專利名稱:定位格架的制作方法
技術領域：
以下涉及核反應堆技術、燃料組件構造技術以及相關技術。
背景技術：
參照圖1，壓水反應堆(PWR)類型的核反應堆包括壓力容器10，該壓力容器包含諸如主冷卻水的主冷卻劑。示例性的壓力容器10是圓筒形壓力容器(其中，“圓筒形”意在包含與數(shù)學上精確圓筒形的偏差，諸如示例性的圓筒形壓力容器10的示例性非均勻直徑，包括容器貫穿件或其它局部特征等)。核反應堆堆芯12布置在壓力容器10的底部處或附近。(注意到在示意的圖I中，壓力容器10如由虛線繪制的“開口”所表示地被部分地切去，以顯露出設置在內(nèi)部的反應堆堆芯12。此外，示意的圖I省去了諸如堆芯籃之類的安裝特征，通常設置這些安裝特征以將反應堆堆芯12固定到壓力容器10內(nèi))。盡管借助示例性的示例在圖I中示出PWR，但應理解到文中公開的定位格架適于用在各種類型的核反應堆中，諸如PWR、沸水反應堆(BWR)等。
核反應堆堆芯12通常包括以稠密柵列設置的多個燃料組件。燃料組件包括垂直定向的燃料棒束，每根燃料棒包括諸如235U的裂變材料。例如，每根燃料棒可包括濃縮的二氧化鈾(UO2)或混合的UO2/氧化釓(UO2Gd2O3)芯塊。散布在燃料棒之間的是引導管，這些引導管為控制棒、儀器設備等提供導管。燃料組件的頂部止于上端配件或管座(nozzle)，而燃料組件的底部止于下端配件或管座。燃料組件通過多個定位格架保持在一起，這些定位格架包括設置在燃料組件的頂部和底部的端部格架和設置在燃料組件的頂部和底部之間的隔開位置的一個(通常)或多個中間格架。
傳統(tǒng)的定位格架通過將由板金制成的正交定向的金屬條帶互鎖以形成正方形或矩形空間的二維格架 來形成，也被稱為格架“柵元”，每個柵元由四個條帶限定。替代地，可采用六邊形結構，其中，每個柵元大體六邊形，并由六個條帶來限定。在采用正方形柵元來接納燃料棒的一種合適方法中，限定每個柵元的條帶部具有由形成柵元的兩個相鄰壁的格架條帶構成兩個凸起。每一對凸起中的一個凸起位于格架條帶的頂部附近，而另一個凸起位于格架條帶的底部附近。柵元的相對壁均包含單個彈簧，該彈簧可由構成柵元壁的條帶構成，或者可以是由不同材料制成的插入件，通過由構成柵元壁的條帶構成的特征來機械地限制或約束該插入件。彈簧位于定位格架的中間平面處或附近，并且尺寸設計成當燃料棒插入格架柵元時出現(xiàn)干涉狀況。這種干涉造成彈簧朝它們所在的柵元壁向后偏轉(zhuǎn)，從而抵靠相對的凸起對、沿兩個正交方向?qū)θ剂习纛A加載，并將燃料棒夾持在位。彈簧的作用平面和凸起的作用平面之間的軸向偏差形成回復力矩，如果向任何兩個軸向相鄰的定位格架之間的燃料棒施加側(cè)向力，則這些回復力矩致使燃料棒在定位格架處的局部垂直定向保持相對固定。在一些方法中，每個彈簧在沿彈簧回轉(zhuǎn)面的水平或垂直折起部的長度的兩個位置與其燃料棒接觸。如果燃料棒在使用時由于流動引發(fā)的振動而擺動，有時，還設有局部平坦部和/或次級拱形部，以分散任何磨損。傳統(tǒng)的定位格架中的條帶通常定向成在給定柵元內(nèi)的彈簧位于柵元的外側(cè)壁上，而凸起位于柵元的內(nèi)側(cè)壁上。這種結構的優(yōu)點在于提供一種抵抗任何向內(nèi)作用的力的剛性基座，如果燃料組件在處理過程中與相鄰的燃料組件或其它相鄰結構接觸，則這種力會施加于外排的燃料棒。

發(fā)明內(nèi)容
在本本發(fā)明的一方面，燃料組件包括包含裂變材料的燃料棒束以及將燃料棒束固定在一起的定位格架。定位格架具有頂部和底部，并包括多個柵元，這些柵元包括從定位格架的頂部到底部的通道，燃料棒穿過這些通道。柵元包括:上凸起，上凸起設置在定位格架的頂部近側(cè)，并在定位格架的中間平面遠側(cè)；下凸起，下凸起設置在定位格架的底部近側(cè)，并在定位格架的中間平面遠側(cè)；上懸臂彈簧，上懸臂彈簧具有位于定位格架的中間平面上方的懸臂自由端；以及下懸臂彈簧，下懸臂彈簧具有位于定位格架的中間平面下方的懸臂自由端。每個柵元的上懸臂彈簧抵靠柵元的上凸起偏置穿過柵元的燃料棒，而每個柵元的下懸臂彈簧抵靠柵元的下凸起偏置穿過柵元的燃料棒。
在如之前段落中闡釋的一些燃料組件實施例中，定位格架包括互鎖條帶，這些條帶包括金屬片或板，且定位格架的最外側(cè)條帶不包括上懸臂彈簧，且不包括下懸臂彈簧。在如之前段落中闡釋的一些燃料組件實施例中，上凸起和下凸起朝向定位格架的中心面向內(nèi)，而上和下懸臂彈簧遠離定位格架的中心面向外。在如之前段落中闡釋的一些燃料組件實施例中，上凸起延伸到定位格架的頂部，而下凸起延伸到定位格架的底部。
