一种用于堆芯燃料组件的具有横向波纹形轮廓的新型包壳的制作方法

本发明属于燃料组件，特别的是涉及压水反应堆内堆芯燃料组件的结构革新技术。

背景技术：

1、核电站压水反应堆运行过程中，堆芯燃料组件的换热性能是影响反应堆安全性和经济性的重要因素。因此国内外一直将堆芯燃料组件的研究放在十分突出的地位，通过优化堆芯燃料组件设计、选用先进结构材料以及改进燃料组件制造工艺等方法，不断提高堆芯燃料组件的换热性能并改善其阻力特性，促使压水反应堆向更安全和更经济的方向发展。

2、区别于压水堆中普遍装配的棒束燃料组件，扁平型燃料组件具有结构紧凑、传热性能优良、换热面积大的特点。燃料芯板是扁平型燃料组件的核心部件，由外部包壳与内部燃料芯体组成。燃料芯板之间平行布置，燃料组件中的空间被燃料芯板的外部包壳分割成互不连通的狭窄矩形通道。

3、堆芯正常运行时，高压过冷水从燃料组件的一端进入，由另一端流出，并在通过前述窄通道时主要以对流换热方式带走燃料芯板内部的裂变产热。然而，在低流量、高裂变热工况下，常规矩形扁平型燃料组件的换热能力不足以满足堆芯换热需求，表现为堆芯出口冷却剂温度升高，堆芯燃料组件内部热点温度升高，导致堆芯过热，堆芯燃料组件寿命降低，对核反应堆安全造成挑战。

4、包壳作为燃料芯体与冷却剂之间的隔离屏障，具有包容裂变产物、阻止裂变产物外泄、避免燃料芯体与冷却剂发生反应的重要作用，是核电站的第一道安全屏障。合理地设计包壳结构，可有效地导出核燃料裂变后产生的热量，提升堆芯燃料组件的换热性能。

5、因此，如何设计出一种用于堆芯燃料组件的可有效提升其换热性能的新型包壳，以满足低雷诺数工况下压水反应堆堆芯的换热需求，具有重要的现实价值。

6、有鉴于此，特提出本发明。

技术实现思路

1、本发明的目的在于探索一种以强化换热为目标的异形窄流道结构革新设计方案，提出一种用于堆芯燃料组件的具有横向波纹形轮廓的新型包壳，一方面可进一步提高堆芯燃料组件的换热性能，提升反应堆的经济性；另一方面，可改善燃料组件内的温度分布，提高堆芯燃料组件的温度安全裕度，提升反应堆的安全性。

2、本发明是通过下述技术方案实现的：

3、一种用于堆芯燃料组件的具有横向波纹形轮廓的新型包壳，所述新型包壳为发明主体；

4、所述新型包壳的内部包容有可产生裂变热的燃料芯体；

5、所述新型包壳通过平行方式排布，两新型包壳的间隙构成冷却剂(即高压过冷水)的通道，所述冷却剂通道为横向波纹形窄流道。

6、进一步的，

7、所述新型包壳具有沿宽度方向的正弦波纹曲线形外部轮廓，所述新型包壳的外部与高压过冷水直接接触，内部为矩形中空结构，用于包容堆芯燃料芯体。

8、进一步的，

9、所述新型包壳在高度方向上呈现为非对称式结构，所述新型包壳的顶部轮廓与底部轮廓可通过平移实现完全拼接嵌合，上、下两新型包壳之间的间隙大小在任意位置恒为定值。

10、进一步的，

11、所述横向波纹形窄流道由上、下两新型包壳外部轮廓之间的间隙构成，所述横向波纹形窄流道内的流体介质为高压过冷水，且所述横向波纹形窄流道的流道间隙不大于2mm。

12、进一步的，

13、所述燃料芯体为压水堆内堆芯燃料芯体，其包容于新型包壳，所述燃料芯体的尺寸参数应根据压水反应堆的实际换热需求确定。

14、进一步的，

15、所述新型包壳的厚度沿宽度方向呈周期性地增厚与减薄，为满足腐蚀与强度要求，所述新型包壳的厚度存在最小阈值；同时，所述新型包壳的厚度不应过大，以减弱由于厚度不均而产生的包壳内部热应力的影响。

16、进一步的，

17、所述新型包壳沿宽度方向的左右两端，也即与正弦波纹曲线形外部轮廓相接的位置预留有水平段，以便于加工安装；所述水平段的尺寸不小于0.5mm。

18、进一步的，

19、所述具有横向波纹曲线形外部轮廓的新型包壳与外部流道内高压过冷水的接触面积不小于相同总体尺寸下的传统矩形包壳的1.4倍。

20、进一步的，

21、所述新型包壳的横向波纹曲线形外部轮廓严格服从正弦函数变化规律，所述正弦波纹曲线的波纹振幅、波纹周期数以及波纹波长等尺寸参数，应根据燃料芯体的宽度方向跨度以及压水反应堆的实际换热需求进行计算确定。

22、采用上述技术方案后，本发明与现有技术相比具有以下有益效果。

23、1.新型包壳采用横向正弦波纹形外部轮廓，通过增大包壳与冷却剂之间的接触传热面积，以增加其换热量，可实现压水反应堆在低雷诺数运行工况下的换热强化，提升核反应堆的经济性。

24、2.新型包壳可有效导出燃料芯体内部的裂变产热，满足压水反应堆内低流量、高裂变产热工况下的换热需求，提升核反应堆的安全性。

25、3.新型包壳可改善燃料芯体及包壳内部的温度分布，降低燃料组件内部的热点温度，提高堆芯燃料组件的温度安全裕度，提升核反应堆的安全性。

26、下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的描述。

技术特征：

1.一种用于堆芯燃料组件的具有横向波纹形轮廓的新型包壳，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的用于堆芯燃料组件的具有横向波纹形轮廓的新型包壳，其特征在于：

3.根据权利要求2所述的用于堆芯燃料组件的具有横向波纹形轮廓的新型包壳，其特征在于：

4.根据权利要求1所述的横向波纹形窄流道，其特征在于：

5.根据权利要求1所述的燃料芯体，其特征在于：

6.根据权利要求2所述的用于堆芯燃料组件的具有横向波纹形轮廓的新型包壳，其特征在于：

7.根据权利要求2所述的用于堆芯燃料组件的具有横向波纹形轮廓的新型包壳，其特征在于：

8.根据权利要求2所述的用于堆芯燃料组件的具有横向波纹形轮廓的新型包壳，其特征在于：

9.根据权利要求8所述的用于堆芯燃料组件的具有横向波纹形轮廓的新型包壳，其特征在于：

技术总结
本发明涉及燃料组件技术领域，具体公开了一种应用于压水堆堆芯燃料组件的具有横向波纹形轮廓的新型包壳，所述新型包壳具有沿宽度方向的正弦波纹曲线形外部轮廓；所述新型包壳的顶部与底部轮廓可完全拼接嵌合；所述新型包壳沿宽度方向的左右两端预留有水平段；所述新型包壳的外侧与冷却剂接触，上、下两新型包壳间构成横向波纹形窄流道；所述新型包壳的内部为矩形中空结构，以包容燃料芯体。本发明提出的用于堆芯燃料组件的新型包壳，增加了冷却剂与新型包壳壁面间的传热面积，可实现压水反应堆在低雷诺数运行工况下的高效换热，同时可降低包壳与燃料芯体内部的热点温度，增加了核反应堆的安全性与经济性。

技术研发人员：陆祺,郝睿智,卢涛,邓坚
受保护的技术使用者：中国核动力研究设计院
技术研发日：
技术公布日：2024/4/17