CN114255888A - 燃料棒、燃料组件及其反应堆堆芯 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种燃料棒、燃料组件及其反应堆堆芯，燃料棒包括包壳和密封在包壳内的燃料芯块，燃料芯块包括设置在中间的本部、和至少六个在本部向外延伸设置的翼部，每一翼部以本部的纵向轴线为中心沿周向至少旋扭1周；燃料组件，包括外盒和上述的燃料棒，外盒的横截面为六边形，燃料棒呈三角形排列于外盒内；反应堆堆芯，包括上述的燃料组件；本发明的燃料棒至少具有六个翼部且翼部以本部的纵向轴线为中心沿周向至少旋扭1周，使得其具有更优异的导热性能，可容易将燃料棒内部热量导出，使燃料芯块中心温度大为降低，反应堆堆芯具有在保证核安全的条件下提高功率密度的潜力，能使反应堆更加安全经济、结构紧凑、用途广泛。

Description

燃料棒、燃料组件及其反应堆堆芯
技术领域
本发明涉及压水堆核电厂反应堆设计技术领域，尤其涉及一种燃料棒、燃料组件及其反应堆堆芯。
背景技术
现有的传统压水堆核电厂反应堆堆芯由几十至上百个燃料组件构成。每个燃料组件中的燃料棒为细长圆柱形，每根燃料棒由堆积在燃料包壳管内的核燃料铀芯块组成，该包壳管用端塞塞住并经密封焊好以便将燃料封装起来，用定位格架和顶部与底部固定件装配而成，每个燃料组件设置了供插入控制棒或可燃毒物棒和中子探测器的导向管。
如果燃料棒中的燃料芯块温度过高，有可能使燃料芯块中心最高温度达到熔点；特别是当燃料芯块内部的温度不能及时有效地导出时，即堆芯冷却剂不能对燃料棒进行有效冷却时，燃料芯块有可能发生熔融坍塌或燃料棒包壳破损，导致燃料棒内的放射性物质释放出来。因此，为了确保燃料芯块中心最高温度低于限值，确保燃料棒和燃料组件的机械完整性，确保反应堆的安全性，在核电厂反应堆设计时通常会将反应堆堆芯的功率密度限制在一定范围内，但这又将不利于核电厂的运营经济性。
现有细长圆柱形燃料棒的几何结构特性决定了上述难以克服的固有缺点。因此，如何提高核电厂反应堆堆芯的功率密度，即提高燃料棒的导热性能，降低燃料芯块的中心温度，就成为了一个亟待解决的问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的缺陷，提供一种燃料棒、燃料组件及其反应堆堆芯，该发明可提高燃料棒的导热性能，降低燃料芯块的中心温度，从而提高反应堆堆芯的功率密度，进而提高核电厂的安全性与经济性。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种燃料棒，包括包壳和密封在包壳内的燃料芯块，所述燃料芯块包括设置在中间的本部、和至少六个在所述本部向外延伸设置的翼部，每一所述翼部以所述本部的纵向轴线为中心沿周向至少旋扭1周。
进一步地，在所述燃料棒中，优选所述本部和所述翼部为相同材料制成。
进一步地，在所述燃料棒中，优选每一所述翼部以所述本部的纵向轴线为中心沿周向旋扭1-3周。
进一步地，在所述燃料棒中，优选所述翼部为六个，所述翼部相互平行设置、并均匀设置在所述本部的外周上。
进一步地，在所述燃料棒中，优选在同一截面中，任意两个相对翼部最外端之间的距离为0.6cm-1.0cm；相邻翼部之间的连接处为翼凹点，任意两个相对所述翼凹点之间的距离为0.3cm-0.5cm；所述包壳的厚度小于0.05cm。
进一步地，在所述燃料棒中，优选所述翼部横截面形状为多边形、曲面形或它们的组合。
一种燃料组件，包括外盒和上述所述的燃料棒，所述外盒的横截面为六边形，所述燃料棒呈三角形排列于所述外盒内。
进一步地，在所述燃料组件中，优选还包括一根中央导向管，所述中央导向管设置在所述外盒的中心位置，所述中央导向管用于插入中子探测器，所述中央导向管形状、大小与中子探测器的形状、大小相匹配；
或者，还包括若干根导向管，所述导向管轴对称设置，所述导向管用于插入可燃毒物棒；或者其余一根为中央导向管用于插入中子探测器，其余导向管用于插入可燃毒物棒；
或者，还包括一根粗径导向管，所述粗径导向管设置在所述外盒的中心位置，所述粗径导向管用于插入控制棒，所述粗径导向管形状、大小与控制棒的形状、大小相匹配。
进一步地，在所述燃料组件中，优选所述外盒至少一外表面上设有通孔。
进一步地，在所述燃料组件中，优选所述通孔成对设置，每对所述通孔分别设置于所述外盒的对应面上以形成对流孔。
进一步地，在所述燃料组件中，优选所述燃料芯块包括金属铀，所述包壳由锆合金或不锈钢制成，所述外盒由锆合金或不锈钢制成。
一种反应堆堆芯，其特征在于，包括上述所述的燃料组件。
本发明的有益效果在于：本发明提供的一种燃料棒，包括包壳和密封在包壳内的燃料芯块，燃料芯块包括设置在中间的本部、和至少六个在本部向外延伸设置的翼部，每一翼部以本部的纵向轴线为中心沿周向至少旋扭1周；与传统细长圆柱形燃料棒相比，具有更优异的导热性能，可容易将燃料棒内部热量导出，使燃料芯块中心温度大为降低，反应堆堆芯具有在保证核安全的条件下提高功率密度的潜力，能使反应堆更加安全经济、结构紧凑、用途广泛。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是本发明实施例1中燃料棒的剖面视图；
图2为本发明实施例1中燃料棒的立体结构示意图；
图3为本发明实施例2中燃料组件的立体结构示意图；
图4为本发明实施例2-1中燃料组件的俯视图；
图5为本发明实施例2-2中燃料组件的俯视图；
图6为本发明实施例2-3中燃料组件第一种实施方式的俯视图；
图7为本发明实施例2-3中燃料组件第二种实施方式的俯视图；
图8为本发明实施例2-4中燃料组件的俯视图。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。
部件被称为“固定于”或“设置于”另一个部件，它可以直接或者间接位于该另一个部件上。当一个部件被称为“连接于”另一个部件，它可以是直接或者间接连接至该另一个部件上。
术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置为基于附图所示的方位或位置，仅是为了便于描述，不能理解为对本技术方案的限制。术语“第一”、“第二”等仅用于便于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明技术特征的数量。“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
实施例1，如图1-图2所示，一种燃料棒100，包括包壳10和密封在包壳10内的燃料芯块20，燃料芯块20包括金属铀，包壳10可由锆合金或不锈钢制成，燃料芯块20包括设置在中间的本部21、和至少六个在本部21向外延伸设置的翼部22，包壳10同本部21与翼部22连通构成的形状相匹配，本部21与翼部22是连通的，可以理解的，本部21与翼部22内装载的燃料芯块20是连通的，优选翼部22设置六个，翼部22相互平行设置、并均匀设置在本部21的外周上，此时的平行设置指的是翼部未旋钮前平行设置，每一翼部22以本部21的纵向轴线为中心沿周向至少旋扭1周，1周为360°，即每一翼部22以本部21的纵向轴线为中心沿周向至少旋扭360°，选优每一翼部22以本部21的纵向轴线为中心沿周向旋扭1-3周，其中，包壳10的厚度小于0.05cm，每一根燃料棒100中的核燃料芯块20长度处于100cm至220cm之间；通过设置本部21与翼部22，且每一翼部22以本部21的纵向轴线为中心沿周向至少旋扭1周，使得燃料芯块20到包壳10外表面的距离更小，可以理解的，使得燃料棒100的导热、散热的路径更短，尤其是燃料棒中心位置处的燃料芯块到包壳外壁的路径更短，使其具有更优异的导热散热性能，可容易将燃料棒100内部热量导出，使燃料芯块20中心温度大为降低，反应堆堆芯具有在保证核安全的条件下提高功率密度的潜力，能使反应堆更加安全经济、结构紧凑、用途广泛。
本部21和翼部22为相同材料制成，本部21和翼部22的燃料芯块20均由金属铀制成，例如U-Zr燃料芯块，又或者U3Si2-Al燃料芯块；且本部21与翼部22内的燃料芯块20均匀分布，统一本部21与翼部22中芯块的富集度，减少了富集度差距，也减少了富集度种类，从而提高了燃料经济性；当然也可以本部21与翼部22内的燃料芯块20非均匀分布，使本部21的燃料芯块20的富集度低于翼部22的燃料芯块20的富集度，这样可以防止处于燃料棒100中心位置的本部21因温度过高发生熔融坍塌或燃料棒100包壳10破损，导致燃料棒100内的放射性物质释放出来，但这样会增加制作工艺难度，增加了富集度种类，提高燃料棒制造成本，优选本部21与翼部22内的燃料芯块20均匀分布。
翼部22横截面形状为多边形、曲面形或它们的组合；可以理解的，翼部22的横截面可以是四边形，可以是曲面形，还可以是多边形与曲面形的结合，如翼部22分为两部分，与本部21接触的那部分为长方形，远离本部21的那部分为半圆形；结合工业用途和实际生产，优选翼部22的截面形状为多边形与曲面形的结合，控制与本部21接触的翼部22为长方形，与长方形连接的部分为半圆形，使翼的根部直至端部均为相等厚度，这样的设计有利于核燃料产生的热量均匀导出，且加工制造容易控制与度量。
在同一截面中，任意两个相对翼部22最外端之间的距离为0.6cm-1.0cm；相邻翼部22之间的连接处为翼凹点221，任意两个相对翼凹点221之间的距离为0.3cm-0.5cm；包壳10的厚度小于0.05cm；本发明燃料棒100的本部21的燃料芯块20的燃烧热量传导至翼凹点221即可传导出来，可以将本部21看成一个近似圆形，本部21中心位置热量的传导路径近似于圆形的半径，也就是约等于两个相对翼凹点221距离的二分之一；本发明的本部21中心位置的热量传导至翼凹点221即可传导出来，而翼部22的厚度设计得相对较小，使得翼部22的热量也能快速传导至包壳10外，燃料棒100整体的燃料芯块，尤其是本部21中心位置产生的热量更容易传导出来，从而降低了燃料棒100的中心温度，防止燃料芯块20发生熔融坍塌或燃料棒100包壳10破损，导致燃料棒100内的放射性物质释放出来。
实施例2，如图3-图8所示，一种燃料组件，包括外盒200和实施例1中的燃料棒100，燃料棒100包括包壳10和密封在包壳10内的燃料芯块20，外盒200的横截面为六边形，可以理解的，外盒200为六边体结构，燃料棒100设置于六边体结构外盒200内，燃料芯块20包括金属铀，包壳10可由锆合金或不锈钢制成，外盒200可由锆合金或不锈钢制成，在本实施例中，外盒200为正六边体结构，燃料棒100设置多根，每一根燃料棒100长度相同、形状大小相同，燃料棒100呈三角形排列于正六边体的外盒200内，三角形的排列方式进一步使得在相同的外轮廓尺寸下，即相同的单位体积下，可以设置更多的燃料棒100，燃料棒100与燃料棒100之间的间距更小，构成所谓“稠密栅”，“稠密栅”使相同体积的燃料组件多装载核燃料，“稠密栅”将降低反应堆堆芯内的水与铀的体积比，使中子谱“硬化”，导致快中子裂变份额增大，使“可裂变核素”U-238吸收中子后转化为“易裂变核素”Pu-239的数量大为增加，从而使反应堆运行周期进一步延长，同时还有利于防止核扩散。
实施例2-1，如图4所示，一种燃料组件，包括外盒200和多根实施例1中的燃料棒100，外盒200为正六边体结构，燃料棒100呈三角形排列于正六边体结构的外盒200内。
实施例2-2，如图5所示，一种燃料组件，包括外盒200、一根中央导向管300以及多根实施例1中的燃料棒100，中央导向管300和多根燃料棒100设置在外盒200内，外盒200为正六边体结构，中央导向管300设置在外盒200的中心位置，燃料棒100围绕导向管设置，多根燃料棒100呈规律排布，中央导向300管内插入中子探测器，导向管形状、大小与中子探测器的形状、大小相匹配。
实施例2-3，一种燃料组件，包括外盒200、若干根导向管400以及多根实施例1中的燃料棒100，导向管400和多根燃料棒100设置在外盒200内，外盒200为正六边体结构，导向管400呈轴对称设置于外盒200内，如图6所示，在一具体实施例中，设置1根中央导向管300和6根其他导向管400，中央导向管300的形状、大小与中子探测器的形状、大小相匹配，中央导向管300用于插入、固定中子探测器，中央导向管300设置在外盒200的中心位置，其余六根导向管400以中央导向管300为中心均匀对称设置，其余6根导向管400用于插入、固定可燃毒物棒，燃料棒100围绕导向管300和400呈规律排布；或者，如图7所示，全部的导向管400均插入可燃毒物棒，燃料棒100围绕导向管400呈规律排布。
实施例2-4，如图8所示，一种燃料组件，包括外盒200、一根粗径导向管500以及多根实施例1中的燃料棒100，外盒200为正六边体结构，一根粗径导向管500和多根燃料棒100设置在外盒200内，粗径导向管500设置在外盒200的中心位置，燃料棒100围绕粗径导向管500设置，一根粗径导向管500所占体积约为7根燃料棒100所占体积，粗径导向管500用于插入控制棒，粗径导向管500形状、大小与控制棒的形状、大小相匹配。
正六边体的外盒200至少一外表面上设有通孔30，通孔30用于增加燃料组件内的冷却剂横向流动速率而参与搅混，使得冷却剂可以更多地通过外盒200从一个燃料组件流向相邻的另一个燃料组件，从而具有更好的冷却剂搅混性能，提高了反应堆的热工安全运行裕量；通孔30可以是曲线性通孔，也可以是直线形孔，也可以是曲线与直线组合形成的异形通孔；通孔30可以设置在一个表面上，也可以设置在多个表面上，可以设置在所有的外表面上；通孔30可以设置一个，可以设置多个，多个通孔30可以呈规律排布，也可以呈不规律排布；优选，通孔30设置多个，外盒200的所有表面均设置有通孔30，通孔30成对设置，每对通孔30分别设置于外盒200的对应面，即相对的两个表面在相同位置上设置有通孔30，以形成对流孔，对流孔可以增强燃料组件之间的冷却剂横向流动与横向搅混，使冷却剂对燃料棒100进行有效冷却。
燃料组件其他部分采用现有技术，在此不再赘述。
实施例3，一种反应堆堆芯，包括实施例2-1、实施2-2、实施例2-3、实施例2-4中的四种燃料组件，四种燃料组件合理排布形成反应堆堆芯，用于压水堆核电厂，其具有在保证核安全的条件下提高功率密度的潜力，能使反应堆更加安全经济、结构紧凑、用途广泛。
反应堆堆芯其他部分采用现有技术，在此不再赘述。

Claims (13)

1.一种燃料棒，其特征在于，包括包壳(10)和密封在包壳(10)内的燃料芯块(20)，所述燃料芯块(20)包括设置在中间的本部(21)、和至少六个在所述本部(21)向外延伸设置的翼部(22)，每一所述翼部(22)以所述本部(21)的纵向轴线为中心沿周向至少旋扭1周。
2.根据权利要求1所述的燃料棒，其特征在于，所述本部(21)和所述翼部(22)为相同材料制成。
3.根据权利要求1所述的燃料棒，其特征在于，每一所述翼部(22)以所述本部(21)的纵向轴线为中心沿周向旋扭1-3周。
4.根据权利要求1所述的燃料棒，其特征在于，所述翼部(22)为六个，所述翼部(22)相互平行设置、并均匀设置在所述本部(21)的外周上。
5.根据权利要求4所述的燃料棒，其特征在于，在同一截面中，任意两个相对所述翼部(22)最外端之间的距离为0.6cm-1.0cm；相邻翼部(22)之间的连接处为翼凹点(221)，任意两个相对所述翼凹点(221)之间的距离为0.3cm-0.5cm；所述包壳的厚度小于0.05cm。
6.根据权利要求1所述的燃料棒，其特征在于，所述翼部(22)横截面形状为多边形、曲面形或它们的组合。
7.一种燃料组件，其特征在于，包括外盒(200)和权利要求1-4任一项所述的燃料棒(100)，所述外盒(200)的横截面为六边形，所述燃料棒(100)呈三角形排列于所述外盒(200)内。
8.根据权利要求7所述的燃料组件，其特征在于，还包括一根中央导向管(300)，所述中央导向管(300)设置在所述外盒(200)的中心位置，所述中央导向管(300)用于插入中子探测器，所述中央导向管(300)形状、大小与中子探测器的形状、大小相匹配；
或者，还包括若干根导向管(400)，所述导向管(400)轴对称设置，所述导向管(400)用于插入可燃毒物棒；或者其余一根为中央导向管(300)用于插入中子探测器，其余导向管(400)用于插入可燃毒物棒；
或者，还包括一根粗径导向管(500)，所述粗径导向管(500)设置在所述外盒(200)的中心位置，所述粗径导向管(500)用于插入控制棒，所述粗径导向管(500)形状、大小与控制棒的形状、大小相匹配。
9.根据权利要求7所述的燃料组件，其特征在于，所述外盒(200)至少一外表面上设有通孔(30)。
10.根据权利要求9所述的燃料组件，其特征在于，所述通孔(30)至少为曲线形通孔、直线形通孔或者其组合中的一种。
11.根据权利要求9所述的燃料组件，其特征在于，所述通孔(30)成对设置，每对所述通孔(30)分别设置于所述外盒(200)的对应面上以形成对流孔。
12.根据权利要求7所述的燃料组件，其特征在于，所述燃料芯块(20)包括金属铀，所述包壳(10)由锆合金或不锈钢制成，所述外盒(200)由锆合金或不锈钢制成。
13.一种反应堆堆芯，其特征在于，包括权利要求7至12任一项所述的燃料组件。
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