在本發(fā)明的另一方面，定位格架包括互鎖條帶，互鎖條帶包括焊接在一起的金屬片或板，以限定具有頂部和底部的定位格架?；ユi條帶限定多個柵元，這些柵元包括連接定位格架的頂部和底部的垂直通道。柵元包括:上凸起，上凸起設置在定位格架的頂部近側(cè)，并在定位格架的中間平面遠側(cè)；下凸起，下凸起設置在定位格架的底部近側(cè)，并在定位格架的中間平面遠側(cè)；懸臂上彈簧，懸臂上彈簧具有設置在定位格架的頂部近側(cè)以及在定位格架的中間平面遠側(cè)的燃料棒配合面；以及懸臂下彈簧，懸臂下彈簧具有設置在定位格架的底部近側(cè)以及在定位格架的中間平面的遠側(cè)的燃料棒配合面。
在如之前段落中闡釋的一些定位格架實施例中，懸臂上彈簧在定位格架的中間平面近側(cè)以及在定位格架的頂部遠側(cè)的`懸臂錨定部，以及懸臂下彈簧具有在定位格架的中間平面近側(cè)以及在定位格架的頂部遠側(cè)的懸臂錨定部。在如之前段落中闡釋的一些定位格架實施例中，懸臂上彈簧具有在定位格架的中間平面近側(cè)以及在定位格架的頂部遠側(cè)的懸臂錨定部，以及懸臂下彈簧具有在定位格架的中間平面近側(cè)以及在定位格架的頂部遠側(cè)的懸臂錨定部。在如之前段落中闡釋的一些定位格架實施例中，懸臂上和下彈簧的燃料棒配合面包括頂部平坦的拱頂。在如之前段落中闡釋的一些定位格架實施例中，互鎖條帶的最外側(cè)條帶不包括懸臂上彈簧，并且不包括懸臂下彈簧。
在如之前段落中闡釋的一些定位格架實施例中，成組的凸起包括成組的上凸起，該組上凸起構造成與定位格架的中間平面上方的燃料棒接觸；以及成組的下凸起，該組下凸起構造成與定位格架的中間平面下方的燃料棒接觸，且成組的彈簧包括成組的上彈簧，該組上彈簧構造成在定位格架的中間平面上方與燃料棒接觸；以及成組的下彈簧，該組下彈簧構造成在定位格架的中間平面下方與燃料棒接觸。
在本發(fā)明的又一方面，定位格架包括:互鎖條帶，互鎖條帶包括焊接在一起的金屬片或板，以限定具有頂部和底部的定位格架，互鎖條帶限定多個柵元，柵元包括連接定位格架的頂部和底部的垂直通道；以及燃料棒保持系統(tǒng)，該燃料棒保持系統(tǒng)包括從柵元壁突出的成組的凸起和從柵元壁突出的成組的彈簧。該組凸起不包括在定位格架的中間平面處與燃料棒接觸的任何凸起。該組彈簧不包括構造在定位格架的中間平面處與燃料棒接觸的任何彈簧。


本發(fā)明可采用各種部件和部件的組合，以及各種工藝操作和工藝操作的組合。附圖僅是為了示出較佳實施例的目的，而不應解釋為限制本發(fā)明。
圖I示意地示出根據(jù)現(xiàn)有技術的壓水反應堆(PWR)的側(cè)剖圖。
圖2示意地示出采用如文中公開的定位格架的單個燃料組件的分解圖。
圖3示意地示出經(jīng)制造以形成定位格架的條帶的金屬片或板，其中，繪出切去部的彈簧已形成于金屬片或板內(nèi)。
圖4示意地示出由圖3的金屬片或板構成的條帶。
圖5示意地示出圖4中指示的截面A-A。
圖6和7示出第一定位格架實施例。圖6示意地示出針對該定位格架實施例的、沿一個方向的條帶的結構。圖7示出定位格架實施例的立體圖。
圖8和9示出第二定位格架實施例。圖8示意地示出針對該定位格架實施例的、沿一個方向的條帶的結構。圖9示出定位格架實施例的立體圖。
圖10-12示出第三定位格架實施例。圖10示出定位格架實施例的立體圖。圖11示出定位格架實施例的內(nèi)條帶 的平面圖。圖12示出定位格架實施例的最外側(cè)條帶的平面圖。
圖13-15示出端部格架實施例。圖13示出端部格架的一個角部的立體圖，該圖移除了最靠角落的柵元(單元格)以顯露出內(nèi)部部件。圖14示出水平定向的凸起中的一個凸起的示意立體圖。圖15示出端部格架的上/下彈簧的示意側(cè)視圖。
圖16-18示出中間格架實施例。圖16示出中間格架的一個角部的立體圖，該圖移除了最靠角落的單元格以露出內(nèi)部部件。圖17示出設置在中間格柵的最外側(cè)條帶上的垂直定向凸起中的一個凸起的示意立體圖。圖18示出中間格架的上/下彈簧的示意側(cè)視圖。
圖19和20示出用于上和下懸臂彈簧的兩個替代的幾何形狀。
具體實施方式
如前所述，在傳統(tǒng)的定位格架中，彈簧(即，軟止擋件)的作用平面和凸起(即，硬止擋件)的作用平面之間的軸向偏差形成回復力矩，如果向任兩個軸向相鄰的定位格架之間的燃料棒施加側(cè)向力，則回復力矩有利地使燃料棒在定位格架處的局部垂直定向保持相對固定。然而，在此認識到作用平面的這種偏差還會在每個定位格架處引起彎曲力矩，該彎曲力矩使燃料棒在任兩個軸向相鄰的定位格架之間的跨度內(nèi)彎起。盡管這種初始彎起是可忍受的，但這種彎起會通過在運行期間由輻射引起的蠕變效應而加強，從而導致相鄰的冷卻劑通道的、成問題的局部或完全關閉，以及隨之發(fā)生的局部升溫。
