加强核燃料组件中冷却剂混合用的旋流偏转器

摘要

加强核燃料组件中冷却剂混合用的旋流偏转器,包括多个三角形翼片支承和多对多边形翼片。沿核燃料组件的每个定位格架联锁部分的各顶缘分别整体地形成所述翼片支承。每个翼片支承的两个相邻倾斜顶缘上分别整体地形成每对多边形翼片,并且分别按相反方向倾斜。所述翼片支承的两个倾斜顶缘的倾斜角最好分别在20°与40°之间。所述旋流翼片的倾角最好分别在30°与50°之间。

说明书

一般地说，本发明涉及核反应堆燃料定位格架，具体地说，涉及一种加强核燃料组件中冷却剂混合用的旋流偏转器，它能使压力损失最小，并能同时产生旋转混流和交叉液流冷却剂混合，从而改善核反应堆中冷却剂与燃料棒间的热传递。

恰如熟悉本领域的人员所周知的，核燃料组件包括多个燃料棒、多个定位格架、上端配件和下端配件。燃料棒之间形成分流道，它们确定冷却剂在燃料棒之间的通道。定位格架用以保持燃料棒安装就位，是由多个栅条排成栅格形式而形成的。每个栅条具有弹性和呈拱形的凹曲。某些情况下，与定位格架一体地形成混合装置。

燃料棒内因核裂变产生的热量被传递给冷却剂，用以产生发电所需的蒸汽。燃料棒表面与冷却剂间的热传递主要是通过泡核沸腾实现的。泡核沸腾热传递是由对冷却剂的热量传递形成的，这是在燃料棒表面上生成的蒸汽泡被移到分流道中心的同时发生的。随着燃料棒热通量的加大，气泡的产生也增多，于是燃料棒的表面上形成气泡层。结果，由于冷却剂受阻于燃料棒的整个热表面，在热通量大于一定的临界值时使得热传递被减弱。因此，重要的技术任务在于提高临界热通量，以保持有效的泡核沸腾。

定位格架增强在燃料棒之间流动的冷却剂的湍流交混，从而用于改善所述热传递。当前，正处于具有混合装置的定位格架的发展阶段，用以增强强制混合及湍流交混。混合装置的工作，促进分流道中的旋转混流或分流道间的交叉液流混合及湍流交混，从而平衡核反应堆的内部温度分布，并改善核燃料组件的热传递特性。然而，这种混合装置是有问题的，其中，它们缩减冷却剂的通路，因而增大了核反应堆的压力降落。因此，必须开发在可靠地保持燃料棒并提高临界热通量的同时能够使反应堆芯的压力降落最小的核燃料定位格架。

用以改善核燃料热传递的冷却剂强制混合的一般技术是在分流道内产生旋转混流，以及在相邻的分流道间产生交叉液流。每个分流道内的旋转混流消除邻近燃料棒表面处于沸腾状态的蒸汽泡层，从而提高临界热通量。也就是旋转混流产生离心力，从而造成燃料棒表面附近的液体较热且较轻，以致移向分流道的中心，而分流道中心处的液体较凉且较重，流向燃料棒表面。在不设旋转混流发生装置的情况下，这样的旋转混流消除热边界层，同时改善热传递。另一方面，借助相邻流道中的冷却剂混合，各分流道间的交叉液流平衡核反应堆内的冷却剂温度分布，从而由于冷却剂的局部温度提高，抑制临界热通量的产生，因而使热传递增强。

过去曾经开发过液流定向翼片，通过产生分流道间的交叉液流，能够改善核燃料组件的热传递特性。

美国专利US4,692,302公开一种核燃料组件的定位格架，其中在定位格架的联锁部分上分别形成多对分裂的翼片，而且每对翼片分别沿相反的方向弯折。美国专利US4,692,302的发明旨在促进交叉液流冷却剂混合。另外，美国专利US4,692,302的定位格架是有问题的，其中在组装栅格过程中，所述各翼片可能容易破裂，而且因流道的陡然缩减，使压力损失增大。

美国专利US5,440,599公开一种定位格架，带有侧向支撑的液流定向翼片，其中在定位格架的联锁部分上分别形成多对混合翼片，而且每对翼片分别向分流道弯折90°。美国专利US5,440,599的发明的主要目的也是促进冷却剂邻近分流道的交叉液流混合。由于每个翼片的上部具有足够的宽度，下部的宽度较窄，所以它们不能产生较强的液流偏转效应。此外，由各翼片产生的交叉液流混合发生在各翼片附近，而不向下游扩展。

近来，有如韩国专利98-3133所揭示的，为实现冷却剂的旋转混流，已尝试开发旋流翼片。这种旋流翼片中，翼片的尺寸和倾角受到限制，以避免翼片与燃料棒碰触。因此，变得难以产生较强的旋转液流，并使交叉液流混合的产生变弱。

可将普通核燃料组件的液流偏转器分类为产生分流道间的交叉液流的液流偏转器和产生旋转流的液流偏转器。因此，普通旋流偏转器只能产生交叉液流和旋转流中的一种，立刻引起液流混合效果的消弱。

因此，在注意现有技术中上述问题的同时，本发明提供一种旋流偏转器，用以增强核燃料组件中冷却剂的混合，它能同时产生旋转流混合和交叉液流混合，增强冷却剂的液流混合效应，并使得这种混合效应扩展到下游。

本发明的另一目的是提供一种旋流偏转器，用以增强核燃料组件中冷却剂的混合，由于流道尺寸的变化，它能使压力的降低最小。

为实现上述目的，本发明提供一种旋流偏转器，用以增强核燃料组件中冷却剂的混合，这种旋流偏转器包括多个三角形翼片支承，多对多边形翼片，沿核燃料组件的每个定位格架的联锁部分的顶部边缘分别整体地形成所述多个翼片支承，在每个翼片支承的两个相邻的倾斜顶部边缘上分别整体地形成每对多边形翼片，并且每对多边形翼片分别沿相反方向倾斜。每个多边形翼片面向燃料棒的一个边缘被弯曲，在使翼片倾斜的情况下，具有与燃料棒相同的水平曲率。

按照本发明的附加特征，所述翼片的两个倾斜顶部边缘倾斜角最好分别在20°与40°之间。

所述旋流翼片的倾角最好在30°与50°之间。

从下述参照附图的详细叙述，将更清楚地理解本发明的上述以及其它的目的、特点和其它优点，其中：    

图1是表示应用本发明旋流偏转器的核燃料组件的正视图；

图2是表示本发明第一实施例核反应堆定位格架的透视图；

图3是表示第一实施例定位格架的平面视图；

图4是表示第一实施例定位格架的一个栅条的主视图；

图5是表示第一实施例的栅条的旋流偏转器的细部视图：

图6是表示本发明第二实施例核反应堆定位格架的透视图；

图7是表示第二实施例定位格架的平面视图；

图8是表示第二实施例定位格架的一个栅条的主视图；

图9是表示第二实施例的栅条的旋流偏转器的细部视图。

图1是应用本发明旋流偏转器的核燃料组件100的正视图。核燃料组件100包括多个平行排布的燃料棒16，多个用于保持燃料棒16规则定位排列的定位格架102，上端配件和下端配件104和106分别位于燃料棒16的上端和下端，用以传递和支持外部负荷。

如图2所示，通过以开槽方式使第一组平行的栅条12与第二组平行的栅条14按直角联锁，并通过焊接过程将第二组平行的栅条14永久性地固定到第一组平行的栅条12上，形成每个定位格架102。沿着每个栅条一侧的顶缘、在两个栅条12和14联锁的位置整体地形成一对液流偏转翼片22。

使本发明的旋流偏转器22按相反方向倾斜。在这种情况下，每个翼片22的上缘并不与分流道的中心线垂直，而是关于所述中心线倾斜，从而使冷却剂能够流向该分流道和相邻分流道的内部。这就是一部分冷却剂流向该分流道内部，而其余部分的冷却剂流向它的相邻分流道，从而造成所要在同时产生的冷却剂旋转混流和交叉混流。

如图4所示，每个栅条12和14包括三角形的翼片支承24和一对旋流偏转器22。每个栅条12和14上在翼片支承24的中心处形成焊接两个相邻栅条用的焊接窗26和联锁两个相邻栅条用的槽隙25。如从图3可知者，各翼片22的外缘被凹曲，当使所述翼片22沿相反方向倾斜时，所述外缘分别单独地围绕住燃料棒16。

旋流偏转器22产生三维的旋转流动(旋流)，使得因翼片22的作用引起的液流定向效应可被向远扩展到下游，从而改善核燃料组件的热传递。

另外，由于翼片支承24的两个相邻的倾斜顶缘28上形成的每对旋流偏转器22按相反方向倾斜，所以翼片22可同时产生冷却剂的旋转流和交叉液流。此外，分别与各分流道(未给定参考标号)中心平面倾斜的各个翼片22的形状使各分流道中心部分比较凉的冷却剂能够直接与燃料棒16表面接触，因而使燃料棒16表面上产生的蒸汽泡层破裂。

此外，由于旋流偏转器22都是倾斜的，就使液流压力的降低最小，而且液流压力变化的进程缓慢，就能避免过度的压力损失。在这样的情况下，翼片支承24的倾斜顶缘28的倾角和旋流翼片22的倾角可按各种方式变化。然而，根据数字计算流体动力学的分析，翼片支承24的倾斜顶缘28的倾角最好分别在20°与40°之间，而旋流翼片22的倾角最好分别在30°与50°之间。

图6至9表示本发明第二实施例的另一种旋流偏转器。按照这种翼片的结构，省去每个翼片22’外缘的直线部分21，从而使翼片22’能够具有不变的形状。这就是由于省去翼片22’的突起部，就避免了因冷却剂流的压力所致各翼片22’的振动和变形，并使因翼片22’拐角上产生涡流所致的负翼片效应，如不稳定流动和液流感应的振动的产生得到抑制。另外，在这种翼片结构中，由于它的接触面积减小，就能减小压力的降低，但与第一实施例的翼片结构相比，它的液流偏转效应有些降低。

如上所述，本发明提供一种旋流偏转器，其中每对多边形翼片分别整体地形成在每个翼片支承的两个相邻倾斜顶缘上，并且分别按相反方向倾斜，所以使冷却剂流向该分流道及其相邻分流道的内部，因此，同时产生冷却剂的旋转混流和交叉混流。

另外，本发明提供一种旋流偏转器，其中各旋流偏转器能够沿冷却剂的主流方向倾斜，从而通过产生旋流可使它的液流定向效应向远扩展到下游，同时，通过使液流压力的降低最小，避免了过分的压力损失，并且，通过改变翼片支承的倾斜顶缘的倾斜角和各旋流翼片的倾角，可产生液流混合效果的变化。

虽然已为说明的目的揭示了本发明的优选实施例，但那些熟悉本领域的人员将能理解，各种改型、附加和替换都是可能的，不会脱离有如所附各权利要求揭示的本发明范围和精神。