压紧性能改良的核燃料组件顶喷嘴压紧弹簧单元以及具有该单元的核燃料组件顶喷嘴

摘要

这里公开了一种核燃料组件顶喷嘴的压紧弹簧单元。该压紧弹簧单元连接于核燃料组件顶喷嘴的上端。压紧弹簧单元包括第一弹簧，其在核反应堆启动条件或热满功率条件下，对抗关于核燃料组件的压紧力；和第二弹簧，在核反应堆启动条件下，对抗关于核燃料组件的压紧力。本发明减小了启动条件或热满功率条件下的压紧余量，从而提高了该核燃料组件的机械和结构稳定性。

说明书

技术领域

本发明涉及一种核反应堆中使用的核燃料组件顶喷嘴的压紧弹簧单元，以及具有该压紧弹簧单元的核燃料组件顶喷嘴，该压紧弹簧单元具有改良的压紧性能以防止核燃料组件上升。

背景技术

本领域技术人员众所周知的是，核反应堆是这样的一种装置，即为了产生热、生产放射性同位素和钚，或者形成辐射场，可裂变材料的链式裂变反应在其中受控发生。

一般地，在轻水反应堆核电站中，使用铀-235的丰度增加至2％到5％的浓缩铀。为了将浓缩铀处理成核燃料以在核反应堆中使用，采用了将铀形成为重量约5g的圆柱状颗粒的形成工艺。在真空条件下，将数百个这样的颗粒形成(retain into)束，并插入锆管。在管中设置弹簧并充入氦气，并且在管上焊接端盖并密封，这样就完成了燃料棒。多个燃料棒组成了核燃料组件，并在核反应堆中发生核反应而燃烧。

图1为显示了常规核燃料组件的主视图。

如图1所示，核燃料组件包括燃料棒(未图示)插入其中的多个支撑格栅10，和与支撑格栅10连接的多个导向套管20。核燃料组件还包括与导向套管20的上端连接的顶喷嘴30，与导向套管20的下端连接的底喷嘴16，以及由弹簧和形成于支撑格栅10上的凹窝(dimples)支撑的燃料棒(未图示)。

为了装配具有前述构造的核燃料组件，在燃料棒的表面施用清漆(lacquer)以防止燃料棒受到擦伤且防止支撑格栅10中所设置的弹- 簧受到损伤。此后，燃料棒贯穿插入支撑格栅10，接着顶、底喷嘴30和16与燃料棒连接，这样就完成了核燃料组件的装配。在清漆移除后，对所组装的核燃料组件的燃料棒间距离、变形、包括长度的尺寸等进行检测。如第5,213,757号的美国专利所公开的，当检测结果正常时，将核燃料组件装入在其中引起核裂变的核反应堆芯。

在装入堆芯的核燃料组件中，在核反应运行期间由冷却剂的流动产生的液压上升力施加于顶、底喷嘴30和16。因此，核燃料组件上升或振动。而且，可能导致由温度升高所引起的热膨胀、由于长时间的中子辐照所引起的核燃料管的辐照增加、或者因蠕变而产生的轴向长度变化。因此，顶喷嘴30构造成确保关于核燃料组件的轴向运动或轴向长度变化的核燃料组件的机械和结构稳定性。

图2是根据常规技术的顶喷嘴30的立体图。

如图2所示，顶喷嘴30包括支撑压紧弹簧单元32的多个弹簧夹具31。在每个弹簧夹具31上形成弹簧插孔31a。压紧弹簧单元32的端部插入相应的弹簧插孔31a中。穿过插入相应弹簧插孔31a的每个压紧弹簧单元32的端部垂直地形成固定销孔32a”。每个压紧弹簧单元32包括具有第一颈部32a’的第一弹簧32a，以及与第一颈部32a’连接的第二弹簧32b和第三弹簧32c。压紧弹簧单元32构造成使得第一、第二和第三弹簧32a、32b、32c一个叠加在另一个顶上。为了将压紧弹簧单元32连接到顶喷嘴30，与第一颈部32a’相对的压紧弹簧单元32的弹簧连接端沿水平方向插入相应的弹簧插孔31a。此后，固定销33沿垂直方向插入弹簧夹具31的相应固定销孔33’和压紧弹簧单元32的固定销孔32a”中。从而，压紧弹簧单元32固定于顶喷嘴30。这里，为了防止固定销33被移除，固定销33焊接于弹簧夹具31的上表面。