彈簧和凸起的常見定向(B卩，在給定柵元中，彈簧位于外側(cè)壁上、而凸起位于內(nèi)側(cè)壁上)有利地便于抵抗會施加于外排的燃料棒的向內(nèi)作用的力。然而，這種結構將彈簧放置于定位格架的最外側(cè)條帶上，這大幅弱化最外側(cè)條帶。這會不利地影響整個定位格架結構的強度。已知通過采用與內(nèi)條帶相比較厚的外條帶和/或經(jīng)由向最外側(cè)條帶增加加強肋和其它機械特征來至少部分地彌補這個弱點。然而，這些方法會造成，與內(nèi)條帶的彈簧相比，最外側(cè)條帶的彈簧具有不同(通常較大的)彈簧系數(shù)，這加強了對于燃料組件的最外側(cè)燃料棒的燃料棒彎起效應，并會造成燃料棒陣列的最外一排中過度的在用燃料棒彎起。
在定位格架的中間平面處或附近的彈簧的集中定位在此也被認為會造成問題。如果彈簧的若干折起部垂直定向，倘若由于制造誤差而存在燃料棒的任何不對準的話，則每個彈簧將實際上僅在一個位點處與燃料棒接觸。這會消除分散接觸面的期望益處，并會造成較高的局部承載應力，如果燃料棒在使用時振動，這些應力會潛在地造成快速局部磨損。垂直定向的折起部還在加載燃料棒期間存在問題，這是因為它們會造成過度刮擦包層和/或燃料棒卡住和格架損壞。通常，對彈簧接點的前緣和后緣應用精壓操作，以改善這些問題，但益處是有限的。
另一方面，如果折起部水平定向，則上游和下游彈簧表面通常提供適當?shù)囊?，因此較少擔心包層刮擦和燃料棒卡住。然而，這種定向造成更多局部流道阻塞，這從熱液壓觀點看是不期望的。
文中公開了一種雙懸臂彈簧結構，該結構使彈簧和燃料棒之間的接觸表面遠離定位格架的中間平面、并因此朝向分別定位在格架條帶的頂部和底部附近的近側(cè)凸起運動。與對應的彈簧(即，軟止擋件)的作用平面和相對的凸起(即，硬止擋件)產(chǎn)生的大致對準結合的雙懸臂構造大大減小了引發(fā)的燃料棒彎起。懸臂彈簧還可構造有較小剛度(即，低彈簧系數(shù))。一些公開的實施例還將彈簧放置于柵元的內(nèi)側(cè)壁上(彈簧面向外)，而凸起位于外側(cè)壁上(并面向內(nèi))。此定向取消了最外側(cè)條帶上的彈簧切去部，這在側(cè)向沖擊期間大大加強了定位格架。
參照圖2，以局部剖開示意地示出代表性的燃料組件14，并且切去立體圖的前頂角部，以顯露出內(nèi)部部件。燃料組·件14適當?shù)赜米鳛樵O置在圖I的壓力容器10內(nèi)的核反應堆堆芯12的元件。燃料組件14包括垂直定向的燃料棒20的陣列，每根燃料棒都包括諸如235U的裂變材料。例如，每·根燃料棒可包括濃縮的二氧化鈾(UO2)或混合的UO2/氧化釓(UO2Gd2O3)顆粒。散布在燃料棒20之間的是引導管22，這些引導管為控制棒、儀器設備等提供導管。燃料組件14的頂部止于上端配件或管座24，而燃料組件的底部止于下端配件或管座26。
燃料組件14通過多個定位格架保持在一起，定位格架包括設置在燃料組件14的頂部和底部的端部格架30和設置在燃料組件14的頂部和底部之間的隔開位置的一個(通常)或多個中間格架32。(換言之，每個端部定位格架30比中間格架32更靠近于燃料棒束20的端部)。示例性的圖2僅示出兩個中間格架32，但通常還存在附加的中間格架(在剖切視圖中略去)。中間格架的數(shù)目和端部格架與中間格架沿燃料組件的高度的間距基于燃料棒束的總長度、一束中燃料棒的總數(shù)、燃料棒的結構特征、可應用的管理規(guī)定等來確定。
參照圖3-7，示意地示出示例性的定位格架。圖3示出用于限定彈簧的、具有切去部42的金屬片或板40。金屬片或板40可例如通過諸如軋制之類合適的金屬加工技術來形成。金屬可以是鎳鉻合金(例如，因科鎳合金)或鋯合金(例如，石勒喀(Zircaloy))。因科鎳合金比石勒喀強度大；然而，石勒喀與因科鎳合金相比中子吸收橫截面較小。因此，在一些實施例中，端部格架30由因科鎳合金制成，而中間格架32由石勒喀制成。切去部42包括金屬片或板的被去除的部分，并可通過機械切割、激光切割等來制成。切去部42限定用于彈簧的“模板”。圖4和5分別示出內(nèi)條帶44的平面圖和側(cè)視圖，該內(nèi)條帶具有:上凸起50 ;下凸起52 ;上彈簧60 ;以及下彈簧62。這些凸起50、52和彈簧60、62通過采用壓力機或其它板金成型設備對片或板進行適當變形來制成。圖6和7分別示出包括互鎖條帶40的定位格架的側(cè)剖圖和俯視圖。如圖7的俯視圖中可見，條帶沿兩個正交方向設置，以形成單元格70的二維格架，燃料棒(由圖7中示意示出的單個示例性燃料棒20表示)穿過該二維格架，并由凸起50、52以及彈簧60、62保持。(注意到在圖7的俯視圖中，僅由填充的球形蓋表示的上凸起50和由敞開的球形蓋表示的上彈簧60是可見的)。采用匹配的槽(未示出)來使條帶互鎖，這些槽在形成切去部42的同時形成到條帶內(nèi)。通常，組裝夾具(未示出)用于在組裝互鎖結構期間暫時保持條帶，而匹配的槽被焊接成沿剛性定位格架結構形成最終支座。
