燃料组件中心燃料棒

分成三个工序：①骨架组装；②燃料棒组装；③组件的检查。

按轻水堆燃料组件的设计要求进行组件的零部件加工，并将其组装在一起成为一个完整的燃料元件集(组)合体的加工过程。

轻水冷却动力堆有压水堆和沸水堆两种类型。它们的燃料组件虽然在结构、尺寸和材料上有差异(见压水堆燃料组件、沸水堆核电厂)，但其燃料都采用由细棒组成的棒束型结构，制造工艺也基本类同。沸水堆燃料组件含60~63根燃料棒(包壳管由Zr-2合金制造)，按8×8正方形排列。靠其中8根燃料棒与上下垫板(由不锈钢制造)螺纹连接，连同沿长度均匀分配的下层定位格架(由Inconel X制造)固定构成骨架，支撑整组燃料棒和保持棒间距。然后将其余燃料棒插入定位格架。最后将燃料棒束装入紧密配合的方形套筒(由Zr-4合金制造)组装成燃料组件。反之，压水堆燃料组件属无套筒型，它由176~264根燃料棒(包壳管由Zr-4合金制造)按14×14、15×15或17×17正方形排列。在选定位置由控制棒导向管(由不锈钢制造)取代燃料棒，连同沿长度均匀分配的7~12层定位格架(由Inconel-718或Zr-4合金制造)一起与上下管座(由不锈钢制造)连接构成骨架。最后插入燃料棒组装成燃料组件。现以压水堆燃料组件为代表，陈述其制造工艺过程。近代压水堆燃料组件的制造工艺一般分四步：①燃料棒制造；②定位格架制造；③上下管座加工；④组件组装和检查。

燃料棒由锆合金包壳管、上下端塞、压紧弹簧、隔热片、低富集(3%~5#5U)UO2芯块、支撑管等组成(见图1)。燃料棒制造工艺主要包括燃料芯块制备、包壳管准备和燃料棒装配。

燃料棒装配 一般采用芯块填装法，分成7道工序。

(1)下端塞焊接：设计长度(例如3.6m)的包壳管经清洗、烘干，安下端塞，用氩弧焊进行下端塞的环缝焊接。

(2)装管、上端塞焊接：将焊好下端塞的包壳管秤重，然后依次装入支撑管、下隔热片、UO2芯块、上隔热片、压紧弹簧，最后安上端塞并进行环缝焊接。焊完后对燃料棒秤重，推算棒中UO2芯块的质量。

(3)充氦、堵孔：为改善芯快与包壳管间的间隙导热，为抵挡堆运行时冷却剂的压力(例如16MPa)，并推迟包壳与芯块间的相互接触，根据不同的设计要求，需在燃料棒内充入一定压力的纯氦，一般为2~3MPa。氦通过上端塞上的细孔充入，堵孔是在专用充氦压力堵孔焊小室中进行。

(4)X射线探伤：用于检查燃料棒环缝和上端塞顶部堵孔焊点的质量。每条环焊缝需转三个角度透照三次。

(5)密封性检查：焊好的燃料棒都用氦质谱仪检漏，≤10-6Pa为合格，≥10-5Pa即算有漏隙，判不合格。

(6)丰度检查：用富集度检查仪逐根逐块检查棒中UO2芯块的富集度。

(7)外观检查：最后对燃料棒作尺寸、不直度、焊缝外形、表面划伤及棒上标记的检查。

上下管座分别是燃料组件骨架的顶部构件和底部构件，也分别是燃料组件上下部的定位构件。依靠其上的定位机构使燃料组件在堆芯内保持准确位置，并防止燃料组件在水力冲击下发生摇晃或窜动。上下管座的格板上开有一系列的流水孔和导向管孔，因此通过对格板流水孔总面积和孔径大小的选择可以调整流过燃料组件的冷却剂流量大小。

组件的上下管座一般采用不锈钢板焊接结构。上管座的毛坯由上下两块盖板、四块围板焊接而成(见图3)。用半自动氩弧焊机将四块围板焊成框架，并于框架两端焊上盖板，然后用立铣将上盖板中间挖空，下盖板加工成为组件的上格板。下管座较简单，只在一块板(组件下格板)上用手工氩弧焊焊上四个支脚即为坯料，经精加工出定位销孔和流水孔而为成品。加工好的上下管座都要进行喷砂处理。

利用综合组件检查仪进行检查，检查项目有：①每个格架的外形尺寸；②利用激光检查组件的每两个格架之间的棒间距；③长度；④弯曲度；⑤垂直度。

对组件综合检查后还要作下述的清洗和检查：①用加普通洗涤剂的水洗；②热水洗；③热空气干燥；④超声法清洗下管座；⑤目视检查；⑥控制组件插入导向管检查。最后利用吊车上的电子秤称重后入库。

一般采用拉棒方式组装燃料棒，棒表面不涂膜，划伤深度小于10μm，一根棒的拉力为500N。用装棒机每次可拉棒十多根。

定位格架的功能是将燃料组件内的燃料棒固定在确定的位置上，在反应堆运行期间使棒间距保持不变。典型的压水堆定位格架呈正方形蜂窝结构。它由两组互相垂直的厚为0.32mm的条带组成。每组条带数目相同，相互平行，呈等距离排列。两组条带通过其上一组窄槽(图2中数字44所示)而相互装配、啮合、锁紧在一起，形成14×14、15×15或17×17个方形孔，用以容纳并固定燃料棒。位于四周厚约0.4mm的框板容纳并固定了条带的端部。在格架的方孔中，为燃料棒提供了6个接触点，其中两个弹性点，4个刚性点。弹性点系由条带上冲出的三弯弹簧构成，刚性点系由条带冲出的梯形突起形成。为提高燃料组件的发热率，大部分格架上方提供了具有一定数量、形状、尺寸及不同布置的交混翼。理想的交混结构可提高临界热流密度10%~20%。在格架框板上下方设有一定数量的导向翼，在装卸燃料组件时起导向作用。

条带和框板由因科镍718合金制造。经冲压、清洗、镀镍后在专用胎具上进行组装，然后在条带交接处和框板搭接处涂上BNi-5或BNi-7牌号的钎焊料，装进真空钼片炉进行钎焊，出炉后经打磨而为成品。成品格架需经①栅元尺寸检查及调整；②交混翼弯角度的检查；③交混翼的方向和角度的检查和校正；④随炉钎焊拉力试样的强度测定；⑤目视复查。

近代压水堆的定位格架多用镍基合金制成。也有采用锆合金格架的，其特点是热中子吸收截面小。介于前两者之间的还有双金属格架，其中条带和框板是锆合金，夹持弹簧仍用镍基合金制作。

压水堆燃料组件的骨架是以一组控制棒导向管为支架，中间连接7~12层定位格架，两端分别连接燃料组件的上下管座而构成。骨架组装分三步进行。①控制棒导向管与定位格架的连接：有4种不同方式。不锈钢导向管与镍基合金定位格架可用点焊连接。锆合金导向管与镍基合金定位格架的连接可采用胀管或定位套管联接。中子注量率测量管与定位套管的连接是依靠套在中子注量率测量管外的专用套管将定位格架固定在确定的位置上，套管的外径压住定位格架的条带，套管的长度恰好为相邻两层格架的间距，组装时每加一层格架，中间放一段定位套管，直至格架全部装完为止，格架上下即定位。套管和中子注量率测量管 或格架不需要进行焊接或胀接，由于其他导向管插入格架栅元中，格架在组件中也不会产生移动，这种连接形式比较简单。②控制棒导向管与上管座的连接：有三种方式。不锈钢导向管与不锈钢上格板可直接用氩弧焊连接。锆合金导向管则用过渡套管胀管连接结构或用螺纹连接结构。在锆合金导向管与上格板连接处，设计一段锆合金补强套管，套管套在锆合金导向管外，下段通过点焊与锆合金导向管连接，上段插入上格板内，为防止套管转动，插入段的外形设计成方形，内为圆形并带螺纹，插入深度约为上格板的一半，在上格板的上面装有不锈钢螺栓，通过它与锆合金套管的内螺纹拧紧，将锆合金导向管固定在上管座的上格板上，这种连接结构便于燃料组件的装拆。③控制棒导向管与下管座的连接：有三种形式。不锈钢导向管与下格板(下管座)可用螺栓直接连接。对锆合金导向管，可选用过渡套管加螺栓的连接结构。可拆螺帽连接结构适用于需要局部更换燃料棒的地方。