如图1所示，具有前述构造的顶喷嘴30与核燃料组件的元件装配。随后，如众所周知的那样，核燃料组件装入堆芯并位于上堆芯板 (未图示)和下堆芯板之间，从而由上堆芯板的下表面支撑压紧弹簧单元32。

设置在顶喷嘴30上的压紧弹簧单元32向核燃料组件提供弹性力以响应核燃料组件的轴向运动或长度变化从而确保核燃料组件的机械-结构稳定性。第一弹簧32a的第一颈部32a’插入到形成于顶喷嘴30的相应上板(upper plate)40的插槽41中，以便当第一、第二或第三弹簧32a、32b或32c受损时，引导压紧弹簧单元32的操作并防止元件的损耗。

图3为示出了根据常规技术的压紧弹簧单元32的特性曲线的曲线图。

如图3所示，根据常规技术的压紧弹簧单元32具有压紧余量，使得在整个运行区，弹簧力大于热满功率条件下所需要的压紧力，示出了作为位移的函数的弹簧力的曲线梯度是恒定的。也就是说，在根据常规技术安装于顶喷嘴30的压紧弹簧单元32中，因为第一、第二和第三弹簧32a、32b和32c同时向核燃料组件施加阻力，提供了压紧余量，使得示出了作为位移的函数的弹簧力的曲线梯度恒定。因此，如图3所示，为了满足启动条件下的压紧余量，热满功率条件下的压紧余量变得过大。由于热满功率条件下的过量的压紧余量，压紧弹簧单元32向核燃料组件施加过大的阻力，因而使核燃料组件的机械和结构稳定性恶化。

发明内容

因此，本发明针对现有技术中所产生的上述问题，并且本发明的一个目的是提供一种核燃料组件顶喷嘴的压紧弹簧单元，以及具有该压紧弹簧单元的核燃料组件顶喷嘴，该压紧弹簧单元构造成使得其在热满功率条件下具有最小的压紧余量，从而防止顶喷嘴向核燃料组件施加过量的阻力，因而提高了核燃料组件的机械和结构稳定性。

为了实现上述目的，本发明提供了一种连接于核燃料组件顶喷嘴 的上端的压紧弹簧单元，包括：第一弹簧，在核反应堆的启动条件或热满功率条件下，对抗关于(with respect to)核燃料组件的压紧力；以及第二弹簧，在核反应堆的启动条件下，对抗关于核燃料组件的压紧力。

为了实现上述目的，本发明提供了一种核燃料组件的顶喷嘴，包括：连接板，连接于所述核燃料组件的导向套管；围墙，自所述连接板的周边向上伸出，且具有设置于所述围墙的上表面的弹簧夹具；以及安装于所述围墙的上表面的压紧弹簧单元。所述压紧弹簧单元包括：第一弹簧，在核反应堆的启动条件或热满功率条件下，用于抵抗关于核燃料组件的压紧力；以及第二弹簧，在核反应堆的启动条件下，用于抵抗关于核燃料组件的压紧力。

所述第一弹簧可具有第一倾斜装置(ramp)，和从所述第一倾斜装置的上端向下延伸的第一颈部。第二弹簧可具有第二倾斜装置；颈部插槽，贯穿所述第二倾斜装置的上端而形成使得所述第一弹簧的第一颈部贯穿插入所述颈部插槽；以及自所述第二倾斜装置的上端向下延伸的第二颈部，所述第二颈部比所述第一弹簧的第一颈部短。

所述压紧弹簧单元可以进一步包括设置于所述第一弹簧的下表面之下的至少一个中间弹簧。所述中间弹簧具有中间倾斜装置；和中间颈部插槽，贯穿所述中间倾斜装置的上端而形成使得所述第一弹簧的第一颈部贯穿插入所述中间颈部插槽。

