述柵元的相鄰柵元中時同燃料棒形成帶彈性的摩擦嚙合。
根據(jù)上面介紹的本發(fā)明所得到的一種微凹組結構將使格架柵元側壁中的力矩減至最小。體現(xiàn)本發(fā)明的各種具體結構有可能構成一種半剛性的柵元，在這種柵元中將防止燃料棒作橫向移動和轉動。最好，使改進型格架的交織條帶在其每一個交叉點上通過焊縫連接起來。
現(xiàn)在參考附圖僅以舉例方式來說明本發(fā)明的一個優(yōu)先實施例，附圖中有
圖1是一個燃料組件局部取剖面的正視圖，該燃料組件裝有體現(xiàn)本發(fā)明的燃料棒支撐格架;
圖2是一個體現(xiàn)本發(fā)明的燃料棒支撐格架的頂視圖;
圖3是圖2中格架右下角部分放大后的不完全的頂視圖;
圖4、圖5、圖6和圖7是分別沿著圖3的4-4、5-5、6-6和7-7線所取的剖面圖，圖中表示了該格架一個給定柵元的側壁上各個微凹組的布置以及每一組中多個微凹的布置;
圖8是改進型支撐格架的兩個相鄰柵元中兩根燃料棒的示意圖，該圖表示了由支撐格架中各微凹組的布置所形成的約束作用;
圖9a至9e是改進型支撐格架中柵元兩個相對側壁上的微凹組中各種可能的微凹布置的示意圖。
在下述說明中，用相同的參考符號表示數(shù)張圖中相同的或相當?shù)牧慵?而諸如“前部的”、“后部的”、“左側的”、“右側的”、“向上的”、“向下的”等等術語用作為便于表達的詞語，而不認為是限制性術語。
現(xiàn)在來參考附圖特別是參看圖1，圖中是一個通常用數(shù)字10標示的垂直方向用縮短形式表示的燃料組件的正視圖。燃料組件10主要包括有用來將組件支撐到反應堆活性區(qū)(圖中未表示)下部堆芯板(圖中未表示)的下端部結構或下管咀12，以及許多根從下管咀12向上伸出、沿軸向延伸的導向管或導向套管14。組件10還包括有許多個具有本發(fā)明改進結構的橫向格架16，這在下文將予以詳細說明。改進型格架16沿著導向套管14在軸向間隔布置，而細長燃料棒18的規(guī)則陣列由格架16在橫向間隔開并進行支撐。此外，燃料組件10包括有位于組件中央的儀表測量管道20和連接到導向套管14上端的上端部結構或上管咀22。由于采用這樣一種結構，燃料組件10便形成為一種能方便地進行裝卸而不會損壞其部件的整體單元。
如上所述，燃料組件10的燃料棒陣列中的燃料棒18相互之間保持為間隔布置，這是依靠沿著燃料組件長度方向間隔布置的本發(fā)明的改進型格架16來達到的。每一根燃料棒18包括有核燃料芯塊24，燃料棒的兩端用上部端塞26和下部端塞28封閉起來，以使燃料棒形成為氣密封。通常，在上部端塞26和芯塊24之間配置有一個增壓彈簧30，以使芯塊在燃料棒18內(nèi)緊密地堆疊在一起。由裂變材料組成的燃料芯塊24產(chǎn)生核反應堆的功率。液態(tài)慢化劑/冷卻劑(例如水或含硼水)用泵向上抽送流過堆芯的燃料組件，以便取出內(nèi)部生成的熱量用來產(chǎn)生有用的功。
為了控制這一裂變過程，有很多控制棒32在燃料組件10內(nèi)預定位置的導向套管14中作相對移動。具體來說，上管咀22包括有棒來控制機構34，該機構含有內(nèi)部帶螺紋的園筒形部件36，上面裝有許多徑向伸出的翼板38的爪鉤。將每一個翼板連接到控制棒32，這樣，就可以操作控制機構34，使控制棒32在導向套管14中作垂直運動，從而控制燃料組件10中的裂變過程，這些大家都是知道的。
為了使反應堆堆芯中的燃料棒相互之間保持有準確的間距，為了防止燃料棒產(chǎn)生橫向和縱向的移動，為了使燃料棒在其有效壽命期間產(chǎn)生彎曲的可能性降到最小，按照本發(fā)明設計了一種改進型格架16，以便沿著各個燃料棒的園周施加指向燃料棒縱軸的徑向向內(nèi)的力?，F(xiàn)在來參看圖2至圖7，從圖中可以看到，每一個改進型格架16包括有許多相互交織的內(nèi)部條帶40，這些條帶設計成蛋籃形結構，從而形成如符號42所示的中空柵元矩陣。大多數(shù)柵元分別裝入一根燃料棒18，少數(shù)柵元分別裝入一根控制棒導向套管14。在內(nèi)部格架條帶40的每一個交叉點，用焊縫43將條帶連接起來。裝有一根燃料棒18的每一個柵元42由兩對相對著的細長側壁44所限定，這些側壁為相鄰的柵元共用。形成單個柵元42的每一個側壁44具有兩個側面46和48，一個側面46形成為單個柵元42的部分周邊，相反的側面48形成為與上述柵元相鄰布置的一個柵元42的部分周邊。
