CN105190772A - 用于压水反应堆棒束中改进热传递的肋式粗糙部设计 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种核水反应堆中的核燃料组件。该燃料组件包括由多个轴向延伸的细长管状核燃料元件形成的阵列，所述核燃料元件具有第一和第二封闭端并且在轴向上沿着其一部分内部容积封装可裂变材料以及至少其中一个燃料元件的外部。所述燃料元件包括在所述第一和第二封闭端之间基本沿轴向延伸的包壳。所述包壳的外表面改型部成包括沿着所述包壳轴向长度的至少一部分在轴向上以预定样式变化的表面纹理部。该表面纹理部包括彼此平行布置并且在周向上围绕一个或多个燃料元件的多个肋。所述多个肋的每个具有特定高度、宽度和所述多个肋的每个之间的节距。

Description

用于压水反应堆棒束中改进热传递的肋式粗糙部设计

相关申请的交叉引用

根据美国法典第35卷第119(e)条款，本申请要求于2013年3月12日提交的、名称为“RIB-TYPEROUGHNESSDESIGNFORIMPROVEDHEATTRANSFERINPWRRODBUNDLES”的美国临时专利申请61/776,815以及于2013年10月28日提交的名称为“RIB-TYPEROUGHNESSDESIGNFORIMPROVEDHEATTRANSFERINPWRRODBUNDLES”的美国专利申请14/064,531的优先权。

技术领域

本发明总体上涉及核电站以及位于核反应堆堆芯中的燃料棒组件或燃料棒束，更特别地，涉及一种布置在一个或多个燃料棒上的肋式粗糙部以在燃料棒组件或燃料棒束中提供增强的热传递。

背景技术

核电站的反应堆堆芯，比如压水反应堆(PWR)，包含多个核燃料棒，例如核燃料棒组件或核燃料棒束。该燃料棒包含氧化铀燃料。该燃料封装在通常称作燃料包壳的密封管中。所述包壳将燃料保持在合适位置中，从而可以进行受控的裂变并产生热量。所述包壳然后将热量从所述燃料传递到围绕反应堆冷却剂系统的主回路循环的增压水。主回路中加热的水用于在蒸汽发生器中使水沸腾，蒸汽然后在为发电机提供能量的涡轮机中膨胀。

为了图示的目的，图1示出了简化的核反应堆主系统，包括基本是圆柱形的反应堆压力容器10，该压力容器具有封套核芯14的顶盖12。借助泵16将诸如水之类的液体反应堆冷却剂泵送到容器10中通过核芯14，其中热能被吸收并被排放到一般称作蒸汽发生器的热交换器18，在所述热交换器中热量被传递到应用回路(未示出)，比如蒸汽驱动的涡轮发电机。然后使反应堆冷却剂返回到泵16，完成主回路。一般地，多个上述回路通过反应堆冷却剂管道系统20连接到单个反应堆容器10。

在一般的核反应堆中，反应堆堆芯包括大量燃料组件，每个燃料组件具有顶部和底部喷嘴。多个细长的横向间隔开的导向套管在这些喷嘴之间纵向延伸。多个横向支承栅架沿着导向套管轴向间隔开并且附接到所述导向套管。

每个燃料组件是由多个细长燃料元件或棒构成的，它们彼此之间并且与导向套管横向间隔开。每个燃料棒包含可裂变材料并且以阵列形式聚集在一起，该阵列被组织成在足以支撑高速核裂变的所述芯中提供中子通量，从而以热量的形式释放大量能量。向上泵送液体冷却剂通过所述芯以便于提取出所述芯中产生的一些热量用于有用的发电工作。

所述栅架用于精确地保持反应堆堆芯中燃料棒之间的间距和支撑，为燃料棒提供横向支撑，并引起冷却剂的混合。

在图2中更详细地示出了如图1中所示的示例性反应堆压力容器10和核芯14。所述核芯14包括多个平行的、竖直的、共同延伸的燃料组件22。为了该描述的目的，可以将其他的容器内部结构分成下内部24和上内部26。在传统的设计中，下内部的功能是支撑、对准并引导芯元件和仪器仪表以及引导容器内的流动。上内部约束燃料组件22或为燃料组件22(为了简单起见在图2中仅示出了其中的两个)提供二级约束，并且支撑和引导仪器仪表和元件，比如控制杆28。在图2中示出的示例性反应堆中，冷却剂通过一个或多个入口喷嘴30进入反应堆容器10，向下流过容器与芯筒32之间的环，在下增压室34中转过180°，向上通过下支撑板37和下芯板36，且穿过并围绕这些组件，燃料组件位于下芯板36上。在一些设计中，下支撑板37和下芯板36由单个结构替代，下芯支撑板具有与37相同的高度。流过所述芯以及周围区域38的冷却剂流一般大到在每秒大约20英尺的速度下每分钟400,000加仑的数量级。实现的压力下降以及摩擦力易于造成燃料组件升高，这种运动由包括圆形上芯板40的所述上内部约束。从所述芯14流出的冷却剂沿着上芯板40的下侧流动并且向上流动通过多个穿孔42。然后冷却剂向上并径向向外流动到一个或多个出口喷嘴44。

在图3中更详细地示出了如图2中示出的示意性燃料组件22中的一个。每个燃料组件22包括以阵列形式聚集在一起的燃料棒66。燃料棒66彼此以间隔开的关系由沿着燃料组件长度间隔开的栅架64保持。每个燃料棒66包括多个核燃料芯块70并且其两端分别由上端塞72和下端塞74封闭。芯块70由布置在上端塞72与芯块堆顶部之间的增压室弹簧76以堆叠方式保持。由可裂变材料构成的燃料芯块70用于形成反应堆的无功功率。存在围绕芯块的包壳以起到屏障的作用来防止裂变副产品进入冷却剂并进一步污染反应堆系统。

所述栅架64还用于冷却剂混合以降低最高的冷却剂温度。因为每个燃料棒66产生的热量不均匀，所以在冷却剂中存在热梯度。燃料组件22的设计中的一个重要参数是要保持从燃料棒66到冷却剂的有效热传递。单位时间移除的热量越高，发电功率越高。

在足够高的冷却剂温度下，在给定时间内每单位包壳面积可以移除的热量速率以显著方式急剧下降。这种现象称作偏离泡核沸腾或DNB。如果在反应堆操作参数内，冷却剂温度会达到DNB点，包壳表面温度会快速升高以排出燃料棒内部产生的热量而且快速的包壳氧化会导致包壳故障。显然需要避免DNB以防止燃料棒故障。既然(如果发生)DNB发生在冷却剂处于其最高温度的点处，那么接下来通过组件内的冷却剂混合而降低最高冷却剂温度允许实现更大的发电量而不会达到DNB条件。

一般地，通过在栅架64结构下游使用搅拌叶来实现改进的混合。混合的效率取决于搅拌叶的形状、尺寸及其相对于燃料棒66的位置。

如图4中所示，搅拌叶89安装在多个栅架64的其中一个的上表面上。该搅拌叶89在核芯14(图2中示出)中的冷却剂中形成湍流，这促进了热量从燃料棒包壳到冷却剂的传递。这种湍流在局部剧烈并在位于搅拌叶89下游的区域中快速消散，例如在连续栅架64之间的跨度或间距中。因此，例如在区域90中，搅拌叶89操作以形成湍流并促进热传递。然而，每块栅架64的超出下游区域90的更远下游，湍流消散并且热传递较低，导致对于包壳温度、污垢沉积以及氧化的增大的极限状态(limitingcondition)。

因此，本发明的目的是提供一种改型的燃料棒包壳，其具有至少部分地成型在外包壳表面上的特定的肋式粗糙部，这将增强核反应堆中燃料棒的热传递，尤其是增强湍流消散的搅拌叶的下游区域中的热传递。

发明内容

在一个方面中，本发明提供了一种燃料棒，其具有第一和第二封闭端并且在轴向上沿着其内部容积的至少一部分封装可裂变材料，燃料棒的外部包括包壳，所述包壳在所述第一和第二封闭端之间基本沿轴向延伸。所述包壳包括直径、外表面和施加于所述外表面的至少一部分的表面改型部(asurfacemodification)。所述表面改型部包括彼此平行布置并且在周向上围绕所述包壳的多个肋。所述多个肋的每个具有高度、宽度、所述多个肋的每个之间的节距。所述高度与直径的比值大于或等于大约0.0134并且小于或等于大约0.0268，所述高度与宽度的比值大于或等于大约0.8并且小于或等于大约1.2，所述节距大于或等于所述高度的大约9倍并且小于或等于所述高度的大约12倍。

所述多个肋可以从水平轴线偏置大约0度到大约45度的角度。所述燃料棒可以位于压水核反应堆的核芯中的燃料组件中。所述表面改型部可以施加到所述外表面的至少一部分，该至少一部分位于不紧邻联接到燃料组件的间隔栅架的搅拌叶的区域中。所述表面改型部可以施加到所述外表面的至少一部分，该至少一部分位于由联接到燃料组件的间隔栅架的搅拌叶所形成的湍流消散的区域中。

在另一个方面中，本发明提供了一种核燃料组件，其包括由多个轴向延伸的细长管状压水反应堆核燃料元件形成的阵列，所述核燃料元件具有第一和第二封闭端并且在轴向上沿着其内部容积的至少一部分封装可裂变材料，燃料元件中的至少一个的外部包括包壳，所述包壳在所述第一和第二封闭端之间基本沿轴向延伸。所述包壳包括沿着所述包壳的轴向长度的至少一部分在轴向上以预定样式变化的表面纹理部。该表面纹理部包括彼此平行布置并且在周向上围绕所述包壳的多个肋。所述多个肋的每个具有高度、宽度、所述多个肋的每个之间的节距。在某些实施方式中，所述高度、宽度和节距可以具有如下特性。所述高度与包壳的直径的比值大于或等于大约0.0134并且小于或等于大约0.0268。所述高度与宽度的比值大于或等于大约0.8并且小于或等于大约1.2。所述节距大于或等于所述高度的大约9倍并且小于或等于所述高度的大约12倍。多个轴向间隔开的间隔栅架可以围绕燃料元件并将燃料元件固定成间隔开的阵列，所述包壳的表面纹理部可以基本位于连续的一对间隔栅架之间的跨度中的区域处。

在另一个方面中，本发明提供了一种增强核燃料芯中热传递的方法，所述核燃料芯包含多个燃料棒，所述燃料棒具有第一和第二封闭端并且在轴向上沿着其内部容积的至少一部分封装可裂变材料，燃料棒的外部包括包壳，所述包壳在所述第一和第二封闭端之间基本沿轴向延伸。该方法包括通过在所述多个燃料棒的一个或多个的至少一部分外表面施加粗糙部来处理用于所述多个燃料棒的至少一部分的包壳的外表面。所述粗糙部包括彼此平行布置并且在周向上围绕所述包壳的多个肋。所述多个肋的每个具有高度、宽度、所述多个肋的每个之间的节距。所述高度与包壳的直径的比值大于或等于大约0.0134并且小于或等于大约0.0268，所述高度与宽度的比值大于或等于大约0.8并且小于或等于大约1.2，所述节距大于或等于所述高度的大约9倍并且小于或等于所述高度的大约12倍。

