CN208027756U - 燃料棒及其包壳管 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种燃料棒及其包壳管，包壳管包括包壳管体，包壳管体的外侧面上设置有按设定规则分布的若干凹凸结构。本实用新型的燃料棒及其包壳管体通过包壳管体外侧面凹凸结构的合理设计，在确保燃料棒包壳管体的壁厚无明显偏差的情况下增加了燃料棒与冷却剂的总体接触面积，有效避免了换热边界层的持续发展，从而整体降低边界层厚度，降低主要热阻，提高燃料棒包壳管体外表面与冷却剂之间的换热系数；通过凹凸结构的合理设计，增加包壳管体表面摩擦系数，使格架弹簧、刚凸对燃料棒的夹持力有所提升，提高了夹持稳定性。

Description

燃料棒及其包壳管

技术领域

本实用新型涉及核电领域，更具体地说，涉及一种燃料棒及其包壳管。

背景技术

现有的轻水堆核燃料棒示意图如图1所示，主要包括上端塞、气腔弹簧、芯块、包壳管、下端塞等零部件。

通常包壳管的外表面是平整的，传统燃料棒由于包壳表面光滑，冷却剂流过棒表面时会形成较厚的、延续的边界层，由于该较厚的、延续的边界层存在，会导致换热系数持续降低。

现有燃料棒在堆内主要通过格架弹簧与刚凸进行夹持，以防止燃料棒上下窜动，当包壳管的外表面是平的时，不易夹持稳定。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题在于，提供一种燃料棒及其包壳管。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种燃料棒包壳管，包括包壳管体，所述包壳管体的外侧面上设置有按设定规则分布的若干凹凸结构。

优选地，所述凹凸结构包括均匀分布在所述包壳管体的整个外侧面的凸起；或，

所述凹凸结构包括均匀分布在所述包壳管体外侧面的部分区域的凸起。

优选地，所述包壳管体的外侧面设有沿轴向间隔分布的若干圈凸起。

优选地，轴向相邻的两圈凸起在周向错开且平行排列。

优选地，所述包壳管体的外侧面设有绕所述包壳管体的外侧面沿轴向呈螺旋形排列的若干圈凸起。

优选地，所述凹凸结构还包括均匀分布在包壳管体的外侧面上的若干内凹孔，所述内凹孔和凸起交替设置。

优选地，所述内凹孔均匀分布在所述包壳管体的整个外侧面或均匀分布在所述包壳管体外侧面的部分区域。

优选地，所述凸起在所述包壳管体上的投影形状为圆形、矩形、三角形、菱形中的至少一种，所述内凹孔在所述包壳管体上的投影形状为圆形、矩形、三角形、菱形中的至少一种。

优选地，所述凸起、内凹孔采用机械加工的方式加工形成。

优选地，所述凸起的最高处到所述包壳管体外侧面的距离在为50～250μm范围内，所述内凹孔的最深处到所述包壳管体外侧面的距离在20～200μm范围内。

优选地，所述包壳管体的外侧面设有沿轴向间隔分布的若干圈内凹孔，各圈所述内凹孔与所述各圈凸起在轴向交替设置。

一种燃料棒，包括所述的包壳管。

实施本实用新型的燃料棒及其包壳管，具有以下有益效果：本实用新型的燃料棒及其包壳管通过包壳管体外侧面凹凸结构的合理设计，在确保燃料棒包壳管体的壁厚无明显偏差的情况下增加了燃料棒与冷却剂的总体接触面积，有效避免了换热边界层的持续发展，从而整体降低边界层厚度，降低主要热阻，提高燃料棒包壳管体外表面与冷却剂之间的换热系数；通过凹凸结构的合理设计，增加包壳管体表面摩擦系数，使格架弹簧、刚凸对燃料棒的夹持力有所提升，提高了夹持稳定性。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本实用新型作进一步说明，附图中：

