CN102217002A - 用于核反应堆燃料组件的栅格的结构 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及核能工程，提供用于核反应堆的燃料组件的间隔和混合栅格的结构。燃料组件的栅格结构具有呈三角形布置的燃料元件，由多个单元构成。单元为具有小面的管的形式，通过管的各面邻接。这些面的纵轴与燃料组件的轴平行，位于三角形栅格的交叉点处。每个单元的端部是多面体形。至少一组单元的中间部分设置有凹槽。这些单元中的每一个的端部之一的表面相对于同一单元的另外端部的类似表面围绕单元的纵轴偏移。所有表面都与单元纵轴平行。三个不邻接的表面等宽地以120°的间隔设置在每个单元的轴周围，宽度比起其它表面更宽，由此在单元连接时可以形成热载体通道。由于沿着燃料元件的列延伸的横向流动形成的缘故，临界热流得以增强，由此本发明可以改进操作的可靠性，其中流动使得热载体在单元中有效混合，而不会使液体从燃料元件的表面上移除。

Description

用于核反应堆燃料组件的栅格的结构
技术领域
本发明涉及核能工程，尤其是涉及用于燃料组件的间隔和混合装置，在该燃料组件中，燃料棒或燃料元件被布置成三角形格局，并且该间隔和混合装置可以被用于水冷慢化动力反应堆。
背景技术
现有技术的混合(搅拌)栅格结构包括在燃料组件中被布置成三角形格局的燃料元件的单元(1990年10月4日公开的专利号为26680477，分类号为G21C 3/34的法国专利)。这些单元在每一垂直高度上的截面区域均具有多边形的形状，并且从下端部表面相对于轴向距离围绕单元轴偏移一定角度。由此产生的螺旋单元面使得冷却剂围绕燃料元件以循环横向流动的方式流动并且有利于混合，因此，在燃料组件的管段中的冷却剂的热含量和温度得以平稳。
上述栅格设计的缺陷在于操作过程中燃料组件不充分可靠，这是由于在燃料组件的出口部处围绕每个燃料元件的蒸气-液体冷却剂涡流通过所产生的离心力导致液体从表面上的不希望的分离。液体从散热表面的局部分离导致传热危机，并由此导致临界热流的量不足。
在技术理念上与所要求保护的栅格结构最接近的现有技术是用于燃料组件的栅格结构，包括多个单元，以及布置为三角形格局的燃料棒(2006年3月27日公开的专利号为2,273,062，分类号为G21C 3/34的俄罗斯专利)。
现有技术的栅格的每个单元都呈多面管状，该管具有与燃料组件轴平行延伸的纵轴。一个单元的六个面与其轴平行，并且三个一组的两组面通过改变沿着单元轴的面的宽度而倾斜。另外，一组三个一组的面的宽度在单元上端部面处较小，而在单元下端部面处较大，另外一组三个一组的面的宽度在单元上端部面处较大，而在单元下端部面处较小。每组面围绕单元轴以120°的间距放置。并且，栅格单元被放置在三角形栅格的交叉点处，它们的面相互贴近并与单元轴平行，并且朝向交叉点以确定用于冷却剂流动的倾斜通道。该倾斜的通道致使冷却剂围绕每个燃料元件旋转，由此加强混合并有助于使燃料组件中的管段中的单相冷却剂的热含量和温度平稳。
由于在燃料组件的出口部分的倾斜管道中围绕每个燃料元件的蒸气-液体冷却剂的涡流导致不希望的液体自其表面的分离，燃料组件在操作中的不够可靠是与所要求保护的发明最接近的现有技术的栅格设计的缺陷。液体从散热表面的局部分离导致传热危机，并由此导致临界热流的量不足。
发明内容
本发明的技术目的是开发一种栅格结构，使其在操作中通过增强临界热流来改进燃料组件的可靠性，同时产生循环横向流动致使冷却剂沿着燃料元件列在各单元间有效混合，并且，当蒸气-液体混合物形成于燃料组件管段中时液体不会从燃料元件的表面上分离。
该目的可由一种用于燃料组件的栅格结构达成，其中该燃料元件被布置成三角形格局，所述栅格包括具有小面的管形状的多个单元，该管的纵轴沿与燃料组件的轴平行的方向延伸，并位于三角形栅格的交叉点处，所述单元的表面相互邻接，每个单元的外部都是多面体形，至少一组单元的中间部分设置有凹槽，这些单元中的每一个的一个外部的表面相对于同一单元的其它外部的类似表面围绕单元的纵轴扭转，所有表面都与单元的纵轴平行，并且，围绕每个单元的轴以120°的间距设置的三个不相邻的表面具有与其它表面相比最大的相同宽度，当单元连接时产生供冷却剂流动的通道。
本发明的一个实施例中，相对于单元纵轴，凹槽在某些单元组中向右侧倾斜，在其它单元中向左侧倾斜，以便于在燃料元件的各列之间流动的冷却剂中产生一个额外的横向分量，具有向一个方向倾斜的凹槽的单元仅仅在三角形栅格的一个方向上延伸，而具有向右和向左倾斜的凹槽的单元交替地设置在栅格的另外两个方向中的每一方向上。
在另一个实施例中，所有单元的凹槽都相对于单元的纵轴向一个方向倾斜。
此外，至少三个被均匀地布置在每个单元的中间部分的凹槽的深度足够使燃料元件置于单元的中心。
相对于最接近的现有技术发明，这些特征的组合有助于产生循环横向流动，致使冷却剂沿着燃料元件的各列在单元中有效混合，而不会在通道中形成蒸气-液体混合物时使液体从燃料元件的表面上分离。
另外，当0.3H长的短倾斜槽被设置在高度H的单元上，在这些槽的内部形成短倾斜突起以满足至少一种如下的间隔功能，尤其是防止燃料元件在燃料组件操作过程的整个期间弯曲。并且，由于倾斜突起的长度短，冷却剂流入单元而进行涡流的可能性很小。
以35到40米/秒的平均线性(纵向)空气流动速度对19根外直径9.1毫米、长度1米的棒(管)的燃料组件进行测试，用来研究冷却剂的横向流动在具有所要求保护的结构的栅格的燃料组件中形成的可能性。所述棒在设置在其端部的两个标准间隔栅格片段的帮助下以12.75毫米的间隔布置成三角形格局。燃料组件设置成六面箱形以适于扳手尺寸60毫米。该测试栅格结构——具有倾斜角α＝30°的凹槽的单元——设置在距离标准间隔栅格的入口片段50毫米处。一个流体动力扬程指示器用于在测试中在与栅格结构的出口部距离250毫米处进行测量，并且计算平均横向对流传输率与束中的平均流速的比例。
该测试确认了沿着棒列的横向流动的形成。在距离250毫米处，横向空气流速与纵向流速的比率为0.1，与研究的其它栅格结构相比较，其具有相当重要的价值。
因此，相比较于最接近的现有技术，所要求保护的发明利用大量的横向流动使得临界热流的增强，致使冷却剂在沿着燃料元件各列的单元之间有效混合，从而改进了燃料组件在操作过程中的可靠性，并且，不会在管道中形成蒸气-液体混合物时促使液体从燃料元件的表面上分离。
附图说明
所要求保护的发明的理念通过下述附图表示，其中：
图1是栅格结构的三维图，其中一部分单元具有向右倾斜的凹槽，其它单元具有向左倾斜的凹槽；
图2是栅格结构的示意图，中间的图2(b)是主视图，上方的图2(a)和下方的图2(c)显示其两个类型的横截面；
图3：左边是具有向右倾斜凹槽的单元的俯视图图3(a)和主视图图3(b)，右边是显示单元的三个类型的横截面的图3(c)～图3(e)；
图4：左边是具有向左倾斜凹槽的单元的俯视图图4(a)和主视图图4(b)，右边是显示单元的三个类型的横截面的图4(c)～图4(e)；和
图5显示栅格结构的操作原理，其中箭头表示燃料元件间的冷却剂横向流动的方向。
具体实施方式
用于燃料组件的栅格结构中，燃料元件1被布置成三角形格局，该栅格结构由相互连接的管状单元2和3构成，所述单元在其外侧部呈多面形，并且，在其中间部分，设置有相对于单元纵轴向右和向左倾斜的凹槽。单元2和3的纵轴与燃料组件的轴平行，并且位于三角形栅格的交叉点处。
单元2和3的从凹槽边缘向单元的一边延伸的表面相对于从凹槽另一边缘向同一单元的另一边延伸的表面扭转，并与单元的纵轴平行。围绕每一单元的轴以120°的间距设置的三个不邻接的表面4与其它表面相比具有最大的相同宽度，以便在单元连接(接触)时形成冷却剂流动通道。在此情况下，具有向相同方向倾斜凹槽的单元仅仅设置在三角形栅格的一个方向5上，而具有向右和向左方向倾斜凹槽的单元以交替的形式设置在其它两个方向6和7的每一方向上。
在另一个实施例中，所有单元的凹槽都相对于单元的纵轴向一边倾斜。
所有单元2和3可以由管状金属材料制成并通过在它们的表面紧密接触的点处以焊接的方式结合在一起。
均匀地设置在单元中间部分的三个凹槽的深度可以被选择为足以使燃料元件置于中心的程度。
栅格结构用在如下的操作中：
以所要求保护的设计为基础的栅格(图2)相对于燃料组件的纵轴垂直地布置在燃料组件内并固定在燃料组件的纵向电源元件上，例如，栅格边缘被固定在燃料组件框架的角上。在引导通道(其还是燃料组件的纵向电源元件)延伸通过栅格的点处没有设置单元。燃料元件1贯穿单元2和3的内部。在核反应堆中心的燃料组件通过冷却剂冲洗，以降低燃料元件1的表面温度。在流入到由栅格结构形成的管道中的冷却剂中产生横向速度分量，结果生成了大量的沿着燃料元件1的列流动的横向流动，使得冷却剂得到有效的搅动，而不会在燃料组件的管段中形成蒸气-液体混合物时使液体从燃料元件的表面上分离。结果，与最接近的现有技术相比，临界热流得以增强，因此，在操作过程中燃料组件的可靠性得以改进。
另外，在设置了凹槽后形成在单元内表面上的倾斜突起会有助于满足至少一个间隔功能，例如防止燃料元件在燃料组件的整个使用寿命内弯曲。

Claims (5)

1.一种用于燃料组件的栅格结构，其中，燃料元件被布置成三角形格局，所述栅格结构包括具有小面的管形状的多个单元，该管的轴线与燃料组件的轴平行，并位于三角形栅格的交叉点处，所述单元的表面相互邻接，其中每个单元的外部都是多面体形，并且在至少一组单元的中间部分设置有凹槽，这些单元中的每一个的外部的表面相对于同一单元的其它外部的类似表面围绕单元的纵轴扭转，所有表面都与单元的纵轴平行，并且，围绕每个单元的轴以120°的间距设置的三个不相邻的表面具有与其它表面相比最大的相同宽度，以便于当单元连接时产生冷却剂通道。
2.根据权利要求1所述的栅格结构，其中，单元组的一部分具有相对于单元的纵轴向右倾斜的凹槽，另一部分具有向左倾斜的凹槽，具有向一个方向倾斜的凹槽的单元仅仅设置在三角形栅格的一个方向上，而具有向右和向左倾斜的凹槽的单元交替地设置在栅格的另外两个方向中的每一方向上。
3.根据权利要求1所述的栅格结构，其中所有单元的凹槽相对于单元的纵轴向一个方向倾斜。
4.根据权利要求1所述的栅格结构，其中一些单元缺失。
5.根据权利要求1所述的栅格结构，其中至少三个被均匀地布置在每个单元的中间部分的凹槽的深度足够使燃料单元置于单元的中心。
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