用於高功率密度堆芯的繞絲固定式燃料組件和鉛基反應堆的製作方法

2023-12-11 01:14:52 3

本發明涉及一種用於高功率密度堆芯的繞絲固定式燃料組件和具有該燃料組件的鉛基反應堆。
背景技術：
：鉛合金冷卻快堆(鉛基反應堆)是第四代先進核能系統主要的候選堆型之一，與傳統壓水堆相比，鉛基反應堆功率高、功率峰因子大，因此其燃料組件通道採用有盒的繞絲固定式排列結構。對於液態金屬冷卻的快中子堆而言，為了提高整個反應堆的效率，設計人員希望在保證最高溫度滿足材料性能的前提下，儘可能的提高平均出口溫度，因此從整個堆芯角度出發，必須考慮對全堆芯不同功率組件的冷卻劑流量進行控制。目前對於該類問題，一般通過組件入口的節流設備對流量分配進行控制。對於組件內部，也需要儘可能得提高單盒燃料組件的換熱效率，如設置繞絲或格架攪渾翼等；另外對於鉛基反應堆而言，冷卻劑鉛合金極易產生氧化物而堵塞堆芯通道，因此在燃料組件入口設計上必須考慮對可能出現的堵塞事故的防範。技術實現要素：本發明的目的在於提供一種用於高功率密度堆芯的繞絲固定式燃料組件，以有效提高冷卻劑冷卻燃料元件的效率。本發明的目的還在於提供一種具有上述繞絲固定式燃料組件的鉛基反應堆。為此，本發明一方面提供了一種用於高功率密度堆芯的燃料組件，包括多個燃料元件、定位繞絲和外套管，所述多個燃料元件通過規則排列形成棒束柵元流道，所述多個燃料元件外包有外套管以約束冷卻劑的流動，其特徵在於，所述燃料元件之間的間距通過定位繞絲進行固定，所述外套管內側設置有肋片壁面，所述肋片的設置正好處於兩個相鄰邊燃料元件的中間，用於減小邊通道面積。進一步地，上述定位繞絲為非均勻繞絲，外圍元件定位繞絲直徑小於內部元件定位繞絲直徑，以收緊所述外套管。進一步地，上述外套管頂角處設置了頂角倒角，以降低外圍通道冷卻劑橫向流動的阻力。進一步地，上述外套管的肋片連接處設置了肋片倒角，以降低外圍通道冷卻劑橫向流動的阻力。進一步地，上述肋片為弧形截面。進一步地，組件入口腔結構的節流件包括一級孔和二級自適應分配孔。根據本發明的另一方面，提供了一種鉛基反應堆，包括堆芯，所述堆芯包括燃料組件，所述燃料組件為根據上面所描述的用於高功率密度堆芯的燃料組件。根據本發明的繞絲固定式燃料組件，棒束柵元流道採用繞絲固定，可實現較密的棒束排列，滿足高功率堆中子學要求；外圍約束套管為帶肋片的外套管，通過約束邊通道流量，優化組件內的流量分配，提高冷卻劑的冷卻效率，且肋片的設置增強了外套管的剛性；同時外圍棒繞絲直徑縮小，收緊外套管，此外，對外套管頂角和肋片連接處進行倒角處理，降低其橫向交混阻力。通過該繞絲固定式燃料組件的設計可有效提高冷卻劑冷卻燃料元件的效率。另外，通過管腳開孔的節流設計，可實現堆芯不同功率組件的流量分配，且可有效阻止冷卻劑中較大的氧化物雜質進入組件內部。最後通過多級流量分配槽的設計，在一級流量分配孔堵塞的情況下，冷卻劑可通過二級分配孔從其他組件內分流至一級分配孔堵塞的組件，因此可消除管腳堵塞引起的單盒組件完全堵流的可能性。除了上面所描述的目的、特徵和優點之外，本發明還有其它的目的、特徵和優點。下面將參照圖，對本發明作進一步詳細的說明。附圖說明構成本申請的一部分的說明書附圖用來提供對本發明的進一步理解，本發明的示意性實施例及其說明用於解釋本發明，並不構成對本發明的不當限定。在附圖中：圖1是根據本發明一實施例的繞絲固定式燃料組件的整體結構圖；圖2是根據本發明一實施例的繞絲固定式燃料組件的外套管結構圖；圖3是根據本發明一實施例的繞絲固定式燃料組件的繞絲結構圖；以及圖4是根據本發明一實施例的繞絲固定式燃料組件的入口腔體結構圖。