一种栅元、燃料组件定位格架和燃料组件的制作方法

本实用新型属于燃料组件技术领域，具体涉及一种栅元、燃料组件定位格架和燃料组件。

背景技术：

核电站反应堆运行过程中，核燃料的性能是影响反应堆安全性和经济性的重要因素。因此国际上一直将燃料元件的研究放在十分突出的地位，通过优化燃料元件设计、采用先进结构材料、改进元件制造工艺等方法，不断提高核燃料元件的各种性能，促使核电向更安全和更经济的方向发展。

在现有压水堆燃料组件设计中，燃料棒一般采用定位格架夹持悬空的方式。定位格架对燃料元件起着支撑夹持的作用，并需要抵抗燃料元件的重力作用，由于辐照的作用，夹持燃料棒的弹簧的夹持力会急剧减小，燃料棒一般会落在下管座上，在冷却剂的流动作用下，燃料棒可能会上下窜动，这会导致燃料棒破损的风险。

若要优化燃料元件的参数，并采用通用的燃料组件外形结构设计，使得新型组件能够适用于目前的成熟的堆芯。如采用新型的环形燃料元件，其外径变大，重量增加，此时所需的定位格架的夹持力可能增大约2-4倍，能够放置如弹簧、刚凸等夹持件的空间变小，这使得燃料元件在运行时落在下管座上的概率增大，并使得在停堆换料后再启堆的过程中燃料元件上下窜动的概率也增大。

同时，在现有的燃料组件定位格架设计制造中，定位格架基本都由内外条带组成。由于其条带的复杂性，在生产制造时需要30多种模具。在模具确定后，若要改变定位格架的特性，如流动阻力，对冷却剂在燃料组件间的分配产生更好的效果等等，需要改变其中几乎所有模具的形状，大大增加了工作负担。

因此，亟需设计一种新型的燃料组件定位格架，以克服现有技术的不足。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供一种用于燃料组件定位格架的栅元，具有该栅元的燃料组件定位格架以及燃料组件。

本实用新型的技术方案如下：

一种栅元，用于核反应堆燃料组件的定位格架，所述的栅元为四面筒体，包括筒角和筒壁，在四个筒角处分别加工平面，在筒角平面上设有刚凸。

所述的刚凸为圆形，向栅元内部凸起，与燃料元件形成点接触。

所述的刚凸为椭圆形，沿栅元的高度方向向栅元内侧凸起，与燃料元件形成线接触。

在刚凸的上方设有上凸部，用于控制冷却剂流量，并对冷却剂产生搅混作用。

在刚凸的下方，与上凸部对称地设有下凸部。

所述的上凸部和下凸部均向栅元外侧凸起，上凸部和下凸部的凸出幅度根据实际冷却剂所需要的搅混的横流以及在燃料组件中定位格架能占的流动阻力份额来限定，所需的搅混横流越大，同时能占的流动阻力份额越大则凸出的幅度越大。

