本發(fā)明屬于核燃料，具體涉及一種協(xié)同控流高可靠性燃料組件。

背景技術(shù)：

1、燃料組件是核電站的核心部件，運(yùn)行于高溫、高壓、高流速、強(qiáng)輻照的嚴(yán)苛水化學(xué)環(huán)境中，其性能直接影響核電站的經(jīng)濟(jì)性、安全性和可靠性。其中安全性的核心指標(biāo)包括核燃料組件的破損率與熱工安全裕量，與核燃料組件內(nèi)的流場(chǎng)密切相關(guān)，高安全性更是核燃料創(chuàng)新設(shè)計(jì)持續(xù)追求的目標(biāo)。

2、關(guān)于核燃料破損失效，根據(jù)iaea的報(bào)告《review?of?fuel?failures?in?watercooled?reactors》，格架燃料棒之間的磨蝕（grid-to-rod?fretting）長(zhǎng)期是導(dǎo)致燃料棒破損的第一大因素，且主要發(fā)生在第一層格架區(qū)域。其原因主要是由于燃料棒束入口處存在較大的橫向流，導(dǎo)致燃料棒下端發(fā)生較大的振動(dòng)現(xiàn)象。

3、關(guān)于核燃料組件的熱工安全裕量，臨界熱流密度是其核心技術(shù)指標(biāo)，其含義為當(dāng)燃料組件的局部功率密度高于臨界熱流密度時(shí)，核燃料組件局部溫度會(huì)急劇升高，導(dǎo)致局部燒毀失效、放射性物質(zhì)突破第一道安全屏障。根據(jù)現(xiàn)有研究，臨界熱流密度跟燃料棒附件的流場(chǎng)密切相關(guān)，受定位格架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、棒束輻照變形等的強(qiáng)烈影響。同時(shí)也與堆芯內(nèi)溫度場(chǎng)、流場(chǎng)的監(jiān)測(cè)反饋密切相關(guān)。

4、此外，根據(jù)核電站運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，如果核燃料組件出口橫向流較大，易引起控制棒組件中控制棒包殼與燃料組件導(dǎo)向管的磨損。

5、上述現(xiàn)象均與燃料組件的流場(chǎng)設(shè)計(jì)相關(guān)，上游流場(chǎng)對(duì)下游流場(chǎng)有顯著影響，其影響區(qū)域范圍與水力直徑密切相關(guān)。因此，亟需從燃料組件的整體流場(chǎng)控制出發(fā)，提出一種燃料組件結(jié)構(gòu)的新設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)燃料組件熱工安全性能的提升。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明旨在提供一種協(xié)同控流高可靠性燃料組件，以降低燃料棒束入口橫向流、出口橫向流并增強(qiáng)燃料棒近壁區(qū)的冷卻劑攪混、提高臨界熱流密度為目標(biāo)，對(duì)以下管座、上管座、格架及燃料棒為核心的燃料組件整體進(jìn)行了協(xié)同創(chuàng)新設(shè)計(jì)，以達(dá)到燃料組件流場(chǎng)的整體協(xié)調(diào)。

2、本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

3、一種協(xié)同控流高可靠性燃料組件，沿冷卻劑流動(dòng)方向依次設(shè)置下管座、骨架、上管座，以及插入骨架中的燃料棒、導(dǎo)向管、儀表管；

4、所述的下管座為低出口橫向流下管座；在下管座連接板上，設(shè)有若干寬度小于燃料棒間距且軸向彎曲的空間貫通細(xì)長(zhǎng)流道；所述空間貫通細(xì)長(zhǎng)流道位于下管座連接板外圍的四周流道區(qū)域出口高于位于下管座連接板中部的中間流道區(qū)域出口，以降低組件間出口橫向流。

