CN109659042B - 一种可视化燃料棒 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种可视化燃料棒，其特征在于，包括：下端塞(1)，燃料包壳(2)，液柱(3)，上端塞(4)以及定位绕丝(5)，其中，液柱(3)设置于燃料包壳(2)内部，且液柱(3)与燃料包壳(2)的折射率偏差在1％的范围内，下端塞(1)和上端塞(4)分别与燃料包壳(2)的两端连接，以将液柱(3)密封于燃料包壳(2)内，定位绕丝(5)缠绕并固定于燃料包壳(2)的外表面。通过在燃料包壳(2)内部设置有与其折射率相同或相近的液体，可以满足光学测速设备对折射率匹配和透光性的要求，亦能满足机械强度的要求，本发明可用于研究燃料组件内部的速度场和压强场等。

Description

一种可视化燃料棒

技术领域

本发明涉及核反应堆领域，尤其涉及一种可视化燃料棒。

背景技术

燃料组件是一种结构紧凑、单位体积释热率高的热源，且长期处于强烈的射线辐照下。典型的液态金属冷却快堆燃料棒是一个由螺旋定位绕丝或格栅形定位架维持径向定位和由栅板维持轴向定位的燃料棒束，燃料棒采用正三角形栅格排列的方式。带有定位绕丝的燃料组件结构复杂，流道致密，存在横向交混作用，能起到强化换热的效果，也能降低堵流发生的概率。

液态金属冷却剂不透明，不能使用非接触式的光学测速技术观测组件内部流场。同时，液态金属冷却快堆运行在高温条件下，开展液态金属热工水力试验难度大，成本高。根据相似原理和量纲分析的理论可知，在满足力学相似的前提下，可以通过合理设计模型和选取流动工质进行模化实验，然后推广应用到原型流动中。因此，可以使用透明介质作为流动工质观测可视化组件内部的流场，再使用相似理论推导得到在相同几何尺寸和无量纲数下液态金属冷却剂在组件内部的流场。

如果所选燃料棒和流动工质的透光性较差，激光片光源将很难甚至不能穿透燃料棒，会导致实验过程中难以获取清晰的速度矢量图。如果所选燃料棒和流动工质的折射率偏差较大，会导致激光片光源进入组件内部后发生严重的折射现象，造成采集的速度矢量图像失真，引起较大的测量速度误差。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明提供了一种可视化燃料棒，以满足光学测速装置对燃料棒和流动工质的折射率匹配和透光性等要求。

(二)技术方案

本发明提供了一种可视化燃料棒，包括：下端塞1，燃料包壳2，液柱3(图中未示出)，上端塞4以及定位绕丝5，其中，液柱3设置于燃料包壳2内部，且液柱3与燃料包壳2的折射率偏差在1％的范围内，下端塞1和上端塞4分别与燃料包壳2的两端连接，以将液柱3密封于燃料包壳2内，定位绕丝5缠绕并固定于燃料包壳2的外表面。

可选地，下端塞1和上端塞4的端部均设有圆柱凸台8，圆柱凸台8的直径大于或等于燃料包壳2的内径，下端塞1和上端塞4分别与燃料包壳2的两端连接具体为，将所圆柱凸台8插入燃料包壳2内，并通过固定装置将圆柱凸台8与燃料包壳2固定。

可选地，下端塞1和上端塞4中与圆柱凸台8连接部分的外径与燃料包壳2的外径相同。

可选地，固定装置为至少一个定位销钉。

可选地，若固定装置为至少一个定位销钉，则下端塞1与上端塞4的圆柱凸台8的外表面还包括与定位销钉数量相等的定位孔，且燃料包壳2上还包括与定位孔配合的通孔。

可选地，下端塞1与上端塞4的外表面均包括一固定通孔6，定位绕丝5的两端分别固定于固定通孔6内。

可选地，定位绕丝5焊接于燃料包壳2的外表面。

可选地，定位销钉的材料为FEP。

可选地，下端塞1，燃料包壳2，上端塞4以及定位绕丝5的材料均为FEP。

可选地，液柱(3)为去离子水。

(三)有益效果

本发明的可视化燃料棒，通过将燃料棒设计为圆管，在圆管内部设置有与燃料包壳折射率相同或相近的流动工质，以满足光学测速装置对折射率匹配和透光性的要求；另外，通过在燃料包壳内设置流动工质，亦能满足机械强度的要求，便于燃料棒的准直安装，本发明可用于研究组件内部的速度场和压强场等。

附图说明

图1示意性示出了本公开实施例的燃料棒的结构示意图；

图2示意性示出了本公开实施例的燃料棒的下端塞的结构示意图；

图3示意性示出了本公开实施例的燃料棒的上端塞的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

核反应堆热工分析的任务之一是分析燃料元件的温度分布以及冷却剂的流动和传热特性。液态金属冷却快堆燃料棒和冷却剂均采用金属为材料，典型的非接触式光学测速法(如粒子图像测速法)不能获取组件内部的流场数据，因此本发明提供了一种可视化燃料棒，以满足光学测速装置对燃料棒和流动工质的折射率匹配和透光性的要求。

本发明提供了一种可视化燃料棒，包括：下端塞1，燃料包壳2，液柱3，上端塞4以及定位绕丝5，其中，液柱3设置于燃料包壳2内，且液柱3与燃料包壳2的折射率偏差在1％的范围内，下端塞1和上端塞4分别与燃料包壳2的两端连接，以将液柱3密封于燃料包壳2内，定位绕丝5缠绕并固定于燃料包壳2的外表面，本发明实施例中燃料包壳2优选为圆管。

具体的，图1示意性示出了本公开实施例的燃料棒的结构示意图，如图1所示，该可视化燃料棒包括下端塞1，燃料包壳2，液柱3，上端塞4以及定位绕丝5，该下端塞1，燃料包壳2，上端塞4以及定位绕丝5的材料优选为FEP，其中，下端塞1和上端塞4的端部均设有圆柱凸台8，圆柱凸台8的直径略大于或等于燃料包壳2的内径，连接时将下端塞1和上端塞4的端部的圆柱凸台8插入燃料包壳2的两端，优选圆柱凸台8外径略大于燃料包壳2的内径，以过盈配合的方式将液体密封于该燃料包壳2内，并通过固定装置将圆柱凸台8与燃料包壳2固定，该固定装置可以为至少一个定位销钉。当选用定位销钉时，则下端塞1与上端塞4的圆柱凸台8的外表面还包括与定位销钉数量相等的定位孔7，同样燃料包壳2上具有与定位孔7配合的通孔，该定位销钉的材料优选为FEP。FEP材料具有优良的耐磨和加工性能，加工好的燃料棒再通过组件内部的上、下支撑栅格进行定位。为了达到更好的密封效果，可以在燃料包壳2与下端塞1和上端塞4的连接部分使用密封剂进行密封。

具体的实现过程如下，首先，将下端塞1和燃料包壳2连接在一起，通过定位销钉和密封剂将二者密封起来。

其次，在燃料包壳2内设置与燃料包壳2折射率偏差在1％范围内的液体，生成液柱3，该液体优选为冷却剂材料。当燃料包壳2的材料为FEP时，该冷却材料优选为去离子水，还可以是其他与FEP材料折射率相同或相近的流体。去离子水是一种与FEP折射率相近、无色透明、价格便宜且理化性质稳定的流动工质。

最后，将上端塞4和燃料包壳2连接在一起，通过定位销钉和密封剂将二者密封起来。参见图2和图3，下端塞1与上端塞4的外表面均包括一个固定通孔6，定位绕丝5的两端分别固定于固定通孔6内。

定位绕丝5的固定过程如下，首先，将定位绕丝5一端横插到下端塞1的固定通孔6内，使用剪刀将冒出固定通孔6部分剪断，使定位绕丝5切面刚好与固定通孔6出口齐平。

然后，通过绕丝定位装置按照设计的螺距将定位绕丝5缠绕在燃料包壳2的外表面，同时通过焊接等方式以一定间隔将定位绕丝5焊接于燃料包壳2的外表面。这样，能在保证定位绕丝5的螺距精度和张紧力等要求的同时，尽量减小焊接毛刺对流场形成和焊接位置对观测区域的遮挡。

最后，待最后一个螺距焊接完之后，将定位绕丝5另外一端横插到FEP下端塞1的固定通孔6内，使用剪刀将冒出固定通孔6部分剪断，使定位绕丝5切面刚好与固定通孔6出口齐平。

为了有利于定位绕丝5的缠绕与固定，下端塞1和上端塞4中与圆柱凸台8连接部分的外径与燃料包壳2的外径应该相同。

将加工好的FEP燃料棒束模型安装到外套管内，优选的，使用高透明材料有机玻璃加工外套管，将组装好的组件安装到实验回路中，用于研究组件内部的流场。优选的，使用粒子图像测速法观测组件内部的横向和轴向速度场，使用差压变送器测量组件内部的横向和轴向压强场。

本发明通过将燃料棒设计为圆管，在圆管内部设置有与燃料包壳折射率相同或相近的流动工质，可以满足光学测速装置对折射率匹配和透光性的要求；另外，通过在燃料包壳内设置流动工质，亦能满足机械强度的要求，本发明还可用于研究组件内部的速度场和压强场等。

至此，已经结合附图对本公开实施例进行了详细描述。需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换。

依据以上描述，本领域技术人员应当对本公开的可视化燃料棒有了清楚的认识。

综上所述，本公开提供了一种可视化燃料棒，克服了燃料棒材料透光性差的缺陷，满足机械强度要求的前提下，可以通过激光等方式研究燃料棒组件内部的速度场、压力场等。

还需要说明的是，实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本公开的保护范围。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在可能导致对本公开的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。

并且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本公开实施例的内容。另外，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。

再者，单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。

说明书与权利要求中所使用的序数例如“第一”、“第二”、“第三”等的用词，以修饰相应的元件，其本身并不意味着该元件有任何的序数，也不代表某一元件与另一元件的顺序、或是制造方法上的顺序，该些序数的使用仅用来使具有某命名的一元件得以和另一具有相同命名的元件能做出清楚区分。

此外，除非特别描述或必须依序发生的步骤，上述步骤的顺序并无限制于以上所列，且可根据所需设计而变化或重新安排。并且上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种可视化燃料棒，其特征在于，包括：下端塞(1)，燃料包壳(2)，液柱(3)，上端塞(4)以及定位绕丝(5)，其中，所述燃料包壳(2)为圆管，所述液柱(3)设置于所述燃料包壳(2)内部，且所述液柱(3)与所述燃料包壳(2)的折射率偏差在1％的范围内，所述液柱(3)为冷却剂材料，所述下端塞(1)和上端塞(4)分别与所述燃料包壳(2)的两端连接，以将所述液柱(3)密封于所述燃料包壳(2)内，所述定位绕丝(5)缠绕并固定于所述燃料包壳(2)的外表面；

所述下端塞(1)，燃料包壳(2)，上端塞(4)以及定位绕丝(5)的材料均为FEP，所述液柱(3)为去离子水。

2.根据权利要求1所述可视化燃料棒，其特征在于，所述下端塞(1)和所述上端塞(4)的端部均设有圆柱凸台(8)，所述圆柱凸台(8)的直径大于或等于所述燃料包壳(2)的内径，所述下端塞(1)和所述上端塞(4)分别与所述燃料包壳(2)的两端连接具体为，将所述圆柱凸台(8)插入所述燃料包壳(2)内，并通过固定装置将所述圆柱凸台(8)与所述燃料包壳(2)固定。

3.根据权利要求2所述的可视化燃料棒，其特征在于，所述下端塞(1)和上端塞(4)中与所述圆柱凸台(8)连接部分的外径与所述燃料包壳(2)的外径相同。

4.根据权利要求2所述的可视化燃料棒，其特征在于，所述固定装置为至少一个定位销钉。

5.根据权利要求4所述的可视化燃料棒，其特征在于，若所述固定装置为至少一个定位销钉，则所述下端塞(1)与上端塞(4)的圆柱凸台(8)的外表面还包括与所述定位销钉数量相等的定位孔，且所述燃料包壳(2)上还包括与所述定位孔配合的通孔。

6.根据权利要求1所述的可视化燃料棒，其特征在于，所述下端塞(1)与上端塞(4)的外表面均包括一固定通孔(6)，所述定位绕丝(5)的两端分别固定于所述固定通孔(6)内。

7.根据权利要求5或6所述的可视化燃料棒，其特征在于，所述定位绕丝(5)焊接于所述燃料包壳(2)的外表面。

8.根据权利要求4或5所述的可视化燃料棒，其特征在于，所述定位销钉的材料为FEP。

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