CN109935355A - 一种可拆卸的分段式双面冷却环形燃料棒 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种可拆卸的分段式双面冷却环形燃料棒。其包括若干个串联连接的环形燃料棒；所述的每个环形燃料棒均包括上端塞、下端塞、内包壳、外包壳、环形燃料芯块；其中，内包壳和外包壳嵌套形成的空腔用来容纳环形燃料芯块，内包壳和外包壳上方连接上端塞、下方连接下端塞；所述的每个环形燃料棒的下端塞带有对称设置的2～6个下端塞侧开孔；单个环形燃料棒的上端塞与其上方的环形燃料棒的下端塞连接，该环形燃料棒的下端塞与其下方的环形燃料棒的上端塞连接。本发明环形燃料棒的上下端塞可通过螺纹等结构进行连接，可随意更改燃料棒棒长度，进而改变组件的高度。本发明环形燃料棒能双面冷却，即内外均可以有冷却剂流通，对燃料棒进行冷却。
Description
技术领域
本发明涉及核电技术领域，具体涉及一种燃料棒，进一步涉及一种可拆卸的分段式双面冷却环形燃料棒。
背景技术
核电站反应堆运行过程中，核燃料的性能是影响反应堆安全性和经济性的重要因素。因此国际上一直将燃料元件的研究放在十分突出的地位，通过优化燃料元件设计、采用先进结构材料、改进元件制造工艺等方法，不断提高核燃料元件的各种性能，促使核电向更安全和更经济的方向发展。
通常核燃料都设计成实心圆柱状的，由上下端塞、芯块、压紧弹簧和包壳组成，冷却剂从包壳外流过，对燃料棒进行冷却。
在现有压水堆燃料组件设计中，燃料棒一般采用定位格架夹持悬空的方式。下管座通过控制棒导向管支撑整个燃料组件。这种设计对定位格架的要求比较高。在反应堆运行的期末，由于辐照的作用夹持燃料棒的弹簧的夹持力会急剧减小，燃料棒一般会落在下管座上，在冷却剂的流动作用下，燃料棒可能会上下窜动，这会导致燃料棒破损的风险。
与传统的实心圆柱状燃料相比，环形燃料的好处是在很高的线性密度下，燃料中心的温度仍然很低，燃料内的储能较少，裂变气体释放较少。可预期正常运行和瞬态条件下燃料性能较好。
目前，国内外现有文献的环形燃料棒结构均为整体的一段式结构，没有关于分段式结构的报道。
一体式环形燃料棒通过封闭式的内、外冷却剂流道对燃料棒进行冷却，内、外冷却剂流道的畅通是保证燃料棒安全的基础，是保证环形燃料棒安全的重要手段。由于燃料棒内部流道直径较小，随着反应堆运行，主系统中很容易出现微小杂质，例如，压力容器堆内部件制造过程中或主回路管道中残留的废弃物，或者反应堆运行过程中形成的腐蚀产物等等，很容易造成燃料棒内部流道的堵塞，影响冷却剂在内管的流动，造成燃料棒冷却条件恶化，威胁环形燃料棒的安全。
一体化环形燃料棒长度固定，只能满足一种堆芯设计要求，如果改变堆芯高度则需重新进行燃料设计、制造，增加反应堆建造成本。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可拆卸的分段式双面冷却环形燃料棒，其可随意更改燃料棒棒长度，进而改变燃料组件的高度。
实现本发明目的的技术方案：一种可拆卸的分段式双面冷却环形燃料棒，该分段式双面冷却环形燃料棒包括若干个串联连接的环形燃料棒；所述的每个环形燃料棒均包括上端塞、下端塞、内包壳、外包壳、环形燃料芯块；其中，内包壳和外包壳嵌套形成的空腔用来容纳环形燃料芯块，内包壳和外包壳上方连接上端塞、下方连接下端塞；所述的每个环形燃料棒的下端塞带有对称设置的2～6个下端塞侧开孔；单个环形燃料棒的上端塞与其上方的环形燃料棒的下端塞连接，该环形燃料棒的下端塞与其下方的环形燃料棒的上端塞连接。
