Science &Technology Visionreactor technology
科技视界0引言
反应堆从用途上大致分为动力堆和研究堆，动力堆常用于大型的商用电站或核动力装置，其目的是输出能量，燃料组件的运行于高温高压环境之中，其燃料材料的选择及结构设计均要考虑高温高压环境的要求。研究堆的主要目的是为材料研究、中子照射或者其他用途提供中子源，而非输出能量，因此研究堆燃料组件在材料选择、结构设计等方面与动力堆有较大的差异，本文调研了目前研究堆燃料组件的结构类型，分析了其整体结构设计，提出了研究堆燃料组件设计方面的建议，以供参考。
1研究堆燃料组件结构
研究堆燃料组件通常由燃料元件、与堆芯部件接口的上下连接件
(或称上下管座)以及燃料元件之间的连接结构组成。1.1燃料元件结构
研究堆燃料元件结构形式有板型、管型和棒形，占主要地位的还是板型或管型。
图1燃料板分解示意图Fig1Fuel Plate Disassemble
弥散型燃料元件(燃料板或燃料管)结构类似夹心饼干结构，燃料弥散在基体材料中构成燃料芯体，在芯体的上下两侧包覆包壳材料，包壳材料通常与基体材料相同，通过轧板或挤压的方式是芯体与包壳结合。
燃料板通常采用轧板的方式制造，而燃料管通常采用共挤压方式一次成型，对于燃料元件，每个燃料板以及每个燃料组件中铀的均匀性都应得到严格控制,[1]铀密度若比正常值高出1%就意味着该位置的局部功率高1%。因此不论采用燃料板还是燃料管结构，芯体的铀密度控制是燃料元件中的重要指标。对于U 3Si 2弥散燃料，由于芯体硬度较
高，较高的铀密度会对制造中铀均匀性的控制造成难度，例如控制铀密度4.8g/cm 3的U 3Si 2燃料板的铀均匀性要比控制铀密度为1.2g/cm 3的UAlx 燃料板的铀均匀性要困难的多。从实际制造中这一点出发，采用U 3Si 2为燃料的研究堆燃料元件，从制造角度出发，在可保证元件铀装料的条件下，适当降低铀密度将有利于改善燃料元件的铀均匀性，这一点对于元件的制造质量以及未来堆内运行的安全都具有很大的益处。
1.2燃料组件结构
常见的研究堆燃料组件有套管型、弧板拼接套管型、弧板楔形及板型方盒形等几种。
图2弧板拼接组件横截面结构
Fig2Cross Section of Arc Plate Fuel Assembly
典型的套管型燃料组件分为圆形、正方形和六边形几种，一般都包含几层结构尺寸不同的同心或同轴燃料管，燃料管通常采用共挤压工艺加工制造。在最里层燃料管内还装有不含燃料的同心或同轴内套管，可用于插入辐照装置或控制棒，同时也起到保护内层燃料管的作用。在最外层燃料外面装有不含燃料的外套管，兼有保护外层燃料管和组件骨架的作用。外套管的形状一般与燃料管相同(方形、圆形或六边形)。也有的组件无论燃料管是什么形状，外套管都采用六边形结构，其目的在于减少堆芯中的无效流量。也有的组件不带外套管。套管型结构的燃料组件整体刚度和机械强度较好，抗辐照变形能力好，每个组件都允许控制棒或辐照装置的插入，且具有良好流动阻力特性。
从横截面上看，弧板拼接套管型燃料组件属于圆形的套管型组件，差别在于每层燃料管由几块弧形燃料板拼接而成。通常一根燃料管由三块弧形燃料板组成，弧形燃料板一般采用“镜框技术”制造，即将燃料芯体包容在框板和上下两层包壳内，通过轧制或挤压工艺成型。组件中心也带有内套管，外围有外套管。这种结构的燃料组件也具有较好的整体刚度和机械强度，但不如套管型组件；同时每个组件也都允许控制棒或辐照装置的插入，且具有良好流动阻力特性。
弧板楔形组件由若干弧形燃料板组成。各燃料板(下转第65页)
研究堆燃料组件设计综述
雷涛粟敏黄春兰
(中国核动力研究设计院核反应堆系统设计技术重点实验室，四川成都610041)
【摘要】研究堆是核反应堆的一种类型，其主要功能是为研究或其它用途提供中子源，是一种工具堆。燃料组件是研究堆中的重要部件，由于其用途与商用堆存在较大的不同，因此其燃料组件在结构设计上与商用堆组件存在较大差异。本文从燃料组件的整体结构、连接结构以及流道结构等方面对研究堆燃料组件结构设计进行了分析。在此基础上，提出了研究堆燃料组件设计方面的建议，以供类似组件设计参考。
【关键词】研究堆；燃料组件；结构设计
The Design Summary of Research Reactor Fuel Assembly
LEI Tao SU Min HUANG Chun-lan
(Science and Technology on Reactor System Design Technology Laboratory,Nuclear Power Institute of China,
Chengdu Sichun 610041,China)
【Abstract 】Research reactor is one type of multitudinous nuclear reactors.It is mainly used to research or provide neutrons for others,and is a tool reactor.Fuel assembly is an important component of research reactor,the structure of which is quite different from the one of commercial reactor because of their different uses.The whole structure,the connection and the flow channel of the research reactor are analyzed in this paper.Based on this,the fuel assembly design of the research reactor is proposed in this paper,and it has some reference value for other design.
【Key words 】Research Reactor;Fuel Assembly;Structure
Design
作者简介：雷涛(1975—)，男,1999年毕业于西安交通大学核工程专业，学士，高级工程师，现主要从事反应堆燃料设计工作。粟敏(1982—)，男,2007年毕业于华中科技大学机电工程专业，硕士，工程师，现主要从事反应堆燃料设计工作。
黄春兰(1981—)，女,2002年毕业于四川大学流体传动及控制专业，学士，高级工程师，现主要从事反应堆燃料设计工作。
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止进一步锈蚀。当不锈钢的紧固件被锁紧时，牙纹间所产生的压力与热量会破坏这一氧化层，使得金属螺纹间发生阻塞或剪切，进而发生粘连现象。当这一现象持续发生时，将使不锈钢紧固件完全锁死，再也无法拆下或继续锁上。咬死的现象是瞬间发生的。
选择紧固件中的易操作件(螺杆或螺母)，在单面螺纹表面上镀铬，能够使阳螺纹与阴螺纹表面形成硬度差，能有效防止紧固件之间相互咬死。尤其是螺杆与螺孔为同种材料的不锈钢螺纹表面，涂抹润滑剂几乎没有效果，镀铬是目前堆内结构防咬唯一行之有效的措施。
在反应堆中已经应用的零部件有控制棒驱动机构导向和行程套管的螺纹表面、反应堆压力容器的CRDM 管座螺纹表面和堆内构件二次支承的圆螺母螺纹表面；除此之外，还能够用于堆芯活性区的围板与成形板连接螺栓表面等。
螺纹牙顶在镀铬过程中会产生尖端放电现象，使该处镀层堆积，易导致螺纹表面的镀层厚薄不均，由于螺纹紧固件之间的配合公差带较窄，较厚的镀层会对它们之间的配合产生影响；另外，它们之间除安装期间拧入和拧出外不发生相互运动，所以镀层不能太厚。镀层厚度根据螺纹紧固件的大小确定，对于螺纹公称直径在12mm 以内的螺纹表面，镀层厚度一般为0.005~0.008mm;12mm 以上的，一般为0.008~0.012mm。
2.3减小摩擦系数
主要是应用在有相互运动关系的零件表面，为了降低摩擦力，同时也能增强耐磨能力。如:(1)控制棒组件导杆表面。控制棒组件导杆与导向部件之间的运动间隙很小，为了加快落棒时间，在导杆上镀铬，减少导杆与导向部件之间的摩擦力。(2)大型弹簧表面。在接触表面镀铬，可以减小两个面上的摩擦力，降低表面的接触面应力。该类应用镀层厚度一般为0.012~0.015mm。2.4防电偶腐蚀
在反应堆中，不锈钢与镍基合金时常会有接触，由于两者的腐蚀电位不同，如果直接接触，那么在反应堆长时间的运行过程中，就会造成触处的局部腐蚀。
在不锈钢零件表面或镍基合金零件表面镀铬可以有效防止电偶腐蚀的发生，如大型环形弹簧的主受力件一般为镍基合金，其它为不锈钢材质，在镍基合金件表面镀铬，可以有效地防止电偶腐蚀的发生。防电偶腐蚀镀层厚度一般可取0.012~0.12mm。
3镀层性能及检验方法
反应堆特殊的运行环境对镀铬层的性能要求非常高，不同的基体材料和不同的镀铬工艺，镀层的性能就不同。
对镀层的性能可分为两类进行要求：一类是检测性指标要求，如镀层厚度、硬度和表面光洁度等；第二类是考验性指标要求，如镀层的
结合强度、抗疲劳性能、耐磨性能和防咬合能力等。应根据镀层的不同用途，对镀层的性能进行要求，其中镀层厚度、硬度和结合强度应为通用要求。
(1)厚度，可以根据GB/T 4955进行测量，以确定工艺能对镀层厚度进行很好地控制。
(2)硬度，可以根据GB/T 9790进行检测，镀层表面硬度(HV)应不小于750。
(3)结合强度，可以根据GB/T 5270进行评定，镀层应没有发生从基体金属上分离的现象，如无鼓泡、片状剥离或分层剥离现象发生。
(4)抗疲劳性能，可以对镀铬的试验件进行热循环试验，根据反应堆的运行特点，以“20℃-350℃-20℃”为一个循环周期，共进行约120个左右的周期考验，镀层应无裂纹、不脱落。
(5)耐磨性能，可以用镀铬的试验件与无镀层的试验件在去离子水中进行对磨，接触压力可取0.1MPa，对磨行程1000m 左右，测量镀层的磨损量，镀层应不脱落，基体金属不外露。
(6)防咬合能力，用力矩扳手按实际的拧紧力矩拧镀铬的螺栓试验件，反复6~10次左右，螺栓不出现咬死现象。
镀铬在反应堆中应用前，应针对不同的基体材料，开展镀铬工艺研究，检验镀层的性能，以获得满足使用要求以及质量稳定的镀铬工艺，从而确保镀层在反应堆结构中的应用可靠性。
4结束语
铬(Cr)是镀铬层的唯一组成元素，也是反应堆内部结构材料的基本组成元素之一，对反应堆一回路冷却剂水质不会产生影响，堆内结构(包括活性区域)都可以应用镀铬来改善结构性能。
镀铬在反应堆结构设计中具有很高的应用价值，但镀层的性能受镀铬工艺的影响较大，用在实堆前要对镀铬工艺进行研究，不能盲目应用。
本文结合工程实际，研究归纳了镀铬在反应堆结构中的应用形式，为不同的应用需求推荐了镀层厚度，并为镀层性能的检验提供了方法，期望为反应堆结构设计应用镀铬提供有力参考。
[1]RCC -M,2000.Design and construction Rules for Mechanical components of PWR Nuclear Islands.Sec.I.Subsec.Z.Annex ZG Fast Fracture Resistance[S].[2]章葆澄.电镀工艺学[M].北京：北京航空航天大学出版社,1993:320.
[3][美]弗利德里克A ·
洛温海姆.现代电镀[M].北京：机械工业出版社,1982:951.[责任编辑：汤静]
(上接第60页)呈弧形，具有共同的轴心线，但在横截面上的宽度不一
样，组装后整个燃料组件成为楔形结构，楔形角一般为450。堆芯中多个燃料组件组成一个或多个圆形的中子肼，以满足反应堆的试验要求。
板型方盒形组件由若干弧形或平面燃料板组成，各燃料板在横截面上的宽度尺寸完全一致，组装后整个燃料组件成为方形的盒式结构。
1.4燃料元件定位
对于套管型组件，通常采用在燃料管两端设置定位齿或梳板将燃料管固定。各层燃料管的两端分别嵌入齿块或梳板的齿槽内，再打入销钉固定。
对于弧板形燃料组件，通常采用两块结构边板将燃料板固定并保持板间间隙。结构边板上开有一定间距且平行的长凹槽，各层燃料板的两侧分别嵌入结构边板的凹槽内，再通过焊接或滚压等方式连接固定。
1.5冷却剂流到结构
燃料组件结构中必须具有冷却剂的流动通道，以带走燃料管(或燃料板)的发热。对套管型组件，流道为各层燃料管间隔形成的环形结构；对弧板楔形组件，流道为各层弧形燃料板间隔形成的扇环形结构；对板型方盒形组件，流道为各层弧形燃料板间隔形成的扇环形结构或平面燃料板间隔形成的长方形结构。流道的设计从结构上应避免发生流道闭合，影响热量的带出。流道的尺寸应根据热工传热的需求，各流
道尺寸可以相同也可以不同，一般燃料较密集区(发热面积大)流道尺寸宽，远离燃料密集区(如只有单侧发热或出于外围位置)的流道尺寸可以更窄。
2结论及建议
通过上述对研究堆燃料组件燃料材料的选择、组件整体结构、连接结构以及流道结构等描述及分析,U 3
Si 2燃料具有较高的铀密度，与基体具有良好的相容性以及在破损状态下与水仅发生极轻微的反应等优点，已经成为一种研究堆降低富集度后成熟可行的燃料材料，燃料元件设计中，适当降低芯体铀密度将有利于提高元件的铀均匀性。组件结构中流道尺寸的选择需要综合考虑结构及热工方面的需求，将不同部位的流道设计成不同的宽度。
【】
[1]DURAND,B.DUBAN,Y.LAVASTRE,S.DE PERTHUIS,CERCA 公司U3SI2燃
料制造25年经验总结[J].国外核动力,2006(6):3-5.
[2]I.Glagolenko,D.Wachs,N.Woolstenhulme,G.Chang,B.Rabin,C.Clark.Irradiation testing of the RERTR
fuel miniplates with burnable absorbers in the advanced test reactor [C]//RERTR 2010-32nd International Meeting on Reduced Enrichment for Research and Test Reactors.2010.
[责任编辑：孙珊珊]
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