[发明专利]具有防止燃料棒摩擦腐蚀的划艇形弹簧的支撑格架

说明书

技术领域

本发明涉及一种支撑核燃料组件的核燃料棒的支撑格架，具体地说，涉 及一种具有能够防止燃料棒摩擦腐蚀的弹簧的支撑格架。

背景技术

所谓核反应堆是指通过人工控制核裂变物质的连锁核裂变反应，用于产 生热量、或生产放射性同位素及钚、或形成放射线场等多种目的的设备。

一般来说，轻水反应堆中使用的是将铀-235的比例提高到2～5％的浓缩 铀。为了加工成核反应堆使用的核燃料，需要进行成型加工，将铀制成重量 为5g左右的圆筒形颗粒(Pellet)。将上述颗粒以数百个为一束，在真空状态 下装入锆合金制成的被覆管，装入弹簧并充入氦气后，焊接上部密封盖制成 燃料棒。上述燃料棒最终构成核燃料组件，在核反应堆内通过核反应进行燃 烧。

上述核燃料组件及其组成结构如图1至图3所示。图1是一般核燃料组 件的简单示意图；图2是从上方看去的支撑格架的平面示意图；图3是上述 支撑格架的剖面立体图。

如图1所示，上述核燃料组件的组成包括：由上端固定体4、下端固定 体5、引导管3及支撑格架2组成的骨架；装入到上述支撑格架2内部，通 过在支撑格架2内部形成的弹簧6(参照图2及图3)及凹陷7(参照图2 及图3)来支撑的燃料棒1。组装核燃料组件时，为了防止燃料棒1表面出 现缺陷及支撑格架内部弹簧6损伤，在燃料棒表面涂上漆后装入骨架，并安 装固定上端固定体和下端固定体，从而完成核燃料组件的组装，此后，除去 已完成组装的组件的漆，并检查燃料棒间隔、扭曲度、全长、尺寸等，从而 最终完成组件制造工程。

如图2及图3所示，支撑格架2通过以一定间隔形成的狭缝(没有图示) 将带条(薄金属板)相互连接成格架状，从而形成能够分别装入多个燃料棒 1的空间。上述支撑格架上下排列10个至13个，并与4m长的引导管3焊 接。在由支撑格架2形成的各空间部规则地形成了弹簧6及凹陷7，通过弹 簧6及凹陷7与燃料棒1(参照图1)接触，保持燃料棒1(参照图1)之间 的间隔，使其排列在规定位置，并通过弹簧6的弹性来固定燃料棒1。

另一方面，当今的核燃料开发目标是实现高燃烧度及完整性。为了开发 高燃烧度的核燃料，提出了提高从核燃料棒到冷却水的热传导的方法。这种 提高热传导的方法主要是通过增设混合叶片及对其进行的设计变更或有效 构成油路通道，改善流经核燃料棒周围的核反应堆冷却水流动。

但是，上述提高热传导的方法会使流经核燃料棒的冷却水形成更大的湍 流，因此会引发流激振动，从而使核燃料棒振动。

核燃料棒的流激振动会使核燃料棒在支撑格架的弹簧或凹陷的接触面 上出现相对滑动，从而对燃料棒接触面造成局部磨损，引发核燃料棒逐渐损 伤的磨擦腐蚀现象。即，为开发高燃烧度核燃料而提出的提高热性能的方法， 在另一方面也会带来促进核燃料棒损伤的负面影响。

另一方面，在燃烧过程中支撑格架将沿横向扩张。此外，燃料棒在反应 堆内燃烧时会沿半径方向出现蠕变，即，反复发生在反应堆内冷却水等的高 压作用下收缩以及半径随烧结体的膨胀而扩张的现象，使燃料棒外径出现不 规则的方向性，造成支撑格架的弹簧/凹陷与燃料棒之间出现间隙，从而加剧 摩擦腐蚀现象。

为了将上述摩擦腐蚀现象限制到最小程度，曾经提出了加长燃料棒与弹 簧/凹陷之间的纵向接触长度或形成面接触的方案，从而即使存在摩擦腐蚀， 也能够使同等磨损体积对应的磨损深度最小化。

图4a及图4b为具有加长了纵向线接触长度的现有弹簧的支撑格架的简 略示意图，采用了现在普遍使用的弹簧形态。

上述弹簧最好呈平板状，从而与燃料棒形成线接触，使磨损最小化。但 是，实际上如图4a所示，在板上形成了弯曲，从而在支撑核燃料棒时使其 具有弹性。因此，最初燃料棒和支撑格架之间形成的不是线接触，而是3点 接触，随着磨损加剧，逐渐转变为线接触。这里，通过最初的3点接触，使 燃料棒的摩擦腐蚀加快。

另一方面，作为与燃料棒形成面接触，从而使摩擦腐蚀最小化的方法， 可以列举2002年3月6日申请的美利坚合众国专利登记号为US6606369的 “Nuclear reactor with improved grid”(以下称为先行技术)。上述先行技术如 图5a及5b所示，其特征是，在弹簧62上形成了曲面，使弹簧62和燃料棒 1形成面接触，与以往的点接触或线接触方式相比，能够防止流激振动造成 的燃料棒沿轴向或横向晃动的现象。