特別參照圖6，所得的定位格架具有設有上特征件50、60的頂部和設有下特征件52、62的底部。定位格架的中間平面66位于定位格架的頂部和底部中間。特別參照圖5，彈簧60、62形成為懸臂彈簧。即，每個上彈簧60在定位格架的中間平面66處或上方錨定到定位格架，并具有朝向定 位格架的頂部“向上”延伸的懸臂自由端；而每個下彈簧62在定位格架的中間平面66處或下方錨定到定位格架，并具有朝向定位格架的底部“向下”延伸的懸臂自由端。參照圖5，這產(chǎn)生包含上特征件50、60的上“格架平面”和包含下特征件52、62的下“格架平面”。(上格架平面在數(shù)學上并不精確，因為上凸起50的陣列并不與上彈簧60的陣列精確地共面，下格架平面亦如此)。彈簧60、62不在定位格架的中間平面66處與燃料棒20接觸；而是上彈簧60在中間平面66上方并靠近上凸起50與燃料棒接觸；并且相似地，下彈簧62在中間平面66下方并靠近下凸起52與燃料棒接觸。
雙懸臂構造結合了對應的上彈簧60的作用平面與相對凸起50在上格架平面內(nèi)產(chǎn)生的大致對準以及對應的下彈簧62的作用平面與相對凸起52在下格架平面內(nèi)產(chǎn)生的大致對準，這種雙懸臂構造大大減小引發(fā)的燃料棒彎起。懸臂彈簧60、62還能構造有較小剛度(即，較小的彈簧系數(shù))，該剛度通過懸臂的尺寸，例如寬度和長度，以及金屬片或板的厚度和彈性(由切去部42的具體形狀限定)來控制。由于存在兩個彈簧60、62，每個彈簧可具有與采用單個(較大剛度)彈簧的結構相比較小的剛度。
特別參照圖6和7，除了內(nèi)條帶44，還存在兩個類型的“特殊”條帶:形成定位格架的外邊界的四個外條帶44 ;以及在定位格架的中心處相交的兩個中間條帶44m。在圖6和7的示例性示例中，外條帶44與內(nèi)條帶44的不同之處在于它們不包括彈簧60、62。因此，切去部42 (參見圖3)并不形到制成外條帶440的金屬片或板中，因此去除較少的金屬。這加強了外條帶440的強度，這又加強整個定位格架結構的強度。與用于外條帶440的構造一致，并且如圖6和7中所示，凸起50、52均設置在柵元70的外側(cè)壁上，即，凸起面向“內(nèi)”，而相對彈簧60、62均設置在柵元70的內(nèi)側(cè)壁上，即，凸起面向“外”。這種設計范例理想地將彈簧置于中間條帶的相對兩側(cè)上。然而，如圖3-5中所示，彈簧60、62通過以下方式形成，即，形成切去部42，然后將余下金屬變形到其所作用于的柵元70內(nèi)。僅存在一個上臂和一個下臂，且因此兩個彈簧60、62不能形成于同一片或板的相對兩側(cè)上(S卩，一個金屬片或板不能形成總共四個這種彈簧)。在示例性的中間條帶44M中，這通過以下方式來解決，S卩，使上和下彈簧60、62沿相反方向變形，以使上彈簧60作用于一個柵元(例如，圖6的示例中的中間條帶44M左側(cè)的柵元)，而下彈簧62作用于另一個柵元(例如，圖6的示例中的中間條帶44M右側(cè)的柵元)。
圖6和7的中間條帶44m僅提供一個支承點(上彈簧60或下彈簧62，而不是兩個彈簧)。然而，燃料棒保持支承于七個點(四個凸起和三個彈簧)。四個中心柵元僅具有六個支承點；然而，在一些實施例中，這些柵元被中心引導管72(圖7中虛線所示)代替。更具體地，應理解到通常，柵元70中的一些或幾組柵元70被未在圖7中示出的引導管代替。這種引導管可用于各種目的，諸如提供用于控制棒的導管，用于器械設備的導管等。圍繞引導管的條帶部可選地不包括彈簧或凸起，省略圍繞引導管的這些元件可加強定位格架的整體強度。在一些實施例中，圍繞引導管(即，引導管“柵元”)的條帶部包括鞍狀特征件(未示出)，這些鞍狀特征件精確地定位引導管，而不產(chǎn)生相當大的夾持力。這些特殊柵元內(nèi)的內(nèi)部格架條帶44的頂部和底部邊緣上的一體凸片可選地用于在燃料組裝和制造期間將定位格架持久地附連于控制棒引導管?？刹捎妹}沖電弧焊、電阻焊接等來進行這種直接的機械連接。
參照圖8和9，在替代的方法中，代替交替彈簧的中間條帶44M,胃使用設置在背對背構造下的兩個全彈簧( 無凸起)內(nèi)條帶44M2。這種結構提供用于由中間條帶44M2相接的柵元的全八個點(即，四個凸起和四個彈簧)接觸(與圖6和7的實施例中的僅七個或甚至六個支承點相比)。背對背的中間條帶41還預計對定位格架強度有一定加強。背對背的中間條帶44M2可使它們的背面直接接觸，或可略微間隔開(如圖8和9中所示)。
