CN111613350B - 一种可增强燃料元件间导热的压水堆燃料组件 - Google Patents

一种可增强燃料元件间导热的压水堆燃料组件 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种可增强燃料元件间导热的压水堆燃料组件，包括用于形成燃料组件棒束的多根燃料元件，在棒束中，所述燃料元件紧密排列：针对任意一根燃料元件，均有至少一根与之侧面相贴的燃料元件。本燃料组件的结构设计，能在反应堆堆芯裸露情况下有效展平其温度分布，降低反应堆堆芯融化继而发生大量放射性物质泄漏的风险。

Description

一种可增强燃料元件间导热的压水堆燃料组件
技术领域
本发明涉及核电站燃料组件技术领域，特别是涉及一种可增强燃料元件间导热的压水堆燃料组件。
背景技术
燃料组件是组成核反应堆堆芯的重要部件，在反应堆的整个寿期内安全可靠的发热并通过冷却剂将热量带出堆芯。在反应堆运行过程中，可能面临稀有事件或极限事故，如反应堆冷却剂压力边界大破口甚至直径最大管道双端断裂，冷却剂快速闪蒸，反应堆堆芯裸露。如此时应急堆芯冷却系统因故不能投入运行，反应堆堆芯换热情况将持续恶化，反应堆堆芯存在熔化的风险，核电厂存在大量放射性物质泄漏的风险。
发明内容
针对上述提出的反应堆在运行过程中，存在的：反应堆堆芯存在熔化的风险，核电厂存在大量放射性物质泄漏的风险的技术问题，本发明提供了一种可增强燃料元件间导热的压水堆燃料组件，本燃料组件的结构设计，能在反应堆堆芯裸露情况下有效展平其温度分布，降低反应堆堆芯融化继而发生大量放射性物质泄漏的风险。
本方案的技术手段如下，一种可增强燃料元件间导热的压水堆燃料组件，包括用于形成燃料组件棒束的多根燃料元件，在棒束中，所述燃料元件紧密排列：针对任意一根燃料元件，均有至少一根与之侧面相贴的燃料元件。
本方案的结构设计中，通过设置为：针对任意一根燃料元件，均有至少一根与之侧面相贴的燃料元件，即本方案提供的燃料元件排列形式，旨在能通过燃料元件自身的导热和辐射，将燃料元件的热量导出，以在如发生冷却剂快速闪蒸后，在反应堆堆芯裸露情况下有效展平其温度分布，降低反应堆堆芯融化继而发生大量放射性物质泄漏的风险。采用本方案，通过增强燃料元件间的导热能力，能在正常运行下有效展平堆芯温度分布，从而提高热工裕量。
本方案中，所述的燃料元件可为无包壳的金属基弥散燃料、包壳内密实填充的金属燃料、包壳内带陶瓷燃料芯块的常规燃料。由于现有压水堆堆芯中燃料元件均为多根阵列，考虑到相贴的燃料元件之间的导热能力，优选将燃料元件设置为横截面呈正方形，且燃料元件阵列为截面呈正方形的棒束，以考虑棒束中大部分燃料元件位于内侧，这些燃料元件各侧(四侧)均能够与各侧相邻的燃料元件侧面以正对关系贴合，同理，处于棒束边缘的燃料元件，转角位置的燃料元件能够有两个与之相贴的燃料元件，转角位置以外的燃料元件，能够有三个与之相贴的燃料元件，采用这样的方案，不仅可达到强化相接触两燃料元件之间导热能力的目的，同时采用该方案，燃料元件之间的布置与现行压水堆燃料组件类似，可较好的与现行压水堆相容。同时采用该方案，相较于现有技术中间隔排列的燃料元件，棒束整体刚度更强，如地震、事故工况下，可使得堆芯具有更好的结构稳定性，同时在棒束固定上，采用如格架即可实现燃料元件之间的相互挤压，利用摩擦力，实现燃料元件之间的轴向定位、径向定位。
更进一步的技术方案为：
为实现如在正常运行和中等频率事件下，利用一回路冷却剂，实现燃料元件的有效冷却，设置为：所述燃料元件为外侧设置有凹槽的条状结构，所述凹槽由燃料元件本体的一端延伸至另一端；
在棒束上，所述凹槽作为由棒束一端延伸至棒束另一端的第一冷却剂通道。
为减小燃料元件在热应力下被破坏的可能，设置为：任意一根燃料元件上，用于与其他燃料元件相贴的面上均设置有凹槽。优选的，设置为所述凹槽为半圆形凹槽，且相贴的两燃料元件配合面上，两个凹槽围成一个为圆孔的第一冷却剂通道，考虑到应力集中问题，设置为：凹槽的侧面边界与燃料元件侧面光滑过渡。
作为一种可增大相贴两燃料元件接触面积，且各侧均具有第一冷却剂通道，以实现以相对均匀的方式冷却燃料元件，且燃料元件各侧在其他燃料元件挤压下，均可相对自由的释放热应力的技术方案，设置为：所述燃料元件的横截面呈正方形，且燃料元件的各侧面中央均设置有沿着燃料元件长度方向延伸的凹槽；
任意相贴的两燃料元件均为：相贴的两侧面呈正对关系。
更为具体的，针对以上提出的，如以上管座、下管座、导向管形成燃料组件骨架，通过格架箍紧的方式，实现棒束在燃料组件上的安装，在棒束中，所有燃料元件组成相互之间可实现热传导的整体，任意两燃料元件传热方式均为以下方式中的一种：通过燃料元件直接相贴而实现直接热传导；通过其他燃料元件的过渡，实现间接热传导。本方案中，即所有燃料元件相贴得到一个整体形式的棒束。棒束通过格架箍紧在燃料组件骨架上即可。
针对以上排列形式，为实现在热变形下，避免燃料元件转角处相互挤压，同时使得燃料元件转角之间亦具有用于作为冷却剂流道的第二冷却剂通道，以实现燃料组件正常工作和一般事故下，利用冷却剂导出燃料元件上的热量，设置为：所述凹槽为截面呈半圆形的圆弧形槽；燃料元件侧面的各转角均为倒角，且在棒束中，所述倒角用于形成由棒束一端延伸至棒束另一端的第二冷却剂通道。如上所述，针对处于棒束内侧的燃料元件，四个相邻的燃料元件上的倒角汇聚在一处，用于形成一个由四个倒角围成的第二冷却剂通道。优选设置为所述倒角为圆弧形倒角。
更为完整的，设置为：还包括用于约束棒束形态的格架，所述格架由多块条带围成，所述条带上还设置有多个相对于条带外侧凸出的凸起，各凸起的顶点作为条带与燃料元件接触的接触点。区别于传统格架，本方案中，通过设置为条带上设置有凸起，且凸起的顶点作为条带与燃料元件接触的接触点，采用本方案，利用凸起，可更好的为棒束提供预紧力或紧箍力。
更为完整的，作为一种更为简单、装配更为方便的燃料组件形式，设置为：还包括上管座、下管座及多根导向管，各导向管的上端均与上管座固定连接，各导向管的下端均与下管座固定连接，通过棒束与导向管之间的摩擦力，实现棒束在导向管轴向上和径向上的位置固定，产生所述摩擦力的正压力源自格架对棒束侧面的压力。
更为完整的，为提高本燃料组件与现有压水堆的相容性，提高格架对棒束的约束质量，设置为：在棒束中，所有燃料元件组成相互之间可实现热传导的整体，且所述整体呈长方体；所述格架呈矩形框状，各条带上均设置有用于提供各自与棒束接触点的凸起。
更为完整的，为进一步提高格架对棒束的约束质量，设置为：所述格架有多个，且格架沿着棒束的长度方向间隔排布。
本发明具有以下有益效果：
本方案的结构设计中，通过设置为：针对任意一根燃料元件，均有至少一根与之侧面相贴的燃料元件，即本方案提供的燃料元件排列形式，旨在能通过燃料元件自身的导热和辐射，将燃料元件的热量导出，以在如发生冷却剂快速闪蒸后，在反应堆堆芯裸露情况下有效展平其温度分布，降低反应堆堆芯融化继而发生大量放射性物质泄漏的风险。采用本方案，通过增强燃料元件间的导热能力，能在正常运行下有效展平堆芯温度分布，从而提高热工裕量。
附图说明
图1是本发明所述的一种可增强燃料元件间导热的压水堆燃料组件一个具体实施例的结构示意图；
图2是本发明所述的一种可增强燃料元件间导热的压水堆燃料组件一个具体实施例中，棒束的结构示意图，该示意图为俯视图、仰视图或剖视图；
图3是本发明所述的一种可增强燃料元件间导热的压水堆燃料组件一个具体实施例中，燃料元件的结构示意图，该示意图为俯视图、仰视图或剖视图；
图4为图2所示A部的局部放大图。
图中的附图标记分别为：1、燃料组件；2、上管座；3、导向管；4、燃料元件；5、格架；6、仪表管；7、下管座；8、棒束；9、第一冷却剂通道；10、第二冷却剂通道；11、条带；12、凸起；13、凹槽；14、倒角。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步的详细说明，但是本发明的结构不仅限于以下实施例。
实施例1：
如图1至图4所示，一种可增强燃料元件间导热的压水堆燃料组件，包括用于形成燃料组件棒束8的多根燃料元件4，在棒束8中，所述燃料元件4紧密排列：针对任意一根燃料元件4，均有至少一根与之侧面相贴的燃料元件4。
本方案的结构设计中，通过设置为：针对任意一根燃料元件4，均有至少一根与之侧面相贴的燃料元件4，即本方案提供的燃料元件4排列形式，旨在能通过燃料元件4自身的导热和辐射，将燃料元件4的热量导出，以在如发生冷却剂快速闪蒸后，在反应堆堆芯裸露情况下有效展平其温度分布，降低反应堆堆芯融化继而发生大量放射性物质泄漏的风险。采用本方案，通过增强燃料元件4间的导热能力，能在正常运行下有效展平堆芯温度分布，从而提高热工裕量。
本方案中，所述的燃料元件4可为无包壳的金属基弥散燃料、包壳内密实填充的金属燃料、包壳内带陶瓷燃料芯块的常规燃料。由于现有压水堆堆芯中燃料元件4均为多根阵列，考虑到相贴的燃料元件4之间的导热能力，优选将燃料元件4设置为横截面呈正方形，且燃料元件4阵列为截面呈正方形的棒束8，以考虑棒束8中大部分燃料元件4位于内侧，这些燃料元件4各侧(四侧)均能够与各侧相邻的燃料元件4侧面以正对关系贴合，同理，处于棒束8边缘的燃料元件4，转角位置的燃料元件4能够有两个与之相贴的燃料元件4，转角位置以外的燃料元件4，能够有三个与之相贴的燃料元件4，采用这样的方案，不仅可达到强化相接触两燃料元件4之间导热能力的目的，同时采用该方案，燃料元件4之间的布置与现行压水堆燃料组件类似，可较好的与现行压水堆相容。同时采用该方案，相较于现有技术中间隔排列的燃料元件4，棒束8整体刚度更强，如地震、事故工况下，可使得堆芯具有更好的结构稳定性，同时在棒束8固定上，采用如格架5即可实现燃料元件4之间的相互挤压，利用摩擦力，实现燃料元件4之间的轴向定位、径向定位。
实施例2：
如图1至图4所示，本实施例在实施例1的基础上作进一步限定：
为实现如在正常运行和中等频率事件下，利用一回路冷却剂，实现燃料元件4的有效冷却，设置为：所述燃料元件4为外侧设置有凹槽13的条状结构，所述凹槽13由燃料元件4本体的一端延伸至另一端；
在棒束8上，所述凹槽13作为由棒束8一端延伸至棒束8另一端的第一冷却剂通道9。
为减小燃料元件4在热应力下被破坏的可能，设置为：任意一根燃料元件4上，用于与其他燃料元件4相贴的面上均设置有凹槽13。优选的，设置为所述凹槽13为半圆形凹槽13，且相贴的两燃料元件4配合面上，两个凹槽13围成一个为圆孔的第一冷却剂通道9，考虑到应力集中问题，设置为：凹槽13的侧面边界与燃料元件4侧面光滑过渡。
作为一种可增大相贴两燃料元件4接触面积，且各侧均具有第一冷却剂通道9，以实现以相对均匀的方式冷却燃料元件4，且燃料元件4各侧在其他燃料元件4挤压下，均可相对自由的释放热应力的技术方案，设置为：所述燃料元件4的横截面呈正方形，且燃料元件4的各侧面中央均设置有沿着燃料元件4长度方向延伸的凹槽13；
任意相贴的两燃料元件4均为：相贴的两侧面呈正对关系。
更为具体的，针对以上提出的，如以上管座2、下管座7、导向管3形成燃料组件骨架，通过格架5箍紧的方式，实现棒束8在燃料组件上的安装，在棒束8中，所有燃料元件4组成相互之间可实现热传导的整体，任意两燃料元件4传热方式均为以下方式中的一种：通过燃料元件4直接相贴而实现直接热传导；通过其他燃料元件4的过渡，实现间接热传导。本方案中，即所有燃料元件4相贴得到一个整体形式的棒束8。棒束8通过格架5箍紧在燃料组件骨架上即可。
针对以上排列形式，为实现在热变形下，避免燃料元件4转角处相互挤压，同时使得燃料元件4转角之间亦具有用于作为冷却剂流道的第二冷却剂通道10，以实现燃料组件正常工作和一般事故下，利用冷却剂导出燃料元件4上的热量，设置为：所述凹槽13为截面呈半圆形的圆弧形槽；燃料元件4侧面的各转角均为倒角14，且在棒束8中，所述倒角14用于形成由棒束8一端延伸至棒束8另一端的第二冷却剂通道10。如上所述，针对处于棒束8内侧的燃料元件4，四个相邻的燃料元件4上的倒角14汇聚在一处，用于形成一个由四个倒角14围成的第二冷却剂通道10。优选设置为所述倒角14为圆弧形倒角。
更为完整的，设置为：还包括用于约束棒束8形态的格架5，所述格架5由多块条带11围成，所述条带11上还设置有多个相对于条带11外侧凸出的凸起12，各凸起12的顶点作为条带11与燃料元件4接触的接触点。区别于传统格架5，本方案中，通过设置为条带11上设置有凸起12，且凸起12的顶点作为条带11与燃料元件4接触的接触点，采用本方案，利用凸起12，可更好的为棒束8提供预紧力或紧箍力。
更为完整的，作为一种更为简单、装配更为方便的燃料组件形式，设置为：还包括上管座2、下管座7及多根导向管3，各导向管3的上端均与上管座2固定连接，各导向管3的下端均与下管座7固定连接，通过棒束8与导向管3之间的摩擦力，实现棒束8在导向管3轴向上和径向上的位置固定，产生所述摩擦力的正压力源自格架5对棒束8侧面的压力。
更为完整的，为提高本燃料组件与现有压水堆的相容性，提高格架5对棒束8的约束质量，设置为：在棒束8中，所有燃料元件4组成相互之间可实现热传导的整体，且所述整体呈长方体；所述格架5呈矩形框状，各条带11上均设置有用于提供各自与棒束8接触点的凸起12。
更为完整的，为进一步提高格架5对棒束8的约束质量，设置为：所述格架5有多个，且格架5沿着棒束8的长度方向间隔排布。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的技术方案下得出的其他实施方式，均应包含在对应发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种可增强燃料元件间导热的压水堆燃料组件，包括用于形成燃料组件棒束(8)的多根燃料元件(4)，其特征在于，所述燃料元件(4)为外侧设置有凹槽(13)的条状结构，所述凹槽(13)由燃料元件本体(4)的一端延伸至另一端；在棒束(8)中，所述燃料元件(4)紧密排列：针对任意一根燃料元件(4)，均有至少一根与之侧面相贴的燃料元件(4)；在棒束(8)上，所述凹槽(13)作为由棒束(8)一端延伸至棒束(8)另一端的第一冷却剂通道(9)。
2.根据权利要求1所述的一种可增强燃料元件间导热的压水堆燃料组件，其特征在于，任意一根燃料元件(4)上，用于与其他燃料元件(4)相贴的面上均设置有凹槽(13)。
3.根据权利要求2所述的一种可增强燃料元件间导热的压水堆燃料组件，其特征在于，所述燃料元件(4)的横截面呈正方形，且燃料元件(4)的各侧面中央均设置有沿着燃料元件(4)长度方向延伸的凹槽(13)；
任意相贴的两燃料元件(4)均为：相贴的两侧面呈正对关系。
4.根据权利要求3所述的一种可增强燃料元件间导热的压水堆燃料组件，其特征在于，在棒束(8)中，所有燃料元件(4)组成相互之间可实现热传导的整体，任意两燃料元件(4)传热方式均为以下方式中的一种：通过燃料元件(4)直接相贴而实现直接热传导；通过其他燃料元件(4)的过渡，实现间接热传导。
5.根据权利要求3所述的一种可增强燃料元件间导热的压水堆燃料组件，其特征在于，所述凹槽(13)为截面呈半圆形的圆弧形槽；燃料元件(4)侧面的各转角均为倒角(14)，且在棒束(8)中，所述倒角(14)用于形成由棒束(8)一端延伸至棒束(8)另一端的第二冷却剂通道(10)。
6.根据权利要求1所述的一种可增强燃料元件间导热的压水堆燃料组件，其特征在于，还包括用于约束棒束(8)形态的格架(5)，所述格架(5)由多块条带(11)围成，所述条带(11)上还设置有多个相对于条带(11)外侧凸出的凸起(12)，各凸起(12)的顶点作为条带(11)与燃料元件(4)接触的接触点。
7.根据权利要求6所述的一种可增强燃料元件间导热的压水堆燃料组件，其特征在于，还包括上管座(2)、下管座(7)及多根导向管(3)，各导向管(3)的上端均与上管座(2)固定连接，各导向管(3)的下端均与下管座(7)固定连接，通过棒束(8)与导向管(3)之间的摩擦力，实现棒束(8)在导向管(3)轴向上和径向上的位置固定，产生所述摩擦力的正压力源自格架(5)对棒束(8)侧面的压力。
8.根据权利要求7所述的一种可增强燃料元件间导热的压水堆燃料组件，其特征在于，在棒束(8)中，所有燃料元件(4)组成相互之间可实现热传导的整体，且所述整体呈长方体；所述格架(5)呈矩形框状，各条带(11)上均设置有用于提供各自与棒束(8)接触点的凸起(12)。
9.根据权利要求6至8中任意一项所述的一种可增强燃料元件间导热的压水堆燃料组件，其特征在于，所述格架(5)有多个，且格架(5)沿着棒束(8)的长度方向间隔排布。
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