在所述的刚凸上方设有倾斜的上导向面，使刚凸与栅元筒角平滑过渡，方便燃料元件插入。

在所述的刚凸下方设有倾斜的下导向面。

一种燃料组件定位格架，由所述的栅元排列组成。

所述的栅元两两相接，形成N×N的排列。

所述的相邻两个栅元通过在筒壁点焊的方式两两固定。

N的取值范围为3～17。

N的取值为5、7、9、11、13、15中的一个。

将栅元排列中的一个栅元取出，栅元空缺的位置作为导向管通道或仪表管通道。

所述的仪表管通道有一个，位于栅元以N×N排列的中心位置；导向管通道有若干个，以仪表管通道为中心，对称排列。

导向管设于导向管通道内，与栅元的筒壁外侧面焊接固定。

所述的导向管通道与上管座的导向管通道的数量、位置一致。

仪表管设于仪表管通道内，与栅元的筒壁外侧面焊接固定。

在栅元排列的外侧设有外条带，外条带的高度与栅元的高度相同。

在外条带的上边缘和下边缘均设有导向翼，防止燃料组件在装配的时候互相钩挂。

一种核反应堆燃料组件，包括所述的定位格架。

还包括上管座、环形燃料元件、下管座、导向管和仪表管；

所述的环形燃料元件、导向管和仪表管插设于定位格架中；定位格架有多个，依次沿轴向设置；导向管和仪表管的上端与上管座固定连接，下端与下管座固定连接；

环形燃料元件的下端插入下管座，与下管座固定连接，当环形燃料元件产生辐照生长时，向上膨胀。

所述的环形燃料元件由上端塞、下端塞、内包壳、外包壳、压紧弹簧和环形燃料芯块组成；

外包壳设于内包壳的外侧，内包壳和外包壳上方连接上端塞、下方连接下端塞；上端塞、下端塞、内包壳和外包壳组成的空腔用来容纳环形燃料芯块；

上端塞与环形燃料芯块之间形成气腔，气腔内设置有压紧弹簧，压紧弹簧一端顶在环形燃料芯块上，另一端顶在上端塞上，在压紧弹簧的推力作用下，环形燃料芯块压紧在下端塞上；压紧弹簧在运输燃料时提供推力，防止环形燃料芯块窜动，避免造成环形燃料芯块破损。

在所述的环形燃料元件的上端塞上设有一个充气孔，通过充气孔向气腔内充入氦气用来导热；

所述的环形燃料元件的下端塞通过管状固定件固定在下管座上。

本实用新型的有益效果在于：

(1)本实用新型栅元通过设置不同凸出幅度的凸部来改变搅混程度，进而调节定位格架至其所需要的流动阻力。

(2)本实用新型定位格架能够适用于更大外径的燃料元件，如环形燃料元件，对燃料元件提供横向定位并对冷却剂产生一定的搅混作用。

(3)本实用新型定位格架也可以适用常见的棒状燃料元件，且能够使冷却剂与燃料元件更加充分地接触。

(4)本实用新型燃料组件采用多个轴向设置的定位格架夹持燃料元件，对燃料元件进行固定，并保持燃料元件间距，使得燃料元件在压水堆核电厂的堆芯中位于固定位置，并且能使得导向管受到横向支撑和定位。

(5)本实用新型燃料组件的环形燃料元件中设有压紧弹簧，在运输燃料时提供推力，防止环形燃料芯块窜动，避免造成环形燃料芯块破损。

(6)本实用新型燃料组件的环形燃料元件，在环形燃料元件的上端塞上设有一个充气孔，通过充气孔向气腔内充入氦气用来导热。

(7)本实用新型燃料组件的环形燃料元件通过管状固定件固定在下管座上，避免了运行过程中夹持燃料元件的弹簧的夹持力减小，造成燃料元件落在下管座上损坏燃料元件的问题，防止冷却剂通过燃料组件向上流动时燃料元件上下窜动，避免导致燃料元件破损的风险。

附图说明

图1为实施例一栅元结构示意图；

图2为实施例一燃料组件定位格架示意图；

图3为外条带结构示意图；

图4为实施例二栅元结构示意图；

图5为实施例五栅元结构示意图；

图6为实施例六栅元结构示意图；

图7为环形燃料元件结构示意图。

图中：1.栅元；2.刚凸；3.上凸部；4.上导向面；5.下导向面；6.外条带；7.导向管通道；8.导向翼；9.下凸部；10.上端塞；11.内包壳；12.外包壳；13.压紧弹簧；14.环形燃料芯块；15.下端塞；16.管状固定件；17.充气孔；18.气腔。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本实用新型作进一步详细说明。