中間條帶的另一選擇是具有雙凸起(未示出)的中間條帶，這可代替圖6和7的中間條帶44M或圖8和9的背對背中間條帶44κ。兩組凸起可由單個中間條帶片或板制成，并具有與現(xiàn)有的內(nèi)條帶凸起相同的輪廓。這種方法避免圖8和9的雙中間條帶44Μ2的獨特的條帶制造模具和流動轉(zhuǎn)向問題以及圖6和7的中間條帶44μ的局部支承問題。然而，這種方法需要將彈簧和凸起的定位反向，即，彈簧位于柵元的外側(cè)壁上(彈簧面向內(nèi))，而凸起將位于內(nèi)側(cè)壁上(并面向外)。這將彈簧放置于最外面的條帶上，這預計會弱化定位格架，降低它的沖擊強度，并使格架在燃料處理(裝卸)期間更易于卡住和撕開。
參照圖10-12，示出示例性的實施例，該實施例包括加強定位格架的結構強度的、最外側(cè)條帶4七上的結構。為此，內(nèi)部格架條帶44在它們的外側(cè)端部處包括聯(lián)接片(角撐板)80，這些聯(lián)接片與設置在外條帶4七上的引入凸片82交界。在對燃料組件的任何側(cè)向沖擊期間，這些特征件80、82穩(wěn)定內(nèi)格架條帶44的端部，這些側(cè)向沖擊諸如會在地震事件或裝船期間發(fā)生。當一個燃料組件沿堆芯內(nèi)的相鄰燃料組件上提或下壓時，這些特征件80、82還有助于在燃料處理期間支持外條帶引入。與圖3-9的實施例相同，在內(nèi)條帶44中，圍繞每個柵元的條帶部分別在頂部和底部邊緣處包含凸起特征50、52，這些凸起特征件圍繞成對的垂直定向的懸臂彈簧特征件60、62將其夾在中間。
參照圖13-18，示出可選地包含在凸起50、52和彈簧60、62上的一些特征。圖13示出端部格架30的角部，其中，最靠角落的柵元被切去，以顯露出限定移除的角部柵元的內(nèi)條帶部。圖14示出凸起50、52中的水平定向的一個凸起的立體圖。圖15示出端部格架30的彈簧60、62的邊緣輪廓。相似地，圖16示出中間格架32的角部，其中，最靠角落的柵元被切去，以顯露出限定移除的角部柵元的內(nèi)條帶部。圖17示出在此情況下垂直定向的最外側(cè)條帶的凸起502ν的立體圖。圖18示出中間格架32的彈簧60、62的邊緣輪廓。[0039]特別參照圖13-15，凸起50、52水平定向(特別參見圖14)。懸臂彈簧特征件60、62由于懸臂結構而具有較大的彈性偏轉(zhuǎn)范圍。彈簧60、62形成有相對于垂直柵元壁84(由圖15中的垂直虛線示意地示出)的其余部分傾斜的主表面，以形成與燃料棒的明顯干涉。當燃料棒在制造期間插入定位格架時，這些雙彈簧特征件60、62朝向垂直柵元壁84向后彈性偏轉(zhuǎn)，從而產(chǎn)生夾持力，該夾持力使燃料棒固定抵靠相對的凸起對50、52。這種相同的夾持作用通過垂直柵元壁內(nèi)的彈簧和凸起特征以圍繞包層的90 °位置同時致動。
由于彈簧60、62上的燃料棒接觸表面位于對應的上和下彈簧60、62的頂端和底端處，柵元內(nèi)的四個彈簧特征件在水平平面內(nèi)抵靠于燃料棒包層，這些水平平面與相對的凸起特征件50、52近乎共面。對于給定的彈性夾持力，這種機械結構對燃料棒產(chǎn)生最大回復力矩(因為力矩臂在懸臂結構中最大化)，同時使會引發(fā)格架之間燃料棒彎起的局部彎曲力矩最小化(由于協(xié)作的凸起/彈簧結構共面)。
—體的引入表面設置在凸起50、52和彈簧60、62的頂部和底部邊緣處，以在工廠中制造期間以及在現(xiàn)場燃料重構期間便于燃料棒插入。凸起50、52上的引入表面通過將以一角度靜壓成形的凸起50、52的頂部和底部邊緣來形成。在圖13和15的端部格架30中，彈簧60、62上的引入表面包括三維的頂部平坦的拱頂90。拱頂使在插入期間卡住燃料棒的可能性較小，且拱頂?shù)钠教鬼敳繉鼘幽p分散開。
在圖13-18的實施例中，端部格架30 (圖13-15)適當?shù)赜梢蚩奇嚭辖鹬瞥桑虚g格架(圖16-18)適當?shù)赜墒湛χ瞥?。因科鎳合金是比石勒喀更易延展的材料，但石勒喀對于中間格架32是較佳的，因為它與因科鎳合金相比中子吸收橫截面更小。圖13-15中所示的因科鎳合金端部格架30采用頂部平坦的拱頂90作為用于彈簧60、62的引入表面/燃料棒配合表面。另一方面，以更脆性的石勒喀材料形成這些頂部平坦的拱頂90的屈服(強)度預計較低，這是因為當以三維成形時，石勒喀片或板往往趨于撕裂或產(chǎn)生桔皮缺陷。
