CN103594124B - 控制棒导向管及燃料组件 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种控制棒导向管，插设于定位格架，所述控制棒导向管呈中空的管状结构，所述控制棒导向管开设有若干贯穿所述控制棒导向管的侧壁的扰流开口。本发明控制棒导向管在侧壁上设有所述扰流开口，因此能够实现控制棒导向管所占据的冷壁栅元中冷壁表面上的冷流体与热壁表面上的热流体的充分交流混合，使冷壁栅元内冷壁表面上的流体参与到通道换热，提高控制棒导向管的CHF性能。扰流开口同时可调节控制棒落棒时受到的流体阻力，进而改善事故下控制棒落棒性能。相应地，本发明还提供了一种具有该控制棒导向管的燃料组件。

Description

控制棒导向管及燃料组件
技术领域
本发明涉及一种反应堆部件，尤其涉及一种能够增强临界热流密度与落棒性能的燃料组件控制棒导向管。
背景技术
一定数量的燃料棒按照一定间隔排列(如：15×15或17×17等)并被固定成一束，称为反应堆燃料组件，反应堆燃料组件主要由上管座、下管座、定位格架(一般包括一上定位格架、一下定位格架及6-8个中间定位格架)、控制棒导向管和燃料棒组成。其中，控制棒导向管是燃料组件骨架的承重部分，其主要功能需求有：(1)连接上、下管座，形成组件骨架，为组件结构提供连续性；(2)为相关组件棒提供插入燃料组件的通道；(3)为事故下快速落棒停堆提供缓冲作用，防止控制棒组件与上管座冲击力过大；(4)为插入导向管的相关组件棒提供冷却流量(冷却剂在反应堆内由下自上地流经燃料组件)。控制棒导向管通常为一根圆管，底部带有内径减小的缓冲段用于提供落棒缓冲。
临界热流密度(CHF)是燃料组件热工水力性能的关键指标，决定了反应堆的功率、温度等热工水力参数的可运行范围。优良的CHF性能意味着燃料组件/反应堆具有大的热工裕量，而提高热工裕量是燃料组件的设计目标之一。
CHF全称为criticalheatflux，指沸腾传热机制发生变化而使传热系数突然降低时的热流密度。在强迫对流沸腾中它可能是偏离泡核沸腾(departurefromnucleateboiling，DNB)热流密度，也可能是干涸(Dryout)热流密度。在压水堆中，DNB是CHF的主要发生机理。DNB的发生原因通常认为是气泡产生率高到在气泡脱离壁面之前就形成一层汽膜覆盖在壁面上的现象，汽膜阻挡液体接触壁面，使传热恶化，壁温会大幅度升高，甚至使壁面烧毁。因此，DNB是压水堆燃料组件设计中要重点考虑的现象，燃料组件的设计目标是提高发生DNB时的热流密度。
当由燃料棒围成的冷却剂子通道具有不发热的冷壁时，冷壁表面的冷流体(相对热流体而言)会使通道平均焓值降低。当冷壁通道与普通典型通道(不含冷壁的通道，即周围栅元)平均焓相同时，由于冷壁通道壁面附近流体不参与换热，其焓值较低，从而导致加热壁面附近冷却剂焓值较高，在相同的热工参数下该子通道发生DNB的临界热流密度会降低，产生冷壁效应。
如图3所示，现有技术中的控制棒导向管是密封不开孔的结构。控制棒导向管中的控制棒由于不参与链式反应而不会发热，含有这种控制棒导向管的通道是典型的冷壁通道(又称冷壁栅元)，冷壁栅元内的冷壁表面(即控制棒导向管的外侧壁)的冷流体只会沿冷壁表面从上游往下游流动，而不会与热壁表面的热流体产生流体搅混，因此通常控制棒导向管通道会成为燃料组件CHF性能的短板，限制了燃料组件整体CHF性能。
因此，有必要提供一种能够减弱冷壁效应，提高周围栅元的临界热流密度的控制棒导向管。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能够减弱冷壁效应，提高周围栅元的临界热流密度，同时可优化事故下控制棒落棒性能的控制棒导向管。
本发明的另一目的在于提供一种CHF性能良好并具有较大热工裕量的燃料组件。
为了实现上述目的，本发明提供了一种控制棒导向管，插设于定位格架，所述控制棒导向管呈中空的管状结构，所述控制棒导向管开设有若干贯穿所述控制棒导向管的侧壁的扰流开口，所述扰流开口位于两相邻所述定位格架之间。
与现有技术相比，由于本发明在控制棒导向管的侧壁上贯穿地开设所述扰流开口，控制棒导向管所占据的冷壁栅元中冷壁表面上的冷流体在向上游流动时受到所述扰流开口的干扰而发生搅混，因此能够与热壁表面上的热流体充分交流混合，让冷壁表面上的流体参与到通道换热中，使温度更均匀，降低热流体的焓并提高了所述热壁表面发生DNB时的热流密度，避免了冷壁效应的出现，提高了燃料组件的CHF性能。同时，还促进了导向管内控制棒头部与外界之间的压降平衡，调节控制棒落棒时受到的流体阻力，进而改善事故下控制棒落棒性能。另外，本发明是通过在所述控制棒导向管的侧壁开设所述扰流开口以实现上述目的，其结构简单，易于实现，便于加工制造。
具体地，所述扰流开口开设于所述控制棒导向管的上端。
较佳地，所述扰流开口为圆形孔。
较佳地，若干所述扰流开口分布成多排并分别沿所述控制棒导向管的轴向设置。
具体地，多排所述对流开口之间相互交错。
具体地，多排所述对流开口之间一一对齐。
较佳地，所述控制棒导向管的下端的内径减小形成缓冲段。
具体地，所述控制棒导向管的下端的周壁开设有数个流水孔，所述流水孔与所述缓冲段相邻并沿所述控制捧导向管的中心轴周向均匀设置。
相应地，本发明还提供了一种燃料组件，包括上管座、下管座、多个定位格架、控制棒导向管及燃料棒，所述控制棒导向管及燃料棒分别插设于所述定位格架，最上方的所述定位格架与所述上管座匹配连接，最下方的所述定位格架与所述下管座匹配连接。所述控制棒导向管呈中空的管状结构，所述控制棒导向管开设有若干贯穿所述控制棒导向管的侧壁的扰流开口。
与现有技术相比，由于本发明燃料组件中的控制棒导向管所占据的冷壁栅元中的冷流体及热流体可以发生混流换热，避免了冷壁效应的出现，因此具有较优的CHF性能，能够提供更大的热工裕量，同时改善事故下控制棒落棒性能，缩短落棒时间。
附图说明
图1是燃料组件的结构示意图。
图2是控制棒导向管及燃料棒在定位格架中的位置示意图。
图3是现有技术中的控制棒导向管的示意图。
图4是本发明第一实施例中控制棒导向管的示意图。
图5是本发明第二实施例中控制棒导向管的示意图。
图6是本发明第三实施例中控制棒导向管的示意图。
具体实施方式
下面结合给出的说明书附图对本发明的较佳实施例作出描述。
如图1所示，本发明燃料组件1包括上管座10、下管座11、多个定位格架12、控制棒导向管13及燃料棒14，所述控制棒导向管13及燃料棒14分别插设于多个相互平行的所述定位格架12，最上方的所述定位格架12与所述上管座10匹配连接，最下方的所述定位格架12与所述下管座11匹配连接。在实际应用中，多个所述定位格架12可以是一体成型的整体结构。图1中U为燃料组件1中冷却剂流体的流向，即由下往上流动。
参照图2所示，所述定位格架12的中间形成格栅结构且具有多个中空的栅元120，所述控制棒导向管13及燃料棒14分别插设于多个所述栅元120中，格栅结构内若干栅元120容置有所述控制棒导向管13，其余栅元120容置所述燃料棒14。每一所述控制棒导向管13被几个所述燃料棒14围绕在中间。由于控制棒并不参与链式反应，控制棒在所述控制棒导向管13内不会产生热量，因此所述控制棒导向管13占据的栅元120形成了具有冷壁的冷壁栅元，而围绕在所述控制棒导向管13周围的栅元120中因为插设有不断发热的燃料棒14，为普通栅元。在冷壁栅元中，所述控制棒导向管13的外侧壁为冷壁表面，而围绕所述控制棒导向管13的栅元120的内侧壁为热壁表面。
如图4所示，所述控制棒导向管13呈中空的管状结构，且所述控制棒导向管13的侧壁呈贯穿地开设有若干扰流开口130，所述扰流开口130的开设使得冷壁栅元中的冷流体在向上游流动时受到若干所述扰流开口130的持续干扰并产生搅动从而能够与热壁表面的热流体发生交流混合，使温度更均匀。
所述控制棒导向管13的下端的内径减小形成缓冲段131，且所述控制棒导向管13的下端的周壁开设有四个流水孔132(图中只显示一个)，四个所述流水孔132与所述缓冲段131相邻(位于所述缓冲段131的顶部位置)并沿所述控制棒导向管13的中心轴周向均匀设置。缓冲段131及流水孔132的设置有利于提供事故下的落棒缓冲，防止对燃料组件1产生过大的冲击。所述流水孔132在轴向方向上只设置一个且位于燃料组件下部，因此对冷却剂流体产生扰动有限，其作用与所述扰流开口130不同。
较佳地，所述扰流开口130位于两相邻所述定位格架12之间并开设于所述控制棒导向管13靠近上端的位置，且位于控制棒导向管13上端位置的所述定位格架12的上游方向。所述控制棒导向管13的上端是发生CHF的高危区域，因此优先考虑将所述扰流开口130设置于所述控制棒导向管13的上端。
为了便于加工，可以将所述扰流开口130设置为圆形孔，且为了保证所述控制棒导向管13的强度，圆形孔的直径不宜过大。但是扰流开口130的形状并不以圆形为限，还可以是长形孔或其他任意形状。
图5所示为本发明的第二个实施例，本实施例中将若干呈圆形孔的所述扰流开口130分布成多排，多排所述圆形孔分别沿所述控制棒导向管13的轴向设置，且多排所述圆形孔之间一一对齐。将所述扰流开口130规则地分布成多排而不是杂乱无序设置，更有利于一次性将多个圆孔加工成型。
图6所示本发明的第三个实施例，本实施例与第二实施例的不同之处在于圆形孔的直径较大且相邻圆形孔之间的间距更小，因此能够增加所述扰流开口130对冷却剂流体的扰动作用，更有利于热交换过程。并且，多排圆形孔之间相互交错，这样设置的目的是为了在维持良好的交流换热的同时进一步保证所述控制棒导向管13的强度。
毫无疑问地，通过以上几个实施例可以确定，本发明中扰流开口130的形状、大小及分布位置、间距等可以根据实际情况进行调整，只要能达到使冷壁栅元与普通栅元之间形成热交换，避免冷壁效应出现的目的即可。
与现有技术相比，由于本发明在控制棒导向管13的侧壁上贯穿地开设所述扰流开口130，控制棒导向管13所占据的冷壁栅元中冷壁表面上的冷流体在向上游流动时受到所述扰流开口130的干扰而发生搅混，因此能够与热壁表面上的热流体充分交流混合，让冷壁表面上的流体参与到通道换热中，使温度更均匀，降低热流体的焓并提高了所述热壁表面发生DNB时的热流密度，避免了冷壁效应的出现，提高了燃料组件1的CHF性能及热工裕量。同时，还促进了导向管内控制棒头部与外界之间的压降平衡，调节控制棒落棒时受到的流体阻力，进而改善事故下控制棒落棒性能。另外，本发明是通过在所述控制棒导向管的13侧壁开设所述扰流开口以实现上述目的，其结构简单，易于实现，便于加工制造。
以上所揭露的仅为本发明的较佳实例而已，其作用是方便本领域的技术人员理解并据以实施，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明申请专利范围所作的等同变化，仍属于本发明所涵盖的范围。

Claims (9)

1.一种控制棒导向管，插设于定位格架，所述控制棒导向管呈中空的管状结构，其特征在于：所述控制棒导向管开设有若干贯穿所述控制棒导向管的侧壁的扰流开口，所述扰流开口位于两相邻所述定位格架之间。
2.如权利要求1所述的控制棒导向管，其特征在于：所述扰流开口开设于所述控制棒导向管的上端。
3.如权利要求1所述的控制棒导向管，其特征在于：所述扰流开口为圆形孔。
4.如权利要求1所述的控制棒导向管，其特征在于：若干所述扰流开口分布成多排并分别沿所述控制棒导向管的轴向设置。
5.如权利要求4所述的控制棒导向管，其特征在于：多排所述扰流开口之间相互交错。
6.如权利要求4所述的控制棒导向管，其特征在于：多排所述扰流开口之间一一对齐。
7.如权利要求1所述的控制棒导向管，其特征在于：所述控制棒导向管的下端的内径减小形成缓冲段。
8.如权利要求7所述的控制棒导向管，其特征在于：所述控制棒导向管的下端的周壁开设有数个流水孔，所述流水孔与所述缓冲段相邻并沿所述控制捧导向管的中心轴周向均匀设置。
9.一种燃料组件，包括上管座、下管座、多个定位格架、控制棒导向管及燃料棒，所述控制棒导向管及燃料棒分别插设于所述定位格架，最上方的所述定位格架与所述上管座匹配连接，最下方的所述定位格架与所述下管座匹配连接，其特征在于：所述控制棒导向管如权利要求1至8中任一项所述。
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