CN106782684B - 用于高功率密度堆芯的绕丝固定式燃料组件和铅基反应堆 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于高功率密度堆芯的绕丝固定式燃料组件和铅基反应堆，该燃料组件包括多个燃料元件、定位绕丝和外套管，其中，多个燃料元件通过规则排列形成棒束栅元流道，多个燃料元件外包有外套管以约束冷却剂的流动，燃料元件之间的间距通过定位绕丝进行固定，外套管内侧设置有肋片壁面，肋片的设置正好处于两个相邻边燃料元件的中间，用于减小边通道面积。其中棒束栅元流道采用绕丝固定，可实现较密的棒束排列，满足高功率堆中子学要求；外围棒绕丝直径缩小，达到收紧外套管的目的，通过肋片约束边通道流量，优化组件内的流量分配，提高冷却剂的冷却效率，且肋片的设置增强了外套管的刚性。

Description

用于高功率密度堆芯的绕丝固定式燃料组件和铅基反应堆
技术领域
本发明涉及一种用于高功率密度堆芯的绕丝固定式燃料组件和具有该燃料组件的铅基反应堆。
背景技术
铅合金冷却快堆(铅基反应堆)是第四代先进核能系统主要的候选堆型之一，与传统压水堆相比，铅基反应堆功率高、功率峰因子大，因此其燃料组件通道采用有盒的绕丝固定式排列结构。
对于液态金属冷却的快中子堆而言，为了提高整个反应堆的效率，设计人员希望在保证最高温度满足材料性能的前提下，尽可能的提高平均出口温度，因此从整个堆芯角度出发，必须考虑对全堆芯不同功率组件的冷却剂流量进行控制。
目前对于该类问题，一般通过组件入口的节流设备对流量分配进行控制。对于组件内部，也需要尽可能得提高单盒燃料组件的换热效率，如设置绕丝或格架搅浑翼等；另外对于铅基反应堆而言，冷却剂铅合金极易产生氧化物而堵塞堆芯通道，因此在燃料组件入口设计上必须考虑对可能出现的堵塞事故的防范。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于高功率密度堆芯的绕丝固定式燃料组件，以有效提高冷却剂冷却燃料元件的效率。
本发明的目的还在于提供一种具有上述绕丝固定式燃料组件的铅基反应堆。
为此，本发明一方面提供了一种用于高功率密度堆芯的燃料组件，包括多个燃料元件、定位绕丝和外套管，所述多个燃料元件通过规则排列形成棒束栅元流道，所述多个燃料元件外包有外套管以约束冷却剂的流动，其特征在于，所述燃料元件之间的间距通过定位绕丝进行固定，所述外套管内侧设置有肋片壁面，所述肋片的设置正好处于两个相邻边燃料元件的中间，用于减小边通道面积。
进一步地，上述定位绕丝为非均匀绕丝，外围元件定位绕丝直径小于内部元件定位绕丝直径，以收紧所述外套管。
进一步地，上述外套管顶角处设置了顶角倒角，以降低外围通道冷却剂横向流动的阻力。
进一步地，上述外套管的肋片连接处设置了肋片倒角，以降低外围通道冷却剂横向流动的阻力。
进一步地，上述肋片为弧形截面。
进一步地，组件入口腔结构的节流件包括一级孔和二级自适应分配孔。
根据本发明的另一方面，提供了一种铅基反应堆，包括堆芯，所述堆芯包括燃料组件，所述燃料组件为根据上面所描述的用于高功率密度堆芯的燃料组件。
根据本发明的绕丝固定式燃料组件，棒束栅元流道采用绕丝固定，可实现较密的棒束排列，满足高功率堆中子学要求；外围约束套管为带肋片的外套管，通过约束边通道流量，优化组件内的流量分配，提高冷却剂的冷却效率，且肋片的设置增强了外套管的刚性；同时外围棒绕丝直径缩小，收紧外套管，此外，对外套管顶角和肋片连接处进行倒角处理，降低其横向交混阻力。通过该绕丝固定式燃料组件的设计可有效提高冷却剂冷却燃料元件的效率。另外，通过管脚开孔的节流设计，可实现堆芯不同功率组件的流量分配，且可有效阻止冷却剂中较大的氧化物杂质进入组件内部。最后通过多级流量分配槽的设计，在一级流量分配孔堵塞的情况下，冷却剂可通过二级分配孔从其他组件内分流至一级分配孔堵塞的组件，因此可消除管脚堵塞引起的单盒组件完全堵流的可能性。
除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是根据本发明一实施例的绕丝固定式燃料组件的整体结构图；
图2是根据本发明一实施例的绕丝固定式燃料组件的外套管结构图；
图3是根据本发明一实施例的绕丝固定式燃料组件的绕丝结构图；以及
图4是根据本发明一实施例的绕丝固定式燃料组件的入口腔体结构图。
附图标记说明
1、燃料元件； 2、定位绕丝；
3、外套管； 4、肋片；
5、顶角倒角； 6、肋片倒角；
7、边通道； 8、外围元件定位绕丝；
9、内部元件定位绕丝； 10、入口分配腔；
11、入口腔； 12、入口分配孔(大)；
13、入口分配孔(小)； 14、自适应分配孔。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
图1至图3示出了根据本发明的一些实施例。
如图1和图2所示，绕丝固定式燃料组件包括燃料元件1、定位绕丝2和外套管3，其中，所述燃料元件1通过规则排列形成棒束栅元流道，整个燃料组件外包有外套管3以约束冷却剂的流动；所述外套管3内侧为带肋片壁面，各肋片4的设置正好处于两个相邻边燃料元件的中间，所述肋片4用于减小边通道7面积。
上述设计效果如下：1)通过在外套管的内壁上设置肋片，缩小了边通道的流通面积，提高了中心热通道的冷却流量，优化了组件内的流量分配，增强了整体换热效率；2)通过在外套管上增加肋片，可提高外套管的刚性。
在一实施例中，如图2所示，外套管内侧的多个肋片形成波浪形结构。其中，单个肋片的截面形状不局限为弧形、圆弧形，能够用于挤压冷却剂进入内通道、进行高效换热的其他形状均可。
在一实施例中，如图2所示，外套管3顶角和肋片连接处分别设置了肋片倒角6和顶角倒角5，从而降低了外围通道冷却剂横向流动的阻力。
在一实施例中，如图3所示，所述燃料元件1间的间距通过定位绕丝2进行固定，所述定位绕丝为非均匀绕丝，外围元件定位绕丝8(也称为外围棒绕丝)直径小于内部元件定位绕丝9(也称为内部棒绕丝)直径，以达到收紧外套管3的目的。
在一实施例中，组件入口腔结构的节流件包括一级孔12、13和二级自适应分配孔14，其中，冷却剂通过一级孔的大小可实现堆芯流量分配，并基于二级自适应分配孔可消除杂质引起的燃料组件全堵塞事故发生的可能性。
在一优选实施例中，燃料元件1通过规则排列形成棒束栅元流道，所述燃料元件1间的间距通过定位绕丝2进行固定，所述绕丝为非均匀绕丝，外围元件定位绕丝8直径小于内部元件定位绕丝9直径，以达到收紧外套管3的目的，整个燃料组件外包有外套管3以约束冷却剂的流动；所述外套管3内侧设置有肋片4壁面，肋片4的设置正好处于两个相邻边燃料元件的中间，所述肋片4可以减小边通道7面积，优化组件内的流量分配，同时增强了外套管的强度。
通过上述方案可以有效控制外围通道与内通道的相对大小关系，实现流量的有效分配，以19棒束结构为例(棒径15mm，节径比1.116，绕丝直径1.64mm，螺距375mm，长度375mm)，采用上述方案进行优化，并用PEC来衡量优化的组件热工性能：
式中：PEC表示综合效率，Nu0和f0为未改进组件的怒塞尔数和阻力系数，Nu和f改进组件的怒塞尔数和阻力系数。
表1为不同Re下PEC值：
Re PEC
6500 1.5493
13000 1.40
18000 1.2867
36000 1.121
从表中对比可以看出，PEC值>1，组件热工性能得到提高，且Re越小，其热工性能的提高率越大。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种用于高功率密度堆芯的燃料组件，包括多个燃料元件(1)、定位绕丝(2)和外套管(3)，所述多个燃料元件(1)通过规则排列形成棒束栅元流道，所述多个燃料元件(1)外包有外套管(3)以约束冷却剂的流动，其特征在于，
所述燃料元件(1)之间的间距通过定位绕丝(2)进行固定，所述外套管(3)内侧设置有肋片(4)壁面，所述肋片(4)的设置正好处于两个相邻边燃料元件的中间，用于减小边通道(7)面积，
所述定位绕丝(2)为非均匀绕丝，外围元件定位绕丝(8)直径小于内部元件定位绕丝(9)直径，以收紧所述外套管(3)。
2.根据权利要求1所述的用于高功率密度堆芯的燃料组件，其特征在于，所述外套管(3)顶角处设置了顶角倒角(5)，以降低外围通道冷却剂横向流动的阻力。
3.根据权利要求1所述的用于高功率密度堆芯的燃料组件，其特征在于，所述外套管(3)的肋片连接处设置了肋片倒角(6)，以降低外围通道冷却剂横向流动的阻力。
4.根据权利要求1所述的用于高功率密度堆芯的燃料组件，其特征在于，所述肋片(4)为弧形截面。
5.根据权利要求1所述的用于高功率密度堆芯的燃料组件，其特征在于，所述燃料组件的入口分配腔(10)结构的节流件包括一级孔(12)、(13)和二级自适应分配孔(14)。
6.一种铅基反应堆，包括堆芯，所述堆芯包括燃料组件，其特征在于，所述燃料组件为根据权利要求1至5中任一项所述的用于高功率密度堆芯的燃料组件。
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