附图说明

在结合附图阅读了如下的优选实施方式的描述之后可以对本发明有进一步的理解，其中：

图1是根据现有技术的核反应堆主系统的简化示意图；

图2是根据现有技术的正视图，其中局部示出了核反应堆容器和内部元件的截面；

图3是根据现有技术的正视图，其中局部以竖直缩短的形式示出了燃料组件的截面，其中为了清楚起见省略了一些部件；

图4是根据现有技术的正视图，其中局部示出了联接有搅拌叶的间隔栅架的截面；

图5是根据本发明的某些实施方式的具有平行肋式粗糙部的表面改型过的燃料棒包壳的一部分的正视图；以及

图6是根据本发明的某些实施方式的如图5中示出的一部分平行肋式粗糙部的详细剖视图。

具体实施方式

本发明总体上涉及一种核燃料组件，其包括包含在燃料组件内的多个核燃料棒或元件。每个燃料棒具有第一和第二封闭端，并且在轴向上沿着其内部容积的至少一部分封装可裂变材料。核燃料棒的外部包括包壳，所述包壳在所述核燃料棒的所述第一和第二封闭端之间延伸。特别地，本发明涉及一种布置或施加到燃料棒包壳的至少一部分(例如一部分或一段)或整个包壳(以及核燃料组件中的所述多个燃料棒的一个或多个)上的表面改型部(例如粗糙部或纹理部)，以改进诸如压水反应堆(PWR)之类的核反应堆的核芯中的热传递。

在沿着核燃料组件的长度间隔开的栅架的上表面上安装搅拌叶是已知的。所述搅拌叶在核芯中的冷却剂中形成湍流以促进从燃料包壳到冷却剂的热传递。该湍流在局部是剧烈的，但是在位于搅拌叶下游的区域中快速消散，例如在连续栅架之间的跨度或间距中。因此，在位于其中安装有所述搅拌叶的栅架的上表面附近的区域中，所述搅拌叶操作成形成湍流并促进热传递。然而，在每个栅架以及搅拌叶的更远的下游区域中，所述湍流消散并且热传递较低。这些区域中较低的湍流进而较低的热传递可以导致对于包壳温度、污垢沉积以及氧化的增加的极限状态。

因此，本发明的目的是提供一种处理过的包壳以增强核芯中的热传递，尤其是增强所述芯的由搅拌叶形成的湍流消散的区域(例如不紧邻搅拌叶的区域，因此热传递低于其他区域(即紧邻搅拌叶的区域)中的热传递)中的热传递。

所述处理过的包壳具有至少部分地施加在或布置在包壳包面上的粗糙部或纹理部。所述粗糙部或纹理部可以沿着包壳的轴向长度的至少一部分在轴向上以预定样式变化。在某些实施方式中，所述粗糙部或纹理部施加到核燃料组件中一个或多个燃料棒的包壳外表面的一部分或一个部件或一段。在其他实施方式中，所述粗糙部或纹理部施加到核燃料组件中的一个或多个燃料棒的包壳的整个外表面。粗糙化或纹理化的表面对于干扰燃料棒表面处的冷却剂的湍流边界层是有效的。

特别地，本发明包括布置在包壳表面上的人造肋式粗糙部的一种具体结构。多个肋彼此平行布置并且在周向上围绕所述包壳。该具体结构包括每个肋的形状和尺寸、肋的角度或偏置(相对于水平轴线)以及肋之间的距离，以便于最大化或至少增强核反应堆堆芯的燃料棒束中的热传递速率。

正如这里之前描述的，在核反应堆堆芯中，多块轴向间隔开的间隔件或支承栅架围绕燃料元件并且将燃料元件固定在燃料组件中。该表面粗糙部或纹理部可以施加或布置在包壳上的位于连续的一对间隔件或支承栅架之间的跨度内的区域中。

在某些实施方式中，所述表面改型部施加到核燃料组件中一个或多个燃料棒的包壳的外表面的一部分或一个部件或一段上，其中该部分或该部件或该段位于不紧邻搅拌叶的区域中，该搅拌叶联接到燃料组件的间隔栅架。

在某些实施方式中，该表面改型部布置或施加在核燃料组件中的一个或多个燃料棒的包壳的外表面的一部分或一个部件或一段上，其中该部分或该部件或该段位于其中由联接到燃料组件的间隔栅架的搅拌叶形成的湍流消散的区域中。

此外，在其他实施方式中，比如其中燃料组件的间隔栅架不包括搅拌叶的实施方式中，所述表面改型部可以布置或施加在核燃料组件中的一个或多个燃料棒的包壳的整个外表面上。

在某些实施方式中，所述表面改型部布置或施加到核燃料组件中一个或多个燃料棒的包壳的外表面的一部分或一段上，其中该部分或该段基本位于一对连续间隔栅架之间的跨度中的区域中。

图5是示出了根据本发明的某些实施方式的表面改型过的燃料棒包壳1的一部分的正视图。该表面改型过的燃料棒包壳1包括一部分燃料棒包壳2和布置或施加在燃料棒包壳2的整个表面上的、构造成具有横向肋的粗糙部结构3。该肋结构3包括彼此平行的多个肋4，该多个肋4的每个包裹或盘绕在燃料棒包壳2的整个外表面的圆周。所述多个肋4彼此间隔开。此外，图5示出了燃料棒包壳2的直径9以及所述多个肋4的每个关于水平轴线的偏置或角度5。

图6是如图5中所示的表面改型过的燃料棒包壳1的一部分的局部横截面视图。图6包括燃料棒包壳2、肋结构3和图5中示出的多个肋4中的两个。此外，图6示出了每个肋4的高度6、每个肋4的宽度7和肋4之间的节距8。

在某些实施方式中，每个肋4的高度6与燃料棒包壳2的直径9(图5中示出)的比值大于或等于大约0.0134并且小于或等于大约0.0268(即大约0.0134≤高度/直径≤大约0.0268)。

在某些实施方式中，每个肋4的高度6与每个肋4的宽度7的比值大于或等于大约0.8并且小于或等于大约1.2(即大约0.8≤高度/宽度≤大约1.2)。

在某些实施方式中，每个肋4之间的节距8大于或等于每个肋4的高度6的大约9倍并且小于或等于每个肋4的高度6的大约12倍(即大约(9×高度)≤节距≤大约(12×高度))。

在某些实施方式中，每个肋4关于水平轴线的角度5为大约0°到大约45°。即，每个肋可以从水平轴线偏置大约0度到大约45度的角度。

为角度5、高度6、宽度7和节距8提供的值是基于具有大约500,000雷诺数、大约315℃的温度和大约155巴的压力的压水反应堆(PWR)的一般芯条件下确定的。

虽然详细描述了本发明的具体实施方式，但是本领技术人员将会意识到根据本发明的总体教导可以开发对这些细节的各种修改和替换。因此，所披露的特定实施方式旨在仅是说明性的，并不对由所附权利要求给定的全部范围的本发明的范围及其任何和所有等价方式构成限定。

Claims (8)

1.一种燃料棒(66)，所述燃料棒具有第一封闭端和第二封闭端(72，74)并且在轴向上沿着燃料棒的内部容积的至少一部分封装可裂变材料(70)，该燃料棒(66)的外部包括包壳(2)，所述包壳具有在所述第一封闭端和第二封闭端(72，74)之间基本沿轴向延伸的外表面，所述包壳(2)包括：

直径(9)；以及

施加到所述包壳(2)的外表面的至少一部分的表面改型部(3)，该表面改型部(3)包括：

彼此平行布置并且在周向上围绕所述包壳(2)的多个肋(4)，所述多个肋(4)的每个具有高度(6)、宽度(7)、在所述多个肋(4)的每个肋之间的节距(8)，

其中所述肋的高度(6)与包壳(2)的直径(9)的比值大于或等于大约0.0134并且小于或等于大约0.0268，所述肋的高度(6)与宽度(7)的比值大于或等于大约0.8并且小于或等于大约1.2，所述肋的节距(8)大于或等于所述肋的高度(6)的大约9倍并且小于或等于所述肋的高度(6)的大约12倍。

2.根据权利要求1所述的燃料棒(66)，其中所述多个肋(4)从水平轴线偏置大约0度到大约45度的角度(5)。

3.根据权利要求1所述的燃料棒，其中该燃料棒(66)位于压水核反应堆(10)的核芯(14)中的燃料组件(22)中。

4.根据权利要求1所述的燃料棒(66)，其中所述表面改型部(3)施加到所述外表面的、位于不紧邻搅拌叶(59)的区域中的部分中，所述搅拌叶联接到燃料组件(22)的间隔栅架(64)。

5.根据权利要求1所述的燃料棒(66)，其中所述表面改型部(3)施加到所述外表面的、位于由搅拌叶(89)形成的湍流消散的区域中的部分上，所述搅拌叶联接到燃料组件(22)的间隔栅架(64)。

6.一种核燃料组件(22)，包括：

由多个轴向延伸的细长管状压水反应堆核燃料元件(66)形成的阵列，所述核燃料元件具有第一封闭端和第二封闭端(72，74)并且在轴向上沿核燃料元件的内部容积的至少一部分封装可裂变材料(70)，所述核燃料元件(66)中的至少一个核燃料元件的外部包括包壳(2)，所述包壳具有在所述第一封闭端和第二封闭端(72，74)之间基本沿轴向延伸的外表面，以及

所述包壳(2)的表面纹理部(3)，所述表面纹理部沿着所述包壳(2)的所述外表面的轴向长度的至少一部分在轴向上以预定样式变化，该表面纹理部(3)包括：

彼此平行布置并且在周向上围绕所述包壳(2)的多个肋(4)，所述多个肋(4)的每个具有高度(6)、宽度(7)、所述多个肋(4)中的每个肋之间的节距(8)，

其中所述肋的高度(6)与包壳(2)的直径(9)的比值大于或等于大约0.0134并且小于或等于大约0.0268，所述肋的高度(6)与宽度(7)的比值大于或等于大约0.8并且小于或等于大约1.2，所述肋的所述节距(8)大于或等于所述肋的高度(6)的大约9倍并且小于或等于所述肋的高度(6)的大约12倍。

7.根据权利要求6所述的核燃料组件(22)，其中多个轴向间隔开的间隔栅架(64)围绕并固定呈间隔开阵列形式的燃料元件(66)，其中所述包壳(2)的所述表面纹理部(3)基本位于连续的一对间隔栅架(64)之间的跨度中的区域处。

8.一种增强核燃料芯中热传递的方法，所述核燃料芯包含多个燃料棒(66)，所述燃料棒具有第一封闭端和第二封闭端(72，74)并且在轴向上沿着所述燃料棒的内部容积的至少一部分封装可裂变材料(70)，所述燃料棒(66)中的至少一个燃料棒的外部包括包壳(22)，所述包壳具有在所述第一封闭端和第二封闭端(72，74)之间基本沿轴向延伸的外表面，所述方法包括：

对所述多个燃料棒(66)的至少一部分的包壳(2)的外表面进行改型处理，所述改型处理包括：

向所述外表面的至少一部分施加粗糙部(3)的步骤，该步骤包括：

将多个肋(4)布置成彼此平行并且在周向上围绕所述包壳(2)，所述多个肋(4)的每个具有高度(6)、宽度(7)、在所述多个肋(4)的每个肋之间的节距(8)，

其中所述肋的高度(6)与包壳(2)的直径(9)的比值大于或等于大约0.0134并且小于或等于大约0.0268，所述肋的高度(6)与宽度(7)的比值大于或等于大约0.8并且小于或等于大约1.2，所述肋的节距(8)大于或等于所述肋的高度(6)的大约9倍并且小于或等于所述肋的高度(6)的大约12倍。