一种三叶螺旋型燃料元件及核反应堆燃料组件

本发明涉及核反应堆堆芯，特别是涉及一种三叶螺旋型燃料元件及核反应堆燃料组件。

背景技术：

1、堆芯燃料组件是核反应堆的核心部件，对核反应堆的安全性和经济性至关重要，是核反应堆研发和设计的重点之一。当前堆芯燃料组件设计中多采用棒状或板状燃料元件。棒状燃料元件需采用格架固定燃料棒，存在强度低和格架振动磨损问题；板状燃料元件采用闭式冷却剂流道，流道间没有横向冷却剂交混，无法降低燃料组件的热管因子。螺旋型燃料元件具有比换热面积大、安全性能好、交混换热能力强等优点，对提升燃料元件性能具有重要应用价值和前景。现有螺旋型燃料元件多采用十字型截面，其组成的燃料组件的冷却剂流道截面较小，流动阻力较大。部分十字螺旋燃料元件设计仍保留了定位格架，进一步增加了冷却剂流经燃料组件时的流动阻力。上述问题对核反应堆的安全传热产生了不利影响，并严重制约了堆芯功率密度的提升。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种三叶螺旋型燃料元件及核反应堆燃料组件，以解决上述现有技术存在的问题，利用螺旋结构提升交混换热能力的同时保留了较大的冷却剂流通面积，且三叶螺旋型燃料元件间通过螺旋搭接的形式实现径向自固定，有效降低了冷却剂流经燃料组件的流动阻力，提升反应堆的换热能力和安全性能。

2、为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种三叶螺旋型燃料元件，包括：

3、燃料元件，所述燃料元件截面呈三叶分支结构，所述燃料元件沿轴向呈螺旋状结构；所述燃料元件包含燃料包壳、燃料芯体和定位头；

4、所述燃料包壳与燃料芯体紧密贴合，所述燃料包壳与燃料芯体两端分别固定安装有所述定位头。

5、所述定位头包括封头，所述封头与燃料包壳固定连接；所述封头远离所述燃料包壳的一端固定安装有定位销。

6、所述燃料芯体为usi2-al弥散型燃料；所述封头与燃料包壳均为zr-4合金。

7、一种核反应堆燃料组件，包括：

8、结构相同的上管座和下管座；所述上管座和下管座均内部中空，且形成有规则布置的三角形冷却剂流道；相邻所述三角形冷却剂流道的交点位置形成有燃料元件定位孔，导向管定位孔和可燃毒物棒定位孔；

9、导向管，所述导向管两端插设于两所述导向管定位孔内，且所述导向管置于所述上管座和下管座的中心位置；

10、可燃毒物棒，所述可燃毒物棒两端插设于所述上管座和下管座的可燃毒物棒定位孔内；所述可燃毒物棒等间距分布于所述上管座和下管座的内腔边缘；

11、及三叶螺旋型燃料元件；所述燃料元件两端通过定位销固定安装在所述燃料元件定位孔内；若干所述燃料元件采用稠密栅格布置，相邻所述燃料元件互相搭接。

12、所述上管座和下管座均为圆筒状结构；每一所述燃料元件叶片顶点每螺旋60度角与相邻所述燃料元件搭接，用于所述燃料元件的横向自固定。

13、所述可燃毒物棒设置有六根。

14、所述导向管内插入有中子探测器；所述导向管置于若干所述燃料元件的中心。

15、所述冷却剂为水。

16、本发明公开了以下技术效果：1、三叶螺旋燃料元件通过螺旋过程中叶片顶端搭接的方式实现自固定，进而实现燃料组件内各燃料元件的横向固定，可以取消现有燃料组件中的定位格架，杜绝元件和格架间振动磨损，降低冷却剂流动阻力，提升冷却剂横向交混效果，强化燃料组件的流动换热能力和安全性。

17、2、三叶螺旋燃料元件单位燃料体积具有更大的换热面积，能有效导出燃料芯体释热，降低燃料芯块最高温度，提高燃料元件热工安全性。

18、3、燃料组件内的三叶螺旋燃料元件为稠密栅格布置，结构紧凑，提高功率体积比。

19、4、燃料组件没有组件盒，开式布置可实现燃料组件间的冷却剂交混，显著降低热点因子。

20、5、三叶形状的燃料包壳弹性好，能适应辐照条件下的燃料芯体膨胀，防止燃料包壳破损。

技术特征：

1.一种三叶螺旋型燃料元件，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的一种三叶螺旋型燃料元件，其特征在于：所述定位头(9)包括封头(10)，所述封头(10)与燃料包壳(7)固定连接；所述封头(10)远离所述燃料包壳(7)的一端固定安装有定位销(11)。

3.根据权利要求2所述的一种三叶螺旋型燃料元件，其特征在于：所述燃料芯体(8)为u3si2-al弥散型燃料；所述封头(10)与燃料包壳(7)均为zr-4合金。

4.一种核反应堆燃料组件，其特征在于，包括：

5.根据权利要求4所述的一种核反应堆燃料组件，其特征在于：所述上管座(2)和下管座(3)均为圆筒状结构；每一所述燃料元件(1)叶片顶点每螺旋60度角与相邻所述燃料元件(1)搭接，用于所述燃料元件(1)的横向自固定。

6.根据权利要求4所述的一种核反应堆燃料组件，其特征在于：所述可燃毒物棒(5)设置有六根。

7.根据权利要求4所述的一种核反应堆燃料组件，其特征在于：所述导向管(4)内插入有中子探测器；所述导向管(4)置于若干所述燃料元件(1)的中心。

8.根据权利要求4所述的一种核反应堆燃料组件，其特征在于：所述冷却剂为水。

技术总结本发明公开一种三叶螺旋型燃料元件及核反应堆燃料组件，涉及核反应堆堆芯技术领域，包括燃料元件，燃料元件截面呈三叶分支结构，燃料元件沿轴向呈螺旋状结构；燃料元件包含燃料包壳、燃料芯体和定位头；燃料包壳与燃料芯体紧密贴合，燃料包壳与燃料芯体两端分别固定安装有定位头；本发明利用螺旋结构提升交混换热能力的同时保留了较大的冷却剂流通面积，且三叶螺旋型燃料元件间通过螺旋搭接的形式实现径向自固定，有效降低了冷却剂流经燃料组件的流动阻力，提升反应堆的换热能力和安全性能。技术研发人员：赵亚楠,刁思予,于涛,赵鹏程,谢金森,陈珍平受保护的技术使用者：南华大学技术研发日：技术公布日：2024/8/1