专利名称:燃料组件支承格架的利记博彩app
本发明涉及核反应堆用的燃料组件支承格架，特别涉及由具有预定晶粒取向的锆合金金属材料制成的支承格架，这种材料对辐照起反应，从而抵消保持组件燃料棒的格架构件的辐照诱生应力松弛的效应。
在大多数核反应堆中，堆芯是由许多细长的燃料组件构成的。这些燃料组件的常规设计包括许多根燃料棒，它们用许多个沿燃料组件长度轴向地间隔放置的格架保持成排列有序的阵列，并附着在燃料组件的许多个细长的控制棒导向套管上。燃料组件两端的顶部管座和底部管座被紧固在导向套管上，导管在燃料棒的上方和下方稍许伸出。
先有技术中熟知的格架被用来精确地保持堆芯中燃料棒之间的距离，防止燃料棒振动，为燃料棒提供横向支承。并在一定程度上利用摩擦力阻止燃料棒产生纵向移动。格架的常规设计包括许多根成蛋架形状的交叉板条，这种形状被设计形成许多单独容放燃料棒和控制棒导向套管的格孔。每个格架的在沿燃料棒轴向给定位置上容放和支承燃料棒的格孔，一般使用具有相当弹性的弹簧和形成于交叉板条金属内的相当坚硬的凸块(称为定位件)。每个格架孔的弹簧和定位件利用摩擦力啮合或接触相应的穿过格孔延伸的燃料棒。此外，外层板条附着在一起，从四周包围格架板条，使格架产生强度和刚性。
鉴于反应堆堆芯的运行包括燃料棒的辐照和格架与它们所支承的燃料棒一起被辐照，结果格架不可避免地随时间而稍许恶化。特别是，尽管如美国书No.4，474，730(Hellman等人)中所说明和指出的那样，尽管格架的构造比起燃料组件寿命来有了改善，但形成格架交叉板条的金属材料以及进而形成于其中的弹簧和定位件都由于辐照而遭受应力松弛。这一效应在由锆合金金属材料制成的格架的情况下特别显著。格架中弹簧、定位件和交叉板条的应力松驰的出现，造成保持燃料棒定位的格架的普遍松动，在燃料棒和格架之间产生间隙，降低了格架施加在燃料棒上的支承力。此种松动造成燃料棒随时间而过度磨损和纵向畸变或弯曲。
因而，需要一种技术来补偿格架金属材料的辐照诱生应力松弛，特别是对于那些用锆合金金属材料制成的格架。这种技术必须能减小或消除应力松弛对由格架保持定位的燃料棒的有害影响。
因此，本发明属于一种包括用完全重结晶的材料制成的交叉板条并形成许多格孔的燃料组件支承格架，这种材料在辐照时随材料织构的不同而沿不同方向有差别地生长，而每一个格孔适合于容放一根通常沿该格孔的轴向穿过的燃料棒，并沿该格孔截面方向对上述燃料棒施加一个预定的弹力，这种力足以把上述燃料棒保持在预定的位置上，这种支承格架的特征在于，上述格架板条的上述完全重结晶的材料沿上述格架孔截面的方向和沿上述格架孔的轴向具有各自预定的“f因子”值，使得在辐照上述格架时，格架的沿每个上述格架孔轴向的任何应力松驰将大体上被上述格架板条材料沿每个上述格架孔截面方向的收缩所抵消，从而在每根上述燃料棒上保持上述预定的弹力。
本发明也属于一种包括交叉板条和许多个弹性件的燃料组件支承格架，这种交叉板条用完全重结晶的锆合金金属材料制成，并沿通常正交的纵向延伸，从而形成许多格孔，每个格孔适合于容放一根通常沿上述板条高度方向穿过格孔的燃料棒，这许多个弹性件被限定在每个格孔中的上述板条上，沿上述板条高度的方向延伸入上述每个格孔，以便在上述燃料棒上施加一个预定的弹力，这个弹力足以将上述燃料棒保持在预定的位置上，这种支承格架的特征在于，上述格架板条上的上述完全重结晶的材料沿上述板条的纵向和沿上述板条的高度方向具有各自的预定的“f因子”值，使得在辐照上述格架时，格架的任何应力松弛将被上述格架材料沿上述板条纵向的收缩和上述格架板条材料与上述弹性材料沿上述高度方向的伸长所抵消，从而在每根上述燃料棒上保持上述预定的弹力。
