[发明专利]一种钠冷快堆混合缠绕绕丝定位燃料组件

说明书

本发明属于燃料组件散热技术领域，具体涉及一种钠冷快堆混合缠绕绕丝定位燃料组件，包括设置在元件盒(4)中的若干垂直的棒状的燃料元件，燃料元件包括侧表面没有螺旋缠绕的金属丝(5)的无绕丝燃料元件(1)、侧表面按顺时针方向螺旋缠绕金属丝的顺向绕丝燃料元件(2)和侧表面按逆时针方向螺旋缠绕金属丝的逆向绕丝燃料元件(3)，任意两根相邻的燃料元件均不为同一类型的燃料元件。本发明大大加强了燃料元件之间相邻的通道之间的冷却剂交混，可以显著展平钠冷快堆燃料组件出口的温度梯度，很好的改善燃料元件包壳的工作条件，还可以显著减弱肿胀的元件束与元件盒(4)机械相互作用的不利效应。

技术领域

本发明属于燃料组件散热技术领域，具体涉及一种钠冷快堆混合缠绕绕丝定位燃料组件。

背景技术

与传统压水堆燃料组件不一样，钠冷快堆由于功率密度高，温差大，其单盒燃料组件功率比压水堆组件大的多，因此需要更精确的冷却方式——封闭式冷却，即在燃料元件(即燃料棒)外围包裹外套管，组件内部形成封闭式流道(压水堆燃料组件没有外套管，为开放式组件)。从热工的角度看，外套管的功能在于约束液态钠，使之流经燃料元件，并能调节功率流量比，达到精确冷却目的。同时，快堆为了追求较大的增殖比，要求燃料体积分额最大，因此燃料元件采用三角形排列，三角形栅距也有利于热传递。因此，外套管设计通常选用六角形几何形状。六角形外套管、燃料元件和端部联接件组合起来成为钠冷快堆燃料组件。

为了把燃料组件内部燃料元件沿径向分离开，通常有两种基本方式，一种采用金属绕丝，另一种使用栅格定位架。在早期，英国和德国的原型堆和示范堆电站以及美国的费米堆中，采用的是栅格定位架；而目前国际上快堆大多采用金属绕丝定位。金属绕丝缠绕燃料元件的间隔技术，是将金属丝焊到燃料元件的一个端塞上，然后按照规定的螺距螺旋式地缠绕在燃料元件上，直到燃料元件的另一端并焊接在端塞上。在快堆燃料组件制造中，金属绕丝定位脱颖而出，主要是因为制造比较容易，成本低廉，而且进入冷却剂流道的熔融物有可能靠液体压力从活性区流出而不受任何机械阻挡(除了熔融物或包壳再致冷引起的阻塞以外)；同时，其机械震动最小。

在已有的钠冷快堆燃料组件出口，在沿不同的燃料元件间通道流动的冷却剂钠之间存在显著的温度梯度，原因有两点：第一点为规律性因素，沿燃料组件径向截面释热分布不均匀性导致了不同子通道间温度分布的梯度，而壁面效应加剧了这种现象；第二点为偶然因素，由不同燃料元件中燃料装量和燃料元件间子通道几何尺寸的工艺偏差导致。另外，燃料组件在寿期过程中发生的变形也会对此有所影响。根据目前的热工水力分析计算，大型示范快堆燃料组件出口处中心子通道和边子通道温度差达到将近100℃，为了保证燃料组件包壳最高温度不超过温度限值，需要足够多的冷却剂流量来降低该组件的最热子通道温度，这样使得其他温度相对较低的子通道过分冷却，最终导致堆芯出口温度相对降低，极大的影响了反应堆的热效率和经济性。快堆堆芯热工水力设计目的就是要充分展平燃料组件出口的温度分布，原则上通过冷却剂在各通道间良好交混就可以达到这个目的，而交混效果的好坏关键取决于组件内部燃料元件的定位方法。

如上所述，目前广泛采用的定位方法都是采用螺旋缠绕的金属丝定位法，在所有燃料元件上绕丝都是按同一方向缠绕(即普通缠绕绕丝定位燃料组件)，在相邻燃料元件之间的间隙中，金属丝均斜向布置，这将促使冷却剂从一个通道横向流入另一个通道；但是在同一个间隙中，相邻两个燃料元件的定位绕丝是相互交替的，且其倾斜方向相反，导致横向流中相当大部分流过绕丝半个螺距后就返回去了，这样的定位方式对子通道冷却钠之间的交混十分不利。