本实用新型属于核燃料组件技术领域，具体涉及一种燃料棒下端固定式方形双面冷却环形燃料组件。
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。
全性和经济性是核电发展的基础，几乎所有的核电技术发展都以增加核电安全性和经济性为目标。燃料元件作为核电厂反应堆核心部件，其性能是核电安全性和经济性最主要影响因素之一，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。
目前压水堆核电厂普遍采用棒状燃料，可通过加深组件卸料燃耗、延长换料周期，降低电厂运营成本，提高核电经济性。压水堆燃料组件的平均设计燃耗从早期的10～15GWd/tU逐步提高，至今已达到60～70GWd/tU，换料周期也相应地从12个月延长至现在的18或24个月。燃料组件燃耗加深也带来诸如裂变气体释放量增大、包壳腐蚀和吸氢增加、燃料芯块肿胀、燃料元件和组件辐照生长加剧等一系列问题。如何解决这些问题，一直是国际压水堆燃料元件研究的重要任务，例如，研发抗腐蚀性能好的先进包壳，采用低裂变气体释放率的芯块。此外，通过改进定位格架设计，增加组件临界热流密度等途径，也提升了反应堆堆芯的整体安全性。总的来说，棒状燃料组件结构和参数是近50年发展不断优化的结果，以棒状燃料为基础的技术改进对于提升核电经济性和安全性的潜力已非常有限，因此，近些年来，采用其他几何结构的燃料元件成为一种新的发展思路。
对于新型几何结构的燃料元件至少满足以下五个基本要求：1)能提高燃料的“表面积/体积”比；2)能减小芯块厚度；3)有足够的刚度；4)能降低堆芯压降；5)组件要有开式栅格设计。美国麻省理工学院最早提出的轻水堆用环形燃料元件的概念，很好地满足了上述5个要求。所谓环形燃料是将燃料芯块制成环状，在芯块内、外表面加装包壳管，使得冷却剂可以从内、外两个流道同时对元件进行冷却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。
环形燃料作为一种结构上完全革新的先进燃料元件，可大幅度提高燃料元件的传热效率，降低燃料芯块温度，能显著提升反应堆的安全性和经济性，已成为压水堆先进燃料组件的重要发展趋势之一，受到国际上业界的重点关注。美、韩等国相继进行了环形燃料的研发，研究表明环形燃料具有很好的应用前景。
技术实现要素：
本实用新型的目的在于研制设计一种燃料棒下端固定式方形双面冷却环形燃料组件，解决现有棒状燃料组件在使用过程中，容易产生裂变气体释放量增大、包壳腐蚀和吸氢增加、燃料芯块肿胀、燃料元件和组件辐照生长加剧的问题。
本实用新型的技术方案如下所述：
一种燃料棒下端固定式方形双面冷却环形燃料组件，包括上管座、燃料棒、定位格架、下管座、导向管和仪表管；燃料棒、导向管和仪表管插设于定位格架中；定位格架共有多个，沿轴向依次设置；导向管和仪表管的上端与上管座固定连接，下端与下管座固定连接；其特征在于：所述的燃料棒的下端插入下管座，与下管座固定连接，当燃料棒产生辐照生长时，燃料棒向上膨胀；所述的燃料棒采用环形燃料。
如上所述的定位格架共有八到十三个，沿轴向依次设置。
如上所述的定位格架共有十一个；定位格架用于对燃料棒进行固定，并保持燃料棒间距。
如上所述的燃料组件的燃料棒采用5×5至17×17的排列形式。
如上所述的燃料组件的燃料棒采用5×5－4－1的排列形式，包括二十根燃料棒、四根导向管和一根仪表管；四根导向管呈八分之一均等布置，仪表管位于中心位置。
如上所述的燃料组件的燃料棒采用13×13－8－1的排列形式，包括一百六十根燃料棒、八根导向管和一根仪表管；八根导向管呈八分之一均等布置，仪表管位于中心位置。