本發(fā)明的改進體現(xiàn)為每一個支撐格架16，如圖3至圖7可見，它主要包括有通常用符號50標示的第一微凹組，它在限定格架16中每一個柵元42用的每一個側壁44的上端52處形成。每一個支撐格架16還包括有通常用符號54標示的第二微凹組，它在限定每一個格架柵元42用的每一個側壁44的下端56處形成。
更具體地說，第一微凹組50和第二微凹組54均由一對上微凹和下微凹58、60及一個中間微凹62形成。上微凹58和下微凹60從柵元側壁44的同一個側面46向外凸出，而中間微凹62位于上、下微凹58、60之間并與它們很靠近，并從柵元側壁44的另一個相反側面48向相反方向向外凸出。限定每一個柵元42的各個側壁44上的第一微凹組50一般在相同高度上形成，同樣，限定每一個格架柵元42的各個側壁44上的第二微凹組54一般也在相同高度上形成。
第一和第二微凹組50、54中的微凹58、60和62適用于當燃料棒18裝入相應柵元42時同燃料棒18形成帶彈性的摩擦嚙合。具體說，微凹58、60和62由內(nèi)部條帶40的金屬材料(例如鋯合金)用適當方式例如通常用沖壓成形技術來制成。這些微凹通常呈U形結構，雖然形成為微凹的條帶40是比較軟的，但因為這些微凹以交錯排列方式從格架柵元的側壁44中向外凸出，于是它們形成為較硬的突起物，能夠達到較高的彈簧剛度并對燃料棒產(chǎn)生控制力。依靠一系列的外部條帶64可使格架16具有附加的剛性和強度，這些條帶64彼此相連、四周閉合并同內(nèi)部條帶40相連接。
圖8表示了改進型支撐格架16的兩個相鄰柵元42中配置的兩根燃料棒18，圖中表示了限定柵元42的側壁44上微凹組50、54的布置如何產(chǎn)生控制力，這些控制力用來阻止兩根燃料棒彼此向著格架16的上部彎曲。首先，在產(chǎn)生限制力矩的每一個微凹組處由格架微凹產(chǎn)生的力來限制各個燃料棒18的橫向轉動。其次，由于沿著柵元側壁的裝料路徑很接近，處于直接壓縮狀態(tài)的特定的微凹組(例如圖8中燃料棒18之間側壁44上的微凹組50)是富有剛性的，這種剛性限制了燃料棒彼此之間的橫向移動。最后，限制力矩中第三個較小的成分是由每一個微凹組高度處相對側壁上相對著的微凹組對燃料棒的相互作用力提供的。
圖9a至圖9e概括地表示了改進型支撐格架16中限定單個柵元42a的二個相對著的側壁44上的微凹組50、54中微凹58、60和62的五種不同的布置方式，該柵元四個相對側壁44中的另二個側壁也可以采用其中的任一種布置方式。在圖9a中，在限定單個柵元42a的一對側壁44中，一個側壁44a上第一、第二微凹組50、54中的上微凹58和下微凹60，以及另一個側壁44b上第一、第二微凹組50、54中的中間微凹62，都從相應側壁44a、44b的相反的側面48向外凸出到相鄰柵元42b、42c中。從另一方面來說，在限定單個柵元42a的一對側壁44中，一個側壁44a上第一、第二微凹組50、54中的中間微凹62，以及另一個側壁44b上第一、第二微凹組50、54中的上微凹58和下微凹60，都從相應側壁44a、44b的一個側面46向內(nèi)凸出到這一單個柵元42a中。
在圖9b中，在限定單個柵元42a的一對側壁44中，兩個側壁44a、44b上第一、第二微凹組50、54的上微凹58和下微凹60都從相應側壁44a、44b的相反的側面48向外凸出到相鄰柵元42b、42c中。從另一方面來說，在限定單個柵元42a的一對側壁44中，兩個側壁44a、44b上第一、第二微凹組50、54中的中間微凹62都從相應側壁44a、44b的一個側面46向內(nèi)凸出到這一單個柵元42a中。