作为本发明基础的是这样一种认识，即一种锆合金金属格架的设计可以由于利用锆合金随材料织构(或晶粒方向)的不同而沿不同方向有差别地生长这样一个事实而最优化。因此，本发明的目的是设计和制造一种锆合金金属基的格架，这种格架具有适当的织构(晶粒取向)，具有适当的弹簧和定位件的设计和取向，使得在辐照期间格架孔尺寸的生长被减小，最好是接近于零或稍许缩小。因此，格孔中互相对置的弹簧和定位件随时间而移动到更加接近，从而抵消弹簧正常产生的应力松驰和燃料棒管壳的变形。以这种方式，在燃料组件的整个寿命期间将对燃料棒保持一个充分大的正弹力。由于保持一个充分大的弹力，就可以避免在格架和燃料棒之间形成小的弹力和间隙，否则后者会造成磨损和燃料棒弯曲问题。
构成完全重结晶材料如完全重结晶锆合金材料的织构特征的关键因子被称作取向参数“f”。在下文中被称作“f因子”的取向参数“f”，是假定材料为单晶时其〔0001〕轴(或基轴)与给定方向平行的准直晶粒的百分率。因此，例如在轧板中，沿板的三个主要方向的“f因子”的合值必须加成为1。通常，在辐照材料时，具有接近0.33数值的方向在尺寸上显示不出变化。但是，具有接近于零的数值的那些方向显示出最大的生长，而具有接近于1的数值的那些方向显示出最大的缩小。
改进之处在于提供一种格架板条材料，其“f因子”值在沿格架孔截面的方向上大于沿格架孔轴向的方向，因而在辐照格架时，格架的任何松弛将被格架板条材料沿每个格架孔的截面方向的缩小所抵消，从而保持每根燃料棒的预定弹力。
特别是，材料沿格孔截面方向的“f因子”值最好在0.4至0.5范围内，而材料沿格孔轴向的“f因子”值最好在0.2至0.3范围内。
为了能更加清楚地理解本发明，现在作为例子将参考附图描述一种方便的实施例，图中图1是一个利用燃料棒支承格架的核燃料组件的部分截面立视图;
图2是图1燃料组件的一个燃料棒支承格架的局部放大顶视平面图，图示设置在格架孔内的弹簧和定位件，有一根燃料棒被插入而通过一个格孔;
图3是沿图2中3-3线截取的局部放大截面图;
图4是与图3类似但沿图2中4-4线截取的另一种局部放大截面图，图2的4-4线从3-3线位移了90度;
图5是锆之类六方密堆金属材料的晶体结构的几何图形，举例说明其基轴。
图6是轧板的几何图形，图示与三个主要的轧板方向中的每个方向相应的“f因子”。
在下列描述中，相同的参考符号表示几幅附图中相同的或相应的部件。同样，在下列描述中，可以理解，诸如“向前”、“向后”、“左”、“右”、“向上”、“向下”之类用语，是为方便而采用的词语，不应当被解释为限制性的用语。
现在参考附图，特别是图1，图中用垂直缩短形式示出了一个通常用编号10表示的燃料组件的立视图，燃料组件10基本上包括一个下端部构造即底部管座12和许多根纵向延伸的导向套管14，底部管座12将组件支承在反应堆(未图示)堆芯区域中的下堆芯板(未图示)上，导向套管14从底部管座12向上伸出。组件10还包括许多个横向格架16和一个细长燃料棒18的排列有序的阵列，横向格架16是按照被简短描述的本发明的原理而建造的，它沿导向套管14的轴向间隔放置，燃料棒18的阵列横向间隔放置，由格架16支承。同时，组件10有一个位于组件中心的仪表管20和一个附着于导向套管14上端部上的上端构造或顶部管座22。由于具有这样一种部件配置，燃料组件10形成一个整体单元，它能够被方便地装卸而不损伤组件的部件。
如上所述，组件10的燃料棒阵列中的燃料棒18，利用沿燃料组件纵向间隔放置的格架16保持在彼此间隔放置的位置上。每根燃料棒18包括核燃料芯块24，而燃料棒的相对两端用上下端塞26、28塞住，以密闭燃料棒。通常，一个增压弹簧30被安置在上端塞26和芯块24之间，以便在棒18内将芯块保持成紧密的叠堆。由裂变物质构成的燃料芯块24产生核反应堆的反应动力。一种诸如水或含硼水之类的液体慢化剂-冷却剂被通过堆芯的燃料组件向上泵入，以便提取在燃料组件中产生的热量，以产生有用的功。