实施例一

如图1所示，栅元1为四面筒体，包括筒角和筒壁，在筒角处加工平面。在栅元1的筒角平面上设有刚凸2。

所述的刚凸2为椭圆形，沿栅元1的高度方向向栅元1内侧凸起，与燃料元件形成线接触。

在所述的刚凸2上方设有倾斜的上导向面4，在刚凸2的下方设有倾斜的下导向面5，使刚凸2与栅元1筒壁平滑过渡，方便燃料元件插入。

在上导向面4的上方设有上凸部3，用于控制冷却剂流量，并对冷却剂产生一定的搅混作用。所述的上凸部3向栅元1外侧凸起。上凸部3的凸出幅度根据实际冷却剂所需要的搅混的横流以及在燃料组件中定位格架能占的流动阻力份额来限定，所需的搅混横流越大，同时能占的流动阻力份额越大则凸出的幅度越大。

一种栅元型燃料组件定位格架，如图2所示，由栅元1排列组成。所述的栅元1两两相接，通过点焊的方式固定，形成17x17的定位格架。

将栅元排列中心位置的栅元1取出，栅元1空缺的位置作为仪表管通道，仪表管设于仪表管通道内，与栅元1的筒壁外侧面焊接固定。

以仪表管通道为中心，将对称位置的若干个栅元1取出，栅元1空缺的位置作为导向管通道7，导向管设于导向管通道7内，与栅元1筒壁外侧固定。所述导向管通道7的数量和位置与上管座的导向管通道的数量和位置一致。

在栅元1排列的外侧设有外条带6，外条带6的高度与栅元1的高度相同。

如图3所示，在外条带6的上边缘和下边缘均设有导向翼8，防止燃料组件在装配的时候互相钩挂。

实施例二

栅元1为四面筒体，包括筒角和筒壁，在筒角处加工平面。在栅元1的筒角平面上设有刚凸2。

如图4所示，所述的刚凸2为椭圆形，沿栅元1的高度方向向栅元1内侧凸起，与燃料元件形成线接触。

在所述的刚凸2上方设有倾斜的上导向面4，在刚凸2的下方设有倾斜的下导向面5，使刚凸2与栅元1筒壁平滑过渡，方便燃料元件插入。

一种栅元型燃料组件定位格架，由栅元1排列组成。所述的栅元1两两相接，通过点焊的方式固定，形成3x3的定位格架。

将栅元排列中心位置的栅元1取出，栅元1空缺的位置作为仪表管通道，仪表管设于仪表管通道内，与栅元1的筒壁外侧面焊接固定。

以仪表管通道为中心，将对称位置的若干个栅元1取出，栅元1空缺的位置作为导向管通道7，导向管设于导向管通道7内，与栅元1筒壁外侧固定。所述导向管通道7的数量和位置与上管座的导向管通道的数量和位置一致。

在栅元1排列的外侧设有外条带6，外条带6的高度与栅元1的高度相同。

在外条带6的上边缘和下边缘均设有导向翼8，防止燃料组件在装配的时候互相钩挂。

实施例三

栅元1为四面筒体，包括筒角和筒壁，在筒角处加工平面。在栅元1的筒角平面上设有刚凸2。

所述的刚凸2为椭圆形，沿栅元1的高度方向向栅元1内侧凸起，与燃料元件形成线接触。

在所述的刚凸2上方设有倾斜的上导向面4，在刚凸2的下方设有倾斜的下导向面5，使刚凸2与栅元1筒壁平滑过渡，方便燃料元件插入。

在上导向面4的上方设有上凸部3，在下导向面5的下方，与上凸部3对称地设有下凸部9，用于控制冷却剂流量，并对冷却剂产生一定的搅混作用。所述的上凸部3和下凸部9均向栅元1外侧凸起。上凸部3和下凸部9的凸出幅度根据实际冷却剂所需要的搅混的横流以及在燃料组件中定位格架能占的流动阻力份额来限定，所需的搅混横流越大，同时能占的流动阻力份额越大则凸出的幅度越大。