所述第一弹簧、第二弹簧和中间弹簧可分别包括第一支撑部分、第二支撑部分和中间支撑部分。所述第一支撑部分、第二支撑部分和中间支撑部分可分别通过沿水平方向弯曲所述第一倾斜装置、第二倾斜装置和中间倾斜装置的下端而形成。第一销孔、第二销孔和中间销孔可分别通过贯穿所述第一支撑部分、第二支撑部分和中间支撑部分而形成。

第一弹簧、中间弹簧和第二弹簧可具有板簧形状。

附图说明

通过以下结合附图的详细说明，本发明以上和其它目的、特征和优点将会被更清晰地理解，其中：

图1是显示了典型的核燃料组件的主视图；

图2是例示了根据常规技术的核燃料组件的顶喷嘴的透视图；

图3是显示了根据常规技术的压紧弹簧单元的特性曲线的曲线图；

图4A至4C’是例示了根据本发明一实施方式的核燃料组件顶喷嘴的压紧弹簧单元的元件的立体图；

图5是顶喷嘴的局部侧视图，示出了图4的压紧弹簧单元的装配状态；

图6是根据本发明实施方式的核燃料组件顶喷嘴的透视图；以及

图7是示出了根据本发明实施方式的压紧弹簧单元的特性曲线的曲线图。

具体实施方式

下面，将参考附图更详细地描述本发明的优选实施方式。

图4A至4C’是例示用于顶喷嘴30’中的压紧弹簧单元100的分解透视图；图4A、4B和4C是第一弹簧110、第二弹簧130和中间弹簧120的仰视立体图；以及图4A’、4B’和4C’是第一弹簧110、第二弹簧130和中间弹簧120的俯视立体图。

如图4A至4C’所示，压紧弹簧单元100包括第一弹簧110、第二弹簧130和中间弹簧120。

第一弹簧110包括第一倾斜装置110’、设置于第一倾斜装置110’下端的第一支撑部分111和从第一倾斜装置110’的上端向下弯曲并延伸预定长度的第一颈部112，所述第一倾斜装置110’是板簧。贯穿第一支撑部分111形成第一销孔111a，从而固定销33贯穿插入第一销孔111a。第一颈部槽113形成于第一颈部112的下端，并沿第一颈部112 的中心轴线的垂直方向延伸预定长度。第一颈部弯钩114从位于第一颈部槽113的相对侧的第一颈部112的下端向外伸出。

中间弹簧120包括中间倾斜装置120’和设置于中间倾斜装置120’下端的中间支撑部分121。贯穿中间倾斜装置120’的上端形成颈部插槽125。贯穿中间支撑部分121形成中间销孔121a，以使固定销33贯穿插入中间销孔121a。

第二弹簧130包括第二倾斜装置130’、设置于第二倾斜装置130’下端的第二支撑部分131，以及从第二倾斜装置130’的上端向下弯曲并延伸预定长度的第二颈部132，所述第二倾斜装置130’是板簧。第二颈部132比第一颈部112短。贯穿第二支撑部分131形成第二销孔131a，以使固定销33贯穿插入第二销孔131a。贯穿第二倾斜装置130’的上端形成颈部插槽135。第二颈部弯钩134从第二颈部132下端的相对侧向外伸出。

图5是顶喷嘴30’的局部侧视图，示出了图4的压紧弹簧单元110的装配状态。图6是根据本发明一实施方式的核燃料组件顶喷嘴30’(下文简称为“顶喷嘴”)的透视图。

如图6所示，顶喷嘴30’包括连接板25，围墙20和多个压紧弹簧单元100。连接板25连接于核燃料组件的导向套管。围墙20从连接板25的周边向上伸出。弹簧夹具31和固定部分15设置于围墙20的上表面上。在每个弹簧夹具31中形成弹簧插孔31a。压紧弹簧单元100设置于围墙20的上表面上，并且其端部插入弹簧夹具31的相应弹簧插孔31a中。

如图5和6所示，每个压紧弹簧单元100构造成使得第一弹簧110、中间弹簧120和第二弹簧130分层地按如下方法装配在一起，即第一颈部112贯穿插入中间弹簧120的颈部插槽125和第二弹簧130的颈部插槽135。这里，第一支撑部分111、中间支撑部分121和第二支撑部分131形成具有分层结构的支撑端101(参见图5)。