为了控制裂变过程，许多根控制棒32可以在位于燃料组件10中预定位置上的导向套管14中往复移动。具体地说，顶部管座22包括一个棒束控制机构34，该机构具有一个带许多个径向延伸的锚爪或支臂38的内螺旋柱状件36。每个支臂38在内部连接到一根控制棒32上，使得控制机构34可以操作而垂直移动导管14中的控制棒32，从而控制燃料组件10中的裂变过程，这些都是熟知的方式。
为了精确地维持反应堆堆芯中燃料棒18之间的距离和防止它们的横向和纵向移动，格架16通常被设计成对燃料棒18施加弹力，弹力的方向是从每根棒的周围径向向内，指向棒的纵向轴。现在参考图2至图4，可以看到，每个格架16包括许多块交叉的内部板条40，它们具有蛋架的状态，被设计成形成如42表示的许多格孔，大多数格孔各自容放一根燃料棒18(为清楚起见，在图2中只示出了一个格孔42，它带有一根穿过该格孔放置的燃料棒18)，少数格孔容放一根控制棒导向套管14。
每个格架16的在其给定的轴向位置上容放和支承燃料棒18的格孔42通常使用具有相当弹性的弹簧44和相当坚硬的凸块或定位件46，它们形成于交叉的内部板条40的金属中，以产生将燃料棒保持在格孔中所需的弹力。同时，内部板条40通常是柔性的，使得当燃料棒18通过格架孔42放置时板条稍许弯曲。在举例说明的实施例中，在每个包含一根燃料棒18的格孔42的两个相邻侧壁上有两个弹簧44，而在格孔的面对每个弹簧的两个相邻侧壁上各有一个定位件46。每个格架孔42的弹簧44和定位件46利用摩擦而啮合或接触穿过格孔延伸的相应的燃料棒18。此外，外层板条48附着在一起，从四周包围格架内部板条40，使格架16产生强度和刚性。因此，施加在一根给定燃料棒18上的实际弹力，是由具有弹性的弹簧44、坚硬的定位件46和构成容放燃料棒的格孔42的柔性的交叉板条40彼此相互作用而产生的。
上述常规结构的燃料棒支承格架16通常用锆合金金属材料制成，它们由于利用锆合金随材料织构(或晶粒取向)的不同而在不同方向上有差别地生长这一事实而被改进和最优化。锆-4合金是一种在格架结构中普遍使用的锆合金，它具有下列成分Sn 1.20～1.70(重量)%Fe 0.18～0.24Cr 0.07～0.13Ni 最高0.007注Fe和Cr的合量最小应为0.28%，氧为1000～1450ppm。
至今为止，在制造格架16的部件时没有考虑到金属材料的织构。在本发明中，现在已经认识到，在用诸如带有适当的中间和最终热处理的辗压及β淬火之类合适的常规制造工艺加工以获得适当的预定织构之后，再利用这种锆合金板条材料，并利用如后面将要说明的适当地设计弹簧44和定位件46的办法，支承格架16可以被改善，从而在燃料组件10的整个寿命期间保持相当高的弹力。
在转向描述考虑到格架材料织构的支承格架16部件的设计如何导致格架性能的改善之前，简短地总结为理解本发明提供背景的有关一般的金属和具体的锆的晶体结构的那部分常规知识会是很有用的。让我们从G.E.Dieter，Jr.的《机械冶金》(1961)的第82页中论述的一段话开始“X射线衍射分析表明，金属晶体中的原子是按规则的重复的三维图形排布的。金属的原子排布可以用晶格来极简单地描绘，在晶格中原子被看作为按几何形状的排布位于特定位置上的坚硬的球。”许多种普通金属具有或者是体心立方或者是面心立方的晶体结构。体心立方晶体结构在每个角上有一个原子，在立方体的中心有另一个原子。具有这种晶体结构的典型金属是铁、铬、钼。面心立方晶体结构与体心立方晶体结构相同，此外在每个立方体侧面的中心还有一个原子。铝、铜、金、铅、银、镍是普通的面心立方金属。