在圖9c中，在限定單個柵元42a的一對側壁44中，兩個側壁44a、44b上第一、第二微凹組50、54中的上微凹58和下微凹60都從相應側壁44a、44b的一個側面向內(nèi)凸出到這一單個柵元42a中。從另一方面來說，在限定單個柵元42a的一對側壁44中，兩個側壁44a、44b上第一、第二微凹組50、54中的中間微凹62都從相應側壁44的相反的側面48向外凸出到相鄰的柵元42b、42c中。
在圖9d中，在限定單個柵元42a的一對側壁44中，一個側壁44a上第一微凹組50中的上微凹58和下微凹60、第二微凹組54中的中間微凹62，以及另一個側壁44b上第一微凹組50中的中間微凹62、第二微凹組54中的上微凹58和下微凹60，都從相應側壁44a、44b的相反的側面48向外凸出到相鄰的柵元42b、42c中。從另一方面來說，在限定單個柵元42a的一對側壁44中，一個側壁44a上第一微凹組50中的中間微凹62、第二微凹組54中的上微凹58和下微凹60、以及另一個側壁44b上第一微凹組50中的上微凹58和下微凹60、第二微凹組54中的中間微凹62，都從相應側壁44a、44b的一個側面46向內(nèi)凸出到這一單個柵元42a中。
在圖9e中，在限定單個柵元42a的一對側壁44中，一個側壁44a上第一微凹組50中的上微凹58和下微凹60、第二微凹組54中的中間微凹62，以及另一側壁44b上第一微凹組50中上微凹58和下微凹60、第二微凹組54中的中間微凹62，都從相應側壁44a、44b的相反的側面48向外凸出到相鄰的柵元42b、42c中。從另一方面來說，在限定單個柵元42a的一對側壁44中，一個側壁44a上第一微凹組50中的中間微凹62、第二微凹組54中的上微凹58和下微凹60，以及另一側壁44b上第一微凹組50中的中間微凹62、第二微凹組54中的上微凹58和下微凹60，都從相應側壁44a、44b的一個側面46向內(nèi)凸出到這一單個柵元42a中。
權利要求
1、一種核燃料棒支撐格架，該格架包含有許多相互交織布置的條帶，以構成一個中空柵元矩陣，每一個柵元可裝入一根核燃料棒，每一個柵元由兩對相對著布置的與相鄰柵元共用的細長側壁來限定，每個柵元的每一個側壁用其一個側面構成該柵元的部分周邊，用其相反的側面構成與該柵元相鄰布置的一個柵元的部分周邊。該格架的特點是(a)在限定每個柵元(42)用的每一個側壁(44)的上端(52)附近形成第一個微凹組(50)；(b)在限定每個柵元(42)的每一個側壁(44)的下端(56)附近形成第二個微凹組(54)。上述的第一個微凹組(50，54)均由一對上微凹和下微凹(58，60)及一個中間微凹(62)所組成，上微凹和下微凹(58，60)從形成該組微凹(58，60，62)的側壁(44)上的同一個側面(46)向外凸出，而中間微凹(62)位于上述的上微凹和下微凹(58，60)之間，并從形成該組微凹(58，60，62)的側壁(44)的另一個相反側面(48)凸出。第一、第二微凹組(50、54)的上述微凹(58，60，62)適用于當燃料棒裝入上述柵元的相鄰柵元中時同燃料棒形成帶彈性的摩擦嚙合。
2、按照權利要求
1的一種核燃料棒支撐格架，該格架的特點是每一個柵元(42)的各個側壁(44)上的第一組微凹(50)通常位于相同的高度上。
3、按照權利要求
1或2的一種核燃料棒支撐格架，該格架的特點是每一個柵元(42)的各個側壁(44)上的第二組微凹(54)通常位于相同的高度上。
4、按照權利要求
1、2或3的一種核燃料棒支撐格架，該格架的特點是在限定上述單個柵元(42a)的一對側壁(44)中，一個側壁(44a)上第一、第二微凹組(50、54)中的上微凹和下微凹(58、60)，以及另一個側壁(44b)上第一、第二微凹組(50、54)中的中間微凹(62)，都從相應的側壁(44a，44b)向外凸出到相鄰柵元(42b、42c)中，從另一方面來說，在限定上述單個柵元(42a)的一對側壁(44)中，一個側壁(44a)上第一、第二微凹組(50、54)中的中間微凹(62)，以及另一個側壁(44b)上第一、第二微凹組(50、54)中的上微凹和下微凹(58，60)，都從相應側壁(44a、44b)向內(nèi)凸出到上述單個柵元(42a)中。
