燃料棒端塞、燃料棒及其装配方法与流程

本发明涉及核燃料组件技术领域，尤其涉及一种燃料棒端塞、燃料棒及其装配方法。

背景技术：

燃料组件主要由骨架及燃料棒构成，骨架由上管座、下管座、导向管、仪表管及格架组成，燃料棒由燃料芯块、包壳管、弹簧及上、下端塞组成。燃料棒在装配过程中，先将下端塞与包壳管进行焊接，然后装入燃料芯块、弹簧，最后焊接上端塞。为了平衡运行过程中燃料棒包壳内外压力，燃料棒内要求充入适当压力的氦气。

目前，端塞与包壳管的焊接方式分为熔化焊和非熔化焊，熔化焊包括TIG焊(钨极惰性气体保护焊)、电子束焊和激光焊等方式，非熔化焊主要是压力电阻焊(USW)。压力电阻焊由于其特殊工艺，其上、下端塞结构是一致的，无需在上端塞开孔充气。而对于目前使用较多的熔化焊工艺，是先将上端塞插入包壳管并与之焊接，然后再通过上端塞中心的通孔充入氦气，最后进行堵孔焊。

现有的上端塞、下端塞结构如图1所示，上端塞1中心开有充气孔2，且上端塞1的端部是平头的，而下端塞3中心没有开孔，端部是圆头的。在端塞焊接时，端塞焊接和充气堵孔焊分多步进行，生产流程步骤多，限制生产效率。另外，由于上端塞1开孔的结构设计，使得上端塞1、下端塞3的结构不同，长度也是不一致，因此上、下端塞1、3需分别进行加工，进一步限制生产效率。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题在于，提供一种实现端塞焊接和堵孔焊一步操作完成的燃料棒端塞、具有该端塞的燃料棒及其装配方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种燃料棒端塞，包括轴向相接的第一塞体和第二塞体；所述第二塞体上设有侧面槽，侧面槽沿所述第二塞体的轴向向所述第一塞体的方向延伸；所述侧面槽与所述包壳管之间形成气流通道。

优选地，所述侧面槽的底面位于所述第一塞体内。

优选地，所述第一塞体和第二塞体的相接处形成一个与所述包壳管端面相接的环形台阶，所述侧面槽的底面位于所述环形台阶内。

优选地，所述侧面槽的底面位于所述第一塞体和第二塞体的相接处；所述包壳管的端面上对应所述侧面槽设有凹槽，所述凹槽与所述侧面槽相连通，形成所述气流通道的开口。

优选地，所述第一塞体和第二塞体的相接处形成一个与所述包壳管端面相接的环形台阶，所述侧面槽的底面位于所述环形台阶的表面。

优选地，所述侧面槽的横截面形状为矩形、半圆形或弧形。

优选地，所述侧面槽的宽度小于所述第二塞体的直径；所述第二塞体与燃料棒包壳管的端口内壁过盈配合。

优选地，所述侧面槽的深度小于所述第二塞体半径的二分之一。

优选地，所述第一塞体远离所述第二塞体的一端上设有与拉棒装置或压塞装置配合的安装结构；所述安装结构包括锥形导向部。

本发明还提供一种燃料棒，包括包壳管、分别安装在所述包壳管上下两端上的上端塞和下端塞；所述上端塞为以上任一项所述的端塞。

优选地，所述包壳管的端面上对应所述侧面槽设有凹槽，所述凹槽与所述侧面槽相连通，形成所述气流通道的开口。

优选地，所述上端塞通过焊接方式固定在所述包壳管的上端，同时将所述上端塞与所述包壳管之间的气流通道封堵。

本发明还提供一种上述燃料棒的装配方法，包括以下步骤：

S1、将下端塞安装在包壳管的下端上；

S2、往所述包壳管内装入燃料芯块及弹簧；

S3、将上端塞插接到所述包壳管的上端，所述上端塞的第二塞体与所述包壳管上端内壁配合，所述第二塞体上的侧面槽与所述包壳管之间形成气流通道；

S4、通过所述气流通道对所述包壳管内部进行抽真空、充入氦气；

S5、采用焊接方式将所述上端塞固定在所述包壳管上，焊接时所述上端塞与包壳管之间配合面的材料熔化将所述气流通道封堵。

本发明的有益效果：端塞上设侧面槽，在燃料棒包壳管上与包壳管之间形成气流通道，通过气流通道对燃料棒进行抽真空充氮气，代替现有技术中在端塞中心设置充气孔，也缩小了上、下端塞在结构上的差异，简化了上端塞的加工，提高端塞的加工效率。气流通道在端塞与包壳管的焊接过程中封堵，从而实现将端塞焊接和堵孔焊两步简化为一步焊接操作，提高了端塞焊接效率。

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是现有燃料棒中上、下端塞的结构示意图；

图2是本发明第一实施例的燃料棒端塞的结构示意图；

图3是图1所示端塞在包壳管上的剖面结构示意图；

图4是图3所示端塞第二塞体在包壳管中的剖面结构示意图；

图5是本发明第二实施例的燃料棒端塞的结构示意图；

图6是图5所示端塞在包壳管上的剖面结构示意图；

图7是图6中包壳管的结构示意图；

图8是本发明第三实施例的燃料棒端塞的第二塞体在包壳管中的剖面结构示意图；

图9是本发明第四实施例的燃料棒端塞的第二塞体在包壳管中的剖面结构示意图；

图10是本发明第五实施例的燃料棒端塞的第二塞体在包壳管中的剖面结构示意图。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。

如图2、3所示，本发明第一实施例的燃料棒端塞10，包括轴向相接的第一塞体11和第二塞体12；端塞10用于安装在燃料棒的包壳管20上。在包壳管20上，第一塞体11位于包壳管20外部，第二塞体12与包壳管20的端口内壁配合，从而端塞10可紧固在包壳管20上。

在本实施例中，第一塞体11和第二塞体12的相接处形成一个环形台阶13，该环形台阶13与包壳管20的端面相接。

第一塞体11为端塞10的主体，其与第二塞体12相接的一端直径大于第二塞体12的直径，从而两者之间形成有环形台阶13。环形台阶13围绕在第二塞体12的外周。

第一塞体11远离第二塞体12的一端上设有安装结构，用于与拉棒装置或压塞装置配合，便于燃料棒的装配。本实施例中，如图2中所示，安装结构包括锥形导向部15。该锥形导向部15在整个燃料棒上，也作为燃料棒的导向部，保证燃料棒在拉棒过程中容易穿过格架，不会对格架造成损坏。

进一步地，第一塞体11的外周面呈锥形面，使得第一塞体11的直径自连接第二塞体12的一端到远离第二塞体12的另一端逐渐减小。锥形导向部15一体成型在第一塞体11的直径较小的一端上。

第一塞体11和第二塞体12为实心塞体。

第二塞体12与包壳管20的端口内壁过盈配合，通过过盈配合紧固在其中，且在焊接端塞10时保证端塞10与包壳管20的对中。

特别地，第二塞体12上设有侧面槽14，该侧面槽14通过在第二塞体12侧面切削形成。侧面槽14沿第二塞体12的轴向延伸至环形台阶13；当端塞10插接在包壳管20上，侧面槽14与包壳管20之间形成气流通道30。气流通道30连通包壳管20内外侧，方便对包壳管20内部进行充氦气等操作。

具体地，本实施例中，侧面槽14从第二塞体12远离第一塞体11的端面延伸至环形台阶13内，使得侧面槽14的长度a(延伸长度)大于第二塞体12的长度，而侧面槽14的底面位于环形台阶13内。当端塞10插接在包壳管20上，第二塞体12的外周与包壳管20内壁贴合，环形台阶13抵接在包壳管20的端面上，侧面槽14的侧面(与包壳管20内壁相对的侧面)与包壳管20内壁之间留有间隔，且侧面槽14的底面与包壳管20的端面之间也留有间隔，该两个间隔相连通即形成了气流通道30。

优选地，侧面槽14的长度a略大于第二塞体12的长度。

如图4所示，侧面槽14的深度b也较小，如小于第二塞体12半径的二分之一，利于后续焊接的融化封堵。此外，侧面槽14的宽度c小于第二塞体12的直径，避免侧面槽14的开设占据第二塞体12的一半。

侧面槽14的横截面形状不限，例如可为矩形、半圆形或弧形等。

本实施例中，侧面槽14的横截面形状为矩形。

如图5-7所示，本发明第二实施例的燃料棒端塞10，包括轴向相接的第一塞体11和第二塞体12；端塞10用于安装在燃料棒的包壳管20上。在包壳管20上，第一塞体11位于包壳管20外部，第二塞体12与包壳管20的端口内壁配合。第一塞体11和第二塞体12连接处形成一个环形台阶13，该环形台阶13与包壳管20的端面相接。第二塞体12上设有侧面槽14，当端塞10插接在包壳管20上，侧面槽14与包壳管20之间形成气流通道30。气流通道30连通包壳管20内外侧，方便对包壳管20内部进行充氦气等操作。

与上述第一实施例不同的是：在本实施例中，侧面槽14的底面位于环形台阶13的表面，这样侧面槽14的长度与第二塞体12的长度一致。气流通道30形成在侧面槽14和包壳管20的内壁之间。

对应侧面槽14，包壳管20的端面上设有凹槽21，凹槽21与侧面槽14相连通，形成气流通道30的开口，气流通道30通过开口与包壳管20外部连通，以便充氦气。具体地，当端塞10插接在包壳管20上，凹槽21的底面与侧面槽14的底面相隔相对，两者之间的空间形成开口。凹槽21的深度不需太大，只需能够连通气流通道30与外部即可；凹槽21的宽度可与侧面槽14的宽度一致。

如图8所示，本发明第三实施例的燃料棒端塞10，第二塞体12上的侧面槽14的横截面形状为矩形。本实施例中，侧面槽14的深度较于第一实施例中侧面槽14的深度大。

如图9所示，本发明第四实施例的燃料棒端塞10，第二塞体12上的侧面槽14的横截面形状为半圆形。本实施例中，侧面槽14的最大深度(半圆形槽的半径)小于第二塞体12的半径，侧面槽14的宽度也小于第二塞体12的半径。

如图10所示，本发明第五实施例的燃料棒端塞10，第二塞体12上的侧面槽14的横截面形状为弧形。本实施例中，侧面槽14的弧面朝向与第四实施例中半圆形的侧面槽14的弧面相反。此外，侧面槽14的宽度大于第二塞体12的半径而小于第二塞体12的直径。

本发明的端塞，在其他实施例中，第一塞体11和第二塞体12的相接处直径可一致，从而两者之间不存在环形台阶。侧面槽14在第二塞体12上沿着第二塞体12的轴向向第一塞体11的方向延伸。

参考图2、3所示结构，在一个选择性实施方式中，侧面槽14的底面可位于第一塞体11内(不同图2、3所示的环形台阶13内)，使得侧面槽14的延伸长度大于第二塞体12的长度。在包壳管20上，侧面槽14的底面可与包壳管20的端面间隔相对，两者之间的空间形成连通气流通道30的开口；气流通道30通过该开口与包壳管20外部连通。

参考图5、6所示结构，在另一个选择性实施方式中，侧面槽14的底面可位于第一塞体11和第二塞体12的相接处(不同图5、6所示的环形台阶13表面)，侧面槽14的延伸长度与第二塞体12的长度一致。包壳管20的端面上对应侧面槽14设有凹槽21，凹槽21与侧面槽14相连通，形成气流通道30的开口。具体地，在包壳管20上，侧面槽14的底面与凹槽21的底面间隔相对，两者之间的空间形成连通气流通道30的开口；气流通道30通过该开口与包壳管20外部连通。

本发明的端塞，主要作为上端塞，插接在燃料棒包壳管的上端，在通过气流通道充氦气等操作后通过焊接方式紧密固定在包壳管上端，同时也将气流通道封堵。

参考图3、图6，本发明的燃料棒，包括包壳管20、分别安装在包壳管20上下两端上的上端塞和下端塞(未图示)；上端塞为上述各实施例中所述的端塞10。该燃料棒还包括设置在包壳管20内的燃料芯块、弹簧等，燃料芯块(如UO2芯块)、弹簧等件可参考现有技术的燃料棒，在此不再赘述。

端塞10插接在包壳管20上端时，第二塞体12的外周与包壳管20内壁贴合，环形台阶13抵接在包壳管20的端面上。气流通道30位于侧面槽14和包壳管20的内壁之间，并沿延伸至侧面槽14的底面连通包壳管20外部。

在一个实施例中，端塞10可为图2所示结构，侧面槽14的底面延伸至环形台阶13内，从而气流通道30位于侧面槽14和包壳管20的内壁之间，并沿延伸至侧面槽14的底面和包壳管20的端面之间，连通包壳管20的内部和外部空间。

在另一个实施例中，端塞10可为图5所示结构，侧面槽14的底面位于环形台阶13的表面。如图6、7所示，包壳管20的端面上对应侧面槽14设有凹槽21，凹槽21与侧面槽14相连通，形成气流通道30的开口，从而气流通道30位于侧面槽14和包壳管20的内壁之间，并沿延伸至侧面槽14的底面和凹槽21的底面之间，连通包壳管20的内部和外部空间。

插接后，上端塞(端塞10)通过焊接方式进行环焊而固定在包壳管20的上端，同时将上端塞与包壳管20之间的气流通道30封堵，完成上端塞和包壳管20之间的紧密连接。

下端塞包括相连接的两个塞体，其中一个塞体与包壳管20端口内壁过盈配合，另一个塞体位于包壳管20外；该下端塞的结构大致与上端塞的结构相同，不同的是下端塞上不需设置侧面槽。因此，在加工端塞时，可加工出一致结构的端塞，在作为上端塞的端塞上加工侧面槽，不加工侧面槽的端塞则作为下端塞，从而提高端塞的加工效率。

参考图3、图6，本发明的燃料棒的装配方法，可包括以下步骤：

S1、将下端塞(未图示)安装在包壳管20的下端上。

下端塞安装时，先将一塞体插接到包壳管20下端内，再通过熔化焊将下端塞固定在包壳管20的下端上。

S2、往包壳管20内装入燃料芯块及弹簧，具体操作采用现有技术操作实现即可。

S3、将上端塞(端塞10)插接到包壳管20的上端，上端塞的第二塞体12与包壳管20上端内壁过盈配合，上端塞的第二塞体12的侧面槽14与包壳管20之间形成气流通道30。

S4、通过气流通道30对包壳管20内部进行抽真空、充入氦气。

S5、采用焊接方式将上端塞固定在包壳管20上，焊接时上端塞与包壳管20之间配合面的材料熔化将气流通道30封堵。

具体地，采用熔化焊以环焊方式将第二塞体12的环形台阶13与包壳管20的端面焊接在一起。在焊接过程中，由于侧面槽14的深度和宽度较小，远小于焊接的热影响范围，焊接时环形台阶13与包壳管20端面的材料熔化将气流通道30堵上，这样使得端塞环焊与充气堵孔两步操作简化为一步操作，有效地提高了端塞焊接的效率。

完成装配的燃料棒，上端塞和包壳管20之间的气流通道30已被封堵而不存在。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。