CN111477353A - 一种带有变螺距缠绕定位结构的燃料棒 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及核燃料组件技术领域，具体公开了一种带有变螺距缠绕定位结构的燃料棒，所述的缠绕定位结构呈螺旋状绕制在包壳的外表面上、且螺距自下而上由大变小。本发明装置在满足定位要求的前提下，能够减小现有燃料组件中入口段压降，减小堆芯主回路泵的压力，提高经济性；同时能够在组件活性段对冷却剂进行充分搅混，降低冷却剂与包壳表面最高温度，保证安全性。

Description

一种带有变螺距缠绕定位结构的燃料棒
技术领域
本发明属于核燃料组件技术领域，具体涉及一种带有变螺距缠绕定位结构的燃料棒。
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。
燃料组件中对燃料棒的定位方式有多种，例如定位格架、定位栅板与绕丝或扰流翼等缠绕定位装置。利用缠绕定位结构进行燃料棒之间的定位与对冷却剂搅混，其优势在于制造比较容易且成本低，同时其机械振动问题最小。另外，缠绕定位结构对冷却剂有强烈的搅混作用，增强了燃料棒和冷却剂之间的换热，使得组件温度场趋向均匀。
现有的燃料组件中，利用绕丝或扰流翼做定位装置时一般采用定螺距缠绕设计，即燃料组件棒束段中冷却剂在每一段的压降均近似相等，由此造成冷却剂在组件入口部位产生不必要的压降，增加了堆芯主循环泵的压力，另外，组件沿轴向方向热不均匀度与热不均匀率均呈沿轴向增加的趋势，由于热量传递不均匀使得由包壳表面传递出的热量在燃料棒与缠绕装置的交接处堆积，造成的包壳表面最高温度升高，使得包壳在事故工况下可能存在失效的风险。
因此，有必要设计一种具有新式缠绕定位结构的燃料棒。
发明内容
本发明的目的在于提供一种带有变螺距缠绕定位结构的燃料棒，以提升组件整体的安全性与经济性。
本发明的技术方案如下所述：
一种带有变螺距缠绕定位结构的燃料棒，包括上端塞、燃料芯块、螺旋弹簧、包壳、下端塞、缠绕定位结构；
所述的燃料芯块包裹于包壳的内部，包壳的上方连接上端塞、下方连接下端塞；
所述的螺旋弹簧用于对燃料芯块进行限位固定；
在所述燃料棒的包壳外表面上设有缠绕定位结构；
所述的缠绕定位结构呈螺旋状绕制在包壳的外表面上、且螺距自下而上由大变小。
所述的缠绕定位结构的螺距与燃料棒的棒径比为2～100。
所述缠绕定位结构的高度与燃料组件中相邻两个燃料棒的间距相等，可通过缠绕定位结构对相邻两个燃料棒限位与对冷却剂进行搅混。
所述的缠绕定位结构有N条，N≥1。
所述的缠绕定位结构为绕丝或与燃料棒包壳一体加工成型的扰流翼。
所述绕丝的两端分别固定在上端塞和下端塞上。
在所述绕丝与包壳外表面沿轴向高度的中心位置接触部位通过点焊固定，位于中心点焊下部的绕丝螺距设为a，位于中心点焊上部的绕丝螺距设为b，a＜b。
所述的扰流翼与包壳外表面一体加工成型，能够显著增大换热面积，利于整体散热。
所述扰流翼的螺距自下而上渐变过渡。
所述的燃料棒适用于压水堆、快堆、低温供热堆、空间堆、沸水堆、微堆、零功率堆、重水堆、动力堆或船用动力堆堆型。
本发明的显著效果是：
本发明中变螺距的缠绕定位结构在入口处设置较大螺距而在出口处设置较小螺距，可以达到以下效果：
1)本发明装置在满足定位要求的前提下，能够减小现有燃料组件中入口段压降，减小堆芯主回路泵的压力，提高经济性；
2)本发明装置能够在组件活性段对冷却剂进行充分搅混，降低冷却剂与包壳表面最高温度，保证安全性。
附图说明
图1为带有变螺距缠绕定位结构的单根燃料棒整体示意图；
图2为带分段式变螺距绕丝结构的单根燃料棒横截面示意图；
图3为带分段式变螺距绕丝结构的单根燃料棒纵截面示意图；
图4为带渐变式变螺距扰流翼结构的共挤压环形燃料横截面示意图；
图5为带渐变式变螺距扰流翼结构的共挤压环形燃料纵截面示意图；
图中：1.上端塞；2.扰流翼；3.燃料芯块；4.螺旋弹簧；5.包壳；6.内包壳；7.外包壳；8.下端塞；9绕丝；10.缠绕定位结构。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行进一步描述。
一种带有变螺距缠绕定位结构的燃料棒，包括上端塞1、燃料芯块3、螺旋弹簧4、包壳5、下端塞8、缠绕定位结构10。其中，燃料芯块包裹于包壳5的内部，包壳5的上方连接上端塞1、下方连接下端塞8。所述的螺旋弹簧4用于对燃料芯块3进行限位固定。
所述的燃料棒为实心圆柱体燃料棒或环形燃料棒。所述的燃料棒应用于不限于压水堆、快堆等核反应堆堆型。
如图1所示，在所述燃料棒的包壳5外表面上设有缠绕定位结构10。所述的缠绕定位结构10呈螺旋状绕制在包壳5的外表面上、且螺距自下而上由大变小，螺距与燃料棒的棒径比为2～100。所述的缠绕定位结构10有N条，N≥1。
所述的缠绕定位结构10为绕丝9或与燃料棒包壳5一体加工成型的扰流翼2。
所述缠绕定位结构10的高度与燃料组件中相邻两个燃料棒的间距相等，可通过缠绕定位结构10对相邻两个燃料棒限位与对冷却剂进行搅混。
实施例1——分段式螺距设计
如图2、图3所示，所述的分段式螺距缠绕定位结构为绕丝9，燃料棒与燃料棒之间采用三角形排列方式，绕丝9呈螺旋状绕制在燃料棒包壳5的外表面上，绕丝9的两端分别固定在上端塞1和下端塞8上。在所述绕丝9与包壳5外表面沿轴向高度的中心位置接触部位通过点焊固定，位于中心点焊下部的绕丝9螺距设为50mm，位于中心点焊上部的绕丝9螺距设为100mm。
实施例2——渐变式螺距设计
如图4、图5所示，所述的燃料棒为环形燃料棒，渐变式螺距缠绕定位结构为扰流翼2，燃料棒与燃料棒之间采用正方形排列方式，扰流翼2呈螺旋状分布在外包壳7的外表面上，与外包壳7外表面一体加工成型，能够显著增大换热面积，利于整体散热。所述扰流翼2的螺距自下而上由135～75mm渐变过渡。
针对由7根棒束组成的具有135～75mm渐变式螺距扰流翼2的快堆组件与具有100mm定螺距缠绕定位结构的快堆组件相比，按照其燃料棒数目与螺距设置的不同，分别达到如下效果：1)在保证组件整体压降相同的条件下，降低包壳最高温度18K；2)在保证包壳最高温度不变的条件下，提升组件出口冷却剂平均温度17K，从而相应的提升组件热效率5.7％；3)同时降低组件整体压降5％与包壳表面最高温度8K，即同时提高组件的安全性与经济性。
上面结合实施例对本发明的实施方法作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。本发明说明书中未作详细描述的内容均可以采用现有技术。

Claims (10)

1.一种带有变螺距缠绕定位结构的燃料棒，其特征在于：包括上端塞、燃料芯块、螺旋弹簧、包壳、下端塞、缠绕定位结构；
所述的燃料芯块包裹于包壳的内部，包壳的上方连接上端塞、下方连接下端塞；
所述的螺旋弹簧用于对燃料芯块进行限位固定；
在所述燃料棒的包壳外表面上设有缠绕定位结构；
所述的缠绕定位结构呈螺旋状绕制在包壳的外表面上、且螺距自下而上由大变小。
2.如权利要求1所述的一种带有变螺距缠绕定位结构的燃料棒，其特征在于：所述的缠绕定位结构的螺距与燃料棒的棒径比为2～100。
3.如权利要求2所述的一种带有变螺距缠绕定位结构的燃料棒，其特征在于：所述缠绕定位结构的高度与燃料组件中相邻两个燃料棒的间距相等，可通过缠绕定位结构对相邻两个燃料棒限位与对冷却剂进行搅混。
4.如权利要求3所述的一种带有变螺距缠绕定位结构的燃料棒，其特征在于：所述的缠绕定位结构有N条，N≥1。
5.如权利要求4所述的一种带有变螺距缠绕定位结构的燃料棒，其特征在于：所述的缠绕定位结构为绕丝或与燃料棒包壳一体加工成型的扰流翼。
6.如权利要求5所述的一种带有变螺距缠绕定位结构的燃料棒，其特征在于：所述绕丝的两端分别固定在上端塞和下端塞上。
7.如权利要求6所述的一种带有变螺距缠绕定位结构的燃料棒，其特征在于：在所述绕丝与包壳外表面沿轴向高度的中心位置接触部位通过点焊固定，位于中心点焊下部的绕丝螺距设为a，位于中心点焊上部的绕丝螺距设为b，a＜b。
8.如权利要求5所述的一种带有变螺距缠绕定位结构的燃料棒，其特征在于：所述的扰流翼与包壳外表面一体加工成型，能够显著增大换热面积，利于整体散热。
9.如权利要求8所述的一种带有变螺距缠绕定位结构的燃料棒，其特征在于：所述扰流翼的螺距自下而上渐变过渡。
10.如权利要求1～9任一项所述的一种带有变螺距缠绕定位结构的燃料棒，其特征在于：所述的燃料棒适用于压水堆、快堆、低温供热堆、空间堆、沸水堆、微堆、零功率堆、重水堆、动力堆或船用动力堆堆型。
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