三冷式燃料棒及燃料组件的制作方法

本实用新型涉及一种核燃料棒，尤其涉及一种三冷式燃料棒及使用该核燃料棒的燃料组件。

背景技术：

压水堆核电站的堆芯由多个燃料组件组成，现有的燃料组件中，燃料棒的芯块多为实心设计。对于实心芯块，热中子进入燃料棒后，首先被芯块外层的裂变材料所吸收，造成芯块内部的热中子通量密度比外层的要低，导致芯块内层的裂变材料不能充分有效地吸收热中子。也就是说，外层裂变材料对里层裂变材料起了屏蔽作用，即为自屏效应，该自屏效应会导致芯块在径向越往内部，残留的可裂变材料越多，容易造成裂变资源的浪费，降低反应堆堆芯的经济性。

如果核反应堆发生类似RIA(反应性引入事故)等事故时，实心芯块因为具有较大的径向厚度，会产生较大的芯块径向热膨胀量，从而使燃料棒更容易发生PCMI(芯块与包壳机械相互作用)失效。另外，较大的芯块半径会导致芯块中心温度过高，容易发生芯块熔化。

技术实现要素：

本实用新型要解决的技术问题在于，提供一种减小芯块径向厚度，提高反应堆安全性和经济性的三冷式燃料棒及使用该核燃料棒的燃料组件。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种三冷式燃料棒，包括棒体，所述棒体包括内层包壳、依次套设在所述内层包壳外的中层包壳和外层包壳、设置在所述内层包壳内部的第一芯块以及设置在所述中层包壳和外层包壳之间的第二芯块；所述中层包壳和所述内层包壳之间的环形间隔形成供冷却剂通过的内部冷却通道。

优选地，所述第一芯块为柱体芯块；所述第二芯块为环形芯块。

优选地，所述棒体还包括设置在所述内层包壳的外壁面和/或所述中层包壳内壁面上的数个肋条。

优选地，数个所述肋条相平行间隔，并沿所述内层包壳和/或中层包壳的轴向延伸。

优选地，数个所述肋条螺旋绕覆在所述内层包壳的外壁面和/或所述中层包壳的内壁面上。

优选地，所述棒体还包括设置在所述内部冷却通道内的弹性支撑结构。

优选地，所述弹性支撑结构沿所述内部冷却通道的轴向或径向延伸，其相对两侧分别抵接所述内层包壳的外壁面和中层包壳的内壁面。

优选地，所述弹性支撑结构包括至少一个设置在所述内部冷却通道内的支撑环，所述支撑环的周向呈波浪状；或者，所述弹性支撑结构包括至少一个沿所述内部冷却通道的轴向延伸的条状体，其相对两侧面分别抵接所述内层包壳的外壁面和中层包壳的内壁面，另外相对两侧面上设有相向内凹的凹部。

优选地，所述三冷式燃料棒还包括分别安装在所述棒体两端部上的第一端塞和第二端塞。

本实用新型还提供一种燃料组件，包括以上任一项所述的三冷式燃料棒。

本实用新型的有益效果：相较于现有技术中的实心芯块，本实用新型中多层包壳的设置及其内芯块的设置，在相同堆芯铀装量的前提下，可使芯块径向厚度大幅减小，从而显著减小自屏效应，进而减小可裂变材料残留量；芯块径向厚度大幅减小，芯块的径向热膨胀量也会随之减小，从而减小反应堆特定事故工况下的PCMI载荷，进而减小燃料棒发生PCMI失效的概率。此外，较小芯块径向厚度可以使芯块的最高温度显著降低。

本实用新型的三冷式燃料棒相较于现有技术的燃料棒，在低燃耗阶段具有较小的反应性，在高燃耗阶段具有较大的反应性；在相同铀装量的情况下，这个反应性变化特点可以使反应堆的循环长度更长，也更容易对反应堆的初始反应性进行控制。