由此，在 圖16-18的石勒喀中間格架32中，用于彈簧60、62的引入表面/燃料棒配合表面構造成較淺的兩維鉤部92 (特別參見圖16和18)。這些鉤部92適當?shù)赝ㄟ^以下方式來形成，即彎曲彈簧60、62的自由端部，以包括平坦棒配合部和便于引入的遠側(cè)“向后彎曲”部。在頂部平坦的拱頂90或鉤部92的情況下，這些引入特征與燃料棒的子彈狀底部端塞形狀結合起作用，以減少在插入棒期間卡住的可能性。
在圖13-18的實施例中，定位格架30、32的最外側(cè)條帶44。又僅包含凸起，而不包含彈簧。這種構造減少在形成最外側(cè)條帶44時切去的材料量。格架沖擊性能受到最外側(cè)條帶的強度的明顯影響，且結構上穩(wěn)定的較強最外側(cè)條帶對于實現(xiàn)較大側(cè)向沖擊強度來說是有利的。參照圖10-12所述的引入特征件80、82以修改的形式包含到圖13-18的實施例中。在這些圖13-18的實施例中，在內(nèi)條帶44上省去聯(lián)接片80，且設置在最外側(cè)條帶44。上的引入凸片82與內(nèi)條帶44的角部配合。在圖10-18的所有實施例中，這些配合起到加強功能。它們加大外條帶44的有效慣性矩，同時還有助于穩(wěn)定內(nèi)條帶44的端部。
在圖16-18的中間格架32中，最外側(cè)條帶44。上的凸起修改成進一步加強這些最外側(cè)條帶44的強度。具體來說，水平定向的凸起50、52(參見，例如圖13和15)被圖16-18的中間格架32的最外側(cè)條帶44內(nèi)的垂直定向的凸起502v代替(特別參見圖16和17)。垂直定向的凸起502v從壓降的角度看不太有利。然而，凸起502v取消了沿最外側(cè)條帶44。的長度的四條弱化線，這些弱化線在水平定向凸起50、52的情況下存在。在中間格架32的情況下使用垂直定向的凸起502￥是適應于石勒喀構造材料的低強度。端部格架30(圖13-15)由較強的因科鎳合金材料制成，而由此端部格架30的最外側(cè)條帶4七在圖13-15的示例性實施例中采用水平定向的凸起50、52。
圖10-18的定位格架可采用對于中間格架的任何合適的結構，諸如圖6和7的示例性的“交替彈簧”中間條帶44m或圖8和9的背對背的中間條帶44M2。在后一種情況下，背對背的中間條帶44M2占據(jù)附加的側(cè)向空間，由此，彈簧引入特征件對于這些中間條帶44M2需要制造得較淺，以留下用于將燃料棒插入最近的柵元內(nèi)的足夠空間。
在公開的實施例中，一旦燃料棒安裝好，且懸臂彈簧60、62的長度的主要部分基本上垂直定向(例如，與圖15和18中的垂直壁84平行)，由此向冷卻劑流呈現(xiàn)有限的前部區(qū)域。凸起50、52的水平定向相似地呈現(xiàn)限制流動的前部區(qū)域。示例性的定位格架還不包括內(nèi)格架條帶44上的流動混合葉片。由此，限制了橫跨定位格架的壓降。諸如文中公開的、具有減小壓降的定位格架在采用自然循環(huán)或具有相對較小流量的輔助或強制循環(huán)的核反應堆的情況下特別有價值，諸如通常設計成產(chǎn)生300兆瓦或更少的電力的小型模塊反應堆(SMR)設計。
雙懸臂彈簧60、62轉(zhuǎn)動，以使接觸面(例如，在兩個示例性實施例中的頂部平坦的拱頂90或鉤部92)與燃料棒包層大致線接觸。示例性的接觸面90、92均提供較長的“平面”，以使接觸長度最大化，并使會在交界部發(fā)生的任何包層磨損分散開。在頂部平坦的拱頂90的情況下，此平面是拱頂?shù)钠教鬼敳?，而在鉤部92的情況下，將鉤部結構的一部分制成平坦的。相似地，凸起50、52在精壓的引入件之間適當?shù)刂圃煊休^長的平坦區(qū)域，以提供與燃料棒包層的線接觸，以使接觸長度最大化，并將會在交界部出現(xiàn)的任何包層磨損分散開。所有接觸面的輪廓成形為在去除金屬時快速地增大磨損區(qū)域，以補償可能會存在于包層至格柵交界部處的任何不對準瑕疵。當與雙懸臂彈簧結構提供的兩個“額外的”接觸面結合時，公開的定位格架具有較大的去除的金屬體積與侵入深度比，由此提供與燃料棒的良好接觸，而不會不當?shù)負p害定位格架的總體強度。
參照圖19和20，雙懸臂設計可采用不同的構造。圖19示出延長成并排的懸臂的實施例。因此，上彈簧60’使它們的錨定部位于定位格架的中間平面66下方，而它們懸臂配合表面位于中間平面66上方；而下彈簧62’使它們的錨定部位于定位格架的中間平面66上方，而它們懸臂配合表面位于中間平面66下方。任一給定柵元內(nèi)的兩個彈簧60’、62’的定向交替，以使上彈簧60’的根部或錨定部定位在與相鄰的下彈簧62’上的薄鉤部(或頂部平坦的拱頂，或其它配合面)相同的高度。這允許雙彈簧60’、62’嵌入條帶44上更小的空間內(nèi)。圖20示出上和下彈簧60’、62’水平定位的實施例。任一給定柵元內(nèi)的兩個彈簧60’、62’的定向交替，以使上彈簧60’的根部或錨定部定位在下彈簧62”的鉤部(或頂部平坦的拱頂，或其它配合面)垂直上方，從而同樣能夠嵌入條帶44上的更小空間內(nèi)。彈簧60"、62"的垂直堆疊在相鄰的柵元之間是相反的，以平衡施加于內(nèi)格架條帶的扭轉(zhuǎn)力矩。
