[发明专利]具有简单的形状结构的核燃料组件的支撑格架

说明书

本申请涉及一种核燃料组件的支撑格架，其能够利用设计自由度高的3D打印制造，并能够简化结构、提高冲击强度、减少压力下降，同时无需进行钣金加工和焊接工序。本申请的核燃料组件的支撑格架包括具有内侧壁(111)的四角的格架单元(110)，格架单元(110)被构成为正方形栅格结构，格架单元(110)包括：多个弹簧(120)，其弹性支撑燃料棒，具有在所述内侧壁(111)上沿垂直方向设置的固定端(121)、以及从固定端(121)沿水平方向弯折形成的自由端(122)；多个流道(130)，其沿垂直方向设置于格架单元(110)；以及多个混合叶片(140)，其形成于格架单元(110)的端部并朝向冷却水流的下游方向突出。

技术领域

本发明涉及一种核燃料组件的支撑格架，其能够利用设计自由度高的3D打印制造，并且无需进行钣金加工和焊接工序。

背景技术

核反应堆中使用的核燃料由燃料棒制成，燃料棒是将浓缩的铀成型为预定大小的圆筒形烧结体(pellet)后将多个烧结体装入包壳管内而成的。随后，多个如上所述的燃料棒构成核燃料组件，并被装填到核反应堆的堆芯，然后通过核反应燃烧。

通常，核燃料组件包括：沿轴向配置的多个燃料棒、沿该燃料棒的横向配置以支撑燃料棒的多个支撑格架、固定于该支撑格架以形成组件的骨架的多个导管、以及分别支撑导管的上下端的上端固定件和下端固定件。

支撑格架是核燃料组件的重要部件之一，用于限制燃料棒的横向移动并通过摩擦力抑制轴向活动，从而保持燃料棒的排列。这种支撑格架根据核反应堆的类型和设计而在外形与数量方面存在差异，但根据与燃料棒的组装位置，可区分为保护支撑格架、下部支撑格架、上部支撑格架及中间支撑格架。另外，支撑格架具有设置格架单元的相同结构，格架单元由垂直地交叉组装的多个格架板构成，用于插入并定位燃料棒。

特别地，多个中间支撑格架配置于下部支撑格架与上部支撑格架之间占据支撑格架的大部分。因此，多个中间支撑格架形成核燃料组件的骨架以保持核燃料的机械特性，并在起到支撑燃料棒的作用的同时，执行混合初级冷却水使得从铀烧结体生成的热量通过燃料棒(包壳管)而顺利地传递给初级冷却水的功能。另外，中间支撑格架是决定核燃料的抗震性能的重要部分，中间支撑格架的动态冲击强度是计算核燃料的抗震性能所包含的主要参数。

具体而言，支撑格架具有在格架单元内弹性支撑燃料棒的格架弹簧和限制燃料棒的水平运动的浅凹(dimple)。这种格架弹簧和浅凹通过对构成各格架单元的支撑格架板材进行钣金加工而成，通常在四面的格架单元中彼此相对的两个面分别设置格架弹簧与浅凹，因此各格架单元内的燃料棒被两个格架弹簧弹性支撑。

支撑格架的制造过程如下：将经过钣金加工的各内部格架板与各外部格架板组装并固定于另外准备的焊接夹具后，向内部格架板的交叉焊接部、内部格架板和外部格架板的接合部、以及套筒接合部照射激光，从而进行激光焊接以熔融并接合母材。

另一方面，支撑格架设有向冷却水流的下游方向突出设置的混合叶片(mixingvane)，该混合叶片具有包围燃料棒周边的形状，并起到通过混合燃料棒周边的冷却水来促进热传递的作用。通常，混合叶片从格架板的上端延伸，并为了改变冷却水的方向及混合冷却水而具有预定的形状，其大小、外形、弯折角度及位置决定冷却水的混合性。

如上所述，现有的支撑格架的制造过程包括钣金加工工序与焊接工序等的一系列的诸多工序。另外，在设计过程中，确保用于抗震性能的动态冲击强度并设计用于混合冷却水的混合叶片等的形状的技术相当复杂。

现有技术的支撑格架的制造工序是稳定化的技术，但如上所述，由于要执行多个制造步骤，因而在支撑格架形状设计方面存在很多限制。尤其现有技术的支撑格架通过对支撑格架板材进行钣金加工来提供格架弹簧与浅凹，因而各格架单元内可设计的格架弹簧与浅凹的形状和个数有限，设计自由度受限。