一种共挤压式环形燃料棒的制作方法

本发明属于核燃料技术领域，具体涉及一种共挤压式环形燃料棒。

背景技术：

核电站反应堆运行过程中，核燃料的性能是影响反应堆安全性和经济性的重要因素。因此国际上一直将燃料元件的研究放在十分突出的地位，通过优化燃料元件设计、采用先进结构材料、改进元件制造工艺等方法，不断提高核燃料元件的各种性能，促使核电向更安全和更经济的方向发展。

通常核燃料都设计成实心圆柱状的，由上下端塞、芯块、压紧弹簧和包壳组成，冷却剂从包壳外流过，对燃料棒进行冷却。

与传统的实心圆柱状燃料相比，环形燃料的好处是在很高的线功率密度下，燃料中心的温度仍然很低，燃料内的储能较少，裂变气体释放较少。可预期正常运行和瞬态条件下燃料性能较好。

现有的环形燃料棒中，内包壳的外表面与环形燃料芯块的内表面之间、以及外包壳的内表面与环形燃料芯块的外表面之间均存在间隙，不利于环形燃料芯块的散热，且组装工艺精度要求高，不方便组装加工。

而现有钠冷快堆燃料元件中，燃料棒包壳管外表面普遍采用绕丝定位结构，对组件内部燃料棒进行横向定位，并使冷却剂受到绕丝的横向作用力产生横向流动，使得由包壳表面传出的热量更好的传递至冷却剂中心区域，有效降低燃料棒包壳表面最高温度，保证组件的安全性。但由于绕丝与燃料棒包壳管外表之间不可避免地会存在缝隙，使得绕丝与燃料棒包壳管外表之间容易产生震动，影响结构的稳定性，且绕丝与燃料棒接触部分冷却剂流域狭长且窄小，在绕丝对冷却剂的背流面会有涡旋与流动滞止区的存在，也会对热量的传导带来阻碍。

因此，亟需设计一种能够消除上述缺陷的燃料棒。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种共挤压式环形燃料棒，消除燃料芯块与包壳之间的间隙以及优化绕丝与燃料棒接触部分的传热效果。

本发明的技术方案如下：

一种共挤压式环形燃料棒，包括上端塞、下端塞、内包壳、外包壳、环形燃料芯体；

所述的环形燃料芯体与内包壳和外包壳通过共挤压的方式加工，相互之间无间隙，增强了导热，降低了中心温度；

在所述内包壳和外包壳的上方连接上端塞、下方连接下端塞。

还包括在所述外包壳的外表面上加工有n条扰流翼，n≥1。

所述的扰流翼呈螺旋状分布在外包壳的外表面上。

所述的扰流翼与外包壳外表面一体加工成型，能够显著增大换热面积，利于整体散热，同时消除由于绕丝定位结构与燃料棒表面接触部分传热效果差导致的包壳局部热量传热效果差的现象。

当所述的扰流翼有多条时，沿轴向等角度分布于外包壳的外表面上。

所述扰流翼的高度与燃料组件中相邻两个环形燃料棒的间距相等，可通过扰流翼对相邻两个环形燃料棒限位。

所述的燃料棒内部无需充氦气。

所述的环形燃料芯体为弥散体燃料。

所述的环形燃料芯体为金属燃料。

适用于压水堆、快堆、低温供热堆、空间堆、沸水堆、微堆、零功率堆、重水堆、动力堆、船用动力堆堆型。

本发明的显著效果在于：

(1)本发明燃料棒的燃料芯块与包壳之间无间隙，增强了导热，降低了燃料芯块中心温度，且不再需要传统的压紧弹簧结构，增加了运行的稳定性，减少了放射性废物。

(2)本发明的扰流翼结构与燃料棒外包壳一体加工成型，两者之间无缝隙，与绕丝定位结构相比能够显著增大换热面积，利于整体散热。

(3)本发明燃料棒的扰流翼结构能够显著增强横向搅混效果。

(4)本发明的燃料棒结构简化了燃料棒组装制造工艺，在制造时毋需对燃料棒内部充氦气，降低了成本。

附图说明

图1为共挤压式环形燃料棒无扰流翼横截面示意图；

图2为共挤压式环形燃料棒无扰流翼纵截面示意图；

图3为共挤压式环形燃料棒有扰流翼横截面示意图；

图4为共挤压式环形燃料棒有扰流翼纵截面示意图；

图5为共挤压式环形燃料棒多扰流翼横截面示意图。

图中：1.上端塞；2.下端塞；3.内包壳；4.外包壳；5.环形燃料芯体；6.扰流翼。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。

