压水堆核电厂燃料组件格架设计规范（征求意见稿）

ICSFORMTEXTFORMTEXT点击此处添加中国标准文献分类号T/CNEAFORMTEXTXXXXX—FORMTEXTXXXXFORMTEXTFORMTEXT压水堆核电厂燃料组件格架设计规范FORMTEXTDesigncodeforspacergridoffuelassemblyinPWRnuclearpowerplantsFORMDROPDOWN（本稿完成日期：FORMTEXT2021.07.15）FORMTEXTXXXX-FORMTEXTXX-FORMTEXTXX发布FORMTEXTXXXX-FORMTEXTXX-FORMTEXTXX实施FORMTEXT中国核能行业协会发布T/CNEAXXXXX—XXXX前言 III1范围 12规范性引用文件 13术语和定义 14功能要求 15设计准则 2前  言本文件按照GB/T1.1-2020《标准化工作导则第1部分：标准化文件的结构和起草规则》的规定起草。请注意本文件的某些内容可能涉及专利。本文件的发布机构不承担识别专利的责任。本文件由中国核能行业协会提出并归口，技术支持单位为上海核工程研究设计院有限公司、核工业标准化研究所、苏州热工研究院有限公司。本文件起草单位：上海核工程研究设计院有限公司、中国核动力研究设计院、中广核研究院有限公司、清华大学。本文件主要起草人：丁捷、郑轶雄、范华彬、雷涛、金渊、王鼎渠。本文件为首次发布。范围本文件规定了压水堆核电厂燃料组件格架的功能要求和设计准则。本文件适用于压水堆核电厂燃料组件的中间格架和搅混格架等格架设计。其他类型格架设计可参照执行。规范性引用文件下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。其中，注日期的引用文件，仅该日期对应的版本适用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。NB/T20035压水堆核电厂工况分类NB/T20057.3压水堆核电厂反应堆系统设计堆芯第3部分:燃料组件NB/T20566压水堆燃料组件及相关组件抗震设计规范XXXXXXX压水堆核电厂燃料组件格架力学性能试验方法第1部分：弹簧和刚凸刚度试验XXXXXXX压水堆核电厂燃料组件格架力学性能试验方法第2部分：栅元刚度试验XXXXXXX压水堆核电厂燃料组件格架力学性能试验方法第3部分：静态压塌强度试验XXXXXXX压水堆核电厂燃料组件格架力学性能试验方法第4部分：动态压塌强度试验XXXXXXX压水堆核电厂燃料组件格架力学性能试验方法第5部分：栅元热松弛试验XXXXXXX压水堆核电厂燃料组件格架水力性能试验方法第1部分：流致振动试验XXXXXXX压水堆核电厂燃料组件格架水力性能试验方法第2部分：压降试验XXXXXXX压水堆核电厂燃料组件连接件强度试验方法术语和定义下列术语和定义适用于本文件。工况ConditionI、II、III、IV类工况的详细定义见NB/T20035《压水堆核电厂工况分类》。冷却剂丧失事故LOCA反应堆主回路压力边界产生破口或发生破裂，一部分或大部分冷却剂泄露的事故。安全停堆地震SSE分析核电厂所在区域地质和地震条件、分析当地地表下物质特性的基础上确定的、可能发生的最大地震。功能要求提供燃料棒支撑格架应能够为燃料棒提供横向及轴向支撑。在其发生热膨胀、热蠕变和辐照生长之后，仍能提供燃料棒足够的夹持力，从而确保燃料棒不因流致振动而发生损伤。搅混格架主要起搅混作用，但也能够提供横向支撑（不起轴向支撑作用）。保持燃料棒间距格架应能够通过其栅元内的弹簧和刚凸来保持燃料棒间距，从而确保燃料棒在正常运行工况及燃料吊装操作中保持功能和结构的完整性；在事故工况下最大程度保证燃料棒间流道畅通，从而确保堆芯保持可冷却的几何形状。搅混格架通过缩短跨距减轻了辐照后燃料棒弯曲对燃料棒间距的影响。组成燃料组件骨架作为燃料组件骨架的重要组成部分，各层格架与导向管和仪表管连接后，连同上管座、下管座一起组成燃料组件骨架，起到结构支撑和横向载荷传递的作用。增强流道搅混流体在冲刷格架时产生的湍流能够促进燃料棒与流体间的热传导。中间格架及搅混格架等格架可设置搅混翼，在压降增加可接受的前提下进一步增强流体搅混。为导向管提供横向支撑和定位格架应能够为导向管提供横向支撑和定位，确保其在正常运行工况及事故工况下保持必要的直线度，从而保证控制棒组件及相关组件的顺利抽插。为仪表管提供横向支撑和定位格架应能够为仪表管提供横向支撑和定位，确保其在正常运行工况及事故工况下保持必要的直线度，从而保证在燃料组件寿期内探查仪表能够顺利插入和移出。防止燃料组件在操作过程中损伤格架应能够防止燃料组件在操作吊装过程中与相邻燃料组件、堆内构件、吊装设备发生钩挂引起的损坏。设计准则燃料棒定位要求格架应能够保持燃料棒、导向管、仪表管之间正确的相对位置，并为燃料组件骨架提供结构支撑，从而确保燃料组件的直线度满足设计要求。格架栅元布置格架栅元布置（燃料棒、导向管、仪表管的排列和位置）应满足核设计、热工水力设计和堆内构件的设计要求。格架栅元和刚凸垂直度应对格架栅元、刚凸与格架所在平面的垂直度进行控制，确保刚凸与燃料棒轴线保持平行。格架收缩镍基合金格架的收缩不应影响格架间燃料棒与导向管间的间距。格架轴向定位格架应与导向管连接保持轴向定位，应证明格架上的轴向载荷在格架与导向管连接的承载能力之内。燃料棒支撑要求格架应对燃料棒提供合适的支撑，包括防止可能导致燃料包壳失效的流致振动和包壳磨损的特征。流致振动格架设计应能确保燃料棒的流致振动满足5.2.2的要求。在能代表堆芯运行工况的流动条件下，采用具备典型特征的燃料组件试验件开展试验证明准则的满足情况。燃料组件的自振频率应避免与主泵的频率发生共振。燃料棒包壳磨蚀所有格架弹簧设计应确保寿期末，在考虑最不利公差累加、弹簧辐照松弛、包壳蠕变等各种不利影响因素后，燃料棒包壳的磨蚀深度低于其壁厚的10%。弹簧夹持和燃料棒失稳弹簧夹持不应造成燃料棒失稳。弹簧夹持力和燃料棒刚度设计应符合运行经验。通过燃料棒失稳分析进行验证。外条带弹簧设计格架弹簧刚凸组合应确保外条带上只有弹簧朝向栅元内。燃料棒间隙限值格架栅元设计必须确保在热态寿期初时，燃料棒与弹簧、刚凸间不存在间隙。该准则不适用于搅混格架。可通过分析方法验证准则，也可以通过热松弛试验进行验证。弹簧和刚凸接触表面轮廓格架设计应避免弹簧、刚凸边缘存在锐边与燃料棒接触。刚凸刚度刚凸对的最小径向刚度应超过对应的弹簧刚度的3倍。可通过分析方法或格架弹簧和刚凸试验验证准则。热工水力特性要求所有格架的热工水力特性应满足热工水力设计的要求。流道间距格架设计应确保燃料棒与燃料棒、燃料棒与导向管或仪表管间横向间距保持在热工水力设计可接受的限值之内。燃料棒弯曲格架设计不应导致燃料棒弯曲超过燃料组件寿期内的流道闭合设计限值。通过相关分析和数据比较进行验证。压降格架的压降应满足热工水力设计的要求。通过燃料组件压降试验确定压降，试验方法见《压水堆核电厂燃料组件格架水力性能试验方法第2部分：压降试验》。搅混翼形状如果有热工水力设计的需求，应在堆芯高热流密度区域使用带搅混翼的格架设计。搅混翼设计应确保：在任何运行工况下，搅混翼片都不允许接触到燃料棒；搅混翼的形状及它们在燃料组件中的方向需满足热工水力设计的要求；应对搅混翼的角度进行控制，满足压降和搅混性能的要求。可采用分析进行评估，或通过试验进行验证。结构完整性要求格架设计必须确保在各种设计载荷下均保持结构完整性：a) 对于I、II类工况可预期的载荷，格架设计不允许发生妨碍燃料组件在设计寿期内正常使用的永久变形或其它影响；对于III、IV类工况载荷，格架不允许发生妨碍燃料应急冷却和反应堆安全停堆的永久变形或其它影响；对于运输及操作载荷，格架不允许发生妨碍燃料组件在整个设计寿命内使用的永久变形或其它影响。I、II类工况载荷I、II类工况不会对格架造成较大的载荷。格架的机械强度应能够承受III、IV类工况的动态载荷。对于I、II类工况载荷没有特定的准则和验证要求。如果发现较大的I、II类工况载荷，需要建立特定的准则。III、IV类工况载荷在III、IV类工况下，格架应能承受最大的设计基准地震载荷和最恶劣的丧失冷却剂事故载荷的叠加作用。应通过满足以下详细准则以确保III、IV类工况下格架性能满足设计要求：a) III、IV类工况下极限水平冲击载荷造成的格架变形，不应造成不可接受的燃料棒流道闭合，即流道闭合导致包壳温度高于1204℃，或是导向管过度变形从而阻碍控制棒抽插；b) 可以通过证明III、IV类工况下冲击载荷不超过运行温度时格架压塌强度真实平均值的95%置信下限值来满足该要求。其中，压塌强度定义为格架试验中刚开始发生失稳时的动态冲击载荷；c) 通过计算分析和试验进行验证，格架动态刚度试验用于获取格架动态压塌强度，试验方法见《压水堆核电厂燃料组件格架力学性能试验方法第4部分：动态压塌强度试验》。运输及操作载荷格架设计在燃料运输及操作过程中应能承受轴向4g和横向6g的加速度，并能确保燃料棒不发生窜动及格架不发生永久变形。弹簧及刚凸不发生永久变形，钎焊及熔焊处不发生损坏。详细准则如下：a) 在设计加速度范围内，要有足够的格架弹簧力防止燃料棒窜动；b) 常温下格架压塌强度应大于设计范围内加速度所产生的载荷。通过分析验证弹簧力满足该准则或通过测量格架栅元对燃料棒的夹持力进行验证，格架栅元夹持力测量试验见《压水堆核电厂燃料组件格架力学性能试验方法第2部分：栅元刚度试验》。通过动态刚度试验证明格架压塌强度满足该准则的要求，试验方法见《压水堆核电厂燃料组件格架力学性能试验方法第4部分：动态压塌强度试验》。疲劳极限整个寿期内弹簧和刚凸承受的循环载荷不应导致其发生疲劳失效。可通过弹簧和刚凸疲劳分析进行验证。应对应变（应力）使用2倍的安全因子，或对循环数使用20倍的安全因子，这取决于哪个因子可以计算得到更短的设计寿命。焊接质量应对允许的焊接缺陷进行控制，确保格架的机械强度不会因为它们的存在而降低。燃料组件操作要求一般要求格架的外形应确保燃料组件在插入和卸出堆芯，操作进出转运、运输、贮存设施等操作过程中，不会导致燃料组件本身、相邻组件或与反应堆其它零部件及电厂设备发生钩挂或是损伤。接口及间隙格架的外围尺寸应与燃料组件的外围轮廓尺寸一致，以确保燃料组件能装入各类运输容器、燃料贮存格架、燃料转运机构、燃料提升机构和乏燃料运输容器等。同时，冷态情况下格架间的名义间隙应与地震和冷却剂丧失事故中的假设一致。燃料操作导向格架设计应在外条带上设置合适的导向结构，防止燃料组件在装卸过程发生钩挂，应考虑运行可能导致的燃料组件扭曲。应通过燃料组件钩挂试验进行验证。防止外条带弹簧外凸格架外条带和弹簧设计应确保燃料棒插入后弹簧不向外凸出格架外条带平面。通过试验进行验证。作为一种替代方法，可以通过分析外条带内表面与未压缩的弹簧下平面之间的间隙等于或大于有成功应用经验的间隙值。材料要求一般要求在其设计寿期内，用于格架的材料能在格架经历的工况环境下提供足够的强度和其它机械性能、耐腐蚀性能、核特性、尺寸稳定性和可制造性能。这包括温度、冷却剂水化学、中子注量和制造工艺等方面的考虑。辐照后材料性能变化格架设计中需要考虑辐照对以下各项性能的影响：强度变化、韧性变化、应力松弛、生长等。格架腐蚀在设计寿期内，锆合金格架（包括焊点和焊缝）由双边等温腐蚀导致的金属损失不超过条带厚度的18%。通过分析验证满足准则要求。也可以通过类比在相同或更恶劣的工况（温度和时间等）下运行并且满足准则的格架来验证准则。氢化物析出在考虑腐蚀导致的材料变薄之后，格架的各部件需要满足应力限值要求。格架生长计算需要考虑氢的影响。制造要求格架设计特征应确保燃料组件骨架组装和燃料棒拉棒不损伤燃料棒及燃料组件其它零部件。可制造性格架的尺寸公差和技术条件应与制造能力匹配。格架栅元参数和燃料棒划伤格架弹簧夹持力以及其它格架栅元参数不应导致燃料棒表面划伤深度超过0.025mm。刚凸和弹簧外形应没有锐边。格架弹簧力应受到限制，防止燃料棒划伤或磨损。格架夹持