具有扭绞结构的螺旋多叶型核燃料元件及其制造方法与流程

1.本发明涉及反应堆核燃料元件设计和制造方法技术领域，特别是涉及具有扭绞结构的螺旋多叶型核燃料元件及其制造方法。


背景技术：

2.为了改善核燃料元件的性能，克服陶瓷型核燃料元件的导热和延展性不足，在一些高通量试验堆、高功率动力堆采用了金属基核燃料元件。为了进一步增大核燃料元件的散热面积，金属基核燃料元件大多采用两种结构形式：板型或多叶棒状。其中，多叶棒状核燃料元件因其较好的力学性能得到很多的关注。
3.俄罗斯(前苏联)是最早关注多叶棒状燃料元件的国家，在1982年就有相关的研究报告，在专利ru2067324c1(1992年9月27日公布)、ru2125305 c1(1999年1月20日公布)、ru2416831c1(2009年8月31日公布)等专利中，先后公开了不同置换器形状、材料(有的含有可燃毒物)、不同肋形参数的螺旋多叶型金属基棒/管状核燃料元件方案。美国钍能源股份有限公司在专利cn105895178b、cn102947890b和cn102301430b及其关联专利(us20130322591a1,us20110255051a1)中，公布了一种带有螺旋肋的多叶形轮廓燃料元件棒的燃料组件方案，该方案给出了一种节距为21.5cm、外接圆直径为12.6mm四叶螺旋燃料元件棒，该四叶螺旋燃料元件棒中心具有边长为1.5～3.5mm正方形区域的置换器。美国光桥公司在专利cn106716546b中，公布了用于candu重水堆的带有自间隔的燃料组件，其所描述的多螺旋形扭绞燃料元件，结构与专利cn105895178b中的燃料元件结构类似。在专利cn106716546b中所述的含螺旋多叶燃料元件棒的燃料组件中，燃料棒的螺旋肋为燃料元件提供了结构支承，可以减少甚至取消定位格架，有效地减小冷却剂阻力，且螺旋肋能够显著增强横向搅混效果。中国原子能科学研究院何晓军等在cn111477354a中公布了用于快堆的共挤压式环形燃料棒，其也具有螺旋形扰流翼，只是在扰流翼中不含核燃料。
4.在目前所公开的国内外专利中，均集中于核材料的选择、燃料元件的几何结构，燃料组件中燃料元件的排布等。对于具有螺旋多叶型核燃料元件的制造方法只是大致用“共挤出”进行简单描述。经调研，通过共挤出的工艺一次成型出叶片(即螺旋肋)中含有核材料的螺旋多叶型核燃料元件时，存在以下技术问题：由于在通过共挤出的工艺一次成型出螺旋多叶型核燃料元件时，同时需要实现包壳与芯体的冶金结合，因此，工艺上难以操控。


技术实现要素：

5.基于此，有必要针对通过共挤出的工艺一次成型出螺旋多叶型核燃料元件时，工艺上难以操控的问题，提供一种工艺上易于操控的具有扭绞结构的螺旋多叶型核燃料元件的制造方法及该具有扭绞结构的螺旋多叶型核燃料元件。
6.本技术实施例提供一种具有扭绞结构的螺旋多叶型核燃料元件，所述具有扭绞结构的螺旋多叶型核燃料元件包括：
7.燃料芯体；
8.端塞，燃料芯体的轴向两端分别设置有端塞；以及
9.包壳管，至少包覆燃料芯体的外周面和端塞的外周面，包壳管的表面与端塞的表面的结合处形成冶金结合，包壳管的表面与燃料芯体的表面的结合处形成冶金结合；
10.所述具有扭绞结构的螺旋多叶型核燃料元件的外周面上形成有多个间隔设置的叶片，每个叶片的延伸方向围绕所述具有扭绞结构的螺旋多叶型核燃料元件的轴线；其中，每个叶片包括至少一个第一旋向段和至少一个第二旋向段，沿叶片的延伸方向，第一旋向段和第二旋向段依次交替连接，其中，第一旋向段与第二旋向段分别围绕所述具有扭绞结构的螺旋多叶型核燃料元件的轴线沿螺旋方向延伸，且二者的螺旋旋向相反。
11.由于第一旋向段与第二旋向段这两种相反旋向的螺旋结构依次交替连接，从而使得叶片形成扭绞结构。可以理解的，任意相邻的第一旋向段与第二旋向段构成一个扭绞单元，而叶片则由多个这样的扭绞单元组成。
12.上述的具有扭绞结构的螺旋多叶型核燃料元件在反应堆内进行裂变反应时，叶片与叶片之间形成的叶槽能够作为冷却剂通道，使得冷却剂能够对具有扭绞结构的螺旋多叶型核燃料元件进行冷却。由于叶片的第一旋向段与第二旋向段依次交替且旋向相反，从而，冷却剂在叶槽内流动时，经过第一旋向段与第二旋向段的交界处时，冷却剂通道的旋向发生改变，从而能够增大对冷却剂的搅混作用。
13.在一实施例中，单个第一旋向段的长度与单个第二旋向段的长度相同，从而第一旋向段沿叶片的延伸方向均匀等间隔排布，第二旋向段沿叶片的延伸方向均匀等间隔排布。
14.在一实施例中，所述具有扭绞结构的螺旋多叶型核燃料元件的单个节距长度为相邻的第一旋向段与第二旋向段沿所述具有扭绞结构的螺旋多叶型核燃料元件的轴向上的总长度；在叶片的1/2解决长度的n倍(n为正整数)位置处，为相邻的第一旋向段与第二旋向段的交界处。
15.本技术实施例提供一种辊压装置，辊压装置包括：
16.多个辊轮，辊轮的外周面设有凹槽，凹槽的延伸方向围绕辊轮的轴线；
17.第一驱动机构，用于驱动辊轮绕自身轴线转动；以及
18.第二驱动机构，第二驱动机构用于驱动燃料棒沿自身轴线方向移动的同时绕自身轴线转动；
19.所述辊压装置包括：多个辊轮，自所述辊轮的外周面内凹形成有凹槽，所述凹槽的延伸方向围绕所述辊轮的轴线；其中，沿所述辊轮的周向，所述凹槽能够划分为第一槽段和第二槽段，所述第一槽段的延伸方向和所述第二槽段的延伸方向分别倾斜于所述辊轮的轴线方向，所述第一槽段的起始位置与所述第二槽段的起始位置重合，所述第一槽段的末端位置与所述第二槽段的末端位置重合，且所述第一槽段与所述第二槽段呈镜像关系；
20.沿所述辊轮的轴向，从所述第一槽段的起始位置至所述第一槽段的末端位置，所述第一槽段的延伸趋势呈单向变化趋势；
21.沿所述辊轮的轴向，从所述第二槽段的起始位置至所述第二槽段的末端位置，所述第二槽段的延伸趋势呈单向变化趋势。
22.本技术实施例提供一种具有扭绞结构的螺旋多叶型核燃料元件的制造方法，用于借助辊压装置制造具有扭绞结构的螺旋多叶型核燃料元件，具有扭绞结构的螺旋多叶型核
燃料元件的制造方法包括以下步骤：
23.将核材料颗粒与金属基体粉末混合；
24.将核材料颗粒与金属基体粉末的混合物制成燃料芯坯；
25.在燃料芯坯的轴向两端分别设置端塞，并将燃料芯坯和端塞共同置于包壳管中；
26.采用共挤出成型的工艺将燃料芯坯、端塞以及包壳管共同制成燃料棒，以致包壳管的表面与端塞的表面的结合处形成冶金结合，包壳管的表面与燃料芯坯的表面的结合处形成冶金结合；
27.对燃料棒进行辊压；其中，对燃料棒进行辊压的步骤包括：
28.将辊压装置的多个辊轮沿燃料棒的周向均匀间隔布置在燃料棒的周围，且辊轮的轴线方向垂直于燃料棒的轴线方向；
29.使多个辊轮分别绕自身轴线转动，并使燃料棒沿自身轴线方向移动的同时绕自身轴线转动，以致多个辊轮的外周面和凹槽的内壁分别对燃料棒进行辊压。
30.在一实施例中，对燃料棒进行辊压的步骤具体为：对燃料棒进行多级辊压，随着辊压等级增大，辊压时所采用的辊轮的凹槽的宽度依次减小。
31.在一实施例中，在燃料芯坯的轴向两端分别设置端塞，并将燃料芯坯和端塞共同置于包壳管中的步骤中，包壳管的内周面包覆燃料芯坯的外周面。
32.在一实施例中，燃料芯坯为均一的实心圆柱。
33.将核材料颗粒与金属基体粉末的混合物制成燃料芯坯的步骤具体为：将核材料颗粒与金属基体粉末的混合物制成均一的实心圆柱状的燃料芯坯。
34.在一实施例中，具有扭绞结构的螺旋多叶型核燃料元件还包括置换器，设置于燃料芯体内，并沿燃料芯体的轴向贯穿燃料芯体；端塞具有内孔，置换器的两端分别穿过对应的端塞的内孔。
