CN104681105B - 一种双头螺旋菱形支撑板正六边形核燃料组件 - Google Patents

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Abstract

一种双头菱形支撑板正六边形核燃料组件，包括燃料棒组、导向管组、上管座组件、下管座组件、上格架和下格架；在上格架和下格架之间还包括菱形支撑板组、拉杆套管组；每块菱形支撑板倾斜布置在正六边形燃料组件略大于三分之一截面的范围内，呈双头螺旋，布置拉杆的首尾处折平，相邻菱形支撑板周向重叠；菱形支撑板采用薄板，2条外侧直边拓宽后折弯，管孔均双向翻边。本发明以螺旋流动强化核燃料棒束与冷却剂的传热；流动阻力较小，有利于提高燃料组件的热流密度和避免产生局部高温热点，可提高核反应堆运行安全性和经济性。

Description

一种双头螺旋菱形支撑板正六边形核燃料组件
技术领域
本发明涉及核燃料组件，尤其涉及一种双头螺旋菱形支撑板正六边形核燃料组件的技术领域。
背景技术
核燃料包壳与冷却剂之间的传热状况直接影响包壳的工作温度及其使用寿命，因而对其进行强化传热的结构改进对于核电站的核安全与提高发电效率有极其重要的意义。
目前核燃料组件已有的强化传热手段只是利用格架上布置小叶片旋流结构来扰动冷却剂流体，其作用距离短，效果较差。尽管在文献中有在燃料棒外壁缠绕金属丝的方案，因其装配并不方便，效果也比较有限，还停留在数值模拟和实验研究阶段，并未得到实际应用。
发明内容
本发明目的是提供一种传热效率高、阻力损失较低并实施较方便的双头螺旋菱形支撑板正六边形核燃料组件。
本发明为实现上述目的采用如下技术方案：
一种双头螺旋菱形支撑板正六边形核燃料组件，包括燃料棒组、导向管组、上管座组件、下管座组件、上格架和下格架；其中导向管组上端连接上管座组件和上格架，下端连接下格架和下管座组件；燃料棒组被上格架和下格架夹持在核燃料组件设计所确定的正三角形网格的棒位上；
所述双头菱形支撑板正六边形核燃料组件还包括菱形支撑板组和拉杆套管组；所述菱形支撑板组布置在上格架和下格架之间；所述菱形支撑板组为双头螺旋布置，根据核燃料组件的截面尺寸、布置菱形支撑板组的长度区间和倾斜角来确定菱形支撑板的数量；每个螺旋周期由3块菱形支撑板组成，每块菱形支撑板倾斜布置在正六边形燃料组件大于三分之一截面的范围内，呈截去尖头的菱形；菱形支撑板是薄板，从投影面看有2条内侧直边、2条外侧直边和2条短边，所述2条内侧直边分别与通过核燃料组件中心及正六边形的2个相间顶点的连线平行，并分别拓宽至位于与所述连线相邻且平行的管孔自然间隔中，使得相邻菱形支撑板的连接处呈周向重叠，重叠区包含一排燃料棒和最外侧的拉杆套管组；所述2条短边是因为2条内侧直边的拓宽而造成的；在菱形支撑板首尾处设有用于布置拉杆套管组的平面区，即将菱形支撑板两端在靠近拉杆孔的管孔自然间隔中折弯，将菱形支撑板分成中间的倾斜区和两端的平面区，使每根拉杆同时穿过2块相邻菱形支撑板并保持相邻两块菱形支撑板的后一块板的前缘平面区与前一块板的后缘平面区在外圈首尾贴合相接；以利于利用最少的拉杆数目来固定菱形支撑板；所述菱形支撑板倾斜区的2条外侧直边与2条折弯边相连；折弯方向相反，即安装位置较低的外侧直边的折弯边向上折，位置较高的外侧直边的折弯边向下折；所述菱形支撑板上的管孔与燃料棒组和导向管组及拉杆套管组的相应位置一一对应，且除拉杆孔外，每个管孔均双向翻边，安装位置高的一半向下翻边，位置低的一半向上翻边；管孔翻边和折弯均是为了增强薄板的强度和刚度，翻边后形成的管孔与燃料棒的间隙有利于强化蒸发或沸腾传热；
所述拉杆套管组有3根拉杆、2组共6根不等距套管、与菱形支撑板数目N相匹配的数目为n的等距套管(n=N-3)、2组共6根上下套管和6套螺母紧固件组成；每块菱形支撑板上穿有2根拉杆，位于菱形支撑板的长轴最外侧管位上；所述拉杆依次穿过下管座组件、上下套管、下格架、不等距套管、若干周期的菱形支撑板和等距套管、最后3块菱形支撑板、不等距套管、上格架、上下套管和上管座组件；拉杆两端分别穿过下管座组件和上管座组件的对应管孔并用螺母紧固件连接固定。
本发明采用上述技术方案，与现有技术相比具有如下优点：
1、流体由目前的纵向流动方案变为本发明的拟螺旋流动方案。最主要的优点在于改善核燃料堆芯温度分布的均匀性，螺旋流动有利于降低包壳壁面温度，避免局部高温热点的产生，或由此可相应提高核燃料组件的热流密度，有利于提高核反应堆运行的安全性和经济性。其次可以强化传热，因为前者的流动方向与燃料棒束的壁面平行，根据场协同理论是不利于传热强化的，而后者的流动方向与壁面有夹角，可以大大强化传热；由于螺旋流动速度方向基本不变，没有额外的局部阻力损失，并有利于形成对强化传热有益的二次流；各菱形支撑板对管束支撑间距不变，支撑位置逐步变化，可避免产生共振造成振动破坏。采用双头菱形支撑板，可减小层距，并且使每个燃料组件至少在两个方向的对边同一高度上的支撑板可与相邻的燃料组件相互抵靠，以增强其刚性。
2、拉杆套管组不仅起到固定菱形支撑板位置的作用，而且提高了核燃料组件的刚度和强度。将拉杆套管组布置在菱形支撑板长轴最外侧的端点，有利于用最少的拉杆和套管数量来固定菱形支撑板；在拉杆孔附近设置折弯的平面区有利于将向2个空间方向倾斜的相邻菱形支撑板在平面区贴合并被拉杆套管压紧。考虑到菱形支撑板的材料可能会增大中子的吸收率，所以除了其材料必须采用低吸收截面材料外，还要尽量采用薄板。为了增强其强度和刚度，对其倾斜区外侧两条直边进行相反方向的折弯，折弯方向的选择原则是不影响装配，并且对菱形支撑板上除拉杆孔外的所有管孔均双向翻边，并可利用翻边后管孔与燃料棒的间隙形成有利于产生气泡核心，强化蒸发或沸腾传热的楔形通道结构。
3、燃料组件的截面形状有正方形和正六边形两种。正六边形燃料组件结构除了更紧凑外，布置在圆形截面的压力容器内时，其最外面一圈燃料与壳体壁面的距离亦更均匀，因而有利于减小压力容器的直径或减轻容器材料的热辐射伤害，或者在同样的压力容器的尺寸下，发电功率更高。
附图说明
图1是本发明实施例的核燃料组件总体结构示意图；
图2是本发明实施例的核燃料组件中间段的燃料棒组1、导向管组2、菱形支撑板组6和拉杆套管组7布置局部立体示意图(为更清楚显示，取走了前半截面内的燃料棒束)；
图3是本发明实施例的核燃料组件中间段的俯视横切面示意图。
图4是本发明实施例菱形支撑板的立体示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明：
实施例：如图1—4所示，
一种双头螺旋菱形支撑板正六边形核燃料组件，包括燃料棒组1、导向管组2、上管座组件3、下管座组件4、上格架5-1和下格架5-2；其中导向管组2上端连接上管座组件3和上格架5-1，下端连接下格架5-2和下管座组件4；燃料棒组1被上格架5-1和下格架5-2夹持在核燃料组件设计所确定的正三角形网格的棒位上；
所述双头菱形支撑板正六边形核燃料组件还包括菱形支撑板组6和拉杆套管组7；所述菱形支撑板组6布置在上格架5-1和下格架5-2之间；所述菱形支撑板组6为双头螺旋布置，根据核燃料组件的截面尺寸、布置菱形支撑板组6的长度区间和倾斜角来确定菱形支撑板6-1的数量；每个螺旋周期由3块菱形支撑板6-1组成，每块菱形支撑板6-1倾斜布置在正六边形燃料组件大于三分之一截面的范围内，呈截去尖头的菱形；菱形支撑板6-1是薄板，从投影面看有2条内侧直边、2条外侧直边和2条短边，所述2条内侧直边分别与通过核燃料组件中心及正六边形的2个相间顶点的连线平行，并分别拓宽至位于与所述连线相邻且平行的管孔自然间隔中，使得相邻菱形支撑板的连接处呈周向重叠，重叠区包含一排燃料棒和最外侧的拉杆套管组7；所述2条短边是因为2条内侧直边的拓宽而造成的；在菱形支撑板6-1 首尾处设有用于布置拉杆套管组的平面区6-1-2，即将菱形支撑板6-1 两端在靠近拉杆孔的管孔自然间隔中折弯，将菱形支撑板6-1分成中间的倾斜区6-1-1和两端的平面区6-1-2，使每根拉杆同时穿过2块相邻菱形支撑板6-1并保持相邻两块菱形支撑板6-1的后一块板的前缘平面区6-1-2与前一块板的后缘平面区6-1-2在外圈首尾贴合相接；以利于利用最少的拉杆数目来固定菱形支撑板6-1；所述菱形支撑板6-1倾斜区6-1-1的2条外侧直边与2条折弯边6-1-3相连；折弯方向相反，即安装位置较低的外侧直边的折弯边6-1-3向上折，位置较高的外侧直边的折弯边6-1-3向下折；所述菱形支撑板6-1上的管孔与燃料棒组1和导向管组2及拉杆套管组7的相应位置一一对应，且除拉杆孔外，每个管孔均双向翻边，安装位置高的一半向下翻边，位置低的一半向上翻边；管孔翻边和折弯均是为了增强薄板的强度和刚度，翻边后形成的管孔与燃料棒的间隙有利于强化蒸发或沸腾传热；
所述拉杆套管组7有3根拉杆7-1、2组共6根不等距套管7-2、与菱形支撑板数目N相匹配的数目为n的等距套管7-3(n=N-3)、2组共6根上下套管7-4和6套螺母紧固件7-5组成；每块菱形支撑板上穿有2根拉杆，位于菱形支撑板的长轴最外侧管位上；所述拉杆7-1依次穿过下管座组件4、上下套管7-4、下格架5-2、不等距套管7-2、若干周期的菱形支撑板6-1和等距套管7-3、最后3块菱形支撑板6-1、不等距套管7-2、上格架5-1、上下套管7-4和上管座组件3；拉杆两端分别穿过下管座组件4和上管座组件3的对应管孔并用螺母紧固件7-5连接固定。
本发明双头螺旋菱形支撑板正六边形核燃料组件的中心布置测量中子通量的仪表导管，然后在中部2个半径上布置18根控制棒导管，在靠近折流板外侧顶点的位置布置6根拉杆及定距套管组，这些管子、拉杆套管组与燃料棒一起占据了正六边形燃料组件正三角形布置的分布节点。围绕中心管有9层正六边形，燃料组件总共271个节点，分为249根燃料棒、18根控制棒导管、1根仪表导管、3根拉杆套管组。

Claims (1)

1.一种双头螺旋菱形支撑板正六边形核燃料组件，包括燃料棒组(1)、导向管组(2)、上管座组件(3)、下管座组件(4)、上格架(5-1)和下格架(5-2)；其中导向管组(2)上端连接上管座组件(3)和上格架(5-1)，下端连接下格架(5-2)和下管座组件(4)；燃料棒组(1)被上格架(5-1)和下格架(5-2)夹持在核燃料组件设计所确定的正三角形网格的棒位上；
其特征在于：所述双头菱形支撑板正六边形核燃料组件还包括菱形支撑板组(6)和拉杆套管组(7)；所述菱形支撑板组(6)布置在上格架(5-1)和下格架(5-2)之间；所述菱形支撑板组(6)为双头螺旋布置，根据核燃料组件的截面尺寸、布置菱形支撑板组(6)的长度区间和倾斜角来确定菱形支撑板(6-1)的数量；每个螺旋周期由3块菱形支撑板(6-1)组成，每块菱形支撑板(6-1)倾斜布置在正六边形燃料组件大于三分之一截面的范围内，呈截去尖头的菱形；菱形支撑板(6-1)是薄板，从投影面看有2条内侧直边、2条外侧直边和2条短边，所述2条内侧直边分别与通过核燃料组件中心及正六边形的2个相间顶点的连线平行，并分别拓宽至位于与所述连线相邻且平行的管孔自然间隔中，使得相邻菱形支撑板的连接处呈周向重叠，重叠区包含一排燃料棒和最外侧的拉杆套管组(7)；所述2条短边是因为2条内侧直边的拓宽而造成的；在菱形支撑板(6-1) 首尾处设有用于布置拉杆套管组的平面区(6-1-2)，即将菱形支撑板(6-1) 两端在靠近拉杆孔的管孔自然间隔中折弯，将菱形支撑板(6-1)分成中间的倾斜区(6-1-1)和两端的平面区(6-1-2)，使每根拉杆同时穿过2块相邻菱形支撑板(6-1)并保持相邻两块菱形支撑板(6-1)的后一块板的前缘平面区(6-1-2)与前一块板的后缘平面区(6-1-2)在外圈首尾贴合相接；以利于利用最少的拉杆数目来固定菱形支撑板(6-1)；所述菱形支撑板(6-1)倾斜区(6-1-1)的2条外侧直边与2条折弯边(6-1-3)相连；折弯方向相反，即安装位置较低的外侧直边的折弯边(6-1-3)向上折，位置较高的外侧直边的折弯边(6-1-3)向下折；所述菱形支撑板(6-1)上的管孔与燃料棒组(1)和导向管组(2)及拉杆套管组(7)的相应位置一一对应，且除拉杆孔外，每个管孔均双向翻边，安装位置高的一半向下翻边，位置低的一半向上翻边；管孔翻边和折弯均是为了增强薄板的强度和刚度，翻边后形成的管孔与燃料棒的间隙有利于强化蒸发或沸腾传热；
所述拉杆套管组(7)有3根拉杆(7-1)、2组共6根不等距套管(7-2)、与菱形支撑板数目N相匹配的数目为n的等距套管(7-3) 且n=N-3、2组共6根上下套管(7-4)和6套螺母紧固件(7-5)组成；每块菱形支撑板上穿有2根拉杆，位于菱形支撑板的长轴最外侧管位上；所述拉杆(7-1)依次穿过下管座组件(4)、上下套管(7-4)、下格架(5-2)、不等距套管(7-2)、若干周期的菱形支撑板(6-1)和等距套管(7-3)、最后3块菱形支撑板(6-1)、不等距套管(7-2)、上格架(5-1)、上下套管(7-4)和上管座组件(3)；拉杆两端分别穿过下管座组件(4)和上管座组件(3)的对应管孔并用螺母紧固件(7-5)连接固定。
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