一种燃料棒及燃料组件

1.本技术涉及核燃料组件安全技术领域，更具体地，涉及一种燃料棒及燃料组件。


背景技术：

2.核能作为一种高密度能量和低污染排放能源，具有大规模替代化石能源的能力，在目前的世界能源结构中占有重要地位。但由于核反应燃料泄露的危害不可逆转，国际上对于核反应堆的安全运行十分重视。目前有不少学者致力于燃料棒组件的优化研究，以提高燃料棒组件的换热性能，最大程度上保障核反应堆的稳定运行。


技术实现要素：

3.本技术提供了一种可至少部分解决现有技术中存在的上述问题的燃料棒及燃料组件。
4.本技术一方面提供一种燃料棒，包括：包壳，所述包壳内部设有燃料芯体；定位绕丝，螺旋绕设在所述包壳的外壁上，所述定位绕丝具有沿其轴向方向的中空腔室，且所述定位绕丝的管壁上设置有用于供冷却剂出入所述中空腔室的流体入口和流体出口。
5.在一些实施方式中，所述定位绕丝的管壁的厚度与所述定位绕丝的内径之间的比例范围为0.1～0.5；所述流体入口的轴线方向与所述中空腔室的轴线方向之间具有第一夹角，所述第一夹角小于90
°
；所述流体出口的轴线方向与所述中空腔室的轴线方向之间具有第二夹角，所述第二夹角小于90
°
。
6.在一些实施方式中，所述流体入口和所述流体出口的轮廓线为椭圆形，所述椭圆形的短轴与所述定位绕丝的内径之间的比例范围为0.5～0.8；所述椭圆形的长轴与短轴比例范围为15～2。
7.在一些实施方式中，所述流体入口和所述流体出口的侧壁为圆柱面。
8.在一些实施方式中，若干所述流体入口和所述流体出口成对地设置在所述定位绕丝的管壁上。
9.在一些实施方式中，在所述包壳的径向方向上，每个所述流体入口的中心与所述包壳之间的尺寸均大于等于所述定位绕丝的中心与所述包壳之间的尺寸。
10.在一些实施方式中，在所述包壳的径向方向上，每个所述流体出口的中心与所述包壳之间的尺寸均大于等于所述定位绕丝的中心与所述包壳之间的尺寸。
11.在一些实施方式中，成对设置的所述流体入口和所述流体出口之间的距离沿所述冷却剂的流动方向逐渐减小。
12.本技术另一方面提供一种燃料组件，包括：堆芯筒体，具有容纳腔室；若干如上所述的燃料棒，容置在所述容纳腔室内；所述容纳腔室内除所述燃料棒外的其他空间用于容纳所述冷却剂，所述冷却剂用于带走所述燃料芯体产生的热量。
13.在一些实施方式中，若干所述燃料棒在所述容纳腔室内错位分布，且相邻的所述燃料棒的所述流体入口和所述流体出口错位分布。
14.本技术至少一个实施方式提供的燃料棒，将定位绕丝设置为空心的、具有中空腔室的结构，并在定位绕丝的管壁上设置流体入口和流体出口，在满足定位绕丝的定位功能和促进冷却剂横流的前提下，使定位绕丝的中空腔室内部也存在冷却剂的流动。相比于现有技术中的实心结构的绕丝，本技术提供的燃料棒能够提高冷却剂的载热能力以及与包壳之间的对流换热能力，降低包壳与定位绕丝接触的位置的最高温度，更好地保证燃料棒运行时的安全性。
15.本技术至少一个实施方式提供的燃料棒，将流体入口和流体出口倾斜设置，对冷却剂具有引导作用。流体入口引导定位绕丝外部的冷却剂进入中空腔室，流体出口引导中空腔室内的冷却剂流出至定位绕丝外部，有利于有更多冷却剂流体流入中空腔室内部，对流换热效果更好。
附图说明
16.通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例的详细描述，本技术的其它特征、目的和优点将会变得更明显。其中：
17.图1a是根据现有技术的燃料棒的结构示意图；
18.图1b是图1a中结构的横截面结构示意图；
19.图2a是根据本技术的一个实施方式的燃料棒100的结构示意图；
20.图2b和图2c分别是图2a中的i处和ii处的局部放大图；
21.图2d是图2a中结构的横向截面结构示意图；
22.图2e和图2f分别是图2a中的结构的俯视结构示意图和仰视结构示意图；
23.图2g是根据本技术的一个实施方式的燃料棒100的另一结构示意图；
24.图2h是根据本技术的一个实施方式的流体入口和流体出口的形成过程示意图；
25.图3是根据本技术的一个实施方式的燃料组件1000的结构示意图。
具体实施方式
26.为了更好地理解本技术，将参考附图对本技术的各个方面做出更详细的说明。应理解，这些详细说明只是对本技术的示例性实施方式的描述，而非以任何方式限制本技术的范围。在说明书全文中，相同的附图标号指代相同的元件。表述“和/或”包括相关联的所列项目中的一个或多个的任何和全部组合。
27.应注意，在本说明书中，第一、第二、第三等的表述仅用于将一个特征与另一个特征区域分开来，而不表示对特征的任何限制，尤其不表示任何的先后顺序。因此，在不背离本技术的教导的情况下，本技术中讨论的第一部分也可被称作第二部分，反之亦然。
28.在附图中，为了便于说明，已稍微调整了部件的厚度、尺寸和形状。附图仅为示例而并非严格按比例绘制。如在本文中使用的，用语“大致”、“大约”以及类似的用语用作表近似的用语，而不用作表程度的用语，并且旨在说明将由本领域普通技术人员认识到的、测量值或计算值中的固有偏差。
29.还应理解的是，诸如“包括”、“包括有”、“具有”、“包含”和/或“包含有”等表述在本说明书中是开放性而非封闭性的表述，其表示存在所陈述的特征和/或部件，但不排除一个或多个其它特征、部件和/或它们的组合的存在。此外，当诸如“...中的至少一个”的表述出
现在所列特征的列表之后时，其修饰整列特征，而非仅仅修饰列表中的单独元件。此外，当描述本技术的实施方式时，使用“可”表示“本技术的一个或多个实施方式”。并且，用语“示例性的”旨在指代示例或举例说明。
30.在本技术中，由于定位绕丝是螺旋设置的，因此，定位绕丝的轴向方向为与螺旋方向平行的方向；径向方向为与轴向方向垂直的方向。包壳的径向方向为与其轴线垂直的方向。
31.除非另外限定，否则本文中使用的所有措辞(包括工程术语和科技术语)均具有与本技术所属领域普通技术人员的通常理解相同的含义。还应理解的是，除非本技术中有明确的说明，否则在常用词典中定义的词语应被解释为具有与它们在现有技术的上下文中的含义一致的含义，而不应以理想化或过于形式化的意义解释。
32.需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。另外，除非明确限定或与上下文相矛盾，否则本技术所记载的方法中包含的具体步骤不必限于所记载的顺序，而可以任意顺序执行或并行地执行。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本技术。
33.此外，在本技术中当使用“连接”或“联接”时可表示相应部件之间为直接的接触或间接的接触，除非有明确的其它限定或者能够从上下文推导出的除外。
34.图1a示出了根据现有技术的燃料棒的结构示意图，图1b示出了图1a中结构的横截面结构示意图。
35.如图1a所示，现有技术中的燃料棒1包括包壳11、燃料芯体12以及绕丝结构13。燃料棒1整体为圆柱形，绕丝结构13按照定螺距缠绕在燃料棒1的包壳11的表面上。绕丝结构13的作用是把多个燃料棒1沿径向分离开。上述绕丝结构13的定位成本较低，安装制造简单，还能减轻格架定位的机械振动磨蚀。另外，利用绕丝结构13除能对燃料棒1提供结构上的支持外，还能够促进冷却流体间的横向流动以提高对流换热系数。例如，冷却剂能够从若干燃料棒1的绕丝结构13形成的螺旋形空腔中流过，形成冷却剂循环回路，带走燃料芯体12释放的热量。
36.但是，如图1b所示，绕丝结构13为实心的金属结构，采用现有的绕丝结构13虽然能够促进冷却流体横流，提高对流换热系数，但燃料棒1的包壳11与绕丝结构13接触位置的温度依然很高。这是由于现有的绕丝结构13与燃料棒1的包壳11接触时会产生一定的夹角，导致绕丝结构13附近容易产生流动停滞，使得该处燃料芯体12产生的热量无法及时传递，包壳11表面的最高温度升高，使得包壳11在事故工况下可能存在失效的风险，从而加重了核反应堆的运行风险。
37.因此，有必要探究如何有效地降低包壳11与绕丝结构13接触部位由于流动停滞而导致的最高温度。