如图1、2所示的一种共挤压式环形燃料棒，包括上端塞1、下端塞2、内包壳3、外包壳4、环形燃料芯体5。

所述的环形燃料芯体5与内包壳3和外包壳4通过共挤压的方式加工，相互之间无间隙，增强了导热，降低了燃料芯块中心温度。

在所述内包壳3和外包壳4的上方连接上端塞1、下方连接下端塞2。

所述的环形燃料芯体5为弥散体或金属燃料。

所述传统的共挤压加工方式容易在共挤压件的两端产生芯体分布不均匀的情况，因此

本技术：
共挤压式的环形燃料棒通过切除两端芯体不均匀的部分后，再分别焊接上端塞1和下端塞2。

如图3、4所示，在外包壳4的外表面上加工有n条扰流翼6，n≥0。所述的扰流翼6呈螺旋状分布在外包壳4的外表面上，与外包壳4外表面一体加工成型，能够显著增大换热面积，利于整体散热，同时消除由于绕丝定位结构与燃料棒表面接触部分传热效果差导致的包壳局部热量传热效果差的现象。

如图5所示，当所述的扰流翼6有多条时，沿轴向等角度分布于外包壳4的外表面上。所述扰流翼6的高度与燃料组件中相邻两个环形燃料棒的间距相等，可通过扰流翼6对相邻两个环形燃料棒限位。

本发明所述的一种共挤压式环形燃料棒，适用于压水堆、快堆、低温供热堆、空间堆、沸水堆、微堆、零功率堆、重水堆、动力堆、船用动力堆堆型。

技术特征：

1.一种共挤压式环形燃料棒，其特征在于：包括上端塞(1)、下端塞(2)、内包壳(3)、外包壳(4)、环形燃料芯体(5)；

所述的环形燃料芯体(5)与内包壳(3)和外包壳(4)通过共挤压的方式加工，相互之间无间隙，增强了导热，降低了中心温度；

在所述内包壳(3)和外包壳(4)的上方连接上端塞(1)、下方连接下端塞(2)。

2.如权利要求1所述的一种共挤压式环形燃料棒，其特征在于：还包括在所述外包壳(4)的外表面上加工有n条扰流翼(6)，n≥1。

3.如权利要求2所述的一种共挤压式环形燃料棒，其特征在于：所述的扰流翼(6)呈螺旋状分布在外包壳(4)的外表面上。

4.如权利要求3所述的一种共挤压式环形燃料棒，其特征在于：所述的扰流翼(6)与外包壳(4)外表面一体加工成型，能够显著增大换热面积，利于整体散热，同时消除由于绕丝定位结构与燃料棒表面接触部分传热效果差导致的包壳局部热量传热效果差的现象。

5.如权利要求4所述的一种共挤压式环形燃料棒，其特征在于：当所述的扰流翼(6)有多条时，沿轴向等角度分布于外包壳(4)的外表面上。

6.如权利要求5所述的一种共挤压式环形燃料棒，其特征在于：所述扰流翼(6)的高度与燃料组件中相邻两个环形燃料棒的间距相等，可通过扰流翼(6)对相邻两个环形燃料棒限位。

7.如权利要求6所述的一种共挤压式环形燃料棒，其特征在于：所述的燃料棒内部无需充氦气。

8.如权利要求7所述的一种共挤压式环形燃料棒，其特征在于：所述的环形燃料芯体(5)为弥散体燃料。

9.如权利要求7所述的一种共挤压式环形燃料棒，其特征在于：所述的环形燃料芯体(5)为金属燃料。

10.如权利要求1～9任一项所述的一种共挤压式环形燃料棒，其特征在于：适用于压水堆、快堆、低温供热堆、空间堆、沸水堆、微堆、零功率堆、重水堆、动力堆、船用动力堆堆型。

技术总结
本发明涉及核燃料技术领域，具体公开了一种共挤压式环形燃料棒，其中燃料芯块与包壳之间无间隙，增强了导热，降低了燃料芯块中心温度，且不再需要传统的压紧弹簧结构，增加了运行的稳定性，减少了放射性废物。本发明的燃料棒结构简化了燃料棒组装制造工艺，在制造时毋需对燃料棒内部充氦气，降低了成本。

技术研发人员：何晓军;史宝磊;季松涛;邹远方;刁均辉;徐西安
受保护的技术使用者：中国原子能科学研究院
技术研发日：2020.05.25
技术公布日：2020.07.31