5、按照權利要求
1、2或3的一種核燃料棒支撐格架，該格架的特點是在限定上述單個柵元(42a)的一對相對著布置的側壁(44)中，兩個側壁(44a、44b)上第一、第二微凹組(50、54)中的上微凹和下微凹(58、60)都從相應側壁(44)向外凸出到上述相鄰柵元(44b、44c)中;從另一方面來說，在限定上述單個柵元(42a)的一對相對著布置的側壁(44)中，兩個側壁(44a、44b)上第一、第二微凹組(50、54)中的中間微凹(62)都從相應的側壁(44)向內(nèi)凸出到上述單個柵元(42a)中。
6、按照權利要求
1、2或3的一種核燃料棒支撐格架，該格架的特點是在限定上述單個柵元(42a)的一對相對著布置的側壁(44)中，兩個側壁(44a、44b)述第一、第二微凹組(50、54)中的上微凹和下微凹(58、60)都從相應側壁(44)向內(nèi)凸出到上述單個柵元(42a)中;從另一方面來說，在限定單個柵元(42a)的一對相對著布置的側壁(44)中，兩個側壁(44a、44b)上第一、第二微凹組(50、54)中的中間微凹(62)都從相應側壁(44)向外凸出到上述的相鄰柵元(42b、42c)中。
7、按照權利要求
1、2或3的一種核燃料棒支撐格架，該格架的特點是在限定上述單個柵元(42a)的一對側壁(44)中，一個側壁(44a)上第一微凹組(50)中的上微凹和下微凹(58、60)、第二微凹組(54)中的中間微凹(62)，以及另一個側壁(44b)上第一微凹組(50)中的中間微凹(62)、第二微凹組(54)中的上微凹和下微凹(58、60)，都從相應側壁(44a，44b)向外凸出到上述相鄰的柵元中;從另一方面來說，在限定上述單個柵元(42a)的一對側壁(44)中，一個側壁(44a)上第一微凹組(50)中的中間微凹(62)、第二微凹組(54)中的上微凹和下微凹(58、60)，以及另一個側壁(44b)上第一微凹組(50)中的上微凹和下微凹(58、60)、第二微凹組(54)中的中間微凹(62)，都從相應側壁(44a、44b)向內(nèi)凸出到上述單個柵元(42a)中。
8、按照權利要求
1、2或3的一種核燃料棒支撐格架，該格架的特點是在限定上述單個柵元(42a)的一對側壁(44)中，一個側壁(44a)上第一微凹組(50)中的上微凹和下微凹(58、60)、第二微凹組(54)中的中間微凹(62)，以及另一側壁(44b)上第一微凹組(50)中的上微凹和下微凹(58、60)、第二微凹組(54)中的中間微凹(62)，都從相應側壁(44a、44b)向外凸出到上述相鄰的柵元(42b、42c)中;從另一方面來說，在限定上述單個柵元(42a)的一對側壁(44)中，一個側壁(44a)上第一微凹組(50)的中間微凹(62)、第二微凹組(54)中的上微凹和下微凹(58、60)，以及另一個側壁(44b)上第一微凹組(50)中的中間微凹62、第二微凹組(54)中的上微凹和下微凹(58、60)，都從相應側壁(44a、44b)向內(nèi)凸出到上述單個柵元(42a)中。
專利摘要
本發(fā)明涉及核燃料組件改進型燃料棒支撐格架，這種格架由交織條帶構成一個柵元矩陣，每個柵元可裝入一根燃料棒。形成為柵元側壁的每一條帶具有兩組分別在側壁上端和下端附近形成的微凹，每一組微凹包括有一對從側壁的一個側面凸出的上微凹和下微凹以及從該側壁的另一側面凸出的一個中間微凹。各個微凹配置成當燃料棒插入相應柵元時同燃料棒形成帶彈性的摩擦嚙合，從而使格架柵元壁中的力矩減至最小。
文檔編號G21C3/34GK86102919SQ86102919
公開日1986年11月5日 申請日期1986年4月30日
發(fā)明者約翰·安東尼·里拉特 申請人:西屋電氣公司導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan