CN109036591B - 核反应堆堆芯 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种核反应堆堆芯，其包括上板、下板、上下板端塞和通过上下板端塞安装于上板与下板之间的燃料棒，燃料棒为内部装有环形芯块的中空结构，燃料棒之间设有缝隙。相对于现有技术，本发明核反应堆堆芯的中空环形芯块使得热量不会过分集中于芯块的中间部分，燃料棒内外侧设有的双冷却流道和螺旋形肋片可以提高芯块的换热性能，内侧流道两端采用变径口设计能够增大冷却剂的流量，使得燃料棒可在更高的温度及更高的功率下运行，反应堆可在更高的温度和压力下工作，以获得更高的核电厂发电效率。
Description
技术领域
本发明属于核电技术领域，更具体地说，本发明涉及一种核反应堆堆芯。
背景技术
在核电技术领域，压水堆是一种采用加压的水作为慢化剂和冷却剂的反应堆，其堆芯基本是由燃料组件及相应的堆内构件组成，燃料组件中的燃料棒内装有二氧化铀芯块，芯块在链式反应下会产生热量同时会有放射性物质的产生。
目前，在使用轻水作为慢化剂的压水堆中，将实心的燃料芯块包覆在包壳中形成燃料棒，多个燃料棒再构成燃料组件，多个燃料组件排列在压力容器内构成反应堆的堆芯，在反应堆运行过程中，冷却剂从燃料棒包壳的表面流过，将燃料棒芯块中产生的热量带出。由于二氧化铀芯块的热导率比较低，造成从芯块中心到芯块边缘的温度梯度很大，导致芯块产生的热量无法被有效的传出，而芯块的熔点限制了燃料棒的功率，因此，反应堆的热参数也无法进一步的提高，从而限制了整个核电厂发电功率的提高。
在另一种使用重水作为慢化剂的压水堆中，其燃料是含有二氧化铀的圆柱形芯块，若干个芯块装入一根锆合金包壳管内，两端密封形成一根燃料组件，再将若干根燃料元件焊到两个端部支撑板上，形成柱形燃料棒束，燃料棒间用定位隔块使其隔开，作为冷却剂的高温、高压重水从燃料组件表面流过。由于堆芯结构同样采用的是实心燃料芯块，限制了燃料棒芯块热量的有效传出，这种堆芯燃料棒的功率及冷却剂的工作温度和工作压力也受到同样的限制，核电厂的发电效率无法得到进一步提高。
有鉴于此，确有必要提供一种工作温度高、运行功率大的核反应堆堆芯。
发明内容
本发明的目的在于：提供一种工作温度高、运行功率大的核反应堆堆芯。
为了实现上述发明目的，本发明提供了一种核反应堆堆芯，其包括上板、下板、上下板端塞和通过上下板端塞安装于上板与下板之间的燃料棒，所述燃料棒为内部装有环形芯块的中空结构，所述燃料棒之间设有缝隙。
作为本发明核反应堆堆芯的一种改进，所述上下板端塞内设有自靠近上下板的一端内径逐渐扩大的变径孔。
作为本发明核反应堆堆芯的一种改进，所述燃料棒端塞内部设有内通水孔，所述中空结构、内通水孔和变径孔相连通并构成燃料棒的内侧流道。
作为本发明核反应堆堆芯的一种改进，所述上板和下板上开设有安装上下板端塞的端塞孔，端塞孔之间开设有外通水孔，所述外通水孔与燃料棒之间的缝隙相连通并构成燃料棒的外侧流道。
作为本发明核反应堆堆芯的一种改进，所述燃料棒包括燃料棒端塞、安装于燃料棒端塞的燃料棒内包壳和燃料棒外包壳，所述环形芯块套设于燃料棒内外壳之间，且环形芯块的两端安装有弹簧。
作为本发明核反应堆堆芯的一种改进，所述燃料棒外包壳的外侧设有螺旋形肋片。
作为本发明核反应堆堆芯的一种改进，所述燃料棒内包壳的内侧设有螺旋形肋片。
作为本发明核反应堆堆芯的一种改进，所述燃料棒端塞靠近上下板的一端为锥形环凸台，所述上下板端塞一端开设有锥形环槽，所述锥形环凸台与锥形环槽相互密封配合。
作为本发明核反应堆堆芯的一种改进，所述燃料棒端塞远离上下板的一端为环形圆凸台，所述燃料棒内外包壳密封套装于环形圆凸台上。
相对于现有技术，本发明核反应堆堆芯的中空环形芯块使得热量不会过分集中于芯块的中间部分，燃料棒内外侧设有的双冷却流道和螺旋形肋片可以提高芯块的换热性能，内侧流道两端采用变径口设计能够增大冷却剂的流量，使得燃料棒可在更高的温度及更高的功率下运行，反应堆可在更高的温度和压力下工作，以获得更高的核电厂发电效率。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式，对本发明核反应堆堆芯进行详细说明，其中：
图1所示为本发明核反应堆堆芯的结构示意图。
图2为图1所示燃料棒的剖视结构示意图。
图3为图1所示上下板端塞的剖视结构示意图。
图4为图1所示上下板端塞的结构示意图。
图5为图2所示燃料棒螺旋形肋片的结构示意图。
图6为图2所示环形芯块的结构示意图。
图7为图1所示上下板的结构示意图。
图8为图1所示上下板端塞的结构示意图。
图9为图1所示上下板端塞的剖视结构示意图。
图10所示为安装端塞后的上下板的上视图。
图11所示为安装端塞后的上下板的下视图。
具体实施方式
为了使本发明的发明目的、技术方案及其有益技术效果更加清晰，以下结合附图和具体实施方式，对本发明进行进一步详细说明。应当理解的是，本说明书中描述的具体实施方式仅仅是为了解释本发明，并非为了限定本发明。
请参阅图1和图2所示，本发明核反应堆堆芯包括上板10、下板20、上下板端塞30和通过上下板端塞30安装于上板10与下板20之间的燃料棒40，燃料棒40为内部装有环形芯块404的中空结构，燃料棒40之间设有缝隙。
燃料棒40包括燃料棒端塞408、安装于燃料棒端塞408的燃料棒内包壳402和燃料棒外包壳400，以及套设于燃料棒内外包壳之间的环形芯块404和位于环形芯块404两端的弹簧406。
请参阅图3至图6所示，燃料棒端塞408为中空的阶梯形圆柱体，其一端为锥形环凸台4080，另一端为环形圆凸台4082，中部为连通两端的内通水孔4084。燃料棒端塞408可采用低中子寄生吸收的材料制造，如锆合金。
燃料棒内包壳402和燃料棒外包壳400装配于燃料棒端塞408的环形圆凸台4082上形成环形的燃料棒结构。为了加强冷却剂的换热能力，在外包壳400的外侧燃料热流密度最大的区域，制造3～6条甚至更多的螺旋形肋片4000，可以增加流体的搅混以提高换热能力，同时，螺旋形肋片4000作为包壳的延伸可增加包壳的传热面积提高包壳的传热能力。
芯块404为环形的圆柱体结构，采用一定富集度的二氧化铀芯块制造。将一定数量的芯块404相互堆积排列于燃料棒包壳内。芯块404两端装设的弹簧406，用于将多个芯块404形成的芯块柱固定于包壳内，避免芯块轴向的窜动。
请参阅图7至图11所示，上板10和下板20的结构为圆形的不锈钢板，在不锈钢板上开设用于安装上下板端塞30的端塞孔100，端塞孔100采用三角形方式排列，并在端塞孔100之间根据上板10及下板20结构强度及热工水力学的需要铣出外通水孔102，外通水孔102与燃料棒40之间的缝隙相连通并构成燃料棒40的外侧流道。
上下板端塞30为中空的阶梯形圆柱体结构，包括上筒体300和固连于上筒体300的下筒体302。端塞30的上筒体300插入上下板的端塞孔100中并进行固定，上筒体300内设有自靠近上下板的一端内径逐渐扩大的变径孔304，燃料棒40内的中空结构、燃料棒端塞408的内通水孔4084和上筒体300的变径孔304相连通并构成燃料棒40的内侧流道，利用文丘里效应，变径孔304可以增大内侧流道的冷却剂流量。端塞30的下筒体302中开设有与燃料棒端塞408的锥形环凸台4080相对应的锥形环槽306，下筒体302中间还开设有通孔308，上筒体300的变径孔304延伸至下筒体302内，且使得其与下筒体302的通孔308同轴并形成一个流体通道。将燃料棒端塞408的锥形环凸台4080插入下筒体302的锥形环槽306中，以实现燃料棒40的定位和固定。
安装时，首先将燃料棒40的内外包壳两端分别密封安装于燃料棒端塞408的环形圆凸台4082上，然后将上下板端塞30分别插入上板10、下板20的端塞孔100内并固定，最后，将安装于燃料棒40两端的燃料棒端塞408插入上下板端塞30中，通过燃料棒端塞408的锥形环凸台4080与上下板端塞30锥形环槽306之间的相互密封固定，一定数量的燃料棒40固定安装于上板10和下板20之间后，则完成了核反应堆堆芯的装配。在核反应堆堆芯中，冷却剂通过外通水孔102进入外侧流道的同时，也可以通过变径孔304进入内侧流道。
需要说明的是，根据实际发电规模的需要，可以采用更多的燃料棒40形成更大的堆芯结构，也可以将堆芯模块化后再进行组装形成更大规模的堆芯；在其他实施方式中，燃料棒40可以进行六角形排列或正方形排列，或直接做成燃料组件的形式，并采用传统的方式将燃料组件在反应堆内排列形成堆芯；对用于流体搅混及加强包壳传热的螺旋形肋片4000来说，其可在燃料棒热流密度高的地方设置或在燃料棒整个长度进行设置，也可仅在外侧流道进行设置或在内外侧都进行相应的设置，螺旋形肋片4000可根据需要设置成3～6条或更多；对于上下板端塞30，考虑到减少燃料棒40振动的需要可在燃料棒40与上下板端塞30的配合面上设置沟槽及突起等限位结构以增加燃料棒40在冷却剂冲击下的稳定性。
结合以上对本发明实施方式的详细描述可以看出，相对于现有技术，本发明核反应堆堆芯具有以下优点：
1.芯块404采用中空的环形结构，产生的热量不会过分集中于芯块404的中间部分，避免形成一个很高的温度中心，热量在环形芯块404两个侧壁的中间集中，形成两个较低的温度中心，同时由于侧壁厚度变薄芯块中温度梯度会有所展平，有助于芯块功率的提升。
2.燃料棒内外侧40采用双流道冷却，由于芯块404同时受到内外两侧流道的冷却，可显著改善燃料棒40的换热性能并降低芯块404内温度梯度，因此可使芯块404在更高的功率下运行。
3.在燃料棒40温度相对较高的地方或在整个燃料棒长度上设置流体搅混用的螺旋形肋片4000，可进一步加强冷却剂的换热性能，同时凸出的螺旋形肋片4000也起到加强包壳传热的作用，这也将有利于芯块404在更高的功率下运行。
4.内侧流道采用喇叭形变径口设计，此设计具有文丘里效应，相较于圆形通道可增大流体流量，提升冷却剂对燃料棒的冷却能力，提升芯块404的运行功率。
5.燃料棒端塞408与上下板端塞30的配合，可实现燃料棒40的固定与定位，同时，上下板与燃料棒40可方便进行分离操作以便实现破损燃料棒40的替换。
根据上述说明书的揭示和教导，本发明所属领域的技术人员还可以对上述实施方式进行适当的变更和修改。因此，本发明并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式，对本发明的一些修改和变更也应当落入本发明的权利要求的保护范围内。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本发明构成任何限制。
Claims (7)
1.一种核反应堆堆芯，其包括上板、下板、上下板端塞和通过上下板端塞安装于上板与下板之间的燃料棒，其特征在于：所述燃料棒为内部装有环形芯块的中空结构，所述燃料棒之间设有缝隙；所述燃料棒包括燃料棒端塞、安装于燃料棒端塞的燃料棒内包壳和燃料棒外包壳，所述上下板端塞内设有自靠近上下板的一端内径逐渐扩大的变径孔，所述燃料棒端塞内部设有内通水孔，所述中空结构、内通水孔和变径孔相连通并构成燃料棒的内侧流道。
2.根据权利要求1所述的核反应堆堆芯，其特征在于：所述上板和下板上开设有安装上下板端塞的端塞孔，端塞孔之间开设有外通水孔，所述外通水孔与燃料棒之间的缝隙相连通并构成燃料棒的外侧流道。
3.根据权利要求1所述的核反应堆堆芯，其特征在于：所述环形芯块套设于燃料棒内外壳之间，且环形芯块的两端安装有弹簧。
4.根据权利要求1所述的核反应堆堆芯，其特征在于：所述燃料棒外包壳的外侧设有螺旋形肋片。
5.根据权利要求1所述的核反应堆堆芯，其特征在于：所述燃料棒内包壳的内侧设有螺旋形肋片。
6.根据权利要求1所述的核反应堆堆芯，其特征在于：所述燃料棒端塞靠近上下板的一端为锥形环凸台，所述上下板端塞一端开设有锥形环槽，所述锥形环凸台与锥形环槽相互密封配合。
7.根据权利要求1所述的核反应堆堆芯，其特征在于：所述燃料棒端塞远离上下板的一端为环形圆凸台，所述燃料棒内外包壳密封套装于环形圆凸台上。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| TA01 | Transfer of patent application right | ||
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Effective date of registration: 20181225 Address after: 518124 Office Building of Daya Bay Nuclear Power Base Engineering Company, Pengfei Road, Dapeng New District, Shenzhen City, Guangdong Province Applicant after: CHINA NUCLEAR POWER ENGINEERING Co.,Ltd. Applicant after: CHINA NUCLEAR POWER DESIGN COMPANY Ltd. (SHENZHEN) Applicant after: CHINA GENERAL NUCLEAR POWER Corp. Address before: 518124 Office Building of Daya Bay Nuclear Power Base Engineering Company, Pengfei Road, Dapeng New District, Shenzhen City, Guangdong Province Applicant before: CHINA NUCLEAR POWER ENGINEERING Co.,Ltd. Applicant before: CHINA GENERAL NUCLEAR POWER Corp. |
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| GR01 | Patent grant | ||
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