套管式导向管及轻水堆核电站燃料组件

摘要

本发明涉及一种用于轻水堆核电站燃料组件的套管式导向管，包括内套管、以及紧密套设在所述内套管外围的外套管；所述内套管包括大径段、小径段、以及连接所述大径段和小径段的缓冲段；所述大径段、小径段和缓冲段的内壁平滑过渡连接；所述外套管包括套管段和连接段；所述套管段紧密套设在所述小径段的外围，所述连接段与所述缓冲段的外壁固定相接。通过在内套管外围紧密套设外套管，使得套管段和连接段分别套设在小径段和缓冲段外围，加强了整个导向管的强度，进而加强了轻水堆核电站燃料组件的强度；同时，强化了缓冲段，使得控制棒下落时能够更容易的吸收能量，提高了抗弯曲性；而且内套管和外套管的制作、组装方便，容易实现。

说明书

技术领域

本发明涉及轻水堆核电站燃料组件，更具体地说，涉及一种用于核电站燃料组件中的套管式导向管。

背景技术

轻水堆核电站燃料组件一般包括上管座1、导向管2、格架3、燃料棒4和下管座5等五大部件，如图14所示。该格架3一般由条带组装，具有17×17个方形栅格。25根导向管平行放置在部分格架3栅格中，格架3将导向管2成功隔开，控制了导向管2之间间距，这样就构成了管束。管束上下两端由上管座1和下管座5固定，组成了燃料组件骨架。燃料棒4平行放置在没有被导向管2占据的栅格中。冷却剂从下管座下部流入流经燃料棒4，将中子慢化并带走裂变能，从上管座1流出。中子被慢化后，极易与易裂变原子（U-235，Pu-239）发生反应，造成裂变。

如果中子慢化效果好，燃料棒4发热速率极快。为控制裂变反应和防止燃料棒4过热烧毁，一些吸收体材料（如银-铟-镉、铪）被做成棒束从导向管2上端插入。这种棒束成为控制棒组件。如果发生冷却剂丧失事故，控制棒需要快速落下，防止燃料棒烧毁。

现有技术中，如图15所示，导向管2采用多级变径来逐步吸收控制棒下落的能量。现有技术导向管2壁厚较薄，一般为0.4mm。这种情况下控制棒下落速度极快，薄壁的导向管2部分区域水力载荷集中，很容易发生失效。特别的，在控制棒快速下落时，较大的水力载荷集中在缩径段，使得导向管2容易发生偏折。

另外燃料组件放置轻水堆中，两端受力较大，容易发生弯曲。根据欧拉公式，发生弯曲轴向临界载荷正比于（壁厚×外径）²。因此现有技术中，薄壁和缩径段降低了燃料组件抗弯曲性。由现有技术导向管组装的燃料组件刚度低，受到长期较大的轴向载荷时，容易发生弯曲。

另外，如图16所示，由于导向管2下部是一个相对的死水区，随着燃耗的增加，回路中异物会过多地沉积导向管2下部。这样就存在异物阻塞带孔的螺钉6的风险，从而影响控制棒的落棒时间或不能充分冷却相关棒，甚至引起导向管2内的局部沸腾。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，提供一种加强抗弯曲性能、强化缓冲段、结构易于制造的套管式导向管、以及采用该套管式导向管的轻水堆核电站燃料组件。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种用于轻水堆核电站燃料组件的套管式导向管，包括内套管；还包括紧密套设在所述内套管外围的外套管；