一种栅元型燃料组件定位格架，由栅元1排列组成。所述的栅元1两两相接，通过点焊的方式固定，形成13x13的定位格架。

将栅元排列中心位置的栅元1取出，栅元1空缺的位置作为仪表管通道，仪表管设于仪表管通道内，与栅元1的筒壁外侧面焊接固定。

以仪表管通道为中心，将对称位置的若干个栅元1取出，栅元1空缺的位置作为导向管通道7，导向管设于导向管通道7内，与栅元1筒壁外侧固定。所述导向管通道7的数量和位置与上管座的导向管通道的数量和位置一致。

在栅元1排列的外侧设有外条带6，外条带6的高度与栅元1的高度相同。

在外条带6的上边缘和下边缘均设有导向翼8，防止燃料组件在装配的时候互相钩挂。

实施例四

栅元1为四面筒体，包括筒角和筒壁，在筒角处加工平面。在栅元1的筒角平面上设有刚凸2。

所述的刚凸2为圆形，向栅元1内部凸起，与燃料元件形成点接触。

在所述的刚凸2上方设有倾斜的上导向面4，在刚凸2的下方设有倾斜的下导向面5，使刚凸2与栅元1筒壁平滑过渡，方便燃料元件插入。

一种栅元型燃料组件定位格架，由栅元1排列组成。所述的栅元1两两相接，形成9x9的定位格架。

将栅元排列中心位置的栅元1取出，栅元1空缺的位置作为仪表管通道，仪表管设于仪表管通道内，与栅元1的筒壁外侧面焊接固定。

以仪表管通道为中心，将对称位置的若干个栅元1取出，栅元1空缺的位置作为导向管通道7，导向管设于导向管通道7内，与栅元1筒壁外侧固定。所述导向管通道7的数量和位置与上管座的导向管通道的数量和位置一致。

在栅元1排列的外侧设有外条带6，外条带6的高度与栅元1的高度相同。

在外条带6的上边缘和下边缘均设有导向翼8，防止燃料组件在装配的时候互相钩挂。

实施例五

栅元1为四面筒体，包括筒角和筒壁，在筒角处加工平面。在栅元1的筒角平面上设有刚凸2。

如图5所示，所述的刚凸2为圆形，向栅元1内部凸起，与燃料元件形成点接触。

在所述的刚凸2上方设有倾斜的上导向面4，在刚凸2的下方设有倾斜的下导向面5，使刚凸2与栅元1筒壁平滑过渡，方便燃料元件插入。

在上导向面4的上方设有上凸部3，在下导向面5的下方，与上凸部3对称地设有下凸部9，用于控制冷却剂流量，并对冷却剂产生一定的搅混作用。所述的上凸部3和下凸部9均向栅元1外侧凸起。上凸部3和下凸部9的凸出幅度根据实际冷却剂所需要的搅混的横流以及在燃料组件中定位格架能占的流动阻力份额来限定，所需的搅混横流越大，同时能占的流动阻力份额越大则凸出的幅度越大。

一种栅元型燃料组件定位格架，由栅元1排列组成。所述的栅元1两两相接，形成5x5的定位格架。

将栅元排列中心位置的栅元1取出，栅元1空缺的位置作为仪表管通道，仪表管设于仪表管通道内，与栅元1的筒壁外侧面焊接固定。

以仪表管通道为中心，将对称位置的若干个栅元1取出，栅元1空缺的位置作为导向管通道7，导向管设于导向管通道7内，与栅元1筒壁外侧固定。所述导向管通道7的数量和位置与上管座的导向管通道的数量和位置一致。

在栅元1排列的外侧设有外条带6，外条带6的高度与栅元1的高度相同。

在外条带6的上边缘和下边缘均设有导向翼8，防止燃料组件在装配的时候互相钩挂。

实施例六

栅元1为四面筒体，包括筒角和筒壁，在筒角处加工平面。在栅元1的筒角平面上设有刚凸2。

如图6所示，所述的刚凸2为椭圆形，沿栅元1的高度方向向栅元1内侧凸起，与燃料元件形成线接触。

在所述的刚凸2下方设有倾斜的下导向面5，使刚凸2与栅元1筒壁平滑过渡，方便燃料元件插入。

在刚凸2的上方设有上凸部3，在下导向面5的下方设有下凸部9，用于控制冷却剂流量，并对冷却剂产生一定的搅混作用。所述的上凸部3和下凸部9均向栅元1外侧凸起。上凸部3和下凸部9的凸出幅度根据实际冷却剂所需要的搅混的横流以及在燃料组件中定位格架能占的流动阻力份额来限定，所需的搅混横流越大，同时能占的流动阻力份额越大则凸出的幅度越大。