图1是本实用新型实施例中的燃料棒的剖面结构示意图；

图2是图1中的包壳管体在第一实施例中侧面沿轴向排布有多圈凸起时的局部示意图；

图3是图1中的包壳管体在第二实施例中侧面沿轴向排布的多圈凸起中两相邻的两圈凸起周向错开时的局部示意图；

图4是图1中的包壳管体在第三实施例中外侧面沿轴向呈螺旋形排列若干圈凸起时的局部示意图；

图5是图1中的包壳管体在第四实施例中外侧面沿轴向交替间隔分布多圈凸起和内凹孔时的局部示意图。

具体实施方式

为了对本实用新型的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本实用新型的具体实施方式。

如图1至图5所示，本实用新型一个优选实施例中的燃料棒包括包壳管体1、芯块2、气腔弹簧3、上端塞4、下端塞5等，芯块2放置在包壳管体1内，气腔弹簧3设置在芯块2的上端，上端塞4、下端塞5分别对包壳管体1的上下两端密封，包壳管体1、上端塞4、下端塞5形成包壳管，对包壳管体1内的芯块2和气腔弹簧3定位。

在一些实施例中，包壳管体1的外侧面上设置有按设定规则分布的凹凸结构。通常，凹凸结构包括均匀分布在所述包壳管体1的整个外侧面的凸起；在一些实施例中，凹凸结构也可包括均匀分布在所述包壳管体1外侧面的部分区域的凸起。

通过凹凸结构形状的合理设计，在确保燃料棒包壳管体1的壁厚无明显偏差的情况下增加了燃料棒与冷却剂的总体接触面积。

传统燃料棒由于包壳管体1表面光滑，冷却剂流过棒表面时会形成较厚的、延续的边界层，在现有燃料棒外表面换热过程中，包壳管体1与冷却剂接触表面形成的边界层为主要热阻，由于该较厚的、延续的边界层存在，会导致换热系数持续降低。本申请通过凹凸结构的合理排列，有效避免了换热边界层的持续发展，从而整体降低边界层厚度，降低主要热阻，提高燃料棒包壳管体1外表面与冷却剂之间的换热系数。

另外，通过凹凸结构形状的合理设计，增加包壳管体1表面摩擦系数，使格架弹簧、刚凸对燃料棒的夹持力有所提升，提高了夹持稳定性。

在一些实施例中，凹凸结构还包括均匀分布在包壳管体1的外侧面上的若干内凹孔12，所述内凹孔12和凸起11交替设置。进一步地提升燃料棒与冷却剂的总体接触面积，提高燃料棒包壳管体1外表面与冷却剂之间的换热系数，提高了夹持稳定性。

凹凸结构的凸起11、内凹孔12采用机械加工的方式加工形成，通常采用微型电机系统(MEMS)加工等方式进行加工，考虑到包壳管体1的实际厚度仅为毫米量级，因此为避免对包壳管体1厚度产生较大影响，内凹孔12、凸起11处在包壳管体1外侧面上的投影形状为圆形、矩形、三角形、菱形等几何形状，凸起11、内凹孔12的最大深度尺寸为μm级别深度。

通常，内凹孔12均匀分布在所述包壳管体1的整个外侧面，在一些实施例中，内凹孔12也可均匀分布在所述包壳管体1外侧面的部分区域。

凸起11在所述包壳管体1上的投影形状为圆形、矩形、三角形、菱形中的至少一种，所述内凹孔12在所述包壳管体1上的投影形状为圆形、矩形、三角形、菱形中的至少一种。

通过对包壳管体1外表面进行规则的内凹孔12、凸起11排列设计，以确保最大限度提升包壳管体1整体换热状况。

根据目前常用的轻水堆燃料棒的这些参数(例如AFA 3G燃料棒，包壳管体1外径为9.5mm、包壳管体1的侧壁厚度为0.57mm、棒间距为12.6mm)，给出包壳管体1上凸点、内凹孔12设置的适用范围：凸点、内凹孔12在包壳管体1上呈圆形截面时半径范围为50～250μm，凸点、内凹孔12在包壳管体1上呈其它截面形状以对应面积量化。

优选地，凸起11的最高处到所述包壳管体1外侧面的距离在为50～250μm范围内，内凹孔12的最深处到所述包壳管体1外侧面的距离在20～200μm范围内。

如图2所示，在本实用新型包壳管体1的第一实施例中，包壳管体1的外侧面设有沿轴向间隔分布的若干圈凸起11。

凸起11遍布整个燃料棒的包壳管体1外表面，本实施例中，包壳管体1外径为9.5mm，侧壁厚度为0.57mm，每个凸起11最高处到所述包壳管体1外侧面的距离为200μm，凸起11在包壳管体1上的投影形状为圆形，其半径为200μm。

进一步地，在燃料棒的周向方向上，每圈均匀排布10个凸起11，而燃料棒的轴向方向上，凸起11竖直排列，轴向两相邻的两圈凸起11之间的轴向节距为800μm。

采用这样的凸点及排列设计后，在包壳管体1壁厚无明显偏差的情况下增加了燃料棒与冷却剂的总体接触面积，同时还破坏流体边界层的延续性，从而整体降低边界层厚度，根据传热学对流换热的基础理论，可提高包壳管体1的换热系数。而且，该凸点设计还有利于格架对燃料棒夹持稳定性的提高。

如图3所示，在本实用新型包壳管体1的第二实施例中，包壳管体1的外侧面也设有沿轴向间隔分布的若干圈凸起11，轴向相邻的两圈凸起11在周向错开。

凸起11遍布整个燃料棒的包壳管体1外表面，本实施例中，包壳管体1外径为9.5mm，侧壁厚度为0.57mm，每个凸起11最高处到所述包壳管体1外侧面的距离为250μm，凸起11在包壳管体1上的投影形状为圆形，其半径为250μm。

进一步地，在燃料棒的周向方向上，每圈均匀排布5个凸起11，而轴向相邻的两圈凸起11在周向错开且平行排列，轴向两相邻的凸起11之间的轴向节距为1000μm。

采用这样的凸点及排列设计后，在包壳管体1壁厚无明显偏差的情况下增加了燃料棒与冷却剂的总体接触面积，还破坏了流体边界层的延续性，从而整体降低边界层厚度，根据传热学对流换热的基础理论，可提高包壳管体1的换热系数。而且，该凸点设计还有利于格架对燃料棒夹持稳定性的提高。

如图4所示，在本实用新型包壳管体1的第三实施例中，包壳管体1的外侧面设有绕所述包壳管体1的外侧面沿轴向呈螺旋形排列的若干圈凸起11。

本实施例中，包壳管体1外径为9.5mm，厚度为0.57mm，凸起11遍布整个燃料棒的包壳管体1外表面，每个凸起11最高处到所述包壳管体1外侧面的距离为100μm，凸起11在包壳管体1上的投影形状为圆形，其半径为100μm。

每圈凸起11的螺旋方向与所述包壳管体1外表面切向的夹角角度为30°，轴向两相邻的两圈凸起11之间的间距为500μm。

采用这样的凸点及排列设计后，在包壳管体1壁厚无明显偏差的情况下增加了燃料棒与冷却剂的总体接触面积，还破坏了流体边界层的延续性，从而整体降低边界层厚度，根据传热学对流换热的基础理论，可提高包壳管体1的换热系数。螺旋排列的凸点圈对冷却剂搅混也有一定的助益。而且，该凸点设计还有利于格架对燃料棒夹持稳定性的提高。

如图5所示，在本实用新型包壳管体1的第四实施例中，包壳管体1的外侧面设有沿轴向间隔分布的若干圈凸起11和若干圈内凹孔12，各圈所述内凹孔12与所述各圈凸起11在轴向交替设置。

在本实施例中，包壳管体1外径为9.5mm，厚度为0.57mm，每圈凸起11均匀排布10个，每圈内凹孔12均匀排布10个，各圈凸起11和各圈内凹孔12在周向交错排列。每个凸起11最高处到所述包壳管体1外侧面的距离为200μm，每个凹陷最低处到所述包壳管体1外侧面的距离为100μm，凸起11、内凹孔12在包壳管体1上的投影形状均为圆形，其半径均为200μm。轴向两相邻的凸起11与内凹孔12之间的轴向距离为600μm。

采用这样的凸点、内凹孔12及错落排列方式后，在包壳管体1壁厚无明显偏差的情况下增加了燃料棒与冷却剂的总体接触面积，破坏了流体边界层的延续性，从而整体降低边界层厚度，根据传热学对流换热的基础理论，可提高包壳管体1的换热系数。

可以理解地，上述各技术特征可以任意组合使用而不受限制。

以上所述仅为本实用新型的实施例，并非因此限制本实用新型的专利范围，凡是利用本实用新型说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本实用新型的专利保护范围内。

Claims (12)

1.一种燃料棒包壳管，包括包壳管体；其特征在于，所述包壳管体(1)的外侧面上设置有按设定规则分布的若干凹凸结构；所述凹凸结构包括分布在所述包壳管体(1)的外侧面的凸起(11)。

2.根据权利要求1所述的燃料棒包壳管，其特征在于，所述凹凸结构包括均匀分布在所述包壳管体(1)的整个外侧面的凸起(11)；或，

所述凹凸结构包括均匀分布在所述包壳管体(1)外侧面的部分区域的凸起(11)。

3.根据权利要求2所述的燃料棒包壳管，其特征在于，所述包壳管体(1)的外侧面设有沿轴向间隔分布的若干圈凸起(11)。

4.根据权利要求3所述的燃料棒包壳管，其特征在于，轴向相邻的两圈凸起(11)在周向错开且平行排列。

5.根据权利要求2所述的燃料棒包壳管，其特征在于，所述包壳管体(1)的外侧面设有绕所述包壳管体(1)的外侧面沿轴向呈螺旋形排列的若干圈凸起(11)。

6.根据权利要求2至5任一项所述的燃料棒包壳管，其特征在于，所述凹凸结构还包括均匀分布在所述包壳管体(1)的外侧面上的若干内凹孔(12)，所述内凹孔(12)和凸起(11)交替设置。

7.根据权利要求6所述的燃料棒包壳管，其特征在于，所述内凹孔(12)均匀分布在所述包壳管体(1)的整个外侧面或均匀分布在所述包壳管体(1)外侧面的部分区域。

8.根据权利要求6所述的燃料棒包壳管，其特征在于，所述凸起(11)在所述包壳管体(1)上的投影形状为圆形、矩形、三角形、菱形中的至少一种，所述内凹孔(12)在所述包壳管体(1)上的投影形状为圆形、矩形、三角形、菱形中的至少一种。

9.根据权利要求6所述的燃料棒包壳管，其特征在于，所述凸起(11)、内凹孔(12)采用机械加工的方式加工形成。

10.根据权利要求6所述的燃料棒包壳管，其特征在于，所述凸起(11)的最高处到所述包壳管体(1)外侧面的距离在为50～250μm范围内，所述内凹孔(12)的最深处到所述包壳管体(1)外侧面的距离在20～200μm范围内。

11.根据权利要求6所述的燃料棒包壳管，其特征在于，所述包壳管体(1)的外侧面设有沿轴向间隔分布的若干圈内凹孔(12)，各圈所述内凹孔(12)与所述各圈凸起(11)在轴向交替设置。

12.一种燃料棒，其特征在于，包括权利要求1至11任一项所述的包壳管。