所述内套管包括大径段、小径段、以及连接所述大径段和小径段的缓冲段；所述大径段、小径段和缓冲段的内壁平滑过渡连接；

所述外套管包括套管段和连接段；所述套管段紧密套设在所述小径段的外围，所述连接段与所述缓冲段的外壁固定相接。

在本发明的套管式导向管中，所述套管段的长度与所述小径段的长度相当，占所述内套管的总长度的10%～30%；

所述套管段与所述小径段为过盈配合连接、间隙配合连接或过渡配合连接。

在本发明的套管式导向管中，所述内套管与外套管为过盈配合：过盈量为0.005mm～0.02mm，或内套管与外套管为间隙配合：间隙量0.05mm～0.30mm。

在本发明的套管式导向管中，所述大径段、小径段和缓冲段为一体结构，其壁厚相等，为0.4mm～0.7mm。

在本发明的套管式导向管中，所述套管段的壁厚为0.4mm～0.8mm。

在本发明的套管式导向管中，所述缓冲段的侧壁设有若干第一开孔；所述第一开孔的孔径为1mm～4mm。

在本发明的套管式导向管中，所述套管式导向管还包括底部端塞；所述小径段的末端和所述套管段的末端与所述底部端塞紧密连接。

在本发明的套管式导向管中，所述底部端塞的侧壁设有若干第二开孔；所述第二开孔的孔径为1mm～4mm。

在本发明的套管式导向管中，所述底部端塞的外壁开设有排污槽，所述排污槽形成“L”型流道；或者，

在所述内套管和外套管靠近所述底部端塞的位置处开设有排污孔。

在本发明的套管式导向管中，所述连接段的长度为所述外套管的总长度的0.1%～3%。

在本发明的套管式导向管中，所述连接段的壁厚从开口端向所述套管段逐渐变厚，其渐进角度为1～15度；

或者，所述连接段为指爪结构，设有若干轴向的开槽，将所述连接段分为多个连接片；

或者，所述连接段包括相邻接的前段和后段，所述前段为指爪结构，设有若干轴向的开槽，将所述连接段分为多个连接片，所述后段的壁厚从开口端向所述套管段逐渐变厚，其渐进角度为1～15度。

本发明还提供一种轻水堆核电站燃料组件，包括上管座、导向管、格架、燃料棒、以及下管座；所述导向管为上述任一所述的套管式导向管。

实施本发明具有以下有益效果：通过在内套管外围紧密套设外套管，使得套管段和连接段分别套设在小径段和缓冲段外围，加强了整个导向管的强度，进而加强了轻水堆核电站燃料组件的强度；同时，强化了缓冲段，使得控制棒下落时能够更容易的吸收能量，提高了抗弯曲性；而且内套管和外套管的制作、组装方便，容易实现。

另外，通过在底部端塞设置“L”型流道或者设置排污孔，可有效降低了高燃耗下异物堵塞导向管下部的第二开孔的风险，提高安全性。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明套管式导向管第一实施例的结构示意图；

图2是本发明套管式导向管第一实施例的外套管和内套管组装后的剖视示意图；

图3是本发明套管式导向管第一实施例的外套管和内套管的分解剖视示意图；

图4是本发明套管式导向管第二实施例的局部剖视示意图；

图5a是本发明套管式导向管第二实施例的3个连接片的外套管的端面示意图；

图5b是图5a的外套管的另一角度示意图；

图6a是本发明套管式导向管第二实施例的6个连接片的外套管的端面示意图；

图6b是图6a的外套管的另一角度示意图；

图7a是本发明套管式导向管第二实施例的10个连接片的外套管的端面示意图；

图7b是图7a的外套管的另一角度示意图；

图8是本发明套管式导向管第三实施例的局部剖视示意图；

图9a是本发明套管式导向管第三实施例的3个连接片的外套管的端面示意图；

图9b是图9a的外套管的另一角度示意图；

图10a是本发明套管式导向管第三实施例的6个连接片的外套管的端面示意图；

图10b是图10a的外套管的另一角度示意图；

图11a是本发明套管式导向管第三实施例的10个连接片的外套管的端面示意图；

图11b是图11a的外套管的另一角度示意图；

图12是本发明的套管式导向管下部的局部剖视示意图；

图13是本发明的套管式导向管下部的另一种形式的局部剖视示意图；

图14是现有技术的轻水堆核电站燃料组件的示意图；

图15是现有技术的轻水堆核电站燃料组件的导向管的安装示意图；

图16是现有技术的导向管下部的局部剖视示意图。

具体实施方式

如图1-图3所示，是本发明的套管式导向管的第一实施例，可用于轻水堆核电站燃料组件。该轻水堆核电站燃料组件包括上管座、套管式导向管、格架、燃料棒、以及下管座，其组装关系本领域的技术人员能够理解，在此不作赘述。

该套管式导向管包括内套管10、外套管30等，该外套管30紧密套设在内套管10的外围，组成抗弯曲的套管式导向管。在本实施例中，该内套管10和外套管30为过盈配合，过盈量可以为0.005mm～0.020mm，实现紧密套接。可以理解的，内套管10和外套管30之间还可以通过间隙配合、过度配合等其他的方式固定连接，通过间隙配合时，间隙量为0.05mm～0.30mm。

如图3所示，该内套管10包括大径段11、小径段12、以及连接大径段11和小径段12的缓冲段13，大径段11、小径段12和缓冲段13的内壁平滑过渡连接。通过设置小径段12，可以降低控制棒落入的速度，缓解了控制棒下落时导向管水力载荷的集中情况。该小径段12约占整个内套管10长度的10%~30%，用于防止对上管座造成过大冲击载荷。该缓冲段13连接大径段11和小径段12，内壁平滑过渡连接，有利于降低控制棒落棒时间。