示例性的定位格架在橫向于燃料棒的平面內(nèi)具有正方形或矩形對稱。然而，各種公開的方面容易包含到其它幾何形狀的定位格架中，諸如在橫向于燃料棒的平面內(nèi)具有六邊形對稱的六邊形定位格架。
已說明和描述較佳實施例。顯然，在閱讀和理解前述詳細說明書后會有各種修改和變型。意指本發(fā)明詮釋 為包括迄今為止的所有修改和變型，只要這些修改和變型在所附權利要求
及其等同物的范圍內(nèi)。
權利要求
1.一種燃料組件，包括: 包括裂變材料的燃料棒束；以及 定位格架，所述定位格架將所述燃料棒束固定在一起，所述定位格架具有頂部和底部，并包括多個柵元，所述多個柵元包括從所述定位格架的所述頂部到所述底部的通道，燃料棒穿過所述通道，所述柵元包括: 上凸起，所述上凸起設置在所述定位格架的所述頂部近側(cè)，并在所述定位格架的中間平面遠側(cè)， 下凸起，所述下凸起設置在所述定位格架的所述底部近側(cè)，并在所述定位格架的中間平面遠側(cè)， 上懸臂彈簧，所述上懸臂彈簧具有位于所述定位格架的所述中間平面上方的懸臂自由端，以及 下懸臂彈簧，所述下懸臂彈簧具有位于所述定位格架的所述中間平面下方的懸臂自由端， 其中，每個柵元的所述上懸臂彈簧抵靠所述柵元的所述上凸起偏置穿過所述柵元的所述燃料棒，而每個柵元的所述下懸臂彈簧抵靠所述柵元的所述下凸起偏置穿過所述柵元的所述燃料棒。
2.如權利要求
1所述的 燃料組件，其特征在于，所述定位格架是中間格架，且所述燃料組件還包括: 端部格架，所述端部格架將所述燃料棒束進一步固定在一起，每個端部格架比所述中間格架更接近于所述燃料棒束的端部，每個端部格架具有頂部和底部，并包括多個敞開的柵元，燃料棒經(jīng)所述開口柵元從頂部穿到底部，所述柵元包括: 上凸起，所述上凸起設置在所述端部格架的所述頂部近側(cè)，并在所述端部格架的中間平面遠側(cè)， 下凸起，所述下凸起設置在所述端部格架的所述底部近側(cè)，并在所述端部格架的中間平面遠側(cè)， 上懸臂彈簧，所述上懸臂彈簧具有位于所述定位格架的所述中間平面上方的懸臂自由端，以及 下懸臂彈簧，所述下懸臂彈簧具有位于所述定位格架的所述中間平面下方的懸臂自由端。
3.如權利要求
2所述的燃料組件，其特征在于: 所述上和下懸臂彈簧的所述懸臂自由端包括頂部平坦的拱頂，以及 所述中間格架的所述上懸臂彈簧和下懸臂彈簧的所述懸臂自由端包括鉤部。
4.如權利要求
3所述的燃料組件，其特征在于: 端部定位格架包括互鎖的鎳鉻合金條帶；以及 所述中間格架包括互鎖的鋯合金條帶。
5.如權利要求
1所述的燃料組件，其特征在于，所述上凸起延伸到所述定位格架的所述頂部，而下凸起延伸到所述定位格架的所述底部。
6.如權利要求
5所述的燃料組件，其特征在于，所述上懸臂彈簧不包括所述定位格架的所述中間平面的任何部分，且所述下懸臂彈簧不包括所述定位格架的所述中間平面的任何部分。
7.如權利要求
I所述的燃料組件，其特征在于，所述定位格架包括互鎖條帶，所述互鎖條帶包括金屬片或板，且所述定位格架的最外側(cè)條帶不包括上懸臂彈簧，并且不包括下懸臂彈簧。
8.如權利要求
I所述的燃料組件，其特征在于，所述上和下凸起朝向所述定位格架的中心面向內(nèi)，而所述上懸臂彈簧和下懸臂彈簧遠離所述定位格架的中心面向外。
9.如權利要求
I所述的燃料組件，其特征在于，所述上懸臂彈簧和下懸臂彈簧的所述懸臂自由端成對設置，且所述上凸起和下凸起成對設置，以共同地限定燃料棒偏置系統(tǒng)，所述燃料棒偏置系統(tǒng)關于所述定位格架的所述中間平面對稱。
10.如權利要求
I所述的燃料組件，其特征在于，所述燃料棒束在橫向于所述燃料棒的平面內(nèi)具有矩形、正方形和六邊形對稱中的一種對稱。
11.一種定位格架，包括 互鎖條帶，所述互鎖條帶包括焊接在一起的金屬片或板，以限定具有頂部和底部的定位格架，所述互鎖條帶限定多個柵元，所述柵元包括連接所述定位格架的所述頂部和底部的垂直通道，所述柵元包括 上凸起，所述上凸起設置在所述定位格架的所述頂部近側(cè)，并在所述定位格架的中間平面遠側(cè)， 下凸起，所述下凸起設置在所述定位格架的所述底部近側(cè)，并在所述定位格架的中間平面遠側(cè)， 懸臂上彈簧，所述懸臂上彈簧具有設置在所述定位格架的所述頂部近側(cè)、以及在所述定位格架的中間平面遠側(cè)的燃料棒配合面，以及 懸臂下彈簧，所述懸臂下彈簧具有設置在所述定位格架的所述底部近側(cè)、以及在所述定位格架的中間平面遠側(cè)的燃料棒配合面。