5、在所述空間貫通細(xì)長(zhǎng)流道的入口端加工入口倒角，以降低流動(dòng)阻力。

6、所述的上管座為低出口橫向流上管座，由上管座連接板、固定在上管座連接板邊緣的上管座圍板和固定在上管座圍板上的上管座框板組成；通過(guò)設(shè)置上管座圍板以減少上管座間橫向流，通過(guò)在上管座框板上開(kāi)設(shè)框板通孔以降低流動(dòng)阻力。

7、在所述的上管座連接板上加工有上管座流水孔群，上管座流水孔群在上管座連接板上呈中心旋轉(zhuǎn)對(duì)稱和軸對(duì)稱分布，中部密集排列曲面通孔、周圍平行排列直孔，且孔的上下均設(shè)置倒角；在上管座連接板上、導(dǎo)向管和儀表管的對(duì)應(yīng)位置開(kāi)設(shè)有上管座連接孔，在上管座連接孔附近的上管座流水孔以上管座連接孔為中心旋轉(zhuǎn)對(duì)稱和軸對(duì)稱分布。

8、所述的上管座安裝有變剛度低松弛板彈簧壓緊系統(tǒng)，以降低燃料組件運(yùn)行中的壓緊載荷。

9、所述的骨架包括結(jié)構(gòu)攪混格架，結(jié)構(gòu)攪混格架的導(dǎo)流翼設(shè)于內(nèi)條帶和外條帶上，并向燃料棒柵元內(nèi)側(cè)光滑彎折；內(nèi)條帶導(dǎo)流翼投影覆蓋柵元角部，且投影邊緣呈與燃料棒同心的圓弧狀，從而引導(dǎo)柵元角部的冷卻劑圍繞燃料棒流動(dòng)實(shí)現(xiàn)強(qiáng)導(dǎo)流。

10、所述的骨架還包括純結(jié)構(gòu)格架和純攪混格架；其中，純結(jié)構(gòu)格架布置在燃料棒流場(chǎng)紊亂的兩端，只定位燃料棒，沒(méi)有導(dǎo)流作用，不設(shè)置導(dǎo)流翼；純攪混格架布置在導(dǎo)流功能不足的結(jié)構(gòu)攪混格架之間，起到增強(qiáng)導(dǎo)流的作用，不定位燃料棒。

11、所述結(jié)構(gòu)攪混格架和純攪混格架的導(dǎo)流翼向燃料棒柵元內(nèi)側(cè)彎折的半徑為2~10mm；在結(jié)構(gòu)攪混格架的內(nèi)條帶和外條帶上設(shè)有多處開(kāi)孔，分別為內(nèi)條帶流通孔和外條帶流通孔，以增強(qiáng)不同柵元內(nèi)的橫向流。

12、至少設(shè)有1個(gè)布置在高功率區(qū)的結(jié)構(gòu)攪混格架；若布置2個(gè)及以上結(jié)構(gòu)攪混格架，則相鄰兩個(gè)結(jié)構(gòu)攪混格架之間的距離為200~700mm，且其間可增加布置純攪混格架1~2個(gè)。

13、所述的燃料棒為低輻照變形燃料棒，由具有耐蠕變特性和低輻照生長(zhǎng)特性的鋯合金包殼、燃料芯塊、端塞組成，其中填充惰性氣體；惰性氣體的壓力根據(jù)燃料棒外壓、儲(chǔ)氣體積、包殼蠕變特性和燃料棒燃耗進(jìn)行平衡迭代設(shè)計(jì)，在滿足燃料棒熱態(tài)內(nèi)壓不超過(guò)外壓的條件下選取最大值。

14、所述燃料棒的活性段組成為：二氧化鈾芯塊、二氧化钚芯塊或鈾钚混合氧化物芯塊，或者含釓或硼或鉺或鏑的芯塊，或者上述芯塊的組合；或者其他由鈾、钚、釷和其他易裂變核素的化合物，或者含釓或硼或鉺或鏑和其他中子毒物核素的化合物或混合物，或者上述化合物或混合物的組合；

15、其中易裂變核素的同位素占比為1~10%；中子毒物核素的化合物或混合物質(zhì)量含量為0~12%。

16、所述燃料棒活性段中芯塊的平均晶粒度大于30μm。

17、所述的燃料棒還包括燃料定位結(jié)構(gòu)，燃料定位結(jié)構(gòu)為螺旋彈簧、徑向彈簧或者其他實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償活性段熱膨脹差的彈性結(jié)構(gòu)。

18、所述包殼的材料為鋯-錫-鈮系鋯合金，按重量百分含量計(jì)，sn：0.50%-1.20%，nd：0.60%-1.25%，fe：0.05%-0.55%，余量為zr和雜質(zhì)。

19、所述鋯-錫-鈮系鋯合金表面緊密覆蓋抗腐蝕耐高溫鉻涂層。

20、所述的導(dǎo)向管為等外徑內(nèi)縮頸的鋯合金管；或者由等壁厚外管與其內(nèi)側(cè)下部套設(shè)的等壁厚內(nèi)管構(gòu)成的“管中管”組合體，在外管上、靠近內(nèi)管上端部上方的位置開(kāi)設(shè)有落棒溢流孔。

21、所述導(dǎo)向管的材料采用耐蠕變低生長(zhǎng)的鋯-錫-鈮系鋯合金，外管壁厚≥0.55mm；當(dāng)一批導(dǎo)向管組裝在同一燃料組件上時(shí)，由于加工公差導(dǎo)致該批導(dǎo)向管的直徑大小和壁厚存在差異，將其中直徑和壁厚大的導(dǎo)向管布置在燃料組件外圍。

22、所述的空間貫通細(xì)長(zhǎng)流道左右兩側(cè)對(duì)稱、且彎曲方向相反，出口端設(shè)有長(zhǎng)度≥3mm的出口直流段。

23、所述的儀表管為可測(cè)溫儀表管，布置運(yùn)行于5m/s的12英尺燃料組件上，在儀表管上、距離燃料棒活性段下表面標(biāo)高3~4m位置開(kāi)有22個(gè)直徑3mm的小孔；測(cè)溫儀表或其他堆芯測(cè)量?jī)x表從儀表管上部插入。

24、本發(fā)明的顯著效果在于：

25、（1）本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了燃料組件的高熱工安全裕量。采用入口管座引流均流、中間格架攪渾控流、出口管座降壓導(dǎo)流的燃料組件全流場(chǎng)協(xié)同調(diào)控，使冷卻劑分布均勻并引導(dǎo)柵元角部的“低溫”冷卻劑圍繞“高溫”燃料棒流動(dòng)，顯著提高冷熱冷卻劑的混合程度進(jìn)而降低局部熱點(diǎn)溫度。相比國(guó)內(nèi)現(xiàn)役燃料組件，冷卻劑攪混效果提升25%，基于燃料組件臨界熱流密度試驗(yàn)獲取的試驗(yàn)數(shù)據(jù)證明其平均熱流密度提升約5%。格架外條帶導(dǎo)流翼片高低搭配且彎折后端部埋入燃料棒間隙不突出格架外表面，以及內(nèi)條帶端部支撐焊接導(dǎo)流翼片，提高了燃料組件間的攪混均勻度，并保證了在橫向500n擠壓力的試驗(yàn)中沒(méi)有發(fā)生勾掛，消除了卸料格架勾掛干涉現(xiàn)象，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。

26、（2）本發(fā)明下管座結(jié)構(gòu)不會(huì)產(chǎn)生明顯橫向流，與現(xiàn)有技術(shù)相比平均橫向流速降低了5%，同時(shí)綜合過(guò)濾效率超過(guò)87%、異物捕捉效率達(dá)到32%，相比國(guó)內(nèi)現(xiàn)役燃料組件可將燃料棒破損占比最高的異物磨蝕概率降低40%以上，防捕異物效果好。

27、（3）本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了燃料組件的熱工安全監(jiān)測(cè)反饋。通過(guò)設(shè)置可測(cè)溫儀表管，可在其內(nèi)放置溫度傳感器，在線實(shí)時(shí)連續(xù)測(cè)量從徑向均布流水孔進(jìn)入其內(nèi)的冷卻劑（該冷卻劑已經(jīng)過(guò)強(qiáng)導(dǎo)流格架的引導(dǎo)將冷熱冷卻劑混合均勻后獲得）溫度，知曉燃料組件實(shí)際熱工安全裕度，并可以反饋運(yùn)行，指導(dǎo)運(yùn)行策略優(yōu)化。

28、（4）本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了燃料組件強(qiáng)載下安全裕量維持。采用高強(qiáng)度鋯-錫-鈮系鋯合金作為包殼材料和導(dǎo)向管材料，結(jié)合“管中管”導(dǎo)向管、格架內(nèi)條帶端部支撐焊接導(dǎo)流翼、高剛度管座等結(jié)構(gòu)增強(qiáng)措施，通過(guò)燃料組件力學(xué)試驗(yàn)證明其承壓抗彎（堆內(nèi)全壽期均為承壓狀態(tài)）剛度相比國(guó)內(nèi)現(xiàn)役燃料組件提升25%，滿足0.3g極限地震動(dòng)抗震要求，實(shí)現(xiàn)地震等強(qiáng)載作用后安全裕量不降低。

29、（5）本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了燃料組件高燃耗下安全裕量維持。采用耐蠕變、低生長(zhǎng)的鋯-錫-鈮系鋯合金作為包殼材料和導(dǎo)向管材料，結(jié)合大晶粒燃料、“管中管”導(dǎo)向管、變剛度板彈簧壓緊系統(tǒng)、低壓降格架和管座等結(jié)構(gòu)上的降載增強(qiáng)措施，實(shí)現(xiàn)了燃料組件高燃耗下輻照生長(zhǎng)小、蠕變變形小、彎曲變形小、包容能力強(qiáng)，幾何結(jié)構(gòu)安全可靠，且安全裕量不降低。

30、（6）本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了燃料組件事故工況下的高安全性。采用耐蠕變鋯-錫-鈮系鋯合金作為包殼材料，提高了事故工況下燃料棒結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，進(jìn)而維持了冷卻劑流道穩(wěn)定性，保障了余熱快速導(dǎo)出，提升了應(yīng)對(duì)事故工況的能力。在耐蠕變鋯-錫-鈮系鋯合金表面緊密覆蓋耐腐蝕抗高溫涂層降低了包殼腐蝕速率，相比沒(méi)有涂層前降低了包殼和燃料芯塊溫度，提高了事故工況下的安全裕量，同時(shí)能夠延遲鋯水反應(yīng)，具有良好的耐事故能力。

31、（7）本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了燃料組件與核電廠的高經(jīng)濟(jì)性。根據(jù)本發(fā)明設(shè)計(jì)的燃料棒燃耗可達(dá)62gwd/tu，換料周期可達(dá)18~24個(gè)月，燃料棒設(shè)計(jì)控制破損率低于10-6，具有高燃耗、長(zhǎng)換料周期、低破損率的特性，能夠減少燃料組件的數(shù)量和換料次數(shù)，提升核電廠可利用率，為核電廠帶來(lái)了優(yōu)良的經(jīng)濟(jì)性。

32、（8）本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了燃料組件的高質(zhì)量批量化制造。采用導(dǎo)向管“脹焊組合法”、空間細(xì)長(zhǎng)流道成形法、骨架三層焊接實(shí)現(xiàn)法、低摩擦拉棒法以及導(dǎo)向管反拉法等燃料組件組裝獨(dú)特工藝方法及機(jī)械批量化制造方法，保障了本發(fā)明燃料組件的高燃耗、高安全、高可靠性能實(shí)現(xiàn)，提升了產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性。