一种燃料组件定位格架，由栅元1排列组成。所述的栅元1两两相接，形成15x15的定位格架。

将栅元排列中心位置的栅元1取出，栅元1空缺的位置作为仪表管通道，仪表管设于仪表管通道内，与栅元1的筒壁外侧面焊接固定。

以仪表管通道为中心，将对称位置的若干个栅元1取出，栅元1空缺的位置作为导向管通道7，导向管设于导向管通道7内，与栅元1筒壁外侧固定。所述导向管通道7的数量和位置与上管座的导向管通道的数量和位置一致。

在栅元1排列的外侧设有外条带6，外条带6的高度与栅元1的高度相同。

在外条带6的上边缘和下边缘均设有导向翼8，防止燃料组件在装配的时候互相钩挂。

本实用新型核反应堆燃料组件，包括上管座、环形燃料元件、下管座、导向管、仪表管，以及上述任一实施例所述的定位格架。

所述的环形燃料元件、导向管和仪表管插设于定位格架中；定位格架有多个，依次沿轴向设置；导向管和仪表管的上端与上管座固定连接，下端与下管座固定连接；

环形燃料元件的下端插入下管座，与下管座固定连接，当环形燃料元件产生辐照生长时，向上膨胀。

在所述上管座的上端设置有上管座压紧弹簧和上管座定位销孔。上管座压紧弹簧共有四个，分别设置在上管座顶部的四条边上，用于压紧燃料组件。上管座定位销孔共有两个，分别设置在上管座顶部的对角上，通过与销钉配合实现对燃料组件的定位。

在下管座的上端分别设置有下管座的导向管安装孔、下管座第一流水孔和下管座第二流水孔。下管座的导向管安装孔的位置与导向管的位置相对应，用于固定导向管，下管座第一流水孔和下管座第二流水孔用于通过冷却剂。

如图7所示，所述的环形燃料元件由上端塞10、下端塞15、内包壳11、外包壳12、压紧弹簧13和环形燃料芯块14组成。外包壳12设于内包壳11的外侧，内包壳11和外包壳12上方连接上端塞10、下方连接下端塞15。上端塞10、下端塞15、内包壳11和外包壳12组成的空腔用来容纳环形燃料芯块14。

所述的上端塞10与环形燃料芯块14之间形成气腔18，气腔18内设置有压紧弹簧13，压紧弹簧13一端顶在环形燃料芯块14上，另一端顶在上端塞10上，在压紧弹簧13的推力作用下，环形燃料芯块14压紧在下端塞15上；压紧弹簧13在运输燃料时提供推力，防止环形燃料芯块14窜动，避免造成环形燃料芯块14破损。

在所述的环形燃料元件的上端塞10上设有一个充气孔17，通过充气孔17向气腔18内充入氦气用来导热。

所述的环形燃料元件的下端塞15通过管状固定件16固定在下管座上。

环形燃料元件由于采用了环形结构，可以在保持或增进现有反应堆安全裕度的前提下，大幅提升堆芯输出功率密度，明显改善核电的经济性。正常运行工况下，环形燃料元件整体温度远低于棒状燃料元件；在严重事故工况下，环形燃料芯块14的温度低、储能少的特点可以延缓燃料元件包壳失效的进程，为后续的事故缓解和应急响应提供宝贵的时间，提升了压水堆核电厂的固有安全性。环形燃料元件还可以降低组件的流动阻力，堆芯的阻力减小，可以有效降低压水堆核电厂一回路泵的输出功率，提升使用寿命。