35.将核材料颗粒与金属基体粉末的混合物制成燃料芯坯的步骤具体为：将置换器置于核材料颗粒与金属基体粉末的混合物中，并将混合物制成燃料芯坯，以致燃料芯坯被制成后，置换器沿燃料芯坯的轴向贯穿燃料芯坯；由于燃料芯坯内置有置换器，因此，该燃料芯坯整体也呈圆柱状。
36.在燃料芯坯的轴向两端分别设置端塞，并将燃料芯坯与端塞共同置于包壳管中的步骤包括：将置换器的两端分别穿过两个端塞的内孔，以致两个端塞分别设置在燃料芯坯的两端。
37.在一实施例中，在燃料芯坯的轴向两端分别设置端塞，并将燃料芯坯和端塞共同置于包壳管中的步骤包括：在燃料芯坯的轴向两端分别焊接端塞之后，再将燃料芯坯和端塞共同置于包壳管中。
38.在一实施例中，燃料芯体为圆管状，其具有沿轴向设置的通孔，端塞具有内孔；包壳管包括内包壳和外包壳，内包壳的外周面覆盖于通孔的孔壁和端塞的内孔的孔壁，外包壳的内周面包覆于燃料芯体的外周面和端塞的外周面。
39.将核材料颗粒与金属基体粉末的混合物制成燃料芯坯的步骤具体为：将核材料颗粒与金属基体粉末的混合物制成圆管状的燃料芯坯，以致燃料芯坯中形成沿轴向设置的通孔；
40.在燃料芯坯的轴向两端分别设置端塞，并将燃料芯坯和端塞共同置于包壳管中的
步骤包括：在燃料芯坯的轴向两端分别设置具有内孔的端塞；将燃料芯坯和具有内孔的端塞共同置于包壳管的内包壳和外包壳之间，以致内包壳的外周面覆盖通孔的孔壁和端塞的内孔的孔壁，外包壳的内周面包覆燃料芯坯的外周面和端塞的外周面；
41.采用共挤出成型的工艺将燃料芯坯、端塞以及包壳管共同制成燃料棒，以致包壳管的表面与端塞的表面的结合处形成冶金结合，包壳管的表面与燃料芯坯的表面的结合处形成冶金结合的步骤包括：内包壳的外周面与通孔的孔壁的结合处形成冶金结合，内包壳的外周面与端塞的内孔的孔壁的结合处形成冶金结合，外包壳的内周面与燃料芯坯的外周面的结合处形成冶金结合，外包壳的内周面与端塞的外周面的结合处形成冶金结合。
42.在一实施例中，在燃料芯坯的轴向两端分别设置端塞，并将燃料芯坯和端塞共同置于包壳管中的步骤还包括：
43.在端塞与燃料芯坯连接之前，将两个具有内孔的端塞和燃料芯坯按照一定的先后顺序依次装入内包壳和外包壳之间。
44.在一实施例中，具有扭绞结构的螺旋多叶型核燃料元件的制造方法还包括：在对燃料棒进行辊压的步骤之后，分别切除燃料棒的轴向两端的不均匀段，其中，沿燃料棒的轴向，单个不均匀段的切除长度小于单个端塞的长度。
45.在一实施例中，具有扭绞结构的螺旋多叶型核燃料元件的制造方法还包括：在分别切除燃料棒的轴向两端的不均匀段的步骤之后，在端塞上连接定位部。
46.在一实施例中，将核材料颗粒与金属基体粉末的混合物制成燃料芯坯的步骤具体为：通过压制或挤出成型的工艺将核材料颗粒与金属基体粉末的混合物制成燃料芯坯。
47.在一实施例中，具有扭绞结构的螺旋多叶型核燃料元件的制造方法还包括：在将核材料颗粒与金属基体粉末的混合物制成燃料芯坯的步骤之后，对燃料芯坯进行预烧结。
48.在一实施例中，叶片的数量为三个或四个。对应的，辊轮的数量为三个或四个。
49.将辊压装置的多个辊轮沿燃料棒的周向均匀间隔布置在燃料棒的周围的步骤具体为：
50.将三个辊轮沿燃料棒的周向均匀间隔布置在燃料棒的周围；或
51.将四个辊轮沿燃料棒的周向均匀间隔布置在燃料棒的周围。
52.上述的具有扭绞结构的螺旋多叶型核燃料元件的制造方法的有益效果：
53.通过共挤出成型的工艺形成燃料棒，使得包壳管的表面与端塞的表面的结合处形成冶金结合，包壳管的表面与燃料芯坯的表面的结合处形成冶金结合，再通过辊压装置对燃料棒进行辊压，从而形成多个具有扭绞结构的螺旋形的叶片和多个螺旋槽。通过共挤出成型和辊压成型两步成型工艺分别实现包壳管与燃料芯坯的冶金结合和成型具有扭绞结构的螺旋多叶型核燃料元件的外形结构，工艺可控性好。并且，通过辊压装置进行一次辊压作业即可成型出足够的设计长度的叶片，从而能够形成足够长度的具有扭绞结构的螺旋多叶型核燃料元件，且尺寸可控而精度高。
附图说明
54.图1为第一实施例的具有扭绞结构的螺旋多叶型核燃料元件的结构示意图；
55.图2为图1中的区域a的局部放大图；
56.图3为图1中的具有扭绞结构的螺旋多叶型核燃料元件的横截面示意图；
57.图4为第一实施例的辊压装置对燃料棒进行辊压时的示意图；
58.图5为第一实施例的具有扭绞结构的螺旋多叶型核燃料元件的制造方法流程图；
59.图6为图5中对所述燃料棒进行辊压的具体方法流程图；
60.图7为第二实施例的具有扭绞结构的螺旋多叶型核燃料元件的横截面示意图；
61.图8为第二实施例的具有扭绞结构的螺旋多叶型核燃料元件的制造方法流程图；
62.图9为图8中对所述燃料棒进行辊压的具体方法流程图；
63.图10为第三实施例的的具有扭绞结构的螺旋多叶型核燃料元件的横截面示意图；
64.图11为第三实施例的具有扭绞结构的螺旋多叶型核燃料元件的制造方法流程图；
65.图12为图11中对所述燃料棒进行辊压的具体方法流程图；
66.图13为第四实施例的的具有扭绞结构的螺旋多叶型核燃料元件的横截面示意图；
67.图14为第四实施例的具有扭绞结构的螺旋多叶型核燃料元件的制造方法流程图；
68.图15为图14中对所述燃料棒进行辊压的具体方法流程图。
69.附图标号说明：
70.100、具有扭绞结构的螺旋多叶型核燃料元件；110、燃料芯体；120、包壳管；100a、叶片；100b、叶槽；130、定位部；100c、第一旋向段；100d、第二旋向段；100e、第一旋向段与第二旋向段的交界处；
71.10、辊压装置；11、辊轮；11a、凹槽；11b、辊轮外周面；11c、第一槽段；11d、起始位置；11e、末端位置；100'、燃料棒；
72.200、具有扭绞结构的螺旋多叶型核燃料元件；210、燃料芯体；220、包壳管；200a、叶片；200b、叶槽；
73.300、具有扭绞结构的螺旋多叶型核燃料元件；310、燃料芯体；320、包壳管；300a、叶片；300b、叶槽；340、置换器；
74.400、具有扭绞结构的螺旋多叶型核燃料元件；410、燃料芯体；421、内包壳；422、外包壳；400a、叶片；400b、叶槽。
具体实施方式
75.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
76.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
77.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
78.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
79.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
80.需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。
81.根据核反应堆的不同需求，具有扭绞结构的螺旋多叶型核燃料元件可设计为不同形状、尺寸、材料的。例如，按照不同设计形状，具有扭绞结构的螺旋多叶型核燃料元件可设计为三叶型或四叶型等、圆柱状或圆管状等。按照不同设计材料，具有扭绞结构的螺旋多叶型核燃料元件可设计为不同核材料和/或不同金属基材料。本技术实施例提供的具有扭绞结构的螺旋多叶型核燃料元件的制造方法需要借助于旋轧装置制造具有扭绞结构的螺旋多叶型核燃料元件。
82.下面结合几个具体的实施例介绍几种用于制造不同类型的具有扭绞结构的螺旋多叶型核燃料元件的制造方法。