第三种稍微不太普通的金属结构是如图5中所见的六角密堆积晶格结构。锆、钛、镁在室温下具有此种结构。像锆那样的六角密堆积材料的晶体结构并不象体心和面心晶体结构那样对称。这意味着，当这些材料在诸如制板或制管之类正常的金属加工工艺期间产生形变时，由于不同方向上的原子密度不同，从原子尺度看来，形变过程只可能在数目有限的方向上发生。最后结果是形变材料为各向异性，也就是，它沿不同的方向具有不同的织构(晶粒取向)和不同的机械性能。因此，诸如锆及其合金之类沿不同方向具有不同织构(晶粒取向)和不同性能的材料被称为各向异性材料。
利用变换制造工序可以改变从冷加工和热处理产生的最优取向(织构)的性质。重要的变数是辗压方向、每一道辗压的减少量、各道辗压之间的热处理温度，最终的热处理，从热处理温度冷却的速率，交叉辗压等等。在《原子能评论》(1963)第1卷第4期第128～133页的D.L.Douglas的《锆的物理冶金》一文中包含了有关制造过程和织构之间关系的讨论。
如前面所述，表示锆合金材料中织构的关键因子被称为“f因子”。假定材料为单晶，那末f因子或取向参数为其〔0001〕轴(或图5中见到的基轴)平行于给定方向的准直晶粒的百分率。例如，在如图6中看到的轧板中，FN、FT和FL代表沿轧板三个主要方向即法线方向(N)、横切方向(T)和辗压方向(L)准直的〔0001〕晶轴的百分率。0和1.0的f值分别表示垂直或平行于感兴趣方向或给定方向的〔0001〕晶体方向的完美准直。沿三个主要方向的f合量必须是1。通常，在辐照锆材料时，具有接近0.33数值的方向在尺寸上不显示变化，而那些具有接近零值的方向显示最大的生长，那些具有接近1的数值的方向显示最大的缩小。关于此处称作“f因子”的取向参数的更详细讨论，请参阅1965年11月J.J.Kearnes发表的编号为WARD-TM-472的报告，题目为“锆合金中的热膨胀和最优取向”。
参考图3和图4，本发明的改进在于在格架16中提供完全重结晶的锆合金或锆合金格架板条40，这种锆合金的“f因子”值沿通常正交的纵向L(图2)为0.45或更高，沿板条高度方向H为小于0.25(图3和图4)，沿厚度方向为约0.6。格架板条40的通常正交的纵向L沿通过格架16的格孔42的横截面延伸，而板条40的高度方向沿燃料棒18穿过格孔42的轴向延伸。鉴于本发明的目的，沿每个纵向L的f值是最重要的;沿高度方向H的f值仅是中等重要的，而沿板条厚度方向的f值是相对不重要的。最好沿纵向的f值应当是相当高的(0.4～0.5)，而沿与板条制造困难相一致的高度方向的f值应当是相当低的(0.2～0.3)。我们注意到，产品的织构(晶粒取向)程度愈高，它们就愈难制造，因此必须取得合理的协调。
如果沿纵向L的f值为0.4，那末格架孔尺寸可以期望由于辐照收缩而减小大约0.06%，这在一个典型的压水堆燃料组件中大约为0.4密耳(1密耳＝0.001英寸)。f＝0.5的值会导致约0.12%的减小，这大约为0.8密耳。这在大多数情况下都是充分的，不需要考虑弹簧或定位件的设计或沿高度方向H的织构。
对于一种典型的压水堆应用，假定一束快中子(＞1Mev)流量为6×1021nvt(nvt为中子通量×时间)，横向生长对于f＝0.3的织构通常为0.04%，这个数值小到足以忽略不计。在高度方向假定一个f＝0.12的典型织构，由于冷加工和弹簧比较长，冷加工弹簧的生长将大于重结晶退火壁。最后结果为弹簧的约0.1%δ生长，这意味着弹簧将稍许更多地突入格孔。最后结果是在格架和燃料棒之间保持住接触，这防止了磨损。
