CN112366009A - 一种钠冷快堆混合缠绕绕丝定位燃料组件 - Google Patents

Abstract

本发明属于燃料组件散热技术领域，具体涉及一种钠冷快堆混合缠绕绕丝定位燃料组件，包括设置在元件盒(4)中的若干垂直的棒状的燃料元件，燃料元件包括侧表面没有螺旋缠绕的金属丝(5)的无绕丝燃料元件(1)、侧表面按顺时针方向螺旋缠绕金属丝的顺向绕丝燃料元件(2)和侧表面按逆时针方向螺旋缠绕金属丝的逆向绕丝燃料元件(3)，任意两根相邻的燃料元件均不为同一类型的燃料元件。本发明大大加强了燃料元件之间相邻的通道之间的冷却剂交混，可以显著展平钠冷快堆燃料组件出口的温度梯度，很好的改善燃料元件包壳的工作条件，还可以显著减弱肿胀的元件束与元件盒(4)机械相互作用的不利效应。

Description

一种钠冷快堆混合缠绕绕丝定位燃料组件

技术领域

本发明属于燃料组件散热技术领域，具体涉及一种钠冷快堆混合缠绕绕丝定位燃料组件。

背景技术

与传统压水堆燃料组件不一样，钠冷快堆由于功率密度高，温差大，其单盒燃料组件功率比压水堆组件大的多，因此需要更精确的冷却方式——封闭式冷却，即在燃料元件(即燃料棒)外围包裹外套管，组件内部形成封闭式流道(压水堆燃料组件没有外套管，为开放式组件)。从热工的角度看，外套管的功能在于约束液态钠，使之流经燃料元件，并能调节功率流量比，达到精确冷却目的。同时，快堆为了追求较大的增殖比，要求燃料体积分额最大，因此燃料元件采用三角形排列，三角形栅距也有利于热传递。因此，外套管设计通常选用六角形几何形状。六角形外套管、燃料元件和端部联接件组合起来成为钠冷快堆燃料组件。

为了把燃料组件内部燃料元件沿径向分离开，通常有两种基本方式，一种采用金属绕丝，另一种使用栅格定位架。在早期，英国和德国的原型堆和示范堆电站以及美国的费米堆中，采用的是栅格定位架；而目前国际上快堆大多采用金属绕丝定位。金属绕丝缠绕燃料元件的间隔技术，是将金属丝焊到燃料元件的一个端塞上，然后按照规定的螺距螺旋式地缠绕在燃料元件上，直到燃料元件的另一端并焊接在端塞上。在快堆燃料组件制造中，金属绕丝定位脱颖而出，主要是因为制造比较容易，成本低廉，而且进入冷却剂流道的熔融物有可能靠液体压力从活性区流出而不受任何机械阻挡(除了熔融物或包壳再致冷引起的阻塞以外)；同时，其机械震动最小。

在已有的钠冷快堆燃料组件出口，在沿不同的燃料元件间通道流动的冷却剂钠之间存在显著的温度梯度，原因有两点：第一点为规律性因素，沿燃料组件径向截面释热分布不均匀性导致了不同子通道间温度分布的梯度，而壁面效应加剧了这种现象；第二点为偶然因素，由不同燃料元件中燃料装量和燃料元件间子通道几何尺寸的工艺偏差导致。另外，燃料组件在寿期过程中发生的变形也会对此有所影响。根据目前的热工水力分析计算，大型示范快堆燃料组件出口处中心子通道和边子通道温度差达到将近100℃，为了保证燃料组件包壳最高温度不超过温度限值，需要足够多的冷却剂流量来降低该组件的最热子通道温度，这样使得其他温度相对较低的子通道过分冷却，最终导致堆芯出口温度相对降低，极大的影响了反应堆的热效率和经济性。快堆堆芯热工水力设计目的就是要充分展平燃料组件出口的温度分布，原则上通过冷却剂在各通道间良好交混就可以达到这个目的，而交混效果的好坏关键取决于组件内部燃料元件的定位方法。

