一种带有绕丝的双面冷却环形燃料棒的制作方法

本发明涉及核电技术领域，具体涉及一种燃料棒，进一步涉及一种带有绕丝的双面冷却环形燃料棒。

背景技术：

核电站反应堆运行过程中，核燃料的性能是影响反应堆安全性和经济性的重要因素。因此国际上一直将燃料元件的研究放在十分突出的地位，通过优化燃料元件设计、采用先进结构材料、改进元件制造工艺等方法，不断提高核燃料元件的各种性能，促使核电向更安全和更经济的方向发展。

通常核燃料都设计成实心圆柱状的，由上下端塞、芯块、压紧弹簧和包壳组成，冷却剂从包壳外流过，对燃料棒进行冷却。

在现有压水堆燃料组件设计中，燃料棒一般采用定位格架夹持悬空的方式，下管座通过控制棒导向管支撑整个燃料组件。这种设计对定位格架的要求比较高。在反应堆运行的期末，由于辐照的作用夹持燃料棒的弹簧的夹持力会急剧减小，燃料棒一般会落在下管座上，在冷却剂的流动作用下，燃料棒可能会上下窜动，这会导致燃料棒破损的风险。

与传统的实心圆柱状燃料相比，环形燃料的好处是在很高的线性密度下，燃料中心的温度仍然很低，燃料内的储能较少，裂变气体释放较少。可预期正常运行和瞬态条件下燃料性能较好。

现有实验快堆燃料元件中，燃料棒包壳管外表使用了不锈钢绕丝结构，将燃料棒包壳管进行隔离和定位，以便冷却剂na能够从燃料棒包壳管间绕丝形成的螺旋形空腔中流过，形成冷却液循环回路带走反应堆释放的热量。未见有环形燃料棒外带有绕丝结构的文献报道。同时，环形燃料棒从结构到材料与快堆燃料棒明显不同，无法将快堆燃料棒的绕丝方式直接用于环形燃料棒外。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种能够降低燃料棒温度，提高dnbr，增强燃料棒安全性，并且结构简单易于加工的带有绕丝的双面冷却环形燃料棒，

实现本发明目的的技术方案：一种带有绕丝的双面冷却环形燃料棒，该环形燃料棒包括上端塞、下端塞、内包壳、外包壳、环形燃料芯块；其内包壳和外包壳嵌套形成的空腔用来容纳环形燃料芯块，内包壳和外包壳上方连接上端塞、下方连接下端塞；在外包壳的外表面缠绕1根或多根绕丝，即绕丝呈螺旋状绕制在外包壳外表面；所述的绕丝两端分别固定在上端塞及下端塞上。

如上所述的一种带有绕丝的双面冷却环形燃料棒，其所述的绕丝一端通过焊接方式固定在下端塞上；另一个端通过焊接方式固定在上端塞上。

如上所述的一种带有绕丝的双面冷却环形燃料棒，其所述的环形燃料棒的下端塞通过管状固定件固定在下管座上。

如上所述的一种带有绕丝的双面冷却环形燃料棒，其所述的环形燃料棒的下端塞通过管状固定件固定在下管座上，该管状固定件上端螺旋连接在下端塞的外表面，管状固定件下端固定在下管座上的固定方式包括螺旋连接、卡扣连接、c形环或销钉连接。

如上所述的一种带有绕丝的双面冷却环形燃料棒，其所述的管状固定件上或者下端塞避开焊接位置处开有2至6个侧开孔，防止堵流，冷却剂为从下往上端塞流。

如上所述的一种带有绕丝的双面冷却环形燃料棒，其所述的上端塞上可设置1个充气孔，通过该充气孔向内包壳和外包壳嵌套形成的用于容纳燃料芯块的空腔内冲入氦气。

如上所述的一种带有绕丝的双面冷却环形燃料棒，其所述绕丝的螺距与环形燃料棒的长度比值为1：(4～8)。

如上所述的一种带有绕丝的双面冷却环形燃料棒，其所述的外包壳的外表面缠绕1～3根绕丝；所述的绕丝直径1～4mm。

如上所述的一种带有绕丝的双面冷却环形燃料棒，其所述的绕丝材料为锆合金。

如上所述的一种带有绕丝的双面冷却环形燃料棒，其所述的环形燃料棒长度与内包壳内径比为(400～600)：1，环形燃料棒长度与外包壳外径比为(200～350)：1；

如上所述的一种带有绕丝的双面冷却环形燃料棒，其所述的内包壳的外表面与环形燃料芯块的内表面间隙为0.02～0.1mm；所述的外包壳的内表面与环形燃料芯块的外表面间隙为0.03～0.15mm。

如上所述的一种带有绕丝的双面冷却环形燃料棒，其所述的环形燃料芯块上端安装有压紧弹簧。

如上所述的一种带有绕丝的双面冷却环形燃料棒，其所述的压紧弹簧一端顶在环形燃料芯块上，另一端顶在上端塞上，在压紧弹簧的推力作用下，环形燃料芯块压紧在下端塞上。

如上所述的一种带有绕丝的双面冷却环形燃料棒，其所述的环形燃料棒传热面积与燃料体积比为0.6-2。

如上所述的一种带有绕丝的双面冷却环形燃料棒，其所述的环形燃料棒最高平均功率为30-50kw/m；环形燃料芯块最高温度降低于500℃。

本发明所述的一种环形燃料组件，该环形燃料组件包括上管座、下管座、环形燃料棒，其所述的环形燃料棒采用上述任一一种带有绕丝的双面冷却环形燃料棒。

如上所述的一种环形燃料组件，该燃料组件包括多根带有绕丝的双面冷却环形燃料棒，这些带有绕丝的双面冷却环形燃料棒放置于围板或燃料盒内，围板或燃料盒上端与上管座直接相连接，围板或燃料盒下端与下管座直接连接。

如上所述的一种环形燃料组件，其12×12根至17×17根所述的带有绕丝的双面冷却环形燃料棒放置于围板或燃料盒内，相邻环形燃料棒之间绕丝是错位排布的。

本发明的效果在于：本发明所述的带有绕丝的双面冷却环形燃料棒，绕制在环形燃料棒外部的绕丝，具有明显增加冷却剂横向流动的作用，增强燃料棒到冷却剂传热效果，通过冷却剂扰流带走更多热通道热量，降低燃料棒温度，提高dnbr，增强燃料棒安全性。本发明所述的带有绕丝的双面冷却环形燃料棒，能双面冷却，即内外均可以有冷却剂流通，对燃料棒进行冷却。与现有压水堆燃料棒结构相比，燃料传热面积增大50％，燃料芯块最高温度降低了1000℃，线功率密度增大20％～50％，流动阻力减小20％。本发明设计的双面冷却环形燃料棒通过焊接方式进行连接具有一定的强度且易于加工。本发明环形燃料棒通过管状固定件固定在下管座上，避免了运行过程中夹持燃料棒的弹簧的夹持力减小，造成燃料棒落在下管座上损坏燃料棒的问题，防止冷却剂通过燃料组件向上流动时燃料棒上下窜动，避免导致燃料棒破损的风险。本发明所述的带有绕丝的双面冷却环形燃料棒的燃料组件，由于外包壳外缠绕绕丝，因此无定位格架，通过设置在多根环形燃料棒四周外部的围板(或燃料盒)径向束缚燃料棒，燃料棒组装时不易引起外包壳损伤。

附图说明

图1为本发明一种带有绕丝的双面冷却环形燃料棒示意图。

图2为本发明一种带有绕丝的双面冷却环形燃料棒剖视图。

图中：1.上端塞；2.内包壳；3.外包壳；4.压紧弹簧；5.环形燃料芯块；6.下端塞；7.管状固定件；8.充气孔；9.绕丝。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明所述的一种带有绕丝的双面冷却环形燃料棒作进一步描述。

实施例1

如图1和图2所示，本发明所述的一种带有绕丝的双面冷却环形燃料棒，该环形燃料棒包括上端塞1、下端塞6、内包壳2、外包壳3、环形燃料芯块5；其中，内包壳2和外包壳3嵌套形成的空腔用来容纳环形燃料芯块5，内包壳2和外包壳3上方连接上端塞1、下方连接下端塞6；

在外包壳3的外表面缠绕1根绕丝9，即绕丝9呈螺旋状绕制在外包壳3外表面。所述的绕丝9一端通过焊接方式固定在下端塞6上；另一个端通过焊接方式固定在上端塞1上。

所述的管状固定件7上或者下端塞6避开焊接位置处开有2至6个侧开孔，防止堵流，冷却剂为从下往上端塞流。

所述绕丝的螺距与环形燃料棒的长度比值为1：4。所述的绕丝材料为锆合金；绕丝直径2mm。

环形燃料棒长度与内包壳内径比为500：1，环形燃料棒长度与外包壳外径比为300：1；所述的内包壳的外表面与环形燃料芯块的内表面间隙为0.08mm；所述的外包壳的内表面与环形燃料芯块的外表面间隙为0.1mm。

所述的环形燃料芯块上端安装有压紧弹簧。所述的上端塞1上设置1个充气孔8，通过该充气孔向内包壳和外包壳嵌套形成的用于容纳燃料芯块的空腔内冲入氦气。

所述的环形燃料棒传热面积与燃料体积比为0.6-2；环形燃料棒最高平均功率为30-50kw/m；环形燃料芯块5最高温度降低于500℃。

实施例2

如图1和图2所示，本发明所述的一种带有绕丝的双面冷却环形燃料棒，该环形燃料棒包括上端塞1、下端塞6、内包壳2、外包壳3、环形燃料芯块5；其中，内包壳2和外包壳3嵌套形成的空腔用来容纳环形燃料芯块5，内包壳2和外包壳3上方连接上端塞1、下方连接下端塞6；

在外包壳3的外表面缠绕3根绕丝9，即绕丝9呈螺旋状绕制在外包壳3外表面。所述的绕丝9一端通过焊接方式固定在下端塞6上；另一个端通过焊接方式固定在上端塞1上。

所述的环形燃料棒的下端塞6通过管状固定件7固定在下管座上。该管状固定件7上端螺旋连接在下端塞6的外表面，管状固定件7下端固定在下管座上的固定方式包括螺旋连接、卡扣连接、c形环或销钉连接。

所述的管状固定件7上开有2至6个侧开孔，防止堵流，冷却剂为从下往上端塞流。

所述绕丝的螺距与环形燃料棒的长度比值为1：6。所述的绕丝材料为锆合金；绕丝直径1mm。

所述的上端塞1上可设置1个充气孔8，通过该充气孔向内包壳和外包壳嵌套形成的用于容纳燃料芯块的空腔内冲入氦气。

环形燃料棒长度与内包壳内径比为400：1，环形燃料棒长度与外包壳外径比为200：1；所述的内包壳的外表面与环形燃料芯块的内表面间隙为0.02mm；所述的外包壳的内表面与环形燃料芯块的外表面间隙为0.03mm。

所述的环形燃料芯块上端安装有压紧弹簧。所述的压紧弹簧一端顶在环形燃料芯块上，另一端顶在上端塞上，在压紧弹簧的推力作用下，环形燃料芯块压紧在下端塞上。

所述的环形燃料棒传热面积与燃料体积比为0.6-2；环形燃料棒最高平均功率为30-50kw/m；环形燃料芯块5最高温度降低于500℃。

实施例3

如图1和图2所示，本发明所述的一种带有绕丝的双面冷却环形燃料棒，该环形燃料棒包括上端塞1、下端塞6、内包壳2、外包壳3、环形燃料芯块5；其中，内包壳2和外包壳3嵌套形成的空腔用来容纳环形燃料芯块5，内包壳2和外包壳3上方连接上端塞1、下方连接下端塞6；

在外包壳3的外表面缠绕3根绕丝9，即绕丝9呈螺旋状绕制在外包壳3外表面：所述的绕丝9一端通过焊接方式固定在下端塞6上；另一个端通过焊接方式固定在上端塞1上。

所述绕丝的螺距与环形燃料棒的长度比值为1：8。所述的绕丝材料为锆合金；绕丝直径4mm。

环形燃料棒长度与内包壳内径比为600：1，环形燃料棒长度与外包壳外径比为350：1；所述的内包壳的外表面与环形燃料芯块的内表面间隙为0.1mm；所述的外包壳的内表面与环形燃料芯块的外表面间隙为0.15mm。

所述的环形燃料芯块上端安装有压紧弹簧。所述的上端塞1上设置1个充气孔，通过该充气孔向内包壳和外包壳嵌套形成的用于容纳燃料芯块的空腔内冲入氦气。

所述的环形燃料棒传热面积与燃料体积比为0.6-2；环形燃料棒最高平均功率为30-50kw/m；环形燃料芯块5最高温度降低于500℃。

实施例4

一种环形燃料组件，其包括上管座、下管座、环形燃料棒。所述的环形燃料棒采用实施例1所述的带有绕丝的双面冷却环形燃料棒，该环形燃料组件包括12×12根带有绕丝的双面冷却环形燃料棒，这些带有绕丝的双面冷却环形燃料棒放置于围板内，围板上端与上管座直接相连接，围板下端与下管座直接连接。

围板内的相邻环形燃料棒之间绕丝是错位排布的。

所述的带有绕丝的双面冷却环形燃料棒通过管状固定件7固定在下管座上。该管状固定件上端螺旋连接在下端塞6的外表面，管状固定件下端固定在下管座上，固定方式包括螺旋连接、卡扣连接、c形环或销钉连接。

实施例5

一种环形燃料组件，其包括上管座、下管座、环形燃料棒。所述的环形燃料棒采用实施例2或实施例3所述的带有绕丝的双面冷却环形燃料棒，该环形燃料组件包括17×17根带有绕丝的双面冷却环形燃料棒，这些带有绕丝的双面冷却环形燃料棒放置于燃料盒内，燃料盒上端与上管座直接相连接，燃料盒下端与下管座直接连接。

燃料盒内的相邻环形燃料棒之间绕丝是错位排布的。