83.第一实施例
84.请结合图1至图6，本技术第一实施例提供的具有扭绞结构的螺旋多叶型核燃料元件的制造方法用于借助辊压装置10制造具有扭绞结构的螺旋多叶型核燃料元件100。
85.结合图1至图3，第一实施例的具有扭绞结构的螺旋多叶型核燃料元件100包括：燃料芯体110、包壳管120以及端塞(未示出)。燃料芯体110的轴向上的两端分别设置有端塞。包壳管120包覆于燃料芯体110的外周面和端塞的外周面。包壳管120的内周面与端塞的外周面的结合处形成冶金结合。燃料芯体110的外周面与包壳管120的内周面的结合处形成冶金结合。参阅图1，具有扭绞结构的螺旋多叶型核燃料元件100整体呈棒状。具有扭绞结构的螺旋多叶型核燃料元件100的外周面上具有多个间隔设置的叶片100a。每个叶片100a的延伸方向围绕具有扭绞结构的螺旋多叶型核燃料元件100的轴线。相邻的叶片100a之间则形成叶槽100b，从而叶槽100b的延伸方向与叶片100a的延伸方向相同。
86.如图1所示，每个叶片100a包括至少一个第一旋向段100c和至少一个第一旋向段100d，沿叶片100a的延伸方向，第一旋向段100c与第一旋向段100d依次交替连接。其中，第一旋向段100c与第一旋向段100d分别围绕具有扭绞结构的螺旋多叶型核燃料元件100的轴线沿螺旋方向延伸。但是，第一旋向段100c的螺旋旋向与第一旋向段100d的螺旋旋向相反，例如，一个为左旋，另一个为右旋。由于第一旋向段100c与第一旋向段100d这两种相反旋向
的螺旋结构段依次交替连接，从而使得叶片100a形成扭绞结构。可以理解的，任意相邻的第一旋向段100c与第一旋向段100d则构成一个扭绞单元，而叶片100a则由多个这样的扭绞单元组成。
87.由于相邻的叶片100a之间则形成叶槽100b，从而叶槽100b的延伸方向与叶片100a的延伸方向相同，因此，与叶片100a的形状相应地，叶槽100b也形成扭绞结构。可以理解地，相应于第一旋向段100c与第一旋向段100d，叶槽100b具有依次交替地第一旋向槽(与第一旋向段100c对应)和第二旋向槽(与第一旋向段100d对应)，且二者的旋向相反。由于叶槽100b的第一旋向槽与第二旋向槽的旋向相反，从而叶槽100b也形成了扭绞结构。
88.上述的具有扭绞结构的螺旋多叶型核燃料元件100在反应堆内进行裂变反应时，叶槽100b能够作为冷却剂通道，使得冷却剂能够对具有扭绞结构的螺旋多叶型核燃料元件100进行冷却。由于叶槽100b的第一旋向槽(与第一旋向段100c对应)和第二旋向槽(与第一旋向段100d对应)依次交替且旋向相反，从而，冷却剂在叶槽100b内流动时，经过第一旋向槽和第二旋向槽的交界处时，冷却剂通道的旋向发生改变，从而能够增大对冷却剂的搅混作用。
89.在本实施例中，单个第一旋向段100c与单个第一旋向段100d的长度相同，从而，第一旋向段100c沿叶片的延伸方向均匀等间隔排布，第一旋向段100d沿叶片的延伸方向均匀等间隔排布。
90.在一实施例中，具有扭绞结构的螺旋多叶型核燃料元件100的节距长度为相邻的第一旋向段100c与第二旋向段100d沿所述具有扭绞结构的螺旋多叶型核燃料元件100的轴向上的总长度。参考图1和图2，又由于单个第一旋向段100c的长度与单个第一旋向段100d的长度相同，从而，叶片100a的1/2节距长度的n倍(n为正整数)位置处，为相邻的第一旋向段100c与第二旋向段100d的交界处100e，该交界处100e即叶片100的旋向改变的临界位置。根据本实施例中的叶片100的设置，方便叶片加工和具有扭绞结构的螺旋多叶型核燃料元件100的相关参数的计算。
91.在本实施例中，叶片100a的数量为四个，从而具有扭绞结构的螺旋多叶型核燃料元件100为四叶型。如图3所示，在具有扭绞结构的螺旋多叶型核燃料元件100的横截面中，四个叶片100a的轮廓沿具有扭绞结构的螺旋多叶型核燃料元件100的周向依次间隔排列。
92.第一实施例的具有扭绞结构的螺旋多叶型核燃料元件100的叶片100a的横截面形状为余弦形(如图3所示)，节距为200mm，燃料区总长500mm，外接圆直径13.3mm。
93.在其他实施例中，叶片100a的横截面形状也可以为弧形(例如椭圆弧)，或余弦形与弧形的结合，或其他形状。
94.参考图4，第一实施例的辊压装置10包括多个辊轮11、第一驱动机构(未示出)以及第二驱动机构(未示出)。如图4所示，每个辊轮11的外周面11b内凹形成有凹槽11a。凹槽11a的延伸方向围绕辊轮11的轴线s1。
95.如图4所示(参考图4中最左侧的辊轮11)，需要说明的是，在本实施例中，沿辊轮11的周向，凹槽11a能够划分为两段，分别为第一槽段11c和第二槽段(未示出)。沿第一槽段11c的延伸方向，第一槽段11c具有起始位置11d和末端位置11e。沿第二槽段的延伸方向，第二槽段具有起始位置11d和末端位置11e。第一槽段11c的起始位置11d与第二槽段的起始位置11d重合，第一槽段11c的末端位置11e与第二槽段的末端位置11e重合，且第一槽段11c和
第二槽段呈镜像关系。第一槽段11c的延伸方向和第二槽段的延伸方向分别倾斜于辊轮11的轴线s1。第一槽段11c与第二槽段构成的凹槽11的中心轴线s2则倾斜于辊轮11的轴线s1。
96.沿辊轮11的轴向(s1的方向)，从第一槽段11c的起始位置11d至第一槽段11c的末端位置11e，第一槽段11c的延伸趋势为单向变化趋势，例如图4中最左侧的辊轮11的第一槽段11c的延伸趋势为单向上升(即逐渐上升的趋势，没有下降)的趋势。相应的，根据第一槽段11c和第二槽段呈镜像关系，可以得到第二槽段沿辊轮11的轴向的变化趋势。
97.在本实施例中，辊压装置10的辊轮11的数量为四个。在本实施例中，第一驱动机构包括驱动件(例如电机)和由驱动件驱动的传动轴(未示出)。传动轴与辊轮11同轴连接，用于带动辊轮绕自身轴线s1转动。第二驱动机构用于驱动后文所述的燃料棒100'绕自身轴线转动并沿自身轴线方向移动。
98.请参阅图5，本技术第一实施例提供的具有扭绞结构的螺旋多叶型核燃料元件的制造方法包括以下步骤：
99.步骤s110：将核材料颗粒与金属基体粉末混合。
100.具体地，本实施例制备的具有扭绞结构的螺旋多叶型核燃料元件100用于长寿期紧凑型堆。长寿期紧凑型堆一般用于空间堆、船用堆或深海空间站等不便于换料的特殊应用场合，换料周期一般不少于10年或更久，可以采用锆基弥散型燃料元件。因此，在本实施例中，金属基粉末可以选用zr粉。核材料颗粒可以选用表面带有nb涂层的一定颗粒度的uo2微球，或选用具有一定粒径分布的δ相的uzr2燃料颗粒(
235
u富集度19.75％～60％)。将该uo2微球或该uzr2燃料颗粒与zr粉混合时，可按照体积比10％～40％进行混合。本实施例中对核材料颗粒与金属基粉末的体积比和混合方式不做限制。
101.步骤s120：将核材料颗粒与金属基体粉末的混合物制成均一的实心圆柱状的燃料芯坯。
102.将核材料颗粒(即表面带有nb涂层的一定颗粒度的uo2微球，或具有一定粒径分布的δ相的uzr2燃料颗粒(
235
u富集度19.75％～60％))与金属基粉末(zr粉)充分混合之后形成混合物，可通过压制或挤出成型的工艺将该混合物制成均一的、实心的圆柱状的燃料芯坯。进一步地，可对该燃料芯坯进行预烧结，以提高燃料芯坯的结合强度，从而能够保证在后续工艺步骤中燃料芯坯的形状稳定可靠。
103.步骤s130：在燃料芯坯的轴向两端分别焊接端塞，并将燃料芯坯和端塞共同置于包壳管中。