如上所述的一种可拆卸的分段式双面冷却环形燃料棒，其所述的环形燃料棒的上端塞与其上方的环形燃料棒的下端塞螺纹连接，该环形燃料棒的下端塞与其下方的环形燃料棒的上端塞螺纹连接。
如上所述的一种可拆卸的分段式双面冷却环形燃料棒，其所述的每个环形燃料棒长度与内包壳内径比为(400～600)：1，所述的每个环形燃料棒长度与外包壳外径比为(200～350)：1。
如上所述的一种可拆卸的分段式双面冷却环形燃料棒，其所述的每个环形燃料棒的内包壳的外表面与环形燃料芯块的内表面间隙为0.02～0.1mm，外包壳的内表面与环形燃料芯块的外表面间隙为0.03～0.15mm。
如上所述的一种可拆卸的分段式双面冷却环形燃料棒，其所述的分段式双面冷却环形燃料棒的最下方的环形燃料棒的下端塞通过管状固定件固定在下管座上。
如上所述的一种可拆卸的分段式双面冷却环形燃料棒，其所述的管状固定件上开有2至6个侧开孔，防止堵流，冷却剂为从下往上端塞流。
如上所述的一种可拆卸的分段式双面冷却环形燃料棒，其所述的该管状固定件上端螺旋连接在下端塞的外表面，管状固定件下端固定在下管座上。
如上所述的一种可拆卸的分段式双面冷却环形燃料棒，其所述的管状固定件下端固定在下管座上，固定方式包括螺旋连接、卡扣连接、C形环或销钉连接。
如上所述的一种可拆卸的分段式双面冷却环形燃料棒，其所述的每个环形燃料棒的环形燃料芯块上端安装有压紧弹簧。所述的压紧弹簧一端顶在环形燃料芯块上，另一端顶在上端塞上，在压紧弹簧的推力作用下，环形燃料芯块压紧在下端塞上。
如上所述的一种可拆卸的分段式双面冷却环形燃料棒，其所述的上端塞上可设置1个充气孔，通过该充气孔向内包壳和外包壳嵌套形成的用于容纳燃料芯块的空腔内冲入氦气。
如上所述的一种可拆卸的分段式双面冷却环形燃料棒，其所述的每个环形燃料棒的上端塞或下端塞外表面带有倒角结构。
如上所述的一种可拆卸的分段式双面冷却环形燃料棒，其所述的上端塞通过氩弧焊或电子束焊与内包壳和外包壳连接；所述的下端塞通过氩弧焊或电子束焊与内包壳和外包壳连接。
如上所述的一种可拆卸的分段式双面冷却环形燃料棒，其所述的每个环形燃料棒传热面积与燃料体积比为0.6-2。
如上所述的一种可拆卸的分段式双面冷却环形燃料棒，其所述的每个环形燃料棒最高平均功率为30-50kW/m；环形燃料芯块最高温度降低于500℃。
本发明所述的一种环形燃料组件，该环形燃料组件包括上管座、下管座、环形燃料棒、定位格架以及导向管，所述的环形燃料棒采用上述任一可拆卸的分段式双面冷却环形燃料棒。
本发明所述的一种反应堆，其采用环形燃料组件，该环形燃料组件包括上管座、下管座、环形燃料棒、定位格架以及导向管；其特征在于：所述的环形燃料棒采用上述任一可拆卸的分段式双面冷却环形燃料棒。
本发明的效果在于：
本发明设计的可拆卸的分段式的双面冷却环形燃料棒，环形燃料棒包括若干段，环形燃料棒的上下端塞可通过螺纹等结构进行连接，可随意更改燃料棒棒长度，进而改变组件的高度。可拆卸的分段环形燃料棒可根据堆芯设计要求改变组件长度，通过选取不同的短环形燃料棒数量控制堆芯高度，满足多种堆芯高度需求，减少燃料设计、制造流程，提高经济性。
本发明所述的分段式的双面冷却环形燃料棒，能双面冷却，即内外均可以有冷却剂流通，对燃料棒进行冷却。与现有压水堆燃料棒结构相比，燃料传热面积增大50％，燃料芯块最高温度降低了1000℃，线功率密度增大20％～50％，流动阻力减小20％。
本发明环形燃料棒通过管状固定件固定在下管座上，避免了运行过程中夹持燃料棒的弹簧的夹持力减小，造成燃料棒落在下管座上损坏燃料棒的问题，防止冷却剂通过燃料组件向上流动时燃料棒上下窜动，避免导致燃料棒破损的风险；上端塞或下端塞外表面带有倒角结构，能够防止拉棒时与定位格架等发生钩挂。燃料棒通过焊接方式进行连接具有一定的强度且易于加工。当某个环形燃料棒局部发生内管堵塞时，冷却剂仍然能够通过侧开孔进入内部进行燃料棒的冷却。能够有效缓解内部流道的局部堵塞对燃料棒安全造成的威胁。
附图说明
图1为实施例1所述的一种可拆卸的分段式双面冷却环形燃料棒结构示意图。
图2为实施例2所述的一种可拆卸的分段式双面冷却环形燃料棒结构示意图。
图中：1.下端塞；2.下端塞侧开孔；3.螺纹；4.内包壳；5.外包壳；6.环形燃料芯块；7.压紧弹簧；8.充气孔；9.上端塞；10.管状固定件。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明所述的一种分段式双面冷却环形燃料棒作进一步描述。
实施例1
如图1所示，本发明所述的一种可拆卸的分段式双面冷却环形燃料棒，该分段式双面冷却环形燃料棒包括2个串联连接的环形燃料棒；下方的环形燃料棒的上端塞9与其上方的环形燃料棒的下端塞1连接。
每个环形燃料棒均包括上端塞9、下端塞1、内包壳4、外包壳5、环形燃料芯块6；其中，内包壳4和外包壳5嵌套形成的空腔用来容纳环形燃料芯块6，内包壳4和外包壳5上方连接上端塞9、下方连接下端塞1。所述的每个环形燃料棒的下端塞1带有对称设置的2～6个(例如：2个、4个或6个)下端塞侧开孔2，防止堵流，冷却剂为从下往上端塞流。
单个环形燃料棒的上端塞9与其上方的环形燃料棒的下端塞连接，该环形燃料棒的下端塞1与其下方的环形燃料棒的上端塞连接。
所述的每个环形燃料棒长度与内包壳内径比为(400～600)：1(例如：400:1、500:1或600:1)，所述的每个环形燃料棒长度与外包壳外径比为(200～350)：1(例如：200:1、300:1或350:1)。
所述的每个环形燃料棒的内包壳的外表面与环形燃料芯块的内表面间隙为0.02～0.1mm(例如：0.02mm、0.06mm或0.1mm)，外包壳的内表面与环形燃料芯块的外表面间隙为0.03～0.15mm(例如：0.03mm、0.1mm或0.15mm)。
所述的每个环形燃料棒的环形燃料芯块6上端安装有压紧弹簧7，在运输时提供推力防止燃料芯块窜动，避免造成燃料芯块破损。
所述的每个环形燃料棒的上端塞9或下端塞1外表面带有倒角结构。
所述的分段式双面冷却环形燃料棒的最下方的环形燃料棒的下端塞6通过管状固定件10固定在下管座上。所述的该管状固定件10上端螺旋连接在下端塞6的外表面，管状固定件10下端固定在下管座上。
所述的上端塞9上可设置1个充气孔8，通过该充气孔向内包壳和外包壳嵌套形成的用于容纳燃料芯块的空腔内冲入氦气。
实施例2
如图2所示，本发明所述的一种可拆卸的分段式双面冷却环形燃料棒，该分段式双面冷却环形燃料棒包括3个串联连接的环形燃料棒；中间的环形燃料棒的上端塞9与其上方的环形燃料棒的下端塞连接，该环形燃料棒的下端塞1与其下方的环形燃料棒的上端塞连接。
每个环形燃料棒均包括上端塞9、下端塞1、内包壳4、外包壳5、环形燃料芯块6；其中，内包壳4和外包壳5嵌套形成的空腔用来容纳环形燃料芯块6，内包壳4和外包壳5上方连接上端塞9、下方连接下端塞1。
所述的每个环形燃料棒的下端塞1带有对称设置的2～6个(例如：2个、4个或6个)下端塞侧开孔2，防止堵流，冷却剂为从下往上端塞流。
所述的每个环形燃料棒长度与内包壳内径比为(400～600)：1(例如：400:1、500:1或600:1)，所述的每个环形燃料棒长度与外包壳外径比为(200～350)：1(例如：200:1、300:1或350:1)。
所述的每个环形燃料棒的内包壳的外表面与环形燃料芯块的内表面间隙为0.02～0.1mm(例如：0.02mm、0.06mm或0.1mm)，外包壳的内表面与环形燃料芯块的外表面间隙为0.03～0.15mm(例如：0.03mm、0.1mm或0.15mm)。
本实施例所述的分段式双面冷却环形燃料棒的最下方的环形燃料棒的下端塞通过管状固定件11固定在下管座上，该管状固定件11上端螺旋连接在下端塞6的外表面，管状固定件11下端固定在下管座上。
所述的管状固定件11下端固定在下管座上，固定方式包括螺旋连接、卡扣连接、C形环或销钉连接。
所述的每个环形燃料棒的环形燃料芯块6上端安装有压紧弹簧7，在运输时提供推力防止燃料芯块窜动，避免造成燃料芯块破损。
所述的每个环形燃料棒的上端塞9或下端塞1外表面带有倒角结构。
所述的上端塞9通过氩弧焊或电子束焊与内包壳和外包壳连接；所述的下端塞1通过氩弧焊或电子束焊与内包壳和外包壳连接。
所述的上端塞9上可设置1个充气孔8，通过该充气孔向内包壳和外包壳嵌套形成的用于容纳燃料芯块的空腔内冲入氦气。
所述的每个环形燃料棒传热面积与燃料体积比为0.6-2；环形燃料棒最高平均功率为30-50kW/m；环形燃料芯块最高温度降低于500℃。
实施例3
一种环形燃料组件，该环形燃料组件包括上管座、下管座、环形燃料棒、定位格架以及导向管，所述的环形燃料棒采用上述实施例1或实施例2所述的可拆卸的分段式双面冷却环形燃料棒。
当某段环形燃料元件内管发生堵流时，冷却剂可通过上下端塞侧开孔进入内部流道对其他段环形燃料进行冷却。防止燃料元件过热情况的发生。
实施例4
一种反应堆，其采用环形燃料组件，该环形燃料组件包括上管座、下管座、环形燃料棒、定位格架以及导向管；所述的环形燃料棒采用上述实施例1或实施例2所述的任一可拆卸的分段式双面冷却环形燃料棒。
Claims (17)
1.一种可拆卸的分段式双面冷却环形燃料棒，其特征在于：该分段式双面冷却环形燃料棒包括若干个串联连接的环形燃料棒；
所述的每个环形燃料棒均包括上端塞(9)、下端塞(1)、内包壳(4)、外包壳(5)、环形燃料芯块(6)；其中，内包壳(4)和外包壳(5)嵌套形成的空腔用来容纳环形燃料芯块(6)，内包壳(4)和外包壳(5)上方连接上端塞(9)、下方连接下端塞(1)；
所述的每个环形燃料棒的下端塞(1)带有对称设置的2～6个下端塞侧开孔(2)；
单个环形燃料棒的上端塞(9)与其上方的环形燃料棒的下端塞连接，该环形燃料棒的下端塞(1)与其下方的环形燃料棒的上端塞连接。
2.根据权利要求1所述的一种可拆卸的分段式双面冷却环形燃料棒，其特征在于：所述的环形燃料棒的上端塞(9)与其上方的环形燃料棒的下端塞螺纹连接，该环形燃料棒的下端塞(1)与其下方的环形燃料棒的上端塞螺纹连接。
3.根据权利要求1所述的一种可拆卸的分段式双面冷却环形燃料棒，其特征在于：所述的每个环形燃料棒长度与内包壳内径比为(400～600)：1，所述的每个环形燃料棒长度与外包壳外径比为(200～350)：1。
4.根据权利要求1所述的一种可拆卸的分段式双面冷却环形燃料棒，其特征在于：所述的每个环形燃料棒的内包壳的外表面与环形燃料芯块的内表面间隙为0.02～0.1mm，外包壳的内表面与环形燃料芯块的外表面间隙为0.03～0.15mm。
5.根据权利要求1所述的一种可拆卸的分段式双面冷却环形燃料棒，其特征在于：所述的分段式双面冷却环形燃料棒的最下方的环形燃料棒的下端塞(6)通过管状固定件(10)固定在下管座上。
6.根据权利要求5所述的一种可拆卸的分段式双面冷却环形燃料棒，其特征在于：所述的管状固定件(10)上开有2至6个侧开孔，防止堵流，冷却剂为从下往上端塞流。
7.根据权利要求5所述的一种可拆卸的分段式双面冷却环形燃料棒，其特征在于：所述的该管状固定件(10)上端螺旋连接在下端塞(6)的外表面，管状固定件(10)下端固定在下管座上。
8.根据权利要求7所述的一种可拆卸的分段式双面冷却环形燃料棒，其特征在于：所述的管状固定件(10)下端固定在下管座上，固定方式包括螺旋连接、卡扣连接、C形环或销钉连接。
9.根据权利要求1所述的一种可拆卸的分段式双面冷却环形燃料棒，其特征在于：所述的每个环形燃料棒的环形燃料芯块(6)上端安装有压紧弹簧(7)。
10.根据权利要求1所述的一种可拆卸的分段式双面冷却环形燃料棒，其特征在于：所述的上端塞(9)上可设置1个充气孔(8)，通过该充气孔向内包壳和外包壳嵌套形成的用于容纳燃料芯块的空腔内冲入氦气。
11.根据权利要求1所述的一种可拆卸的分段式双面冷却环形燃料棒，其特征在于：所述的压紧弹簧(7)一端顶在环形燃料芯块(6)上，另一端顶在上端塞上，在压紧弹簧(7)的推力作用下，环形燃料芯块(6)压紧在下端塞上。
12.根据权利要求1所述的一种可拆卸的分段式双面冷却环形燃料棒，其特征在于：所述的每个环形燃料棒的上端塞(9)或下端塞(1)外表面带有倒角结构。
13.根据权利要求1所述的一种可拆卸的分段式双面冷却环形燃料棒，其特征在于：所述的上端塞(9)通过氩弧焊或电子束焊与内包壳和外包壳连接；所述的下端塞(1)通过氩弧焊或电子束焊与内包壳和外包壳连接。
14.根据权利要求1所述的一种可拆卸的分段式双面冷却环形燃料棒，其特征在于：所述的每个环形燃料棒传热面积与燃料体积比为0.6-2。
15.根据权利要求1所述的一种可拆卸的分段式双面冷却环形燃料棒，其特征在于：所述的每个环形燃料棒最高平均功率为30-50kW/m；环形燃料芯块最高温度降低于500℃。
16.一种环形燃料组件，该环形燃料组件包括上管座、下管座、环形燃料棒、定位格架以及导向管，其特征在于：所述的环形燃料棒采用权利要求1至15所述的任一可拆卸的分段式双面冷却环形燃料棒。
17.一种反应堆，其采用环形燃料组件，该环形燃料组件包括上管座、下管座、环形燃料棒、定位格架以及导向管；其特征在于：所述的环形燃料棒采用权利要求1至15所述的任一可拆卸的分段式双面冷却环形燃料棒。
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