如上所述的燃料组件的燃料棒采用13×13－4－1的排列形式，包括一百六十四根燃料棒、四根导向管和一根仪表管；四根导向管呈八分之一均等布置，仪表管位于中心位置。
如上所述的燃料组件的燃料棒采用13×13－12－1的排列形式，包括一百五十六根燃料棒、十二根导向管和一根仪表管；十二根导向管呈八分之一均等布置，仪表管位于中心位置。
如上所述的燃料组件的燃料棒采用17×17－8－1的排列形式，包括二百八十根燃料棒、八根导向管和一根仪表管；八根导向管呈八分之一均等布置，仪表管位于中心位置。
如上所述的燃料组件的燃料棒采用17×17－4－1的排列形式，包括二百八十四根燃料棒、四根导向管和一根仪表管；四根导向管呈八分之一均等布置，仪表管位于中心位置。
如上所述的燃料组件的燃料棒采用17×17－12－1的排列形式，包括二百七十六根燃料棒、十二根导向管和一根仪表管；十二根导向管呈八分之一均等布置，仪表管位于中心位置。
如上所述的两个相邻燃料棒之间的最小间隙为0.7至3.5mm；燃料棒与相邻导向管之间的中心距应与相邻两根燃料棒之间的中心距相等。
如上所述的两个相邻燃料棒之间的最小间隙为2mm。
如上所述的上管座上端设置有第一压紧弹簧和上管座定位销孔；第一压紧弹簧共有四个，分别设置在上管座顶部的四条边上，用于压紧燃料组件；上管座定位销孔共有两个，分别设置在上管座顶部的对角上，通过与销钉配合实现对燃料组件的定位。
如上所述的定位格架上设置有定位格架与导向管接触面和定位格架与燃料棒接触面，分别用于对导向管和燃料棒进行定位；定位格架中的具有定位格架与导向管接触面的栅格的位置与导向管的位置相对应，具有定位格架与燃料棒接触面的栅格的位置与燃料棒的位置相对应。
如上所述的下管座的上端分别设置有下管座的导向管安装孔、下管座的燃料棒安装孔、下管座第一流水孔、下管座第二流水孔和下管座第三流水孔；下管座的导向管安装孔的位置与导向管的位置相对应，用于固定导向管；下管座的料棒安装孔的位置与燃料棒的位置相对应，用于固定燃料棒；下管座第一流水孔、下管座第二流水孔和下管座第三流水孔用于通过冷却剂。
如上所述的下管座的下端留有足够空间用于安装防异物结构或装置。
如上所述的燃料棒整体为环状结构，最外层为外包壳，最内层为内包壳，在外包壳和内包壳之间为芯块；在外包壳与芯块之间、芯块与内包壳之间均设置有间隙，方便装配；内包壳和外包壳上方通过氩弧焊连接上端塞，内包壳和外包壳下方通过氩弧焊连接下端塞；上端塞上对称设置两个侧开孔，使得冷却剂能够通过这些侧开孔进入内包壳内壁构成的中空流道，对整体环形燃料棒进行冷却；所述的环形燃料棒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；管状固定件下端螺旋连接固定在下管座上；第二压紧弹簧安装在芯块上端，在运输时提供推力防止芯块窜动，避免造成芯块破损；上端塞上设置一个充气孔，通过该充气孔向内包壳和外包壳嵌套形成的用于容纳芯块的空腔内冲入氦气。
如上所述的上管座和下管座采用不锈钢材料制成，燃料棒的包壳、定位格架、导向管和仪表管采用锆合金材料制成。
本实用新型还包括防异物组件，整体呈方形结构，设置在下管座下表面和下管座支腿之间；所述的防异物组件包括防异物板筋、防异物框体和防异物网；
所述防异物网框体的边缘部四边向上折90°，折弯半径30mm～60mm，与下管座的侧边螺纹连接，所述防异物网框体由厚板整体加工而成，厚度 3mm～8mm，所述防异物框体上设置有若干平行间隔排列在框体上的防异物板筋，防异物板筋设置有螺纹孔；
所述防异物网贴合在防异物网框体下端面上，防异物网的边缘部四边向上折90°，与防异物网框体的边缘部的四边相贴合，形成边缘部四边弯曲面；