在本实施例中，大径段11、小径段12和缓冲段13为一体结构，其壁厚相等，约为0.4mm～0.7mm，采用一体结构使其加工制作方便简单。

为了缓释落棒时对内套管10缓冲段13造成的冲击，同时进一步降低控制棒落棒时间，还可以在缓冲段13开设多个第一开孔14，孔径可以为1mm-4mm。

如图3所示，该外套管30包括套管段31和连接段32，套管段31紧密套设在小径段12的外围，而连接段32与缓冲段13的外壁固定相接。该套管段31的长度与内套管10的小径段12的长度相当，约占整个套管式导向管的总长度的10%～30%。该套管段31的壁厚约为0.4mm～0.8mm。通过将套管段31过盈配合的套设在小径段12的外围，起到支撑作用，增强了导向管的整体刚度。整个套管式导向管在套管段31的总壁厚可达0.95mm～1.5mm，同时取消了现有技术的导向管的外径缩紧段，这两者共同作用提高了整个套管式导向管的抗弯曲性能。

该连接段32的长度为外套管30的总长度的0.1%～3%，在本实施例中，该连接段32的壁厚从开口端向套管段31成线性逐渐变厚，其渐进角度为1～15度，与缓冲段13的外壁斜度相匹配，从而使内套管10和外套管30在该处紧密配合，加强了导向管的抗弯曲性能。该连接段32与缓冲段13之间可以进一步的使用焊接方式固定连接。

进一步的，在内套管10和外套管30的末端还设有底部端塞50，以便于与下管座匹配板70的连接。外套管30下端、内套管10的下端都可以通过环焊连接的方式与底部端塞50紧密连接。为了缓释落棒时对内套管10小径段12造成冲击，同时进一步降低控制棒落棒时间，在底部端塞50的侧壁设有若干第二开孔51，该第二开孔51的孔径约为1mm～4mm。可以理解的，该底部端塞50可以通过轴肩螺钉52与下管座固定连接，该第二开孔51可以为供轴肩螺钉52穿过的螺孔。

如图12所示，在底部端塞50的外壁上还设有排污槽53，该排污槽53形成“L”型流道，这样就降低了高燃耗下异物堵塞导向管下部的第二开孔51的风险。该排污槽53的截面形状可以为“V”形、“U”形、半圆形等各种形状。“L”型流道的设计允许异物流出，同时通过偏折流道来控制了堆芯旁流。

如图13所示，还可以在内套管10和外套管30靠近底部端塞50的位置处开设排污孔54，从而使得异物能够通过该排污孔54排出，降低了高燃耗下异物堵塞导向管下部的第二开孔51的风险。

如图4-图7b所示，是本发明的套管式导向管的第二实施例，其与第一实施例的区别在于，外套管30的连接段32的结构不同，其它结构与第一实施例基本相同，故不赘述。

在本实施例中，该外套管30的连接段32的壁厚与套管段31的壁厚相等，采用指爪结构，即在连接段32上开设若干轴向的开槽33，将连接段32分为多个连接片。该开槽33的数量可以根据需要进行设置，如将连接段32分割成3～16个连接片，图5a-7b所示，示意性的给出了分割成3、6、10个连接片的示意图。通过将连接段32设置成指爪结构，从而具有一定挠度，以便于外套管30更紧密地固定在内套管10上。在组装完成后，可以将连接片与内套管10的外壁进行点焊固定，无需进行满焊，减少焊线长度，提高连接质量。

如图8-11b所示，是本发明的套管式导向管的第三实施例，其与第一、二实施例的区别在于，外套管30的连接段32的结构不同，其它结构与第一实施例基本相同，故不赘述。

在本实施例中，该外套管30的连接段32分为两段，分别为前段321和后段322，可以分别占整个外套管30的0.1%～3%。前段321的壁厚均匀相等，采用指爪结构，即在连接段32上开设若干轴向的开槽33，将连接段32分为多个连接片。该开槽33的数量可以根据需要进行设置，如将连接段32分割成3-16个连接片，图9a-11b所示，示意性的给出了分割成3、6、10个连接片的示意图。通过将连接段32设置成指爪结构，从而具有一定挠度，以便于外套管30更紧密地固定在内套管10上。在组装完成后，可以将连接片与内套管10的外壁进行点焊固定，无需进行满焊，减少焊线长度，提高连接质量。

该后段322的壁厚从开口端向套管段31成线性逐渐变厚，其渐进角度为1-15度，与缓冲段13的外壁斜度相匹配，从而使内套管10和外套管30在该处紧密配合，加强了导向管的抗弯曲性能。

以上实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据此实施，并不能限制本发明的保护范围。凡跟本发明权利要求范围所做的均等变化与修饰，均应属于本发明权利要求的涵盖范围。