如上所述，目前广泛采用的定位方法都是采用螺旋缠绕的金属丝定位法，在所有燃料元件上绕丝都是按同一方向缠绕(即普通缠绕绕丝定位燃料组件)，在相邻燃料元件之间的间隙中，金属丝均斜向布置，这将促使冷却剂从一个通道横向流入另一个通道；但是在同一个间隙中，相邻两个燃料元件的定位绕丝是相互交替的，且其倾斜方向相反，导致横向流中相当大部分流过绕丝半个螺距后就返回去了，这样的定位方式对子通道冷却钠之间的交混十分不利。

结合图7详细描述普通缠绕绕丝定位燃料组件(元件所有的绕丝都是同一方向，而且起点相同)内通道间的交混情况。图7画出通道i和通道j，显示金属绕丝穿过i通道在轴向前进了六分之一螺距，并旋转了60度的情况，该金属绕丝是逆时针缠绕的。当燃料元件I上的金属绕丝穿过通道i和通道j之间的间隙并进入j通道时，就把i通道内的一部分横流带入了j通道；在图7位置(c)的上下各二分之一螺距轴向高度上，燃料元件II上的金属绕丝将围绕该棒旋转180度，并通过通道i和j之间的间隙，将部分横流从j通道内带入i通道，其横流方向与燃料元件I上的金属绕丝经过通道i、j之间的横流方向相反。可见在同一个间隙(通道i和j之间的间隙)中，由于相邻两个燃料元件的定位绕丝是相互交替的，且其倾斜方向相反，导致横向流中相当大部分流过绕丝半个螺距后就返回去了，对交混效果十分不利，这是造成燃料组件出口温度梯度过大的关键原因。

经过广泛的国内外文献的调研，目前尚没有可以解决上述交混问题的设计，这会大大降低钠冷快堆的经济性和安全性，对未来快堆的发展十分不利。

发明内容

为了解决目前钠冷快堆燃料组件由于定位方式使得组件出口温度梯度过大的问题，本发明的目的是提供一种混合缠绕绕丝定位燃料组件，该燃料组件创新的定位方式使得冷却剂在燃料组件各子通道间良好交混，能够有效展平燃料组件出口处的温度梯度，使得燃料组件内的燃料元件对冷却剂有效利用，整体上通过提高堆芯出口温度，大大提升钠冷快堆的热效率和经济性。

为达到以上目的，本发明采用的技术方案是一种钠冷快堆混合缠绕绕丝定位燃料组件,包括设置在元件盒中的若干垂直的棒状的燃料元件，其中，所述燃料元件包括侧表面没有螺旋缠绕的金属丝的无绕丝燃料元件、侧表面按顺时针方向螺旋缠绕金属丝的顺向绕丝燃料元件和侧表面按逆时针方向螺旋缠绕金属丝的逆向绕丝燃料元件，任意两根相邻的所述燃料元件均不为同一类型的燃料元件。

进一步，彼此相邻的任意一根所述无绕丝燃料元件、一根所述顺向绕丝燃料元件和一根所述逆向绕丝燃料元件呈三角形排列。

进一步，任意相邻的一根所述顺向绕丝燃料元件和一根所述逆向绕丝燃料元件的绕丝起始点位置相差90度。

进一步，所述元件盒的横截面为六边形。

进一步，避免将所述无绕丝燃料元件置于所述元件盒的盒角处。

本发明的有益效果在于：

1.进入钠冷快堆混合缠绕绕丝定位燃料组件内部的液态钠自下而上流经燃料元件的棒束时，由于在任何燃料元件间隙中所有定位绕丝的倾斜方向都相同，因此横向流入燃料元件之间相邻的通道的冷却剂不会返回，大大加强了燃料元件之间相邻的通道之间的冷却剂交混，可以显著展平钠冷快堆燃料组件出口的温度梯度，很好的改善燃料元件包壳的工作条件。

2.由于相邻的顺向绕丝燃料元件2和逆向绕丝燃料元件3的绕丝的缠绕方式相反，因此在每根元件上，两个相反方向的定位绕丝与定位绕丝的接触点位于不同高度上，如图6所示，接触点互相错开，此时元件束的刚度将小于所有接触点都位于同一高度的普通绕丝(见图5)定位情况，可以显著减弱肿胀的元件束与元件盒4机械相互作用的不利效应。

3.与同尺寸的普通缠绕绕丝定位燃料组件相比，可以减小燃料组件压降将近10％，进而可以减小堆芯压降，显著增强了反应堆的自然循环能力。

附图说明

图1是本发明具体实施方式中所述的一种钠冷快堆混合缠绕绕丝定位燃料组件的横截面示意图(图中显示的顺向绕丝燃料元件2和逆向绕丝燃料元件3均为绕丝起始点位置)；

图2是顺向绕丝燃料元件2的示意图(横置)；

图3是逆向绕丝燃料元件3的示意图(横置)；

图4是无绕丝燃料元件1、顺向绕丝燃料元件2和逆向绕丝燃料元件3组合后的示意图(横置)；

图5是本发明背景技术部分所述的普通缠绕绕丝定位燃料组件的燃料元件束与金属丝接触点的示意图；

图6是本发明具体实施方式中所述的钠冷快堆混合缠绕绕丝定位燃料组件的燃料元件束与金属丝接触点的示意图；

图7是背景技术部分所述的普通缠绕绕丝定位燃料组件上相邻的两个燃料元件(I和II)上缠绕的金属丝通过通道i进入通道j的取向的示意图；

图8是本发明具体实施方式中所述的钠冷快堆混合缠绕绕丝定位燃料组件上相邻的两个燃料元件(顺向绕丝燃料元件2和逆向绕丝燃料元件3)上缠绕的金属丝通过通道i进入通道j的取向的示意图；

图中：1-无绕丝燃料元件，2-顺向绕丝燃料元件，3-逆向绕丝燃料元件，4-元件盒，5-金属丝。

图9是同样释热功率下普通缠绕绕丝定位燃料组件与本发明提供的钠冷快堆混合缠绕绕丝定位燃料组件沿径向组件出口冷却剂温升分布示意图(图中，1-普通缠绕绕丝定位燃料组件；2-钠冷快堆混合缠绕绕丝定位燃料组件；T₀-组件出口平均温升；r₀-燃料组件边界)。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述。

本发明提供的一种钠冷快堆混合缠绕绕丝定位燃料组件，与普通缠绕绕丝定位燃料组件(即传统快堆燃料组件)的结构材料、燃料成分，外形尺寸均保持一致，如图1所示，本发明提供的钠冷快堆混合缠绕绕丝定位燃料组件包括设置在元件盒4中的若干垂直的棒状的燃料元件，其中，燃料元件包括三种，侧表面没有螺旋缠绕的金属丝5的无绕丝燃料元件1、侧表面按顺时针方向螺旋缠绕金属丝的顺向绕丝燃料元件2(见图2)和侧表面按逆时针方向螺旋缠绕金属丝的逆向绕丝燃料元件3(见图3)。

在燃料元件的排列上，任意两根相邻的燃料元件均不为同一类型的燃料元件。彼此相邻的任意一根无绕丝燃料元件1、一根顺向绕丝燃料元件2和一根逆向绕丝燃料元件3呈三角形排列。也就是说每根燃料元件周围只有另一类绕丝缠绕方式的元件与之相邻，任何两根相邻燃料元件的绕丝缠绕方式均不相同，比如无绕丝燃料元件1的周围燃料元件只能是顺向绕丝燃料元件2或逆向绕丝燃料元件3，而燃料元件2周围的燃料元件只能是无绕丝燃料元件1或逆向绕丝燃料元件3。

为了避免燃料元件之间的绕丝互相干涉，任意相邻的一根顺向绕丝燃料元件2和一根逆向绕丝燃料元件3的绕丝起始点位置相差90度。

元件盒4的横截面为六边形。

为了保证元件盒4盒壁附近的燃料元件的固定，尽量避免将不带金属绕丝的无绕丝燃料元件1置于元件盒4的盒角处。

和普通缠绕绕丝定位燃料组件的燃料元件的组装方式不同，本发明所提供的钠冷快堆混合缠绕绕丝定位燃料组件内部的燃料元件的组装完全是技术性操作。由于同一高度上，本发明燃料元件绕丝接触点少于带普通绕丝的元件(见图5与图6)，因此它更容易装入六角型的元件盒4中。元件束的组装工序相当简单，没有任何特殊要求，从元件盒4的角上开始，见图1，把每种给定形式的燃料元件逐层交替地依次插入元件束即可。

结合图8详细描述本发明提供的钠冷快堆混合缠绕绕丝定位燃料组件内通道间的交混情况。顺向绕丝燃料元件2上的金属丝是顺时针缠绕，逆向绕丝燃料元件3上的金属丝是逆时针缠绕，二者绕丝起点相差90度，无绕丝燃料元件1没有缠绕金属丝。图8显示当顺向绕丝燃料元件2上的金属丝穿过通道j和通道i之间的间隙进入i通道时，就把j通道内的一部分横流带入了i通道；在图8位置(d)以上四分之三螺距和以下四分之一螺距轴向高度上，逆向绕丝燃料元件3上的金属丝将围绕该燃料棒分别旋转270度或90度，并通过通道j和通道i之间的间隙，将部分横流从j通道带入i通道，其横流方向与顺向绕丝燃料元件2上的金属丝经过通道j、i之间的横流方向相同。可见在本发明提供的钠冷快堆混合缠绕绕丝定位燃料组件的任何燃料元件的间隙中，所有定位绕丝的倾斜方向都相同，横向流入相邻通道的冷却剂不会返回，大大加强了通道之间的交混能力，能够显著降低燃料组件出口的温度梯度。图9显示在同样的释热功率下，普通缠绕绕丝定位燃料组件与本发明提供的钠冷快堆混合缠绕绕丝定位燃料组件出口冷却剂温升沿径向分布，可见混合缠绕燃料组件出口温度梯度显著展平了。

由于相邻燃料元件绕丝的缠绕方式相反，因此在每根元件上，两个相反方向的定位绕丝与定位绕丝的接触点位于不同高度上，如图4和图6所示，接触点互相错开，此时元件束的刚度将小于所有接触点都位于同一高度的普通绕丝定位情况，见图5，可以显著减弱肿胀的元件束与元件盒4机械相互作用的不利效应。

经过初步计算，与同尺寸的普通缠绕绕丝定位燃料组件相比，本发明提供的钠冷快堆混合缠绕绕丝定位燃料组件压降减小将近10％，进而可以减小堆芯压降，显著增强了反应堆的自然循环能力。

综上所述，本发明提供的钠冷快堆混合缠绕绕丝定位燃料组件，显著的展平了燃料组件出口温度梯度，降低了堆芯压降，极大的增强了钠冷快堆的经济性和安全性，并且该发明是切实可行，有很强的实用价值，未来将广泛应用于快堆堆芯燃料组件设计上。

本发明所述的装置并不限于具体实施方式中所述的实施例，本领域技术人员根据本发明的技术方案得出其他的实施方式，同样属于本发明的技术创新范围。

Claims (5)

1.一种钠冷快堆混合缠绕绕丝定位燃料组件,包括设置在元件盒(4)中的若干垂直的棒状的燃料元件，其特征是：所述燃料元件包括侧表面没有螺旋缠绕的金属丝(5)的无绕丝燃料元件(1)、侧表面按顺时针方向螺旋缠绕金属丝的顺向绕丝燃料元件(2)和侧表面按逆时针方向螺旋缠绕金属丝的逆向绕丝燃料元件(3)，任意两根相邻的所述燃料元件均不为同一类型的燃料元件。

2.如权利要求1所述的钠冷快堆混合缠绕绕丝定位燃料组件，其特征是：彼此相邻的任意一根所述无绕丝燃料元件(1)、一根所述顺向绕丝燃料元件(2)和一根所述逆向绕丝燃料元件(3)呈三角形排列。

3.如权利要求2所述的钠冷快堆混合缠绕绕丝定位燃料组件，其特征是：任意相邻的一根所述顺向绕丝燃料元件(2)和一根所述逆向绕丝燃料元件(3)的绕丝起始点位置相差90度。

4.如权利要求3所述的钠冷快堆混合缠绕绕丝定位燃料组件，其特征是：所述元件盒(4)的横截面为六边形。

5.如权利要求4所述的钠冷快堆混合缠绕绕丝定位燃料组件，其特征是：避免将所述无绕丝燃料元件(1)置于所述元件盒(4)的盒角处。

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