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是本实用新型第一实施例的三冷式燃料棒的剖面结构示意图；

图2是本实用新型第一实施例的三冷式燃料棒中内层包壳上肋条的结构示意图；

图3是本实用新型第二实施例的三冷式燃料棒中内层包壳和中层包壳之间(径向)的部分结构示意图；

图4是本实用新型第三实施例的三冷式燃料棒中内层包壳和中层包壳之间的结构示意图；

图5是本实用新型的三冷式燃料棒与现有技术燃料棒在铀装量相等前提下的无限增殖系数随燃耗burnup的变化趋势示意图；

图6是本实用新型一实施例的燃料组件的结构示意图。

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。

本实用新型第一实施例的三冷式燃料棒，用于核反应堆燃料组件。该三冷式燃料棒包括棒体。

如图1所示，棒体包括内层包壳1、依次套设在内层包壳1外的中层包壳2和外层包壳3；还包括设置在内层包壳1内部的第一芯块4以及设置在中层包壳2和外层包壳3之间的第二芯块5。中层包壳2间隔内层包壳1，两者之间的环形间隔形成供冷却剂通过的内部冷却通道6。内部冷却通道6中水等冷却剂的流通，同时对内层包壳1和中层包壳2进行冷却；外层包壳3则由外部流通的冷却剂进行冷却。

其中，内层包壳1、中层包壳2和外层包壳3为内径逐个增大的管状结构。并且，内层包壳1和中层包壳2之间、中层包壳2和外层包壳3之间分别留有环形间隔。

第一芯块4设置在内层包壳1的内部，为实心的柱体芯块(如圆柱体)。第二芯块5为环形芯块，设置在中层包壳2和外层包壳3之间的环形间隔内。内层包壳1和中层包壳2之间的环形间隔不设芯块，形成内部冷却通道6。相对于实心的第一芯块4，第二芯块5为中空的芯块；两者之间有内层包壳1、中层包壳和内部冷却通道6隔开。

多层包壳、内部冷却通道6、第一芯块4和第二芯块5的设置，与现有技术中的整体实心芯块相比，在相同堆芯铀装量的前提下，可使芯块径向厚度大幅减小，从而显著减小自屏效应，进而减小可裂变材料残留量，更加充分地利用芯块中的可裂变材料，提高反应堆的经济性。另外，芯块径向厚度大幅减小，芯块的径向热膨胀量也会随之减小，从而减小反应堆特定事故工况下的PCMI载荷，进而减小燃料棒发生PCMI失效的概率。此外，较小芯块径向厚度可以使芯块的最高温度显著降低。

此外，与现有技术中的整体实心芯块相比，在相同的堆芯铀装量前提下，本实用新型的三冷式燃料棒会有较大的燃料棒外径，结合三层包壳，使得燃料棒的惯性矩也较大，更不容易发生燃料棒弯曲的现象。

三冷式燃料棒的棒体中，内层包壳1、中层包壳2和外层包壳3之间的径向厚度可为一致，也可不一致。对于径向厚度不一致的选择，外层包壳3、中层包壳2和内层包壳1的径向厚度优选依次递减。

进一步地，为防止由于三冷式燃料棒内外区不同的弯曲造成内层包壳1与中层包壳2接触，进而影响内部冷却剂通道6的传热，棒体还包括设置在内层包壳1的外壁面和/或中层包壳2内壁面上的数个肋条7。

数个肋条7在内层包壳1的外壁面和/或中层包壳2内壁面上凸出设置，在防止内层包壳1与中层包壳2接触的同时不影响冷却剂在内部冷却剂通道6中的流通。

优选地，数个肋条7之间相平行间隔，并沿内层包壳1和/或中层包壳2的轴向延伸。肋条7可一体成型在内层包壳1和/或中层包壳2上，也可通过焊接等方式固定在内层包壳1和/或中层包壳2上。

如图2所示，本实施例中，数个肋条7螺旋绕覆在内层包壳1的外壁面和/或中层包壳2的内壁面上。肋条7的螺旋绕覆方式还可以增强内部冷却通道6中冷却剂搅混作用，从而增强换热效果。

可以理解地，肋条7的延伸方向也可以平行内层包壳1和/或中层包壳2的轴向，或者是其他的绕覆方式，只要不影响冷却剂在内部冷却剂通道6中的流通即可。

进一步地，三冷式燃料棒还包括分别安装在棒体两端部上的第一端塞(未图示)和第二端塞(未图示)，以及气腔弹簧等，第一端塞、第二端塞和气腔弹簧等均可参照现有技术中的端塞和气腔弹簧，其中第一端塞和第二端塞对应棒体的端部设置。

如图3所示，本实用新型第二实施例的三冷式燃料棒，与上述第一实施例不同的是：棒体还可以包括弹性支撑结构，弹性支撑结构代替肋条7，设置在内部冷却通道6内，其防止内层包壳1与中层包壳2接触的同时，也可以承受内层包壳1与中层包壳2因热膨胀、辐照生长、辐照蠕变等使内部冷却剂通道6间隙发生变化而产生的机械相容性问题。

弹性支撑结构可以采用锆合金或因科镍合金等金属材料制成。

弹性支撑结构可沿内部冷却通道6的轴向或径向延伸，其相对两侧分别抵接内层包壳1的外壁面和中层包壳2的内壁面，以支撑在内层包壳1和中层包壳2之间。并且，弹性支撑结构在内部冷却通道6中不充满整个内部冷却通道6，以保证冷却剂在内部冷却通道6中的流通。

本实施例中，弹性支撑结构包括至少一个设置在内部冷却通道6内的支撑环8，支撑环8的周向呈波浪状，从而波峰和波谷可分别抵接内层包壳1的外壁面和中层包壳2的内壁面。支撑环8的波浪状设置使得支撑环8不会充满其所在的径向平面，冷却剂可沿着支撑环8表面通过而在内部冷却通道6中流通。

弹性支撑结构包括多个支撑环8时，多个支撑环8可沿内部冷却通道6的轴向间隔分布。

在其他实施例中，支撑环8的长度也可沿内部冷却通道6的轴向延伸形成环形的支撑管，冷却剂可沿着支撑管的表面通过而在内部冷却通道6中流通。

如图4所示，本实用新型第三实施例的三冷式燃料棒，与上述第二实施例不同的是：弹性支撑结构包括至少一个条状体9，条状体9沿内部冷却通道6的轴向延伸。条状体9的外周形状不限定，只要可支撑在内层包壳1和中层包壳2之间且不阻断冷却剂的流通即可。

本实施例中，条状体9的外周为多边形，沿内部冷却通道6的径向延伸，其中相对两侧面分别抵接内层包壳1的外壁面和中层包壳2的内壁面，另外相对两侧面上设有相向内凹的凹部91。凹部91的设置可减少弹性支撑结构在内部冷却通道6中占用的空间，确保冷却剂在内部冷却通道6中的流量及流通。

弹性支撑结构包括多个条状体9时，多个条状体9可沿内部冷却通道6的周向间隔分布。

另外，本实用新型的三冷式燃料棒中，第一芯块4和第二芯块5的材料可由现有技术实现。或者，第一芯块4和第二芯块5的基体材料可以选择具有高热导率特点的添加物芯块，如二氧化铀添加BeO、二氧化铀添加S iC、二氧化铀添加纳米金刚石、FCM芯块或者金属型芯块等等，从而进一步减小芯块最高温度。

参考5图，其为本实用新型的三冷式燃料棒及现有技术的燃料棒在铀装量相等前提下的无限增殖系数(kinf)随燃耗burnup(有效满功率天数，EFPD)的变化趋势示意图。无限增殖系数(kinf)定义为无限大介质中新生一代中子数和产生它的直属上一代中子数之比。其中，横轴为有效满功率天数，纵轴为无限增殖系数；原点为现有技术燃料棒，方点为本实用新型的三冷式燃料棒。

从图5中可以看出，在低燃耗阶段，三冷式燃料棒具有相对较小的反应性；在高燃耗阶段，三冷式燃料棒具有相对较大的反应性；较为平坦的反应性变化特点可使在相同铀装量的情况下，本实用新型相比现有技术的燃料棒，可使反应堆的循环长度更长，同时更容易对反应堆堆芯的初始反应性进行控制。

如图6所示，本实用新型的燃料组件，包括数个燃料棒组，每一个燃料棒组包壳数个上述的三冷式燃料棒。燃料组件还包括相对设置的上管座10和下管座20、数个定位格架30以及数个导向管40。数个定位格架30沿燃料组件轴向间隔设置在上管座10和下管座20之间，导向管40穿过定位格架30并安装在上管座10和下管座20之间，三冷式燃料棒夹持于定位格架30的栅元之中。

定位格架30可采用具有搅混功能的格架，使得冷却剂更多地流向定位格架30内部参与搅混，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。

下管座20可包括匹配板和连接在匹配板下方的支撑腿，匹配板设有用于固定导向管的固定孔和供冷却剂通过的流道。上管座10也可包括匹配板，匹配板设有用于固定导向管的固定孔和供冷却剂通过的流道。

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。