38.基于此，根据本技术的实施方式的燃料棒包括包壳、燃料芯体以及定位绕丝。燃料芯体设置在所述包壳的内部。定位绕丝螺旋绕设在所述包壳的外壁上。所述定位绕丝具有沿其轴向方向的中空腔室，且所述定位绕丝的管壁上设置有用于供冷却剂出入所述中空腔室的流体入口和流体出口。
39.上述方案中，将定位绕丝设置为空心的、具有中空腔室的结构，并在定位绕丝的管壁上设置流体入口和流体出口，在满足定位绕丝的定位功能和促进冷却剂横流的前提下，
使定位绕丝的中空腔室内部也存在冷却剂的流动。相比于现有技术中的实心结构的绕丝，本技术提供的燃料棒能够提高冷却剂的载热能力以及与包壳之间的对流换热能力，降低包壳与定位绕丝接触的位置的最高温度，更好地保证燃料棒运行时的安全性。
40.图2a示出了根据本技术的一个实施方式的燃料棒100的结构示意图。图2b和图2c分别示出了图2a中的i处和ii处的局部放大图。图2d示出了图2a中结构的横截面结构示意图。图2e和图2f分别示出了图2a中的结构的俯视结构示意图和仰视结构示意图，图2g示出了燃料棒100的另一结构示意图，图2h示出了根据本技术的一个实施方式的流体入口和流体出口的形成过程示意图。下面将结合图2a至2h对本技术的一个实施方式进行详细描述。
41.在如图2a和图2g所示的实施方式中，燃料棒100包括上端塞110、下端塞120、包壳130、燃料芯体140。其中，包壳130的空腔用来容纳燃料芯体140，并通过压紧弹簧160压紧。包壳130的两端分别连接上端塞110、下端塞120。在包壳130的外壁表面上缠绕一根定位绕丝150，即定位绕丝150呈螺旋状绕设在包壳130的外表面。可选的，所述的定位绕丝150一端可通过焊接方式固定在下端塞120上；另一个端通过焊接方式固定在上端塞110上。定位绕丝150与上端塞110、下端塞120的连接方式还可为其他固定连接的方式，对此本技术不做限定。而且，如图2a所示的附图中仅以设置一根定位绕丝150为例，在其他可行的实施方式中，定位绕丝150的数量不限于一根。
42.如图2d所示，所述定位绕丝150具有沿其轴向方向的中空腔室152，且所述定位绕丝150的管壁上设置有用于供冷却剂出入所述中空腔室152的流体入口154(参照图2b所示)和流体出口156(参照图2c所示)。冷却剂例如可为液态金属(铅或铅铋合金)。
43.上述方案中，当冷却剂从若干燃料棒100的定位绕丝150形成的螺旋间隙流过时，由于定位绕丝150的阻挡作用，定位绕丝150与包壳130在接触的位置形成一个流体停滞区域s(参照图2d)，冷却剂在流经该流体停滞区域s时速度降低，不能及时将包壳130的热量带走。但是，由于本技术的定位绕丝150上设置有流体入口154和流体出口156，因此，冷却剂从定位绕丝150附近流过时，部分冷却剂能够经由流体入口154进入定位绕丝150的中空腔室152内，与包壳130进行热交换，将包壳130的热量带走，再经由流体出口156从中空腔室152内流出，从而降低包壳130与定位绕丝150接触的位置的最高温度，可有效提高包壳130最高温度限制的安全裕度，更好地保证燃料棒100运行时的安全性。
44.在一些实施方式中，由于定位绕丝150能够对燃料棒100提供结构上的支持，因此，所述的定位绕丝150的材料应具有较大的强度，例如，锆合金、钨铼合金等。
45.在一些实施方式中，定位绕丝150外径为d，管壁的厚度为a，即内径为d-2a，所述定位绕丝150的管壁的厚度a与所述定位绕丝150的内径d-2a之间的比例范围为0.1～0.5。所述流体入口154的轴线方向与所述中空腔室152的轴线方向之间具有第一夹角θ1，所述第一夹角θ1小于90
°
。所述流体出口156的轴线方向与所述中空腔室152的轴线方向之间具有第二夹角θ2，所述第二夹角θ2小于90
°
。
46.可选的，定位绕丝150的外径1mm～3mm，壁厚为0.2mm～0.5mm。所述第一夹角θ1和所述第二夹角θ2的范围均为大于0
°
，且小于60
°
。
47.需要说明的是，本技术的包壳130的外径、定位绕丝150的缠绕螺距等参数可参照pasio提出的7燃料棒模型，本技术对此不再赘述。