附圖標記說明1、燃料元件；2、定位繞絲；3、外套管；4、肋片；5、頂角倒角；6、肋片倒角；7、邊通道；8、外圍元件定位繞絲；9、內部元件定位繞絲；10、入口分配腔；11、入口腔；12、入口分配孔(大)；13、入口分配孔(小)；14、自適應分配孔。具體實施方式需要說明的是，在不衝突的情況下，本申請中的實施例及實施例中的特徵可以相互組合。下面將參考附圖並結合實施例來詳細說明本發明。圖1至圖3示出了根據本發明的一些實施例。如圖1和圖2所示，繞絲固定式燃料組件包括燃料元件1、定位繞絲2和外套管3，其中，所述燃料元件1通過規則排列形成棒束柵元流道，整個燃料組件外包有外套管3以約束冷卻劑的流動；所述外套管3內側為帶肋片壁面，各肋片4的設置正好處於兩個相鄰邊燃料元件的中間，所述肋片4用於減小邊通道7面積。上述設計效果如下：1)通過在外套管的內壁上設置肋片，縮小了邊通道的流通面積，提高了中心熱通道的冷卻流量，優化了組件內的流量分配，增強了整體換熱效率；2)通過在外套管上增加肋片，可提高外套管的剛性。在一實施例中，如圖2所示，外套管內側的多個肋片形成波浪形結構。其中，單個肋片的截面形狀不局限為弧形、圓弧形，能夠用於擠壓冷卻劑進入內通道、進行高效換熱的其他形狀均可。在一實施例中，如圖2所示，外套管3頂角和肋片連接處分別設置了肋片倒角6和頂角倒角5，從而降低了外圍通道冷卻劑橫向流動的阻力。在一實施例中，如圖3所示，所述燃料元件1間的間距通過定位繞絲2進行固定，所述定位繞絲為非均勻繞絲，外圍元件定位繞絲8(也稱為外圍棒繞絲)直徑小於內部元件定位繞絲9(也稱為內部棒繞絲)直徑，以達到收緊外套管3的目的。在一實施例中，組件入口腔結構的節流件包括一級孔12、13和二級自適應分配孔14，其中，冷卻劑通過一級孔的大小可實現堆芯流量分配，並基於二級自適應分配孔可消除雜質引起的燃料組件全堵塞事故發生的可能性。在一優選實施例中，燃料元件1通過規則排列形成棒束柵元流道，所述燃料元件1間的間距通過定位繞絲2進行固定，所述繞絲為非均勻繞絲，外圍元件定位繞絲8直徑小於內部元件定位繞絲9直徑，以達到收緊外套管3的目的，整個燃料組件外包有外套管3以約束冷卻劑的流動；所述外套管3內側設置有肋片4壁面，肋片4的設置正好處於兩個相鄰邊燃料元件的中間，所述肋片4可以減小邊通道7面積，優化組件內的流量分配，同時增強了外套管的強度。通過上述方案可以有效控制外圍通道與內通道的相對大小關係，實現流量的有效分配，以19棒束結構為例(棒徑15mm，節徑比1.116，繞絲直徑1.64mm，螺距375mm，長度375mm)，採用上述方案進行優化，並用PEC來衡量優化的組件熱工性能：式中：PEC表示綜合效率，Nu0和f0為未改進組件的怒塞爾數和阻力係數，Nu和f改進組件的怒塞爾數和阻力係數。表1為不同Re下PEC值：RePEC65001.5493130001.40180001.2867360001.121從表中對比可以看出，PEC值>1，組件熱工性能得到提高，且Re越小，其熱工性能的提高率越大。以上所述僅為本發明的優選實施例而已，並不用於限制本發明，對於本領域的技術人員來說，本發明可以有各種更改和變化。凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。當前第1頁1&nbsp2&nbsp3&nbsp