所述防异物网上均布有与防异物板筋上螺纹孔相配合的开孔，防异物网与防异物板筋螺接；所述防异物网还包括多个过滤孔单元；所述防异物网由薄板整体加工而成，厚度0.8mm～3mm，所述过滤孔单元的边长设置为0.15～0.35mm；
所述防异物框体的四个角设置有凹槽，所述凹槽尺寸贴合下管座的四个支腿；
所述防异物网的四个角也设置有凹槽，与防异物框体上的凹槽尺寸匹配。
本实用新型的有益效果是：
本实用新型采用环形燃料，可以在保持或增进现有反应堆安全裕度的前提下，大幅提升堆芯输出功率密度，明显改善核电的经济性。正常运行工况下，环形元件整体温度远低于棒状元件；在严重事故工况下，环形燃料芯块的温度低、储能少的特点可以延缓燃料元件包壳失效的进程，为后续的事故缓解和应急响应提供宝贵的时间，提升了压水堆核电厂的固有安全性。环形燃料还可以降低组件的流动阻力，堆芯的阻力减小，可以有效降低压水堆核电厂一回路泵的输出功率，提升使用寿命。通过在燃料棒上端塞设置侧开孔，使得冷却剂能够通过这些侧开孔进入内包壳内壁构成的中空流道，对整体环形燃料棒进行冷却，大大提升了冷却效率。通过采用13×13至17×17的燃料棒方形排列形式，易用于现有的大型压水堆堆芯，使得组件本身的阻力减小，提升流经组件的冷却剂的流速，大大提升冷却效果，降低组件的温度。通过采用8到13层定位格架，可以夹持燃料棒，对燃料棒进行固定，并保持燃料棒间距，使得燃料棒在压水堆核电厂的堆芯中位于固定位置，并且能使得导向管受到横向支撑和定位。由于燃料棒下端与下管座固定，避免了悬空式燃料棒在受到较长时间辐照时，定位格架夹持力减小，导致燃料棒下落。由于燃料棒下端塞与内包壳焊缝位于端部，燃料棒下落时焊缝处会撞击下管座，易造成焊缝失效导致燃料棒破损。采用燃料棒下端固定式结构就避免了上述问题。同时由于燃料棒下端固定，定位格架无需为燃料棒提供较大的夹持力，避免了定位格架夹持力过大造成在燃料棒组装过程中的燃料棒包壳损伤，还可以使得定位格架的结构可以设计的较为简单，有效地降低了燃料组件的制造成本。通过在两个相邻燃料棒之间的设置最小间隙，同时使得燃料棒与相邻导向管之间的中心距与相邻两根燃料棒之间的中心距相等，可以使得冷却剂的流道更为均匀，组件内的温度分布更为平均。本实用新型还提供了一种流通面积大，制造难度小，制造工艺简单结构强度大的适用于环形燃料组件底部装置的防异物组件结构，流通面积比现有的带防异物网的下管座的流通面积大0.6％，有效降低了本实用新型下管座的压降。
附图说明
图1是本实用新型的一种燃料棒下端固定式方形双面冷却环形燃料组件的主视图；
图2是本实用新型的一种燃料棒下端固定式方形双面冷却环形燃料组件的横截面视图；
图3是本实用新型的一种燃料棒下端固定式方形双面冷却环形燃料组件的上管座的结构示意图；
图4是本实用新型的一种燃料棒下端固定式方形双面冷却环形燃料组件的定位格架；
图5是图4的局部放大图；
图6是本实用新型的一种燃料棒下端固定式方形双面冷却环形燃料组件的下管座的结构示意图；
图7是本实用新型的一种燃料棒下端固定式方形双面冷却环形燃料组件的燃料棒的主视图；
图8是图7的截面视图；
图9是本实用新型的一种方形双面冷却环形燃料组件的防异物组件的结构示意图。
其中：1.上管座，2.燃料棒，3.定位格架，4.下管座，5.导向管，6.仪表管， 7.第一压紧弹簧，8.上管座定位销孔，9.定位格架与导向管接触面，10.定位格架与燃料棒接触面，11.下管座的导向管安装孔，12.下管座的燃料棒安装孔，13. 下管座第一流水孔，14.下管座第二流水孔，15.下管座第三流水孔，16.外包壳， 17.芯块，18.内包壳，19.上端塞，20.第二压紧弹簧，21.下端塞，22.管状固定件， 23.侧开孔，24.防异物板筋，25.防异物框体，26.防异物网。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本实用新型进行进一步描述。
如图1和图2所示，一种燃料棒下端固定式方形双面冷却环形燃料组件，包括上管座1、燃料棒2、定位格架3、下管座4、导向管5和仪表管6。燃料棒 2、导向管5和仪表管6插设于定位格架3中。定位格架3共有多个，沿轴向依次设置。导向管5和仪表管6的上端与上管座1固定连接，下端与下管座4固定连接。燃料棒2的下端插入下管座4，与下管座4固定连接，当燃料棒产生辐照生长时，燃料棒向上膨胀。燃料棒2采用环形燃料。
所述的定位格架3共有八到十三个，沿轴向依次设置。优选地，定位格架3 共有十一个。定位格架3用于对燃料棒进行固定，并保持燃料棒间距，使得燃料棒在压水堆核电厂的堆芯中位于固定位置，并且能使得导向管受到横向支撑和定位。
所述的燃料组件的燃料棒2可以采用5×5至17×17的排列形式。采用上述排列形式可以使得组件本身的阻力减小，提升流经组件的冷却剂的流速，大大提升冷却效果，降低组件的温度。
所述的燃料组件的燃料棒2采用5×5－4－1的排列形式，包括二十根燃料棒2、四根导向管5和一根仪表管6。四根导向管5呈八分之一均等布置，仪表管6位于中心位置。
如图2所示，所述的燃料组件的燃料棒2还可以采用13×13－8－1的排列形式，包括一百六十根燃料棒2、八根导向管5和一根仪表管6。八根导向管5 呈八分之一均等布置，仪表管6位于中心位置。
所述的燃料组件的燃料棒2还可以采用13×13－4－1的排列形式，包括一百六十四根燃料棒2、四根导向管5和一根仪表管6。四根导向管5呈八分之一均等布置，仪表管6位于中心位置。
所述的燃料组件的燃料棒2还可以采用13×13－12－1的排列形式，包括一百五十六根燃料棒2、十二根导向管5和一根仪表管6。十二根导向管5呈八分之一均等布置，仪表管6位于中心位置。
所述的燃料组件的燃料棒2还可以采用17×17－8－1的排列形式，包括二百八十根燃料棒2、八根导向管5和一根仪表管6。八根导向管5呈八分之一均等布置，仪表管6位于中心位置。
所述的燃料组件的燃料棒2还可以采用17×17－4－1的排列形式，包括二百八十四根燃料棒2、四根导向管5和一根仪表管6。四根导向管5呈八分之一均等布置，仪表管6位于中心位置。
所述的燃料组件的燃料棒2还可以采用17×17－12－1的排列形式，包括二百七十六根燃料棒2、十二根导向管5和一根仪表管6。十二根导向管5呈八分之一均等布置，仪表管6位于中心位置。
上述各种排列形式的燃料组件中，两个相邻燃料棒2之间的最小间隙为0.7 至3.5mm，优选采用2mm。燃料棒2与相邻导向管5之间的中心距应与相邻两根燃料棒2之间的中心距相等。通过上述结构设置可以使得冷却剂的流道更为均匀，组件内的温度分布更为平均。
如图3所示，上管座1上端设置有第一压紧弹簧7和上管座定位销孔8。第一压紧弹簧7共有四个，分别设置在上管座1顶部的四条边上，用于压紧燃料组件。上管座定位销孔8共有两个，分别设置在上管座1顶部的对角上，通过与销钉配合实现对燃料组件的定位。
如图4和图5所示，定位格架3上设置有定位格架与导向管接触面9和定位格架与燃料棒接触面10，分别用于对导向管5和燃料棒2进行定位。定位格架3中的具有定位格架与导向管接触面9的栅格的位置与导向管5的位置相对应，具有定位格架与燃料棒接触面10的栅格的位置与燃料棒2的位置相对应。