但是，如果期望弹簧44和定位件46的额外辐照生长进一步缩小弹簧和定位件之间的距离(横跨每个格架孔42的距离)，那末沿高度方向的小的f值必须与弹簧和定位件的合适的轴取向相结合。具体地说，当轴取向如图3和图4中所见为沿板条高度H的方向时，弹簧44和定位件46的突出长度将长于板条40的开孔的高度，弹簧和定位件就被附着在该开孔的相对两端上。因此弹簧44和定位件46的材料沿板条高度方向的长度生长将大于板条40其余材料沿板条高度方向的高度生长。因为弹簧44和定位件46被保持在它们附着于板条40的相对端部上，因为弹簧和定位件在辐照下生长得更长，所以它们必然移动(突出)得更加进入格架孔42，并从径向顶住延伸穿过格架孔的燃料棒18，从而增加燃料棒18和格架16之间的弹力。
假定沿高度方向的f值为0.16，弹簧44和定位件46长度的辐照生长经计算为1.25%，而板条40沿高度方向的辐照生长为1%，最后结果是弹簧和定位件将对着燃料棒进一步突出约1密耳。
权利要求
1.一种包括用完全重结晶的材料制成的交叉板条并形成许多格孔的燃料组件支承格架，这种材料在辐照时随材料织构的不同而沿不同方向有差别地生长，而每一个格孔适合于容放一根通常沿该格孔的轴向穿过的燃料棒，并沿该格孔截面方向对上述燃料棒施加一个预定的弹力，这种力足以把上述燃料棒保持在预定在位置上，这种支承格架的特征在于，上述格架板条的上述完全重结晶的材料沿上述格架孔截面的方向和上述格架孔的轴向具有各自预定的“f因子”值，使得在辐照上述格架时，格架的沿每个上述格架孔轴向的任何应力松驰将大体上被上述格架板条材料沿每个上述格架孔截面方向的收缩所抵消，从而在每根上述燃料棒上保持上述预定的弹力。
2.一种如权利要求
1所述的支承格架，其特征在于，上述材料沿格架截面方向的“f因子”值在0.4至0.5的范围内。
3.一种如权利要求
1所述的支承格架，其特征在于，上述材料沿格架轴向的“f因子”值在0.2至0.3的范围内。
4.一种包括交叉板条和许多个弹性件的燃料组件支承格架，这种交叉板条用完全重结晶的锆合金金属材料制成，并沿通常正交的纵向延伸，从而形成许多格孔，每个格孔适合于容放一根通常沿上述板条高度方向穿过格孔的燃料棒，这许多个弹性件被限定在每个格孔中的上述板条上，沿上述板条高度的方向延伸入上述每个格孔，以便在上述燃料棒上施加一个预定的弹力，这个弹力足以将上述燃料棒保持在预定的位置上，这种支承格架的特征在于，上述格架板条的上述完全重结晶的材料沿上述板条的纵向和沿上述板条的高度方向具有各自的预定的“f因子”值，使得在辐照上述格架时，格架的任何应力松驰将被上述格架板条材料沿上述板条纵向的收缩和上述格架板条材料与上述弹性件材料沿上述高度方向的伸长所抵消，从而在每根上述燃料棒上保持上述预定的弹力。
5.一种如权利要求
4所述的支承格架，其特征在于，每个弹性件的长度与每根板条的高度有关，使得板条和弹性件的材料的伸长导致上述弹性件长度的增加大于上述板条高度的增加，从而上述弹性件更向上述格孔中伸入，而弹性件施加在格孔中上述燃料棒上的弹力相应地增加。
6.一种如权利要求
4或5所述的支承格架，其特征在于，板条材料沿纵向的“f因子”值在0.4至0.5的范围内。
7.一种如权利要求
6所述的支承格架，其中在范围内的“f因子”值至少为0.45。
8.一种如权利要求
4或5所述的支承格架，其特征为板条材料沿高度方向的“f因子”值在0.2至0.3的范围内。
专利摘要
燃料组件支承格架中的锆合金格架板条具有预定的织构(或晶粒取向)，以抵消在辐照格架时产生的应力松弛。特别是，通过使材料的“f因子”值在通常正交的板条纵向大于板条高度方向的方法，格架板条材料将在纵向遭受辐照收缩，这将用来抵消应力松弛，并对穿过由格架板条形成的格孔而延伸的燃料棒保持足够的弹力。
文档编号G21C3/34GK86107200SQ86107200
公开日1987年4月1日 申请日期1986年10月13日
发明者哈里·马克斯·弗拉里 申请人:西屋电气公司导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan