CN103093839A

CN103093839A - 轻水反应堆的燃料组件

Info

Publication number: CN103093839A
Application number: CN2013100263182A
Authority: CN
Inventors: 禹文池; 周跃民; 李伟才; 庞铮铮
Original assignee: China General Nuclear Power Corp; China Nuclear Power Technology Research Institute Co Ltd; Lingao Nuclear Power Co Ltd
Current assignee: China General Nuclear Power Corp; China Nuclear Power Technology Research Institute Co Ltd; Lingao Nuclear Power Co Ltd
Priority date: 2013-01-22
Filing date: 2013-01-22
Publication date: 2013-05-08
Anticipated expiration: 2033-01-22
Also published as: CN103093839B

Abstract

本发明提供一种轻水反应堆的燃料组件，包括数根燃料棒及格架，所述格架被分隔成呈矩形阵列排列的数个栅元，所述燃料棒分别插入与之对应的栅元中并排列成数行与数列，所述数根燃料棒中至少有一部分燃料棒偏离与之对应的栅元的中心设置，使得部分列的燃料棒中少存在两相邻燃料棒的中心之间的距离大于与该两相邻燃料棒相对应的两栅元的中心之间的距离。本发明的轻水反应堆的燃料组件，燃料棒偏心后可增加燃料棒间距，并使燃料棒趋于叉排，在减少横向流动阻力、加强横向流动的同时，能充分发挥横向流的扰动作用，增强流体换热能力，增大了热工余量。

Description

轻水反应堆的燃料组件

技术领域

本发明涉及轻水反应堆，更具体地说，涉及一种轻水反应堆的燃料组件。

背景技术

目前，轻水反应堆的燃料组件通常沿其长度方向间隔分布有数个格架，每一格架包括垂直交叉的数个条带并由所述条带分成数个栅元，燃料棒插入到这些栅元中。燃料组件还包括数根导管及上、下管座，这些导管代替燃料棒插入在格架的某些栅元中，确保格架固定在沿燃料组件的导管长度分布的位置上。这些燃料棒和导管密集阵列，与格架及上、下管座一起组成燃料组件。

如图1a所示，为一现有轻水反应堆的燃料组件中燃料棒11在格架12中的排布方式，其中格架12由垂直交叉的条带121分成呈矩形阵列排布的多个栅元122，每一栅元122呈正方形，燃料棒11对应插设于格架12的栅元122中并位于该栅元122的中心，即任意两相邻燃料棒11之间的条带121位于该两相邻燃料棒11之间的中心平面，通常，两相邻燃料棒11之间棒间距为12.595mm，燃料棒11的直径为9.5mm，条带121的厚度为0.4mm。如图1b所示，为流体流经图1a所示燃料组件的速度（Velocity）场示意图，从图1b可以看出，流体流经燃料棒11和格架12时，由于粘性流体的壁面切应力使流体损失能量，会在条带121和燃料棒11的表面产生摩擦阻力，在其表面附近会形成低速区，尤其是在燃料棒11的表面附近的低流速，这会恶化传热。由于燃料棒11表面和条带121表面存在流体低速区，容易增加压降，从图1b可以看出在任意呈2×2矩阵分布的四个相邻燃料棒11构成的通道中心内存在一个低流速点。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于，提供一种可以增强传热的轻水反应堆的燃料组件。

为解决上述技术问题，本发明采用了如下技术方案：

提供一种轻水反应堆的燃料组件，包括数根燃料棒及格架，所述格架被分隔成呈矩形阵列排列的数个栅元，所述燃料棒分别插入与之对应的栅元中并排列成数行与数列，所述数根燃料棒中至少有一部分燃料棒偏离与之对应的栅元的中心设置，使得部分列的燃料棒中少存在两相邻燃料棒的中心之间的距离大于与该两相邻燃料棒相对应的两栅元的中心之间的距离。

优选地，所述燃料棒在进行偏离设置时，每一行燃料棒均朝向该行的同一端偏离，至少有一行燃料棒的偏离方向与相邻的另一行燃料棒的偏离方向相反，使得同一列的燃料棒中少存在两相邻燃料棒的中心之间的距离大于与该两相邻燃料棒相对应的两栅元的中心之间的距离。

优选地，所述格架包括呈垂直交叉的数根条带，并由所述条带将格架分隔成所述数个栅元，每一栅元呈正方形，同一行燃料棒中两相邻燃料棒距该两相邻燃料棒之间的条带的距离不相等。

优选地，所述燃料棒的偏离距离均相同，任意呈2×2矩阵分布的4根相邻的燃料棒排列成菱形。

优选地，所述燃料棒均靠近与之对应的栅元的角落设置，燃料棒在行方向与列方向同时发生偏离。

优选地，所述燃料棒偏离至与条带相贴合。

优选地，所述燃料棒在列方向均朝向格架的同一侧偏离。

优选地，至少有一列燃料棒在列方向的偏离方向与相邻的另一列燃料棒在列方向的偏离方向相反。

优选地，所述燃料组件中，一部分呈2×2矩阵分布的4根相邻的燃料棒排列成菱形，另一部分呈2×2矩阵分布的4根相邻的燃料棒排列成正方形。

优选地，所述燃料棒同时与相交叉的两根条带相贴合。

本发明的轻水反应堆的燃料组件具有以下有益效果：燃料棒经偏心设置后可增加同一列的两相邻燃料棒之间的棒间距，并使燃料棒趋于叉排，通过提高燃料棒一部分表面的流速，增强流体换热能力，可增大热工余量；将燃料棒靠近格架的条带设置，在燃料棒表面流速未提升的区域，通过燃料棒与条带结合，达成肋片强化换热；通过燃料棒与格架的条带接触，可减少流体低速区，降低流体通过棒束的压降；通过增加燃料棒之间的棒间距，减少横向流动阻力，加强了横向流动，增大了热工余量；叉排式通过增加通道能充分发挥横向流的扰动作用，增强流体换热能力；增加相邻燃料棒水隙后，中子慢化更为均衡，使燃料棒周向释热更为均衡，同时保证中子经济性，减少中子的泄漏量。

附图说明

图1a为现有轻水反应堆的燃料组件中燃料棒在格架中的排布方式的示意图。

图1b为流体流经图1a所示燃料组件的速度场示意图。

图2a为本发明轻水反应堆的燃料组件第一实施例的结构示意图。

图2b为流体流经图2a所示燃料组件的速度场示意图。

图3a为本发明轻水反应堆的燃料组件第二实施例的结构示意图。

图3b为流体流经图3a所示燃料组件的速度场示意图。

图4为本发明轻水反应堆的燃料组件第三实施例的结构示意图。

图5为本发明轻水反应堆的燃料组件第四实施例的结构示意图。

图6为图1a所示燃料组件、图2a所示燃料组件及图3a所示燃料组件之间的流体压降对比图。

具体实施方式

以下结合具体实施例和说明书附图对本发明做进一步详细说明。

本发明的轻水反应堆的燃料组件，包括数根燃料棒及格架，所述格架被分隔成呈矩形阵列排列的数个栅元，所述燃料棒分别插入与之对应的栅元中并排列成数行与数列，其特征在于，所述数根燃料棒中至少有一部分燃料棒偏离与之对应的栅元的中心设置，使得部分列的燃料棒中少存在两相邻燃料棒的中心之间的距离大于与该两相邻燃料棒相对应的两栅元的中心之间的距离。燃料棒经偏心设置后可增加同一列的两相邻燃料棒之间的棒间距，并使燃料棒趋于叉排，通过提高燃料棒一部分表面的流速，增强流体换热能力，可增大热工余量。

图2a所示为本发明轻水反应堆的燃料组件的第一实施例的结构示意图，该轻水反应堆的燃料组件，包括数根燃料棒21及格架22，所述格架22被分隔成呈矩形阵列排列的数个栅元222，所述燃料棒21分别插入与之对应的栅元222中并排列成数行与数列，所述燃料棒21分别偏离与之对应的栅元222的中心设置，即燃料棒21的中心与栅元222的中心不重合，所述燃料棒21在进行偏离设置时，每一行燃料棒21均朝向该行的同一端偏离（即向右端或向左端偏离），且前一行燃料棒21的偏离方向与相邻的后一行燃料棒21的偏离方向相反，使得位于同一列的两相邻燃料棒21的中心之间的距离大于与该两相邻燃料棒21相对应的两栅元222的中心之间的距离。

本实施例中，所述格架22包括呈垂直交叉的数根条带221，并由所述条带221将格架22分隔成所述数个栅元222，每一栅元222呈正方形。由于每一行燃料棒21均朝向该行的同一端偏离，使得该行两相邻燃料棒21之间的条带221不位于该两邻燃料棒21之间的中心平面，即同一行燃料棒21中的两相邻燃料棒21距该两相邻燃料棒21之间的条带221的距离不相等。

优选地，所述燃料棒21的偏离距离均相同，使得该轻水反应堆的燃料组件中，任意呈2×2矩阵分布的4根相邻的燃料棒21排列成菱形（即该4根相邻的燃料棒21的中心位于一菱形的四个顶点，如图2a中虚线所示），从而水隙分布均衡。进一步地，所述燃料棒21偏离至与条带221相贴合，从而可形成肋片结构，以强化换热。在本实施例中，燃料棒21在列方向不发生偏离。

本实施例的轻水反应堆的燃料组件中，通过将燃料棒21偏离与之对应的栅元222的中心设置，并使每一行燃料棒21均朝向该行的同一端偏离，且前一行燃料棒21的偏离方向与相邻的后一行燃料棒21的偏离方向相反，以达到增大同一列中两相邻燃料棒21之间的棒间距。在相同的驱动压头下，湍流流动当地速度与到壁面距离约呈1/7幂次关系，因此增大同一列中两相邻燃料棒21之间的棒间距可提高横向通道内的流速，如图2b所示。且根据单相自然对流传热关系式有换热系数与流速的0.8次方成正比，因此通过提高燃料棒21一部分表面的流速，可强化对流换热。

另根据水力沿程阻力损失计算公式有：

压降

Δp = f \frac{l}{D_{h}} \frac{{ρv}_{m}^{2}}{2}

通常，燃料棒21的棒束间冷却剂Re数在105以上，已达到平方阻力区，认为摩阻系数f不随Re数变化。棒束间等效水力直径D_h与棒间距成二次方关系，由于燃料棒21偏心后会增大同一列中两相邻燃料棒21之间的棒间距，因此会使横向流动的水力直径D_h有增大趋势，从而可降低流体通过燃料棒21棒束的压降。如图6所示，SG表示流体通过图1a所示燃料组件的燃料棒11棒束所产生的压降，SG Y表示流体通过图2a所示燃料组件的燃料棒21棒束所产生的压降，由图6可知，与现有技术相比，本实施例的燃料组件可以降低流体通过格架22的压降，降幅达到0.9%。

另外，由于每一行燃料棒21均朝向该行的同一端偏离（即向右端或向左端偏离），且前一行燃料棒21的偏离方向与相邻的后一行燃料棒21的偏离方向相反，使燃料棒21趋于叉排，当一平行中子束23垂直叉排方向向下入射燃料棒21棒束时，则会发现燃料棒21之间的间隙变小，尤其是当燃料棒21与条带221相贴合时，同一行中两相邻燃料棒21之间的间隙为条带221的厚度(通常为0.4mm左右)，远远小于图1a所示现有燃料棒11之间的间隙（12.595mm-9.5mm=3.095mm），这样使用本实施例燃料组件的轻水反应堆堆芯的中子泄漏量将大幅降低。

图3a所示为本发明轻水反应堆的燃料组件的第二实施例的结构示意图，在本实施例中，该轻水反应堆的燃料组件包括数根燃料棒31及格架32，所述格架32被呈垂直交叉的数根条带321分隔成呈矩形阵列排列的数个栅元322，本实施例的轻水反应堆的燃料组件与图2a所示第一实施例的轻水反应堆的燃料组件之间的区别在于：本实施例中，所述燃料棒31均靠近与之对应的栅元322的角落设置，即燃料棒31在行方向与列方向同时发生偏离，以尽最大可能的增加同一列中两相邻燃料棒31之间的棒间距，同时减少固液交界面（即燃料棒31、格架32这两者与冷却剂的交界面）的流体低速区，如图3b所示，以降低流体通过格架32的压降；优选地，所述燃料棒31同时与相交叉的两根条带321相贴合，从而可形成多肋片结构，以强化换热；另外，在本实施例中，燃料棒31在列方向均朝向格架32的同一侧（即上侧）偏离。

如图6所示，SG表示流体通过图1a所示燃料组件的燃料棒11棒束所产生的压降，SG Conner表示流体通过图3a所示燃料组件的燃料棒31棒束所产生的压降，由图6可知，与现有技术相比，本实施例的燃料组件可以降低流体通过格架32的压降，降幅可达到1.8%。

图4所示为本发明轻水反应堆的燃料组件的第三实施例的结构示意图，在本实施例中，该轻水反应堆的燃料组件包括数根燃料棒41及格架42，所述格架42被呈垂直交叉的数根条带421分隔成呈矩形阵列排列的数个栅元422，本实施例的轻水反应堆的燃料组件与图2a所示第一实施例的轻水反应堆的燃料组件之间的区别在于：本实施例中，所述燃料棒41均靠近与之对应的栅元422的角落设置，即燃料棒41在行方向与列方向同时发生偏离，以尽最大可能的增加同一列中两相邻燃料棒41之间的棒间距，同时减少固液交界面（即燃料棒41、格架42这两者与冷却剂的交界面）的流体低速区，降低流体通过格架42的压降；优选地，所述燃料棒41同时与相交叉的两条带421相贴合；另外，在本实施例中，前一列燃料棒41在列方向的偏离方向与相邻的后一列燃料棒41在列方向的偏离方向相反，从而使得该轻水反应堆的燃料组件中，一部分呈2×2矩阵分布的4根相邻的燃料棒41排列成菱形，另一部分呈2×2矩阵分布的4根相邻的燃料棒41排列成正方形，如图4中虚线所示，这样，虽然水隙在局部区域稍显不均衡，但在整个棒束看来该现象均匀分布，因此从整个燃料组件看来，其水隙分布也比较均衡；特别地，对于采用本实施例的燃料组件的轻水反应堆堆芯，平行中子束不论从哪个角度入射，燃料棒41之间的最大间隙只有条带421的厚度大小，因此燃料棒41棒束的中子经济性更好，这样就可以大幅减小轻水反应堆堆芯的中子泄漏率。

图5所示为本发明轻水反应堆的燃料组件的第四实施例的结构示意图，在本实施例中，该轻水反应堆的燃料组件包括数根燃料棒51及格架52，所述格架52被呈垂直交叉的数根条带521分隔成呈矩形阵列排列的数个栅元522，本实施例的轻水反应堆的燃料组件与图2a所示第一实施例的轻水反应堆的燃料组件之间的区别在于：本实施例中，有部分行的燃料棒在行方向并非朝向同一方向偏移，而是朝相反的两个方向偏移，使得该行的燃料棒的棒间距出现不一致，显然会造成部分中子慢化不均匀，但其整体传热效果仍能够得到较大的提升。

由上述知，本发明轻水反应堆的燃料组件，燃料棒经偏心设置后可增加同一列的两相邻燃料棒之间的棒间距，并使燃料棒趋于叉排，通过提高燃料棒一部分表面的流速，增强流体换热能力，可增大热工余量；将燃料棒靠近格架的条带设置，在燃料棒表面流速未提升的区域，通过燃料棒与条带结合，达成肋片强化换热；通过燃料棒与格架的条带接触，可减少流体低速区，降低流体通过棒束的压降；通过增加燃料棒之间的棒间距，减少横向流动阻力，加强了横向流动，增大了热工余量；叉排式通过增加通道能充分发挥横向流的扰动作用，增强流体换热能力；增加相邻燃料棒水隙后，中子慢化更为均衡，使燃料棒周向释热更为均衡，同时保证中子经济性，减少中子的泄漏量。

以上所述仅是本发明的优选择实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进各润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种轻水反应堆的燃料组件，包括数根燃料棒及格架，所述格架被分隔成呈矩形阵列排列的数个栅元，所述燃料棒分别插入与之对应的栅元中并排列成数行与数列，其特征在于，所述数根燃料棒中至少有一部分燃料棒偏离与之对应的栅元的中心设置，使得部分列的燃料棒中少存在两相邻燃料棒的中心之间的距离大于与该两相邻燃料棒相对应的两栅元的中心之间的距离。

2.根据权利要求1所述的轻水反应堆的燃料组件，其特征在于，所述燃料棒在进行偏离设置时，每一行燃料棒均朝向该行的同一端偏离，至少有一行燃料棒的偏离方向与相邻的另一行燃料棒的偏离方向相反，使得同一列的燃料棒中少存在两相邻燃料棒的中心之间的距离大于与该两相邻燃料棒相对应的两栅元的中心之间的距离。

3.根据权利要求2所述的轻水反应堆的燃料组件，其特征在于，所述格架包括呈垂直交叉的数根条带，并由所述条带将格架分隔成所述数个栅元，每一栅元呈正方形，同一行燃料棒中两相邻燃料棒距该两相邻燃料棒之间的条带的距离不相等。

4.根据权利要求3所述的轻水反应堆的燃料组件，其特征在于，所述燃料棒的偏离距离均相同，任意呈2×2矩阵分布的4根相邻的燃料棒排列成菱形。

5.根据权利要求3所述的轻水反应堆的燃料组件，其特征在于，所述燃料棒均靠近与之对应的栅元的角落设置，燃料棒在行方向与列方向同时发生偏离。

6.根据权利要求3至5项中任意一项所述的轻水反应堆的燃料组件，其特征在于，所述燃料棒偏离至与条带相贴合。

7.根据权利要求5所述的轻水反应堆的燃料组件，其特征在于，所述燃料棒在列方向均朝向格架的同一侧偏离。

8.根据权利要求5所述的轻水反应堆的燃料组件，其特征在于，至少有一列燃料棒在列方向的偏离方向与相邻的另一列燃料棒在列方向的偏离方向相反。

9.根据权利要求8所述的轻水反应堆的燃料组件，其特征在于，所述燃料组件中，一部分呈2×2矩阵分布的4根相邻的燃料棒排列成菱形，另一部分呈2×2矩阵分布的4根相邻的燃料棒排列成正方形。

10.根据权利要求7至9项中任意一项所述的轻水反应堆的燃料组件，其特征在于，所述燃料棒同时与相交叉的两根条带相贴合。