如图6所示，下管座4的上端分别设置有下管座的导向管安装孔11、下管座的燃料棒安装孔12、下管座第一流水孔13、下管座第二流水孔14和下管座第三流水孔15。下管座的导向管安装孔11的位置与导向管5的位置相对应，用于固定导向管5。下管座的料棒安装孔12的位置与燃料棒2的位置相对应，用于固定燃料棒2。下管座第一流水孔13、下管座第二流水孔14和下管座第三流水孔15用于通过冷却剂。下管座4的下端留有足够空间用于安装防异物结构或装置。
如图7和图8所示，燃料棒2整体为环状结构，最外层为外包壳16，最内层为内包壳18，在外包壳16和内包壳18之间为芯块17。在外包壳16与芯块 17之间、芯块17与内包壳18之间均设置有间隙，方便装配。内包壳18和外包壳16上方通过氩弧焊连接上端塞19，内包壳18和外包壳16下方通过氩弧焊连接下端塞21。上端塞19上对称设置两个侧开孔23，使得冷却剂能够通过这些侧开孔23进入内包壳18内壁构成的中空流道，对整体环形燃料棒进行冷却。所述的环形燃料棒通过管状固定件22固定在下管座4上；该管状固定件22 上端螺旋连接在下端塞21的外表面；管状固定件22下端螺旋连接固定在下管座4上。第二压紧弹簧20安装在芯块17上端，在运输时提供推力防止芯块17 窜动，避免造成芯块17破损。上端塞19上设置一个充气孔，通过该充气孔向内包壳18和外包壳16嵌套形成的用于容纳芯块17的空腔内冲入氦气。燃料棒 2由于采用了环形结构，可以在保持或增进现有反应堆安全裕度的前提下，大幅提升堆芯输出功率密度，明显改善核电的经济性。正常运行工况下，环形元件整体温度远低于棒状元件；在严重事故工况下，环形燃料芯块的温度低、储能少的特点可以延缓燃料元件包壳失效的进程，为后续的事故缓解和应急响应提供宝贵的时间，提升了压水堆核电厂的固有安全性。环形燃料还可以降低组件的流动阻力，堆芯的阻力减小，可以有效降低压水堆核电厂一回路泵的输出功率，提升使用寿命。
在本实施例中，上管座1和下管座4采用不锈钢材料制成，燃料棒2的包壳、定位格架3、导向管5和仪表管6采用锆合金材料制成。
优选地，如图9所示，本实用新型还包括防异物组件，整体呈方形结构，设置在下管座4下表面和下管座4支腿之间。所述的防异物组件包括防异物板筋24、防异物框体25和防异物网26。
所述防异物网框体25的边缘部四边向上折90°，折弯半径30mm～60mm，与下管座4的侧边螺纹连接，所述防异物网框体25由厚板整体加工而成，厚度 3mm～8mm，所述防异物框体25上设置有若干平行间隔排列在框体上的防异物板筋24，防异物板筋24设置有螺纹孔。
所述防异物网26贴合在防异物网框体25下端面上，防异物网26的边缘部四边向上折90°，与防异物网框体25的边缘部的四边相贴合，形成边缘部四边弯曲面。
所述防异物网26上均布有与防异物板筋24上螺纹孔相配合的开孔，防异物网26与防异物板筋24螺接；所述防异物网26还包括多个过滤孔单元，所述过滤孔单元孔可设置为方形、圆形或正六边形结构。所述防异物网26由薄板整体加工而成，厚度0.8mm～3mm，所述过滤孔单元的边长可设置为0.15～0.35mm。
所述防异物框体25的四个角设置有凹槽，所述凹槽尺寸贴合下管座4的四个支腿。所述防异物网框体25的结构还可设计成多种形状，如：梯形等，且具有足够大的强度，能承受冷却剂冲击载荷。
所述防异物网26的四个角也设置有凹槽，与防异物框体25上的凹槽尺寸匹配。
上面结合实施例对本实用新型的实施方法作了详细说明，但是本实用新型并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本实用新型宗旨的前提下作出各种变化。本实用新型说明书中未作详细描述的内容均可以采用现有技术。