48.上述方案中，由于定位绕丝150具有一定的壁厚，因此，为了有利于冷却剂流入/流
出中空腔室152，本技术进一步限定流体入口154的轴线方向与所述中空腔室152的轴线方向之间的第一夹角θ1小于90
°
。所述流体出口156的轴线方向与所述中空腔室152的轴线方向之间的第二夹角θ2小于90
°
。换言之，流体入口154和流体出口156对冷却剂具有引导作用。流体入口154引导定位绕丝150外部的冷却剂进入中空腔室152，流体出口156引导中空腔室152内的冷却剂流出至定位绕丝150外部，有利于有更多冷却剂流体流入中空腔室152内部，对流换热效果更好。
49.在一些实施方式中，所述流体入口154和所述流体出口156的轮廓线为椭圆形，所述椭圆形的短轴与所述定位绕丝150的内径d之间的比例范围为0.5～0.8；所述椭圆形的长轴与短轴比例范围为15～2。所述流体入口154和所述流体出口156的侧壁为圆柱面。在一些实施方式中，所述流体入口154和所述流体出口156轮廓是通过另一圆柱体m与定位绕丝150相交并在定位绕丝150上形成的相贯线(参照图2h)构成的。
50.如图2h所示，假设包壳130外径为d，定位绕丝150的螺距为l，圆柱体m轴线与定位绕丝150轴线夹角为β，圆柱体m半径为r，定位绕丝150倾斜角度为θ，即有
51.当β满足以下公式
①
时，所述流体入口154和所述流体出口156能使冷却剂顺利流入/流出中空腔室152。
[0052][0053]
需要说明的是，上述的圆柱体m轴线与定位绕丝150轴线夹角β即为前述的第一夹角θ1和前述的第二夹角θ2。
[0054]
上述方案能够更好地引导冷却剂流入/流出中空腔室152，从而提高换热效率，降低包壳130与定位绕丝150接触的位置的最高温度。
[0055]
在一些实施方式中，若干所述流体入口154和所述流体出口156成对地设置在所述定位绕丝150的管壁上。所述流体入口154和所述流体出口156设置的数量越多，定位绕丝150内冷却剂流动越剧烈，换热效果也更好。
[0056]
可选的，在定位绕丝150单螺距内所述流体入口154和所述流体出口156的总数量设置在八个，即四对所述流体入口154和所述流体出口156。理论上数量越多，换热效果也更好。但过多的所述流体入口154和所述流体出口156数目可能会增加加工难度，且增益幅度不明显。
[0057]
在一些实施方式中，在冷却剂的流动方向上，除最后一个流体出口156外，流体入口154与上一个流体出口156位置接近，以便冷却剂从上一个流体出口156流出后能够有冷却剂及时进入定位绕丝150的中空腔室152内部。
[0058]
在一些实施方式中，在所述包壳130的径向方向上，每个所述流体入口154的中心与所述包壳130之间的尺寸均大于等于所述定位绕丝150的中心与所述包壳130之间的尺寸。
[0059]
如前所述，由于定位绕丝150的阻挡作用，在包壳130与定位绕丝150接触的部位附近会形成流体停滞区域s，因此，限定流体入口154的中心与所述包壳130之间的尺寸大于等
于所述定位绕丝150的中心与所述包壳130之间的尺寸，可使流体入口154形成在远离流体停滞区域s的部位，能够保证进入中空腔室152内部的冷却剂具有一定的流速，同时不会影响位于不会影响位于流体停滞区域s的冷却剂容量，保证这部分冷却剂对包壳130的冷却效果，从而在流体停滞区域s的冷却剂和进入定位绕丝150的中空腔室152内部的冷却剂的共同作用下最终实现降低包壳130最高温度的目的。
[0060]
在一些实施方式中，在所述包壳130的径向方向上，每个所述流体出口156的中心与所述包壳130之间的尺寸均大于等于所述定位绕丝150的中心与所述包壳130之间的尺寸。
[0061]