104.具体地，端塞的直径与燃料芯坯的直径可以是相同的，长度可以为50mm～100mm，端塞也呈圆柱状。在本实施例中，端塞所采用的材料选用锆合金。端塞的材料牌号可以是经反应堆验证的zr
‑
4合金或zr
‑
2合金。在燃料芯坯的轴向两端分别焊接端塞之后，则燃料芯坯与端塞构成芯棒。通过将芯棒穿设于包壳管中，则燃料芯坯和端塞共同置于包壳管中。
105.包壳管所采用的材料与端塞相同，为锆合金材料，材料牌号可以是经反应堆验证的zr
‑
4合金或zr
‑
2合金。包壳管的壁厚范围为0.4mm～0.7mm。包壳管的内径与燃料芯坯的外径适配，从而燃料芯坯的外周面与包壳管的内周面之间几乎不存在间隙，进而保证芯棒能够顺利装入包壳管的情况下且燃料芯坯与包壳管紧密配合。
106.步骤s140：结合图4，采用共挤出成型的工艺将燃料芯坯、端塞以及包壳管共同制成燃料棒100'，以致包壳管的内周面与端塞的外周面的结合处形成冶金结合，包壳管的内
周面与燃料芯坯的外周面的结合处形成冶金结合。
107.在本步骤中，在一定的温度下，通过共挤出成型的工艺将芯棒与包壳管制成圆柱形的燃料棒100'。由于通过共挤出的工艺将芯棒与包壳管制成燃料棒100'，从而能够使得燃料芯坯的外周面与包壳管的内周面的结合处形成冶金结合，包壳管的内周面与端塞的外周面的结合处形成冶金结合。
108.本领域技术人员可以理解，冶金结合是是指两件金属的界面间原子相互扩散而形成的结合，结合非常紧密且结合强度非常高。因此，通过本步骤，能够使得燃料芯坯的外周面与包壳管的内周面之间不存在间隙，包壳管的内周面与端塞的外周面之间不存在间隙，从而降低了具有扭绞结构的螺旋多叶型核燃料元件100内进行裂变反应时裂变气体释放到冷却剂中的风险。
109.步骤s150：对燃料棒100'进行辊压。步骤s150包括：步骤s151和步骤s152。
110.步骤s151：将辊压装置10的四个辊轮11沿燃料棒100'的周向均匀间隔布置在燃料棒100'的周围，且辊轮11的轴线s1方向垂直于燃料棒100'的轴线方向。
111.具体地，可将燃料棒100'安装在辊压装置10上，从而使得辊压装置10的四个辊轮11沿燃料棒100'的周向均匀间隔布置在燃料棒100'的周围。
112.步骤s152：使四个辊轮11分别绕自身轴线转动，并使燃料棒100'沿自身轴线方向移动的同时绕自身轴线转动，以致四个辊轮11的外周面和凹槽11a的内壁分别对燃料棒100'进行辊压。
113.具体地，每个辊轮11能够由各自对应的第一驱动机构的传动轴带动，从而能够绕各自的轴线s1转动。燃料棒100'可由第二驱动机构驱动。具体地，在本实施例中，第二驱动机构包括旋转驱动件(例如电机)和平移驱动件(例如液压杆等)。可将燃料棒100'安装在旋转驱动件上，并将旋转驱动件安装在平移驱动件上，从而能够通过旋转驱动件驱动燃料棒100'绕自身轴线转动，并且通过平移驱动件驱动旋转驱动件沿燃料棒100'的轴线方向平移，则燃料棒100'能够随旋转驱动件同时沿燃料棒100'的轴线方向移动，进而实现燃料棒100'沿自身轴线方向移动的同时绕自身轴线转动。
114.如图4所示，辊轮11的外周面11b与燃料棒100'的外周面配合。辊轮11绕自身轴线s1转动时，则辊轮11的外周面11b和凹槽11a的内壁则会辊压燃料棒100'的外周面，从而，在燃料棒100'的外周面上，被辊轮11的外周面11b(即外周面11b上非凹槽11a的区域)辊压的区域则会形成凹陷，被凹槽11a的内壁辊压的区域则会形成凸起。进一步地，随着辊轮11绕自身轴线s1持续转动，则辊轮11周向上的不同位置会逐步地对燃料棒100'的表面进行辊压。因此，可通过第二驱动机构驱动燃料棒100'沿自身轴线方向移动的同时绕自身轴线转动，从而能够使燃料棒100'的外周面上未被辊压过的区域移动至辊压位置，以供辊轮11继续辊压，而燃料棒100'的外周面上被辊压过的区域则移动至非辊压位置，以致为未被辊压过的区域让出辊压位置。因此，随着辊轮11绕自身轴线s1继续转动，则凹槽11a的内壁辊压而形成的凸起逐渐延长而形成叶片100a。
115.可以理解的是，辊轮11对燃料棒100'的表面进行辊压的过程中，随着辊轮11的转动，凹槽11a的第一槽段11c和第二槽段依次交替地对燃料棒100'的表面进行辊压，因此，第一槽段11c在燃料棒100'上辊压形成的凸起与第二槽段在燃料棒100'上辊压形成的凸起依次交替地连接，从而形成叶片100a。
116.由于第一槽段11c的延伸方向倾斜于辊轮11的轴线s1，从而第一槽段11c在燃料棒100'上辊压形成的凸起呈倾斜状态(倾斜于燃料棒100'的轴向)，而且，由于辊轮11辊压燃料棒100'时，燃料棒100'沿自身轴线方向移动的同时绕自身轴线转动，从而，燃料棒100'上被第一槽段11c辊压而形成的凸起围绕燃料棒100'的轴线盘旋而呈螺旋形。
117.同理，第二槽段在燃料棒100'上辊压形成的凸起呈倾斜状态，燃料棒100'上被第二槽段辊压而形成的凸起围绕燃料棒100'的轴线盘旋而呈螺旋形。但是，由于第一槽段11c与第二槽段呈镜像关系，因此，燃料棒100'上被第二槽段辊压而形成的凸起的螺旋旋向与燃料棒100'上被第二槽段辊压而形成的凸起的螺旋旋向相反，即形成依次交替连接的第一旋向段100c和第一旋向段100d。在本实施例中，四个辊轮11分别对燃料棒100'辊压从而能够形成四个间隔设置的叶片100a，相邻的叶片100a之间则形成叶槽100b。
118.直至燃料棒100'上形成足够长度(满足设计长度)的叶片100a和叶槽100b时，则完成了具有扭绞结构的螺旋多叶型核燃料元件100的制备。此时，辊压装置10则完成了一次完整的辊压作业，从而可以使四个辊轮11停止转动。
119.制备完成后的具有扭绞结构的螺旋多叶型核燃料元件100中的燃料芯体110即由燃料芯坯形成。结合图1和图3可知，制备完成后的具有扭绞结构的螺旋多叶型核燃料元件100的叶片100a不仅包括包壳管120的材料，而且叶片100a中具有燃料芯体110的材料。
120.如前文所述，由于凹槽11a的内壁辊压而形成的凸起逐渐延长而形成叶片100a，则叶片的横截面形状与凹槽11a的槽形(横截面形状)是匹配的。因此，凹槽11a的槽形可设计为与叶片100a的设计形状相同。由此可以理解，由于叶片100a和叶槽100b是通过辊轮11辊压而形成的，故叶片100a和叶槽100b的设计参数与辊轮11的设计参数和凹槽11a的设计参数具有相应的相关关系。因此，在对燃料棒进行辊压之前，可根据叶片100a和叶槽100b的设计尺寸、设计数量等设计参数来确定辊轮11和凹槽11a的相关设计参数。
121.上述的具有扭绞结构的螺旋多叶型核燃料元件的制造方法，先通过共挤出成型的工艺形成实心的圆柱形的燃料棒100'，使得燃料芯坯的外周面与包壳管的内周面的结合处形成冶金结合，包壳管的内周面与端塞的外周面的结合处形成冶金结合，再通过辊压装置10对燃料棒100'进行辊压，从而形成四个具有扭绞结构的螺旋形的叶片100a和四个叶槽100b。通过共挤出成型和辊压成型两步成型工艺分别实现包壳管与燃料芯坯的冶金结合和成型具有扭绞结构的螺旋多叶型核燃料元件100的外形结构，工艺可控性好。并且，通过辊压装置10进行一次辊压作业即可成型出足够的设计长度的叶片100a，从而能够形成足够长度的具有扭绞结构的螺旋多叶型核燃料元件100，且尺寸可控而精度高。
122.上述的具有扭绞结构的螺旋多叶型核燃料元件的制造方法，能够制造出具有扭绞结构的螺旋多叶型核燃料元件100。具有扭绞结构的螺旋多叶型核燃料元件100在反应堆内进行裂变反应时，叶片100a与叶片100a之间形成的叶槽100b能够作为冷却剂通道，使得冷却剂能够对具有扭绞结构的螺旋多叶型核燃料元件100进行冷却。由于叶片100a第一旋向段100c与第一旋向段100d依次交替且旋向相反，从而，冷却剂在叶槽100b内流动时，经过第一旋向段100c与第一旋向段100d的交界处时，冷却剂通道的旋向发生改变，从而能够增大对冷却剂的搅混作用。
123.在一实施例中，请参考图6，步骤s150具体为，对燃料棒100'进行多级辊压，且对燃料棒100'进行任一级辊压时的步骤包括步骤s151和步骤s152。其中，随着辊压等级增大，辊
压时所采用的辊轮11的凹槽11a的宽度依次减小。
124.具体地，对应于不同的辊压等级，辊压装置10具有多种等级的辊轮11。例如，在本实施例中，对燃料棒100'进行六级辊压。辊压装置10至少具有六种等级的辊轮11。每种等级的辊轮11的数量为四个。不同等级的辊轮11的区别在于，凹槽11a的宽度不同，其中，第一级辊轮11的凹槽11a的宽度最大，随着辊压等级增大凹槽11a的宽度依次减小，从而，第六级辊轮11的凹槽11a的宽度最小。
125.对燃料棒100'进行不同等级的辊压时，采用不同等级的辊轮11，其中，辊压时所采用的辊轮11的等级辊压的等级与对应。对燃料棒100'进行任一级辊压时的步骤包括步骤s151和步骤s152，在此不再赘述。
126.对燃料棒100'进行多级辊压时，按照辊压等级依次增大的顺序进行，即从第一级辊压依次增加至第六级辊压。因此，第一级辊压完成之后，燃料棒100'形成的叶片100a的宽度最大，随着辊压等级的增大，从而，叶片100a的宽度逐渐变窄，直至到第六级辊压完成之后，则达到叶片100a的设计尺寸。
127.在其他实施例中，辊压的等级也可以是四级、五级、七级或其他数量，在此不做限制。
128.在发明人的其他申请中，还采用了旋轧成型的方式成型核燃料元件的叶片。相较于旋轧成型这种一次成型的方式，本技术实施例采用多级辊压的方式逐级形成叶片100a，从而进行每一级辊压时燃料棒100'的变形可控，并且在成型过程中，燃料棒100'内应力较小，在成型后包壳管的厚度分布相对均匀。
129.在一实施例中，具有扭绞结构的螺旋多叶型核燃料元件100的制造方法还包括步骤s160。步骤s160为：在步骤s150之后，分别切除燃料棒100'的轴向两端的不均匀段。其中，沿燃料棒100'的轴向，单个不均匀段的切除长度小于单个端塞的长度。
130.具体地，可以理解，在步骤s150中，通过辊压装置10对燃料棒100'进行辊压的过程中，从燃料棒100'的轴向上的一端开始辊压，辊压至燃料棒100'的轴向上的另一端结束。因此，燃料棒100'的轴向上的两端分别为辊轮11的进刀处和收刀处。本领域技术人员可以理解，辊轮11在进刀处和收刀处速度不稳定，容易造成燃料棒100'的轴向上的两端的尺寸不均匀。因此，在本步骤中，切除燃料棒100'的轴向上两端的不均匀段，可以使得最终成型的具有扭绞结构的螺旋多叶型核燃料元件100沿轴向尺寸均匀。
131.其中，燃料棒100'的轴向上每一端的不均匀段的长度范围为20mm～30mm。即单个不均匀段的切除长度为20mm～30mm。如步骤s130中所述，在本实施例中，单个端塞长度可以为50mm～100mm，因此，即使切除20mm～30mm的不均匀段，也可以保证剩余部分的端塞能够对燃料芯坯的端部密封。
132.在一实施例中，具有扭绞结构的螺旋多叶型核燃料元件100的制造方法还包括步骤s170。步骤s170为：在步骤s160之后，在端塞上焊接定位部130。
133.具体地，定位部130可以是定位柱、定位块等。除焊接之外，定位部130与端塞的连接方式还可以是铆接，螺纹连接等。
134.可以在每个端塞上焊接一个定位部130。具有扭绞结构的螺旋多叶型核燃料元件100通常是组成核燃料组件的形式来使用。每个核燃料组件包括多个具有扭绞结构的螺旋多叶型核燃料元件100，并且每个具有扭绞结构的螺旋多叶型核燃料元件100需要分别保持
特定的位置。本步骤中，通过在具有扭绞结构的螺旋多叶型核燃料元件100的端塞上焊接定位部130，从而在制备核燃料组件时，方便对每个具有扭绞结构的螺旋多叶型核燃料元件100进行定位。例如，可将定位部130与核燃料组件的定位板上的对应的定位孔配合，以实现定位。
135.第二实施例
136.请参考图7，本技术第二实施例提供的具有扭绞结构的螺旋多叶型核燃料元件的制造方法用于借助辊压装置制造具有扭绞结构的螺旋多叶型核燃料元件200。
137.参考图7，具有扭绞结构的螺旋多叶型核燃料元件200包括：燃料芯体210、包壳管220以及端塞(未示出)。第二实施例的具有扭绞结构的螺旋多叶型核燃料元件200的结构与第一实施例的具有扭绞结构的螺旋多叶型核燃料元件100的结构基本相同，因此，对于相同之处不再赘述。下面重点介绍第二实施例的具有扭绞结构的螺旋多叶型核燃料元件200的结构与第一实施例的具有扭绞结构的螺旋多叶型核燃料元件100的结构的不同之处。在第二实施例中，叶片200a的数量为三个，从而具有扭绞结构的螺旋多叶型核燃料元件200为三叶型。如图7所示，在具有扭绞结构的螺旋多叶型核燃料元件200的横截面中，三个叶片200a的轮廓沿具有扭绞结构的螺旋多叶型核燃料元件200的周向依次间隔排列。
138.第二实施例的具有扭绞结构的螺旋多叶型核燃料元件200的叶片200a横截面形状为余弦形(如图7所示)，节距为300mm，燃料区总长600mm，外接圆直径12.6mm。
139.与第一实施例相应的，第二实施例中的辊压装置(未示出)包括多个辊轮、第一驱动机构以及第二驱动机构。第二实施例中的辊压装置与第一实施例中的辊压装置10的结构基本相同，因此，对于相同之处不再赘述。下面重点介绍第二实施例的辊压装置的结构与第一实施例的辊压装置10的结构的不同之处。在第二实施例中，辊压装置的辊轮的数量为三个。
140.请参阅图8，本技术第二实施例提供的具有扭绞结构的螺旋多叶型核燃料元件200的制造方法与第一实施例提供的具有扭绞结构的螺旋多叶型核燃料元件100的制造方法具有相同之处，对于相同之处不做赘述，下面重点介绍的第二实施例的具有扭绞结构的螺旋多叶型核燃料元件200的制造方法与第一实施例的具有扭绞结构的螺旋多叶型核燃料元件100的制造方法不同之处。第二实施例提供的具有扭绞结构的螺旋多叶型核燃料元件200的制造方法包括以下步骤：
141.步骤s210：将核材料颗粒与金属基体粉末混合。
142.具体地，本实施例制备的具有扭绞结构的螺旋多叶型核燃料元件200用于高通量研究试验堆。由于高通量研究试验堆运行温度较低，可以采用铝基弥散型核燃料元件，因此，在本实施例中，金属基粉末可以选用al粉。核材料颗粒可以选用一定粒径分布的ual
x
核材料颗粒或u3si2核材料颗粒(
235
u富集度19.75％～92％)。
143.将ual
x
核材料颗粒或u3si2核材料颗粒与al粉混合时，可按照体积比20％～50％进行混合，混合方式可以采用球磨等方式，以确保充分混合。本实施例中对核材料颗粒与金属基粉末的体积比和混合方式不做限制。
144.本实施例中，步骤s210中核材料颗粒与金属基粉末的混合时所采用的工艺与第一实施例中步骤s110中核材料颗粒与金属基粉末混合时所采用的工艺相同，在此不再赘述。
145.步骤s220：将核材料颗粒与金属基体粉末的混合物制成均一的实心圆柱状的燃料
芯坯。
146.本实施例中，步骤s220制备燃料芯坯时所采用的工艺与第一实施例中步骤s120中制备燃料芯坯时所采用的工艺相同，在此不再赘述。
147.步骤s230：在燃料芯坯的轴向两端分别焊接端塞，并将燃料芯坯和端塞共同置于包壳管中。
148.具体地，端塞的直径与燃料芯坯的直径可以是相同的，长度可以为50mm～100mm，端塞也呈圆柱状。在本实施例中，端塞所采用的材料选用锆合金。端塞的材料牌号可以是经反应堆验证的zr
‑
4合金或zr
‑
2合金。
149.包壳管所采用的材料与端塞相同，为锆合金材料，材料牌号可以是经反应堆验证的zr
‑
4合金或zr
‑
2合金。包壳管的壁厚范围为0.4mm～0.7mm。
150.本实施例中步骤s230与第一实施例中步骤s130类似地，燃料芯坯的外径与包壳管的内径适配。
151.步骤s240：采用共挤出成型的工艺将燃料芯坯、端塞以及包壳管共同制成燃料棒，以致包壳管的内周面与端塞的外周面的结合处形成冶金结合，包壳管的内周面与燃料芯坯的外周面的结合处形成冶金结合。
152.本实施例中，步骤s240所采用的共挤出成型的工艺与第一实施例中步骤s140中所采用的共挤出成型的工艺相同，在此不再赘述。
153.步骤s250：对燃料棒进行辊压。请参考图9，步骤s250包括：步骤s251和步骤s252。
154.步骤s251：将辊压装置的三个辊轮沿燃料棒的周向均匀间隔布置在燃料棒的周围，且辊轮的轴线方向垂直于燃料棒的轴线方向。
155.本实施例中步骤s251与第一实施例中步骤s151的区别在于：在燃料棒的周围布置三个辊轮。
156.步骤s252：使三个辊轮分别绕自身轴线转动，并使燃料棒沿自身轴线方向移动的同时绕自身轴线转动，以致三个辊轮的外周面和凹槽的内壁分别对燃料棒进行辊压。
157.在本实施例中，步骤s252中辊压装置的辊压过程与第一实施例中的步骤s152的辊压装置10的辊压过程基本相同，在此不再赘述。本实施例中步骤s252与第一实施例中步骤s152的区别在于：在本实施例中，由于需要制备的具有扭绞结构的螺旋多叶型核燃料元件200为三叶型，因此，相应的，本实施例中通过三个辊轮的转动对燃料棒分别进行辊压，最终具有扭绞结构的螺旋多叶型核燃料元件200形成三个叶片200a和三个叶槽200b。
158.上述的具有扭绞结构的螺旋多叶型核燃料元件的制造方法，先通过共挤出成型的工艺形成实心的圆柱形的燃料棒，使得燃料芯坯的外周面与包壳管的内周面的结合处形成冶金结合，包壳管的内周面与端塞的外周面的结合处形成冶金结合，再通过辊压装置对燃料棒进行辊压，从而形成三个具有扭绞结构的螺旋形的叶片200a和三个叶槽200b。通过共挤出成型和辊压成型两步成型工艺分别实现包壳管与燃料芯坯的冶金结合和成型具有扭绞结构的螺旋多叶型核燃料元件200的外形结构，工艺可控性好。并且，通过辊压装置进行一次辊压作业即可成型出足够的设计长度的叶片200a，从而能够形成足够长度的具有扭绞结构的螺旋多叶型核燃料元件200，且尺寸可控而精度高。
159.上述的具有扭绞结构的螺旋多叶型核燃料元件的制造方法，能够制造出具有扭绞结构的螺旋多叶型核燃料元件200。具有扭绞结构的螺旋多叶型核燃料元件200在反应堆内
进行裂变反应时，叶片200a与叶片200a之间形成的叶槽200b能够作为冷却剂通道，使得冷却剂能够对具有扭绞结构的螺旋多叶型核燃料元件200进行冷却。由于叶片200a的第一旋向段与第二旋向段依次交替且旋向相反，从而，冷却剂在叶槽200b内流动时，经过第一旋向段与第二旋向段的交界处时，冷却剂通道的旋向发生改变，从而能够增大对冷却剂的搅混作用。
160.在一实施例中，步骤s250具体为，对燃料棒进行多级辊压，且对燃料棒进行任一级辊压时的步骤包括步骤s251和步骤s252。其中，随着辊压等级增大，辊压时所采用的辊轮的凹槽的宽度依次减小。
161.本实施例中，步骤s250中对燃料棒进行多级辊压的过程与第一实施例中步骤s150中对燃料棒100'进行多级辊压的过程相同，在此不再赘述。本实施例中，步骤s250与第一实施例中步骤s150的区别在于：
162.本实施例中，步骤250所采用的辊压装置，每种等级的辊轮的数量为三个。对燃料棒进行每一级辊压时，采用对应等级的三个辊轮进行辊压，从而最终能够形成三个叶片200a。
163.在一实施例中，具有扭绞结构的螺旋多叶型核燃料元件的制造方法还包括步骤s260。步骤s260为：在步骤s250之后，分别切除燃料棒的轴向两端的不均匀段。其中，沿燃料棒的轴向，单个不均匀段的切除长度小于单个端塞的长度。
164.本实施例中，步骤s260的切除不均匀段的方式与第一实施例的步骤s160的切除不均匀段的方式基本相同，在此不再赘述。
165.在一实施例中，具有扭绞结构的螺旋多叶型核燃料元件的制造方法还包括步骤s270。步骤s270为：在步骤s260之后，在端塞上焊接定位部。
166.本实施例的步骤s270的在端塞上焊接定位部的方式与第一实施例的步骤s170在端塞上焊接定位部的方式基本相同，在此不再赘述。
167.第三实施例
168.请参考图10，本技术第三实施例提供的具有扭绞结构的螺旋多叶型核燃料元件的制造方法用于借助辊压装置制造具有扭绞结构的螺旋多叶型核燃料元件300。
169.参考图10，具有扭绞结构的螺旋多叶型核燃料元件300包括：燃料芯体310、包壳管320以及端塞(未示出)。第三实施例的具有扭绞结构的螺旋多叶型核燃料元件300的结构与第一实施例的具有扭绞结构的螺旋多叶型核燃料元件100的结构基本相同，因此，对于相同之处不再赘述。下面重点介绍第三实施例的具有扭绞结构的螺旋多叶型核燃料元件300的结构与第一实施例的具有扭绞结构的螺旋多叶型核燃料元件100结构的不同之处。如图10所示，第三实施例的具有扭绞结构的螺旋多叶型核燃料元件300还包括置换器340。置换器340设置于燃料芯体310内，并沿燃料芯体310的轴向贯穿燃料芯体310。燃料芯体310两端的两个端塞分别具有内孔。置换器340的两端分别穿过对应的端塞的内孔。其中，置换器340的具体结构和功能为现有技术，在此不再赘述。
170.第三实施例的具有扭绞结构的螺旋多叶型核燃料元件300的叶片300a横截面形状为余弦形(如图10所示)，节距为400mm，燃料区总长2000mm，外接圆直径13.3mm。置换器为具有较小吸收截面的难熔金属置换器。
171.第三实施例中的辊压装置与第一实施例中的辊压装置的结构基本相同，在此不再
赘述。
172.请参阅图11，本技术第三实施例提供的具有扭绞结构的螺旋多叶型核燃料元件300的制造方法与第一实施例、第二实施例提供的具有扭绞结构的螺旋多叶型核燃料元件的制造方法具有相同之处，对于相同之处不做赘述，下面重点介绍的第三实施例的具有扭绞结构的螺旋多叶型核燃料元件300的制造方法与第一实施例、第二实施例的具有扭绞结构的螺旋多叶型核燃料元件的制造方法不同之处。第三实施例提供的具有扭绞结构的螺旋多叶型核燃料元件300的制造方法包括以下步骤：
173.步骤s310：将核材料颗粒与金属基体粉末混合。
174.具体地，本实施例制备的具有扭绞结构的螺旋多叶型核燃料元件300用于全功率自然循环低温堆。低温堆燃料元件运行温度一般低于300℃，可以采用铝基弥散型燃料元件。因此，在本实施例中，金属基粉末可以选用al粉。核材料颗粒可以选用一定粒径分布的ual
x
核材料颗粒或u3si2核材料颗粒(
235
u富集度5％～60％)。将ual
x
核材料颗粒或u3si2核材料颗粒与al粉混合时，可按照体积比20％～40％进行混合。本实施例中对核材料颗粒与金属基粉末的体积比不做限制。
175.本实施例中，步骤s310中核材料颗粒与金属基粉末的混合时所采用的工艺与第一实施例中步骤s110中、第二实施例中步骤s210中核材料颗粒与金属基粉末混合时所采用的工艺相同，在此不再赘述。
176.步骤s320：将置换器置于核材料颗粒与金属基体粉末的混合物中，并将混合物制成燃料芯坯，以致燃料芯坯被制成后，置换器沿燃料芯坯的轴向贯穿燃料芯坯。
177.具体地，在本实施例中，将核材料颗粒(ual
x
核材料颗粒或u3si2核材料颗粒)与金属基体粉末(al粉)充分混合之后形成混合物，将置换器设置于该混合物中(优选为该混合物的中心位置)，然后将含有该置换器的该混合物制成圆柱状的燃料芯坯，从而，燃料芯坯被制成后，置换器则沿燃料芯坯的轴向贯穿燃料芯坯。
178.本实施例中，步骤s320制备燃料芯坯时所采用的工艺与第一实施例中步骤s120中、第二实施例步骤s220中制备燃料芯坯时所采用的工艺相同，在此不再赘述。
179.步骤s330：将置换器的两端分别穿过两个端塞的内孔，以致两个端塞分别设置在燃料芯坯的轴向两端，并在燃料芯坯的轴向两端分别与对应的端塞焊接之后，再将燃料芯坯和端塞共同置于包壳管中。
180.具体地，在本实施例中，端塞为圆管状或圆环状，其中心具有内孔，从而，端塞的内孔能够使置换器穿过，进而端塞的内孔起到避让置换器的作用。置换器的两端分别穿过一个对应的端塞，从而可以使燃料芯坯的轴向两端分别设置一个对应的端塞。此时，再将燃料芯坯的轴向两端分别与对应的端塞进行焊接，即可将燃料芯坯与端塞可靠连接。再将燃料芯坯和端塞共同置于包壳管中。
181.端塞的外径与燃料芯坯的直径可以是相同的，长度可以为50mm～100mm。在本实施例中，端塞所采用的材料选用锆合金。端塞的材料牌号可以是经反应堆验证的zr
‑
4合金或zr
‑
2合金。具体地，包壳管所采用的材料与端塞所采用的材料相同。包壳管的壁厚范围为0.3mm～0.7mm。
182.本实施例中步骤s330与第一实施例中步骤s130、第二实施例中步骤s230类似地，燃料芯坯的外径与包壳管的内径适配。
183.步骤s340：采用共挤出成型的工艺将燃料芯坯、端塞以及包壳管共同制成燃料棒，以致包壳管的内周面与端塞的外周面的结合处形成冶金结合，包壳管的内周面与燃料芯坯的外周面的结合处形成冶金结合。
184.本实施例中，步骤s340所采用的共挤出成型的工艺与第一实施例中步骤s140中、第二实施例中步骤s240中所采用的共挤出成型的工艺相同，在此不再赘述。但是，与第一实施例中步骤s140中、第二实施例中步骤s240不同的是：本实施例中通过步骤s340形成燃料棒之后，燃料棒中形成有贯穿燃料芯坯的置换器。
185.步骤s350：对燃料棒进行辊压。请参考图12，步骤s350包括：步骤s351和步骤s352。
186.步骤s351：将辊压装置的四个辊轮沿燃料棒的周向均匀间隔布置在燃料棒的周围，且辊轮的轴线方向垂直于燃料棒的轴线方向。
187.步骤s352：使四个辊轮分别绕自身轴线转动，并使燃料棒沿自身轴线方向移动的同时绕自身轴线转动，以致四个辊轮的外周面和凹槽的内壁分别对燃料棒进行辊压。
188.在本实施例中，步骤s351与第一实施例中的步骤s151相同，在此不再赘述。步骤s352与第一实施例中的步骤s152相同，在此不再赘述。
189.上述的具有扭绞结构的螺旋多叶型核燃料元件的制造方法，先通过共挤出成型的工艺形成中心含有置换器的圆柱形的燃料棒，使得燃料芯坯的外周面与包壳管的内周面的结合处形成冶金结合，包壳管的内周面与端塞的外周面的结合处形成冶金结合，再通过辊压装置对燃料棒进行辊压，从而形成四个具有扭绞结构的螺旋形的叶片300a和四个螺旋槽300b。通过共挤出成型和辊压成型两步成型工艺分别实现包壳管与燃料芯坯的冶金结合和成型具有扭绞结构的螺旋多叶型核燃料元件300的外形结构，工艺可控性好。并且，通过辊压装置进行一次辊压作业即可成型出足够的设计长度的叶片300a，从而能够形成足够长度的具有扭绞结构的螺旋多叶型核燃料元件300，且尺寸可控而精度高。
190.上述的具有扭绞结构的螺旋多叶型核燃料元件的制造方法，能够制造出具有扭绞结构的螺旋多叶型核燃料元件300。具有扭绞结构的螺旋多叶型核燃料元件300在反应堆内进行裂变反应时，叶片300a与叶片300a之间形成的叶槽300b能够作为冷却剂通道，使得冷却剂能够对具有扭绞结构的螺旋多叶型核燃料元件300进行冷却。由于叶片300a的第一旋向段与第二旋向段依次交替且旋向相反，从而，冷却剂在叶槽300b内流动时，经过第一旋向段与第二旋向段的交界处时，冷却剂通道的旋向发生改变，从而能够增大对冷却剂的搅混作用。
191.在一实施例中，步骤s350具体为，对燃料棒进行多级辊压，且对燃料棒进行任一级辊压时的步骤包括步骤s351和步骤s352。其中，随着辊压等级增大，辊压时所采用的辊轮的凹槽的宽度依次减小。
192.本实施例中，步骤s350中对燃料棒进行多级辊压的过程与第一实施例中步骤s150中对燃料棒进行多级辊压的过程相同，在此不再赘述。
193.第四实施例
194.请参考图13，本技术第四实施例提供的具有扭绞结构的螺旋多叶型核燃料元件的制造方法用于借助辊压装置制造具有扭绞结构的螺旋多叶型核燃料元件400。
195.参考图13，第四实施例的具有扭绞结构的螺旋多叶型核燃料元件400的结构与第一实施例的具有扭绞结构的螺旋多叶型核燃料元件100的结构基本相同，因此，对于相同之
处不再赘述。下面重点介绍第四实施例的具有扭绞结构的螺旋多叶型核燃料元件400的结构与第一实施例的具有扭绞结构的螺旋多叶型核燃料元件100的结构的不同之处。具有扭绞结构的螺旋多叶型核燃料元件400包括：燃料芯体410、内包壳421、外包壳422以及端塞(未示出)。燃料芯体410为圆管状，具有沿轴向贯穿的通孔401。通孔401可作为冷却剂通道。端塞具有内孔，呈圆管状或圆环状。内包壳421覆盖燃料芯体410的内表面(即通孔401的孔壁)和端塞的内孔的孔壁。外包壳422包覆燃料芯体410的外周面和端塞的外周面。内包壳421的外周面与燃料芯体410的内周面(即通孔401的孔壁)的结合处形成冶金结合。内包壳421的外周面与端塞的内孔的孔壁的结合处形成冶金结合。外包壳422的内周面与燃料芯体410的外周面的结合处形成冶金结合。外包壳422的内周面与端塞的外周面的结合处形成冶金结合。
196.第四实施例的具有扭绞结构的螺旋多叶型核燃料元件400的叶片400a横截面形状为余弦形(如图12所示)，节距为220mm，燃料区总长400mm，外接圆直径7mm，环形内径1.5mm。
197.第四实施例中的辊压装置与第一实施例、第三实施例中的辊压装置的结构基本相同，在此不再赘述。
198.请参阅图14，本技术第四实施例提供的具有扭绞结构的螺旋多叶型核燃料元件400的制造方法与第一实施例、第二实施例、第三实施例提供的具有扭绞结构的螺旋多叶型核燃料元件的制造方法具有相同之处，对于相同之处不做赘述，下面重点介绍的第四实施例的具有扭绞结构的螺旋多叶型核燃料元件的制造方法与第一实施例、第二实施例、第三实施例的具有扭绞结构的螺旋多叶型核燃料元件的制造方法不同之处。第四实施例提供的具有扭绞结构的螺旋多叶型核燃料元件400的制造方法包括以下步骤：
199.步骤s410：将核材料颗粒与金属基体粉末混合。
200.具体地，本实施例制备的具有扭绞结构的螺旋多叶型核燃料元件400用于液态金属冷却剂快堆，可以采用锆基弥散型燃料元件。因此，在本实施例中，金属基粉末可以选用zr粉。核材料颗粒可以选用一定粒径分布的u
‑
pu
‑
zr或mox燃料颗粒(
235
u富集度0.71％～60％)。将u
‑
pu
‑
zr或mox燃料颗粒与zr粉混合时，可按照体积比10％～50％进行混合。本实施例中对核材料颗粒与金属基粉末的体积比不做限制。
201.本实施例中，步骤s410中核材料颗粒与金属基粉末的混合时所采用的工艺与第一实施例中步骤s110中、第二实施例中步骤s210中、第三实施例中步骤s310中核材料颗粒与金属基粉末混合时所采用的工艺相同，在此不再赘述。
202.步骤s420：将核材料颗粒与金属基体粉末的混合物制成圆管状的燃料芯坯，以致燃料芯坯中形成沿轴向设置的通孔。
203.本实施例中步骤s420制备燃料芯坯时所采用的工艺与第一实施例中步骤s120中、第二实施例步骤s220中、第三实施例步骤s320中制备燃料芯坯时所采用的工艺相同，在此不再赘述。与第一、二、三实施例的区别在于：在第四实施例步骤s420中，制备成的燃料芯坯呈圆管状，其具有沿轴向设置的通孔。
204.步骤s430：在燃料芯坯的轴向两端分别设置具有内孔的端塞，将燃料芯坯和具有内孔的端塞共同置于包壳管的内包壳和外包壳之间，以致内包壳覆盖燃料芯坯的通孔的孔壁和端塞的内孔的孔壁，外包壳包覆燃料芯坯的外周面和端塞的外周面。
205.具体地，端塞所采用的材料可以是不锈钢，从而端塞形成不锈钢圆环或不锈钢圆
管。端塞的材料牌号可以是经快堆使用或辐照试验验证的奥氏体不锈钢。端塞的外径与燃料芯坯的直径可以是相同的，长度可以为50mm～100mm。包壳管所采用的材料与端塞相同。包壳管的壁厚范围为0.3mm～0.7mm。
206.在本实施例中，外包壳的内径与燃料芯坯的外径适配，内包壳的外径与燃料芯坯的内径适配，从而燃料芯坯的外周面与外包壳的内周面之间几乎不存在间隙，燃料芯坯的内周面与内包壳的外周面之间几乎不存在间隙，进而，保证燃料芯坯能够顺利装入内包壳与外包壳之间的情况下且能够保证燃料芯坯分别与内包壳和外包壳紧密配合。
207.由于本实施例制备的具有扭绞结构的螺旋多叶型核燃料元件400用于液态金属冷却剂快堆，因此，端塞与燃料芯坯的端面之间可以留有一定的间隙，因此，本实施例中端塞与燃料芯坯不焊接。可以先将燃料芯坯装入内包壳与外包壳之间，再将两个端塞分别装入内包壳与外包壳之间，且两个端塞分别位于燃料芯坯的两端，或者也可以按照其他顺序将燃料芯坯和两个端塞装入内包壳与外包壳之间。
208.步骤s440：采用共挤出成型的工艺将燃料芯坯、端塞以及包壳管共同制成燃料棒，以致内包壳的外周面与通孔的孔壁的结合处形成冶金结合，内包壳的外周面与端塞的内孔的孔壁的结合处形成冶金结合，外包壳的内周面与燃料芯坯的外周面的结合处形成冶金结合，外包壳的内周面与端塞的外周面的结合处形成冶金结合。
209.本实施例中，步骤s440所采用的共挤出成型的工艺与第一实施例中步骤s140中、第二实施例中步骤s240中、第三实施例中的步骤s340中所采用的共挤出成型的工艺相同，在此不再赘述。
210.步骤s450：对燃料棒进行辊压。请参考图15，步骤s450包括：步骤s451和步骤s452。
211.步骤s451：将辊压装置的四个辊轮沿燃料棒的周向均匀间隔布置在燃料棒的周围，且辊轮的轴线方向垂直于燃料棒的轴线方向。
212.在本实施例中，步骤s451与第一实施例中的步骤s151、第三实施例中步骤s351基本相同，对于相同之处，在此不再赘述。下面重点介绍步骤s451的不同之处：在本实施例步骤s451中，参考图13所示，可将燃料棒套设于一芯杆上，且芯杆与通孔401适配。芯杆安装于辊压装置上，从而通过芯杆可以间接地将燃料棒安装于辊压装置。辊轮则围绕芯杆布置。此外，通过将燃料棒套设于芯杆上，且芯杆与通孔401适配，芯杆可以对燃料棒起到支撑作用，以稳定通孔401的形状和尺寸，防止在辊压过程中由于外力作用导致燃料棒的通孔401变形。
213.步骤s452：使四个辊轮分别绕自身轴线转动，并使燃料棒沿自身轴线方向移动的同时绕自身轴线转动，以致四个辊轮的外周面和凹槽的内壁分别对燃料棒进行辊压。
214.本实施例中步骤s452与第一实施例中的步骤s152、第三实施例中步骤s352相同，在此不再赘述。
215.上述的具有扭绞结构的螺旋多叶型核燃料元件的制造方法，先通过共挤出成型的工艺形成圆管状的燃料棒，使得燃料芯坯的外周面与外包壳的内周面的结合处形成冶金结合，得燃料芯坯的内周面与内包壳的外周面的结合处形成冶金结合，再通过辊压装置对燃料棒进行辊压，从而形成四个具有扭绞结构的螺旋形的叶片400a和四个螺旋槽400b。通过共挤出成型和辊压成型两步成型工艺分别实现包壳管与燃料芯坯的冶金结合和成型具有扭绞结构的螺旋多叶型核燃料元件400的外形结构，工艺可控性好。并且，通过辊压装置进
行一次辊压作业即可成型出足够的设计长度的叶片400a，从而能够形成足够长度的具有扭绞结构的螺旋多叶型核燃料元件400，且尺寸可控而精度高。
216.上述的具有扭绞结构的螺旋多叶型核燃料元件的制造方法，能够制造出具有扭绞结构的螺旋多叶型核燃料元件400。具有扭绞结构的螺旋多叶型核燃料元件400在反应堆内进行裂变反应时，叶片400a与叶片400a之间形成的叶槽400b能够作为冷却剂通道，使得冷却剂能够对具有扭绞结构的螺旋多叶型核燃料元件400进行冷却。由于叶片400a的第一旋向段与第二旋向段依次交替且旋向相反，从而，冷却剂在叶槽400b内流动时，经过第一旋向段与第二旋向段的交界处时，冷却剂通道的旋向发生改变，从而能够增大对冷却剂的搅混作用。
217.在其他实施例中，具有扭绞结构的螺旋多叶型核燃料元件的叶片的数量不限于是三个和四个，还可以是其他数量，例如两个、五个等。相应的，每一等级的辊轮的数量与需要制备具有扭绞结构的螺旋多叶型核燃料元件的叶片的数量对应。
218.在一实施例中，步骤s450为，对燃料棒进行多级辊压，且对燃料棒进行任一级辊压时的步骤包括步骤s451和步骤s452。其中，随着辊压等级增大，辊压时所采用的辊轮的凹槽的宽度依次减小。
219.本实施例中，步骤s450对燃料棒进行多级辊压的过程与第一实施例中步骤s150、第三实施例中步骤s350对燃料棒进行多级辊压的过程相同，在此不再赘述。
220.在一实施例中，具有扭绞结构的螺旋多叶型核燃料元件的制造方法还包括步骤s460。步骤s460为：在步骤s450之后，分别切除燃料棒的轴向两端的不均匀段。其中，沿燃料棒的轴向，单个不均匀段的切除长度小于单个端塞的长度。
221.本实施例中，步骤s460的切除不均匀段的方式与第一实施例的步骤s160、第二实施例的步骤s260的切除不均匀段的方式基本相同，在此不再赘述。
222.在一实施例中，具有扭绞结构的螺旋多叶型核燃料元件的制造方法还包括步骤s470。步骤s470为：在步骤s460之后，在端塞上焊接定位部。
223.本实施例的步骤s470的在端塞上焊接定位部的方式与第一实施例的步骤s170、第二实施例的步骤s270在端塞上焊接定位部的方式基本相同，在此不再赘述。
224.在本实施例中，定位部可以是环状的或管状的，其内径与内包壳的内径相同。
225.上述任一实施例中的具有扭绞结构的螺旋多叶型核燃料元件广泛适用于压水堆、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、船用动力堆等堆型。
226.以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
227.以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。