[發明專利]一種鈉冷快堆混合纏繞繞絲定位燃料組件

有效

• 申請號: 202011278193.9
• 申請日: 2020-11-16
• 公開（公告）號: CN112366009B
• 公開（公告）日: 2023-01-10
• 發明（設計）人: 周志偉;馮預恒;楊紅義;王予燁;林超;馬曉;劉光耀;高鑫釗;丁志萍
• 申請（專利權）人: 中國原子能科學研究院
• 主分類號: G21C3/338
• 分類號: G21C3/338;G21C3/322
• 代理公司: 北京天悅專利代理事務所(普通合伙) 11311
• 代理人: 田明;屈獻莊

本發明屬于燃料組件散熱技術領域，具體涉及一種鈉冷快堆混合纏繞繞絲定位燃料組件，包括設置在元件盒(4)中的若干垂直的棒狀的燃料元件，燃料元件包括側表面沒有螺旋纏繞的金屬絲(5)的無繞絲燃料元件(1)、側表面按順時針方向螺旋纏繞金屬絲的順向繞絲燃料元件(2)和側表面按逆時針方向螺旋纏繞金屬絲的逆向繞絲燃料元件(3)，任意兩根相鄰的燃料元件均不為同一類型的燃料元件。本發明大大加強了燃料元件之間相鄰的通道之間的冷卻劑交混，可以顯著展平鈉冷快堆燃料組件出口的溫度梯度，很好的改善燃料元件包殼的工作條件，還可以顯著減弱腫脹的元件束與元件盒(4)機械相互作用的不利效應。

技術領域

本發明屬于燃料組件散熱技術領域，具體涉及一種鈉冷快堆混合纏繞繞絲定位燃料組件。

背景技術

與傳統壓水堆燃料組件不一樣，鈉冷快堆由于功率密度高，溫差大，其單盒燃料組件功率比壓水堆組件大的多，因此需要更精確的冷卻方式——封閉式冷卻，即在燃料元件(即燃料棒)外圍包裹外套管，組件內部形成封閉式流道(壓水堆燃料組件沒有外套管，為開放式組件)。從熱工的角度看，外套管的功能在于約束液態鈉，使之流經燃料元件，并能調節功率流量比，達到精確冷卻目的。同時，快堆為了追求較大的增殖比，要求燃料體積分額最大，因此燃料元件采用三角形排列，三角形柵距也有利于熱傳遞。因此，外套管設計通常選用六角形幾何形狀。六角形外套管、燃料元件和端部聯接件組合起來成為鈉冷快堆燃料組件。

為了把燃料組件內部燃料元件沿徑向分離開，通常有兩種基本方式，一種采用金屬繞絲，另一種使用柵格定位架。在早期，英國和德國的原型堆和示范堆電站以及美國的費米堆中，采用的是柵格定位架；而目前國際上快堆大多采用金屬繞絲定位。金屬繞絲纏繞燃料元件的間隔技術，是將金屬絲焊到燃料元件的一個端塞上，然后按照規定的螺距螺旋式地纏繞在燃料元件上，直到燃料元件的另一端并焊接在端塞上。在快堆燃料組件制造中，金屬繞絲定位脫穎而出，主要是因為制造比較容易，成本低廉，而且進入冷卻劑流道的熔融物有可能靠液體壓力從活性區流出而不受任何機械阻擋(除了熔融物或包殼再致冷引起的阻塞以外)；同時，其機械震動最小。

在已有的鈉冷快堆燃料組件出口，在沿不同的燃料元件間通道流動的冷卻劑鈉之間存在顯著的溫度梯度，原因有兩點：第一點為規律性因素，沿燃料組件徑向截面釋熱分布不均勻性導致了不同子通道間溫度分布的梯度，而壁面效應加劇了這種現象；第二點為偶然因素，由不同燃料元件中燃料裝量和燃料元件間子通道幾何尺寸的工藝偏差導致。另外，燃料組件在壽期過程中發生的變形也會對此有所影響。根據目前的熱工水力分析計算，大型示范快堆燃料組件出口處中心子通道和邊子通道溫度差達到將近100℃，為了保證燃料組件包殼最高溫度不超過溫度限值，需要足夠多的冷卻劑流量來降低該組件的最熱子通道溫度，這樣使得其他溫度相對較低的子通道過分冷卻，最終導致堆芯出口溫度相對降低，極大的影響了反應堆的熱效率和經濟性?？於讯研緹峁にυO計目的就是要充分展平燃料組件出口的溫度分布，原則上通過冷卻劑在各通道間良好交混就可以達到這個目的，而交混效果的好壞關鍵取決于組件內部燃料元件的定位方法。

如上所述，目前廣泛采用的定位方法都是采用螺旋纏繞的金屬絲定位法，在所有燃料元件上繞絲都是按同一方向纏繞(即普通纏繞繞絲定位燃料組件)，在相鄰燃料元件之間的間隙中，金屬絲均斜向布置，這將促使冷卻劑從一個通道橫向流入另一個通道；但是在同一個間隙中，相鄰兩個燃料元件的定位繞絲是相互交替的，且其傾斜方向相反，導致橫向流中相當大部分流過繞絲半個螺距后就返回去了，這樣的定位方式對子通道冷卻鈉之間的交混十分不利。