12.如權利要求
11所述的定位格架，其特征在于， 所述懸臂上彈簧具有在所述定位格架的所述中間平面近側(cè)、以及在所述定位格架的所述頂部遠側(cè)的懸臂錨定部，以及 所述懸臂下彈簧具有在所述定位格架的所述中間平面近側(cè)、以及在所述定位格架的所述底部遠側(cè)的懸臂錨定部。
13.如權利要求
11所述的定位格架，其特征在于， 所述上懸臂彈簧具有位于所述定位格架的所述中間平面處或下方的懸臂錨定部，以及 所述上懸臂彈簧具有位于所述定位格架的所述中間平面處或上方的懸臂錨定部。
14.如權利要求
11所述的定位格架，其特征在于，所述懸臂上彈簧和懸臂下彈簧的燃料棒配合面包括頂部平坦的拱頂。
15.如權利要求
11所述的定位格架，其特征在于，所述懸臂上彈簧和懸臂下彈簧的燃料棒配合面包括鉤部。
16.如權利要求
11所述的定位格架，其特征在于，所述互鎖條帶的最外側(cè)條帶不包括懸臂上彈簧，且不包括懸臂下彈簧。
17.如權利要求
16所述的定位格架，其特征在于，所述互鎖條帶的所述最外側(cè)條帶具有與所述互鎖條帶的其它條帶相同的厚度，且所述最外側(cè)條帶不包括加強元件。
18.如權利要求
11所述的定位格架，其特征在于，所述上凸起和下凸起朝向所述定位格架的中心面向內(nèi)，而上彈簧和下彈簧遠離所述定位格架的中心面向外。
19.如權利要求
11所述的定位格架，其特征在于，構造成接納燃料棒的每個柵元包括: 具有上凸起和下凸起的第一柵元限定壁； 具有上凸起和下凸起的第二柵元限定壁； 第三柵元限定壁，所述第三柵元限定壁與所述第一柵元限定壁相反并面向所述第一柵元限定壁，其中，所述第三限定壁具有上彈簧和下彈簧；以及 第四柵元限定壁，所述第四柵元限定壁與所述第二柵元限定壁相反并面向所述第二柵元限定壁，其中，所述第三限定壁具有上彈簧和下彈簧。
20.如權利要求
19所述的定位格架，其特征在于，所述第一和第二柵元限定壁面向所述定位格架的中心，而所述第三和第四柵元限定壁背向所述定位格架的中心。
21.一種定位格架，包括: 互鎖條帶，所述互鎖條帶包括焊接在一起的金屬片或板，以限定具有頂部和底部的定位格架，所述互鎖條帶限定多個柵元，所述柵元包括連接所述定位格架的所述頂部和底部的垂直通道；以及 燃料棒保持系統(tǒng)，所述燃料棒保持系統(tǒng)包括從所述柵元的壁突出的成組的凸起和從所述柵元的壁突出的成組的彈簧，所述成組的凸起不包括構造成在所述定位格架的所述中間平面處與燃料棒接觸的任何凸起，且所述成組的彈簧不包括構造成在所述定位格架的所述中間平面處與燃料棒接觸的任何彈簧。
22.如權利要求
21所述的定位格架，其特征在于，所述成組的凸起包括: 成組的上凸起，所述成組的上凸起構造成與所述定位格架的所述中間平面上方的燃料棒接觸；以及 成組的下凸起，所述成組的下凸起構造成與所述定位格架的所述中間平面下方的燃料棒接觸。
23.如權利要求
22所述的定位格架，其特征在于，所述成組的彈簧包括: 成組的上彈簧，所述成組的上彈簧構造成與所述定位格架的所述中間平面上方的燃料棒接觸；以及 成組的下彈簧，所述成組的下彈簧構造成與所述定位格架的所述中間平面下方的燃料棒接觸。
24.一種燃料組件，包括: 包括裂變材料的燃料棒束；以及 將所述燃料棒束固定在一起的、如權利要求
21所述的定位格架，其中: 成組的凸起不包括在所述定位格架的所述中間平面處與燃料棒接觸的任何凸起，以及 成組的彈簧不包括在所述定位格架的所述中間平面處與燃料棒接觸的任何凸起。
專利摘要
定位格架包括互鎖條帶，互鎖條帶包括焊接在一起的金屬片或板，以限定具有頂部和底部的定位格架?；ユi條帶限定多個柵元，這些柵元包括連接定位格架的頂部和底部的垂直通道。柵元包括上凸起，該上凸起在定位格架的頂部近側(cè)，并在定位格架的中間平面的遠側(cè)；下凸起，該下凸起在定位格架的底部近側(cè)，并在定位格架的中間平面的遠側(cè)；懸臂上彈簧，該懸臂上彈簧具有在定位格架的頂部近側(cè)以及在定位格架的中間平面遠側(cè)的燃料棒配合面；以及懸臂下彈簧，該懸臂下彈簧具有在定位格架的底部近側(cè)以及在定位格架的中間平面遠側(cè)的燃料棒配合面。
文檔編號G21C3/356GKCN103247354SQ201210557290
公開日2013年8月14日 申請日期2012年12月19日
發(fā)明者L·A·沃爾頓, G·S·帕比斯, A·W·多恩, J·G·哈特梅克爾 申請人:巴布科克和威爾科克斯核能股份有限公司導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan