CN115050488A - 一种提高热工性能的燃料管、燃料套管结构及燃料组件 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种提高热工性能的燃料管、燃料套管结构及燃料组件，包括燃料套管，所述燃料套管包括多层燃料管，多层燃料管呈同轴结构套设在一起，相邻两层燃料管上螺旋肋的旋转方向相反，还包括外套管、螺旋肋芯轴、上管座和下管座，螺旋肋芯轴插设置在燃料套管中，外套管和多层燃料管的上端通过紧钉螺钉与上管座固定连接，螺旋肋芯轴的上端插入上管座中，外套管的下端与下管座相连。本发明的燃料组件，燃料管和螺旋肋芯轴均具有螺旋肋结构，能够提高螺旋肋与燃料管内壁接触位置冷却剂流动性，降低螺旋肋接触位置的燃料管温度；同时能够使各层燃料套管之间的定位更加充分，省去定位结构，减小了燃料组件的流动阻力，提高燃料组件热工性能。

Description

一种提高热工性能的燃料管、燃料套管结构及燃料组件
技术领域
本发明涉及核燃料技术领域，具体而言，涉及一种提高热工性能的燃料管、燃料套管结构及燃料组件。
背景技术
快中子注量率是研究堆的核心指标，为了提高这一指标，需要大幅提升研究堆的功率密度，而这会对燃料组件的热工性能带来巨大的挑战，目前国内外已经有多种专利和文献对套管式燃料组件进行了相关的研究。
专利CN 101727992 A公开一种套管式低浓铀核燃料组件，该套管式燃料组件主要由上接头、上部定位齿块、节流塞、外套管、燃料管、内套管、下部定位齿块、下接头等结构组成。其中同心的内套管、外套管、与置于内套管与外套管之间的六层燃料套管上端通过螺钉与上部定位齿块固定连接，上接头与上部定位齿块焊接连接；六层燃料套下端通过埋头螺钉与下部定位齿块固定连接，下接头与外套管焊接。该套管式燃料组件横截面为同心圆结构，有共有六层燃料管和一层外套管以及一层内套管，燃料管及内套管带有三条起定位作用的纵向直肋，采用纵向直肋的燃料管设计和制造较为便利，但直肋与下一层燃料管内壁接触位置冷却剂流速较低，使该位置成为燃料管温度最高位置，容易造成燃料管包壳腐蚀加速甚至起泡失效。
有鉴于此，特提出本申请。
发明内容
现有技术的问题在于现有燃料管外壁上设置的纵向直肋对燃料管只起到定位作用，而直肋与外一层燃料管内壁接触位置的冷却剂流速会较低，从而导致燃料管局部温度升高，本发明目的在于提供一种提高热工性能的燃料管、燃料套管结构及燃料组件，将燃料管外壁的纵向直肋结构改进为螺旋肋结构，能够在冷却剂流动时在套管之间不断产生方向偏转，提高肋与燃料管内壁接触位置冷却剂流动性，降低接触位置温度；同时套管之间的定位更充分，有利于保证各层之间的冷却剂流道均匀一致，避免了引入增加流阻的定位结构。
本发明通过下述技术方案实现：
一种提高热工性能的燃料管，包括燃料管本体，燃料管本体的外壁面上设置有绕燃料管本体轴线呈螺旋结构的螺旋肋。
本发明将燃料组件中燃料管外壁的纵向直肋结构改进为螺旋肋结构，由于螺旋肋的作用，不仅能够使冷却剂在燃料管套管之间流动时不断产生方向偏转，对冷却剂产生旋转搅拌作用，不仅提高了螺旋肋与燃料管内壁接触位置冷却剂流动性，而且通过旋转搅拌作用还能够使螺旋肋接触位置的燃料管温度降低；同时通过螺旋肋的螺旋旋转结构，能够使各层燃料套管之间的定位更加充分，更有利于保证各层燃料套管之间的冷却剂流道保持均匀一致，可以达到提高燃料组件热工性能的目的。
另一种具体实施方式，所述螺旋肋的横截面形状为半圆形、梯形、具有圆角过渡结构的圆角梯形或者方形，能够根据实际设计需要选择适合的螺旋肋形状。
另一种具体实施方式，所述燃料管包括外包壳、燃料芯体和内包壳，螺旋肋设置在外包壳上。
另一种具体实施方式，所述螺旋肋的条数为1～6条。
本发明还提供一种提高热工性能的燃料套管，包括多层燃料管，多层燃料管呈同轴结构套设在一起，相邻两层燃料管上螺旋肋的旋转方向相反。
本发明的燃料套管，每层燃料管外壁均设置有螺旋肋，能够提高相邻两层燃料管之间的定位作用，有利于提高各层燃料管之间的冷却剂流道的均匀一致性，同时螺旋肋结构自带定位功能，可以避免引入增加流阻的定位结构，能够减小了燃料组件流动阻力，有利于提高燃料组件水力学性能；考虑到冷却剂在旋转偏转时会对燃料组件产生扭转作用，因此各层燃料管的螺旋肋旋转方向交叉设置，从而平衡上述扭转作用，保持燃料组件的稳定性。
本发明通过采用螺旋肋燃料套管，利用螺旋肋对冷却剂的搅浑能力，改善螺旋肋与燃料管内壁接触位置流动传热条件，降低燃料管内壁热点温度，提高燃料组件热工性能，从而为进一步提高研究堆快中子注量提供了可行性。
另一种具体实施方式，还包括外套管、和螺旋肋芯轴，螺旋肋芯轴插设置在最里层燃料管中，螺旋肋芯轴上螺旋肋的旋转方向与最里层燃料管上螺旋肋的旋转方向相反。
另一种具体实施方式，相邻两层燃料管上螺旋肋的上端起点和下端终点位置相互对齐，能够保证平衡冷却剂对燃料组件产生的扭转作用。
本发明还提供一种提高热工性能的燃料组件，包括燃料套管，还包括上管座和下管座，外套管和多层燃料管的上端通过紧钉螺钉与上管座固定连接，螺旋肋芯轴的上端插入上管座中，外套管的下端与下管座相连。
本发明的燃料组件，采用的燃料管和螺旋肋芯轴均具有螺旋肋结构，能够提高螺旋肋与燃料管内壁接触位置冷却剂流动性，降低螺旋肋接触位置的燃料管温度；同时，由于螺旋肋的螺旋旋转结构，能够使各层燃料套管之间的定位更加充分，保证了各层燃料套管之间的冷却剂流道保持均匀一致，省去了现有技术中的定位结构，因此减小了燃料组件的流动阻力，可以达到提高燃料组件热工性能的目的。
另一种具体实施方式，所述多层燃料管设置有6层。
另一种具体实施方式，所述上管座的内部腔体呈上大下小结构，上管座中采用大开口的结构，增加了上管座流通面积，减小了燃料组件的流动阻力，有利于提高燃料组件水力学性能。
本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
1、本发明实施例提供的一种提高热工性能的燃料管，将外壁的纵向直肋结构改进为螺旋肋结构，由于螺旋肋的作用，不仅能够使冷却剂在燃料管套管之间流动时不断产生方向偏转，对冷却剂产生旋转搅拌作用，不仅提高了螺旋肋与燃料管内壁接触位置冷却剂流动性，而且通过旋转搅拌作用还能够使螺旋肋接触位置的燃料管温度降低；
2、本发明实施例提供的一种提高热工性能的燃料套管，每层燃料管外壁均设置有螺旋肋，能够提高相邻两层燃料管之间的定位作用，有利于提高各层燃料管之间的冷却剂流道的均匀一致性，同时螺旋肋结构自带定位功能，可以避免引入增加流阻的定位结构，能够减小了燃料组件流动阻力，有利于提高燃料组件水力学性能；
3、本发明实施例提供的一种提高热工性能的燃料套管，冷却剂在旋转偏转时会对燃料组件产生扭转作用，因此各层燃料管的螺旋肋旋转方向交叉设置，从而平衡上述扭转作用，保持燃料组件的稳定性；
4、本发明实施例提供的一种提高热工性能的燃料组件，采用的燃料和芯轴管均具有螺旋肋结构，能够提高螺旋肋与燃料管内壁接触位置冷却剂流动性，降低螺旋肋接触位置的燃料管温度；同时，上管座中采用大开口的结构，增加了上管座流通面积，减小了燃料组件的流动阻力，有利于提高燃料组件水力学性能。
5、本发明实施例提供的一种提高热工性能的燃料组件，采用多层螺旋肋燃料套管，将多层套管上端通过螺钉与上管座连接，外套管下端与下管座连接，螺旋肋的芯轴插入最内层燃料管中心，螺旋肋芯轴挂在上管座上，芯轴重力与所受水力作用力方向一致，相当于芯轴依靠重力固定一直被压在上管座上，整体结构不需要上、下定位结构，避免引入增加流阻的定位结构，减小了燃料组件流动阻力，有利于提高燃料组件水力学性能。
附图说明
为了更清楚地说明本发明示例性实施方式的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本发明实施例提供的燃料管结构示意图；
图2为本发明实施例提供的螺旋肋横截面积形状示意图；
图3为本发明实施例提供的燃料管横截面示意图；
图4为本发明实施例提供的燃料套管结构示意图；
图5为本发明实施例提供的燃料组件结构示意图。
附图标记及对应零部件名称：
1-上管座，2-螺旋肋芯轴，3-紧钉螺钉，4-外套管，5-螺旋肋燃料管一，6-螺旋肋燃料管二，7-螺旋肋燃料管三，8-螺旋肋燃料管四，9-螺旋肋燃料管五，10-螺旋肋燃料管六，11-下管座，12-半圆形螺旋肋，13-梯形螺旋肋，14-圆角梯形螺旋肋，15-外包壳，16-燃料芯体，17-内包壳。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
在以下描述中，为了提供对本发明的透彻理解阐述了大量特定细节。然而，对于本领域普通技术人员显而易见的是：不必采用这些特定细节来实行本本发明。在其他实施例中，为了避免混淆本本发明，未具体描述公知的结构、电路、材料或方法。
在整个说明书中，对“一个实施例”、“实施例”、“一个示例”或“示例”的提及意味着：结合该实施例或示例描述的特定特征、结构或特性被包含在本本发明至少一个实施例中。因此，在整个说明书的各个地方出现的短语“一个实施例”、“实施例”、“一个示例”或“示例”不一定都指同一实施例或示例。此外，可以以任何适当的组合和、或子组合将特定的特征、结构或特性组合在一个或多个实施例或示例中。此外，本领域普通技术人员应当理解，在此提供的示图都是为了说明的目的，并且示图不一定是按比例绘制的。这里使用的术语“和/或”包括一个或多个相关列出的项目的任何和所有组合。
在本发明的描述中，术语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”、“下”、“竖直”、“水平”、“高”、“低”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。
实施例1
如图1-图3所示，本发明实施例提供的一种提高热工性能的燃料管，包括燃料管本体，燃料管本体的外壁面上设置有绕燃料管本体轴线呈螺旋结构的螺旋肋。
本发明实施例将燃料组件中燃料管外壁的纵向直肋结构改进为螺旋肋结构，由于螺旋肋的作用，不仅能够使冷却剂在燃料管套管之间流动时不断产生方向偏转，对冷却剂产生旋转搅拌作用，不仅提高了螺旋肋与燃料管内壁接触位置冷却剂流动性，而且通过旋转搅拌作用还能够使螺旋肋接触位置的燃料管温度降低；同时通过螺旋肋的螺旋旋转结构，能够使各层燃料套管之间的定位更加充分，更有利于保证各层燃料套管之间的冷却剂流道保持均匀一致，可以达到提高燃料组件热工性能的目的。
另一种具体实施方式，所述螺旋肋的横截面形状为半圆形螺旋肋12、梯形螺旋肋13、具有圆角过渡结构的圆角梯形螺旋肋14或者方形螺旋肋，能够根据实际设计需要选择适合的螺旋肋形状。
另一种具体实施方式，所述燃料管包括外包壳15、燃料芯体16和内包壳17，螺旋肋设置在外包壳上。
另一种具体实施方式，所述螺旋肋的条数为1～6条，优选的，燃料管外部螺旋肋的条数为3条。
实施例2
如图4所示，本发明实施例提供一种提高热工性能的燃料套管，包括6层燃料管，6层燃料管呈同轴结构套设在一起，6层燃料管从内至外依次为螺旋肋燃料管一5、螺旋肋燃料管二6、螺旋肋燃料管三7、螺旋肋燃料管四8、螺旋肋燃料管五9、螺旋肋燃料管六10，相邻两层燃料管上螺旋肋的旋转方向相反，燃料管的外壁面上设置有绕燃料管本体轴线呈螺旋结构的螺旋肋。
本发明实施例的燃料套管，每层燃料管外壁均设置有螺旋肋，能够提高相邻两层燃料管之间的定位作用，有利于提高各层燃料管之间的冷却剂流道的均匀一致性，同时螺旋肋结构自带定位功能，可以避免引入增加流阻的定位结构，能够减小了燃料组件流动阻力，有利于提高燃料组件水力学性能；考虑到冷却剂在旋转偏转时会对燃料组件产生扭转作用，因此各层燃料管的螺旋肋旋转方向交叉设置，从而平衡上述扭转作用，保持燃料组件的稳定性。
本发明实施例通过采用螺旋肋燃料套管，利用螺旋肋对冷却剂的搅浑能力，改善螺旋肋与燃料管内壁接触位置流动传热条件，降低燃料管内壁热点温度，提高燃料组件热工性能，从而为进一步提高研究堆快中子注量提供了可行性。
另一种具体实施方式，还包括外套管4和螺旋肋芯轴2，螺旋肋芯轴插设置在螺旋肋燃料管一5中，螺旋肋芯轴2上螺旋肋的旋转方向与最里层燃料管上螺旋肋的旋转方向相反。
另一种具体实施方式，相邻两层燃料管上螺旋肋的上端起点和下端终点位置相互对齐，能够保证平衡冷却剂对燃料组件产生的扭转作用。
实施例3
如图5所示，本发明实施例提供一种提高热工性能的燃料组件，包括燃料套管，所述燃料套管包括6层燃料管，6层燃料管呈同轴结构套设在一起，燃料管从内至外依次为螺旋肋燃料管一5、螺旋肋燃料管二6、螺旋肋燃料管三7、螺旋肋燃料管四8、螺旋肋燃料管五9、螺旋肋燃料管六10，相邻两层燃料管上螺旋肋的旋转方向相反，还包括外套管4和螺旋肋芯轴2，螺旋肋芯轴插设置在螺旋肋燃料管一5中，螺旋肋芯轴2上螺旋肋的旋转方向与最里层燃料管上螺旋肋的旋转方向相反；还包括上管座1和下管座11，外套管4和6层燃料管的上端通过紧钉螺钉3与上管座1固定连接，螺旋肋芯轴2的上端插入上管1座中，外套管4的下端与下管座11相连，燃料套管的下端没有与气压结构连接或者固定，为自由结构。
本发明实施例的燃料组件，采用的燃料管和螺旋肋芯轴均具有螺旋肋结构，能够提高螺旋肋与燃料管内壁接触位置冷却剂流动性，降低螺旋肋接触位置的燃料管温度；同时，由于螺旋肋的螺旋旋转结构，能够使各层燃料套管之间的定位更加充分，保证了各层燃料套管之间的冷却剂流道保持均匀一致，省去了现有技术中的定位结构，因此减小了燃料组件的流动阻力，可以达到提高燃料组件热工性能的目的。
另一种具体实施方式，所述上管座1的内部腔体呈上大下小结构，上管座1中采用大开口的结构，增加了上管座流通面积，减小了燃料组件的流动阻力，有利于提高燃料组件水力学性能。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种提高热工性能的燃料管，包括燃料管本体，其特征在于，燃料管本体的外壁面上设置有绕燃料管本体轴线呈螺旋结构的螺旋肋。
2.根据权利要求1所述的一种提高热工性能的燃料管，其特征在于，所述螺旋肋的横截面形状为半圆形(12)、梯形(13)、具有圆角过渡结构的圆角梯形(14)或者方形。
3.根据权利要求1所述的一种提高热工性能的燃料管，其特征在于，所述燃料管包括外包壳(15)、燃料芯体(16)和内包壳(17)，螺旋肋设置在外包壳(15)上。
4.根据权利要求1所述的一种提高热工性能的燃料管，其特征在于，所述螺旋肋的条数为1～6条。
5.一种提高热工性能的燃料套管，其特征在于，包括多层权利要求1-4任一所述燃料管，多层所述燃料管呈同轴结构套设在一起，相邻两层燃料管上螺旋肋的旋转方向相反。
6.根据权利要求5所述的一种提高热工性能的燃料套管，其特征在于，还包括外套管(4)和螺旋肋芯轴(2)，螺旋肋芯轴(2)插设置在最里层燃料管中，螺旋肋芯轴(2)上螺旋肋的旋转方向与最里层燃料管上螺旋肋的旋转方向相反。
7.根据权利要求5所述的一种提高热工性能的燃料套管，其特征在于，相邻两层燃料管上螺旋肋的上端起点和下端终点位置相互对齐。
8.一种提高热工性能的燃料组件，其特征在于，包括权利要求5-7任一所述燃料套管，还包括上管座(1)和下管座(11)，外套管(4)和多层燃料管的上端通过紧钉螺钉(3)与上管座(1)固定连接，螺旋肋芯轴(2)的上端插入上管座(1)中，外套管(4)的下端与下管座(11)相连。
9.根据权利要求8所述的一种提高热工性能的燃料组件，其特征在于，所述多层燃料管设置有6层。
10.根据权利要求8所述的一种提高热工性能的燃料组件，其特征在于，所述上管座的内部腔体呈上大下小结构。
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