与上述同理，限定流体出口156的中心与所述包壳130之间的尺寸大于等于所述定位绕丝150的中心与所述包壳130之间的尺寸，可使流体出口156形成在远离流体停滞区域s的部位，避免通过流体出口156流出中空腔室152的冷却剂将位于流体停滞区域s的冷却剂带走，从而不会影响位于流体停滞区域s的冷却剂的容量，保证这部分冷却剂对包壳130的冷却效果。此外，相较于定位绕丝150外部形成的螺旋间隙的空间大小而言，定位绕丝150的中空腔室152内部空间较小，因此，冷却剂在通过定位绕丝150的中空腔室152时压降比较大，经由流体出口156流出后的速度也有所降低，冷却效果有所下降。此时，在位于定位绕丝150外部的螺旋间隙内的、速度较大的冷却剂的带动下，增大其速度，有利于再次提高冷却效果。
[0062]
在一些实施方式中，成对设置的所述流体入口154和所述流体出口156之间的距离沿所述流体的流动方向逐渐减小。
[0063]
上述方案中，由于在流动方向的下游，冷却剂的冷却效果稍有下降，因此，在流动方向的下游设置间距较小的流体入口154和流体出口156有利于冷却剂在中空腔室152内外流动，提高对流换热效果。
[0064]
在一些实施方式中，在冷却剂的流动方向上，第一个流体入口154应尽量靠近冷却剂的入口，最后一个流体出口156应尽量靠近冷却剂的出口，这样，能够保证定位绕丝150的两个端部也有冷却剂流动，防止包壳130出现局部最高温度升高的情况。
[0065]
在一些实施方式中，在冷却剂的流动方向上，除最后一个流体出口156外，流体入口154与上一个流体出口156位置尽量接近，以便冷却剂从上一个流体出口156流出后能够有冷却剂及时进入定位绕丝150的中空腔室152内部，也可防止包壳130出现局部最高温度升高的情况。
[0066]
为了进一步说明本技术的有益效果，本技术的发明人对如下实施例进行对比后发现：
[0067]
本技术实施方式针对单根带有中空定位绕丝150的燃料棒100与实心缠绕定位结构的燃料棒束在圆形流道内的对流换热进行了对比，在保证入口流量及温度相同的情况下，以燃料棒的包壳温度为例，可达到以下效果：改进后与改进前压降相差不大(1％以内)，但燃料棒包壳周围的最高温度降低了9k左右，在保证经济性的同时也提高了组件的安全性。
[0068]
图3示出了根据本技术一个实施方式的燃料组件1000的结构示意图。
[0069]
如图3所示，燃料组件1000包括堆芯筒体200和若干如上所述的燃料棒100。堆芯筒体200具有容纳腔室210。若干燃料棒100容置在所述容纳腔室210内；所述容纳腔室210内除
所述燃料棒100外的其他空间用于容纳所述冷却剂，所述冷却剂用于带走所述燃料芯体140产生的热量。
[0070]
上述方案中，当冷却剂从若干燃料棒100的定位绕丝150形成的螺旋间隙流过时，由于定位绕丝150的阻挡作用，定位绕丝150与包壳130在接触的位置形成一个流体停滞区域s(参照图2d)，冷却剂在流经该停滞区域s时速度降低，不能及时将包壳130的热量带走。但是，由于本技术的定位绕丝150上设置有流体入口154和流体出口156，因此，冷却剂从定位绕丝150附近流过时，部分冷却剂能够经由流体入口154进入定位绕丝150的中空腔室152内，与包壳130进行热交换，将包壳130的热量带走，再经由流体出口156从中空腔室152内流出，从而降低包壳130与定位绕丝150接触的位置的最高温度，可有效提高包壳130最高温度限制的安全裕度，更好地保证燃料组件1000运行时的安全性。
[0071]
在一些实施方式中，若干所述燃料棒100在所述容纳腔室210内错位分布，且相邻的所述燃料棒100的所述流体入口154和所述流体出口156错位分布。
[0072]
错位分布的流体入口154和流体出口156能够增大容纳腔室210内冷却剂的扰动，从而提高对流换热效果。
[0073]
以上描述仅为本技术的实施方式以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本技术中所涉及的保护范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离技术构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本技术中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。