如图6所示，为了将各自具有分层结构的压紧弹簧单元100固定于顶喷嘴30’，每一个压紧弹簧单元100的支撑端101水平地插入到相应弹簧夹具31的相应弹簧孔31a中。此后，固定销33插入到弹簧夹具31的相应固定孔33a、第一销孔111a、中间销孔121a和第二销孔131a，并通过诸如焊接、销固定、螺母或螺栓连接等固定方法固定于弹簧夹具31，从而将压紧弹簧单元100的支撑端101固定于顶喷嘴100。

贯穿插入中间弹簧120和第二弹簧130的第一颈部112的下端贯穿插入并锁定于设置于围墙20上的相应上板40的插槽41。第二颈部132的下端也插入并锁定于插槽41中。这里，第一颈部槽113使减小第一颈部112的下端宽度成为可能，从而便于第一颈部112插入到插槽41中。设置于第一颈部112相对侧的第一颈部弯钩114和设置于第二颈部132相对侧的第二颈部弯钩134插入到插槽41中并锁定于上板41的下表面，从而防止第一颈部112和第二颈部132从插槽41中意外脱离。各自的锁定销可锁定于第一颈部弯钩114和第二颈部弯钩134以便更可靠地防止第一颈部112和第二颈部132从插槽41中脱离。

在具有前述构造的压紧弹簧单元100中，第二颈部134锁定于插槽41中，从而在第一或第二弹簧110或130或者中间弹簧120受损时，起到防止元件损耗的作用。

而且，在核反应堆运行时，本发明的压紧弹簧单元100起到相对于热满功率条件和启动条件下所需要的压紧力，减小正值范围内的压紧余量的作用。

图7是示出了根据本发明实施方式的压紧弹簧单元100的特性曲线的曲线图。

在图7的曲线中，虚线表示图1的常规技术的压紧弹簧单元32的特性曲线。实线表示图4至6的压紧弹簧单元100的特性曲线。

如图7所示，在根据本发明的压紧弹簧单元100中，在热满功率条件下只有第一弹簧110和中间弹簧120工作，使得压紧力大于所需要的 压紧力，而其压紧余量(FPM)小于常规技术的压紧余量(FPM’)。

在启动条件下，当第一弹簧110和中间弹簧120进入压紧状态后，第二弹簧130也与第一弹簧110和中间弹簧120一起受到压紧力。从而，压紧余量(SPM)等于或小于常规技术下的压紧余量。

因此，本发明的压紧弹簧单元100使占据核反应堆的整个运行区的大部分的热满功率条件区中的压紧余量达到最小。另外，在启动条件下，压紧弹簧单元100动作使得产生压紧力，该压紧力的压紧余量等于或小于常规技术的压紧余量。从而，最佳压紧力可施加于核燃料组件。因而，在核反应堆处于运行时，防止过量的阻力通过压紧弹簧单元100施加于核燃料组件。因此，在核反应堆运行期间，顶喷嘴30’提供了响应于核燃料组件的长度变化的最佳压紧力，从而防止核燃料组件弯曲，并稳定地保持核燃料组件的位置。因此提高了核燃料组件的机械和结构稳定性。

如上所述，本发明使核反应堆热满功率条件下的压紧余量达到最小，从而在核反应堆运行时，防止阻力由顶喷嘴过量地施加于核燃料组件。

而且，在本发明中，在核反应堆运行期间，顶喷嘴提供了响应于核燃料组件的长度变化的适当压紧力，从而更稳定地保持核燃料组件的位置，且防止核燃料组件弯曲，因而确保核燃料组件的机械和结构稳定性。

此外，本发明构造成使得在核反应堆的启动条件下，压紧余量等于或小于期望的压紧余量以提供充足的压紧力，并在热满功率条件下，使压紧余量达到最小。因此，本发明防止在核反应堆运行时将过量的压紧力从顶喷嘴施加于核燃料组件，从而提高了位于核反应堆的整个运行区中的核燃料组件的机械和结构稳定性。

另外，在本发明中，即使压紧弹簧单元受损，能由第二弹簧的颈部来防止元件的损耗。

虽然本发明的优选实施方案已为例示目的而公开，本领域的技术人员将会理解，在没有脱离如所附权利要求中公开的本发明的范围和精神的情况下进行各种修改，补充和替代是可能的。