CN102737735A - 超临界水堆组合式方形燃料组件、堆芯、双流程流动方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种适用于超临界水堆的组合式方形燃料组件、堆芯及慢化剂冷却剂双流程流动方法。所述燃料组件由4个相同子组件以2×2排列成方形构成，每个子组件由若干燃料棒以正方形栅格形式排列构成，中央区域设置水棒，组件上方设置十字形控制棒导向筒及水棒导管，下部设置水棒导管及慢化剂导流管；所述堆芯分成第1、2流程区；慢化剂在双流程中均自上而下流进水棒及子组件间；冷却剂自上而下流进第1流程燃料区；慢化剂和冷却剂在堆芯下部搅混后，自下而上流入第2流程燃料区，流出堆芯。本发明保证燃料棒获得充分且均匀慢化时，能实现组件及堆芯内慢化剂与冷却剂之间、不同流程冷却剂之间有效分流，且减少结构材料，可行性及安全性高。

Description

超临界水堆组合式方形燃料组件、堆芯、双流程流动方法

技术领域

本发明涉及一种核反应堆燃料组件、由该种燃料组件构成的反应堆堆芯及一种慢化剂与冷却剂流动方法，具体是一种适用于超临界水堆的组合式方形燃料组件、反应堆堆芯、慢化剂与冷却剂双流程流动方法。

背景技术

超临界水堆是最具发展前景的第IV代核能系统之一，具有机组热效率高、系统简化等突出优点。为了进一步提高热效率，超临界水堆采用了较高的堆芯出口温度（500℃）以及较大的堆芯出入口温差（500℃/280℃），冷却剂质量流量约为压水堆的1/10，导致超临界水堆组件设计需要解决两个非常突出的问题：较高的燃料芯块及燃料棒包壳温度，以及因中子慢化严重不足导致的反应性剧烈下降。为了解决上述问题，引入了水棒设计概念，水棒即布置在燃料组件内、占用多个栅格位置的、带隔热层的管道，其内部慢化剂密度较大，用于增强堆芯的中子慢化能力。但进行燃料组件设计时，依然需要解决如下关键问题：1）使水棒在组件内的分布尽可能均匀，从而燃料组件内的每根燃料棒获得充分且均匀的慢化；2）实现冷流体（慢化剂）和热流体（冷却剂）在反应堆堆芯内部有效分流；3）尽可能减少结构材料、简化结构设计，使得燃料组件设计方案具有工程可实现性。

目前国内外已提出的几种超临界水堆燃料组件设计方案，在实现燃料棒充分且均匀慢化、冷流体（慢化剂）与热流体（冷却剂）有效分流、减少结构材料，以及提高结构设计可行性等方面难以获得较好平衡。从结构设计的工程可实现性角度出发，欧盟HPLWR超临界水堆采用了如下设计方案：燃料组件由9个小尺寸子组件构成，采用外径为8.0mm的燃料元件，水棒及子组件之间的间隙均为冷流体通道。水棒内设置导向管，中心子组件及与其相邻的4个子组件的导向管内插入控制棒，其余均不插入控制棒。该组件设计方案结构简单，利于制造，但其缺点也非常明显：（1）基于该方案的组件结构，水棒内慢化剂从堆芯上腔室经组件上封头直接进入水棒，然后从下管座侧面流出作为子组件之间的慢化剂，再向上流至堆芯顶部，经反射层顶部导流孔进入反射层，最后向下流入堆芯下腔室的中心区，流程比较长，水棒内慢化剂与子组件间慢化剂温度差别大，子组件之间的慢化剂分布不均匀，组件下封头结构设计也非常复杂。（2）为了实现堆芯冷流体（慢化剂）和热流体（冷却剂）的有效分流，堆芯必须采用三流程设计方案，即沿堆芯径向自里向外依次划分为3个区，中心区域为第1流程，中间区域为第2流程，外围区域为第3流程，冷却剂在第1流程向上流，在第2流程向下流，在第3流程向上流。冷却剂流程较长，流动阻力及堆芯压降都比较大，对堆芯性能及安全性极为不利。（3）为分流第1和第2、3流程的冷却剂，须在下腔室设置密闭隔热腔室，导致不能在燃料组件底部设置流量分配器，降低了堆芯的安全裕量。

因此，超临界水堆燃料组件设计的现有技术都面临燃料棒充分且均匀慢化、冷流体（慢化剂）与热流体（冷却剂）有效分流、减少结构材料，以及提高结构设计工程制造可行性等方面获得较好平衡等关键技术问题，尤其是组件内冷流体（慢化剂）与热流体（冷却剂）分流、不同流程的冷却剂之间的分流，是组件结构设计的关键。

发明内容

本发明针对现有技术的缺陷，提供了一种在保证燃料棒获得充分且均匀慢化的基础上，能够实现组件及堆芯内冷流体（慢化剂）与热流体（冷却剂）的有效分流、不同流程冷却剂之间的分流，并且减少结构材料，提高结构设计可行性及安全性的超临界水堆组合式方形燃料组件、使用该种燃料组件的反应堆堆芯，及堆芯慢化剂与冷却剂双流程流动方法。

本发明是通过以下技术方案实现的：

超临界水堆组合式方形燃料组件，主要由子组件、上管座、下管座、上封头、下封头构成，上下封头均开有侧孔，其特征在于：所述的燃料组件由4个相同的子组件以2×2方形排列构成，子组件之间形成十字形区域，每个子组件由若干个燃料棒以正方形栅格形式排列构成，每个子组件的中央区域设置水棒。

所述的子组件在中央区域设置的水棒占用5×5栅格位置，围绕水棒的燃料棒为两排，每排以9×9栅格排列构成。

在所述的子组件之间构成的十字形区域上方设置有十字形控制棒导向筒，十字形控制棒从所述的导向筒插入燃料组件的十字形区域中。

在所述的水棒上设置了与水棒连接的水棒导管，位于水棒上部的水棒导管贯穿上管座及上封头。

在所述的燃料组件下端设置有慢化剂导流管，慢化剂导流管位于燃料组件下封头中心位置，贯穿下管座及下封头；所述的水棒导管位于水棒下部的部分贯穿下管座及下封头。

所述的燃料棒中填充环形燃料芯块，环形燃料芯块中央设有中心气孔。

使用所述的超临界水堆组合式方形燃料组件的反应堆堆芯，在堆芯压力容器蒸汽腔室中设置有隔热围筒，隔热围筒与蒸汽腔室上下板连接处为密封连接；隔热围筒内是位于堆芯中心区域的第1流程燃料组件，包含若干个所述的超临界水堆组合式方形燃料组件，隔热围筒外是堆芯第2流程燃料组件，包含除第1流程燃料组件以外的所述的超临界水堆组合式方形燃料组件，在第1流程区域对应的蒸汽腔室上板处开若干蒸汽腔室上板导流孔。在蒸汽腔室上板处对应燃料组件水棒导管及十字形控制棒导向筒位置处开有供水棒导管及十字形控制棒导向筒伸出蒸汽腔室的孔。

在堆芯下栅格板上与每个所述的燃料组件对应位置设置有流量分配器。

所述的子组件之间的间距与反应堆堆芯中所述的燃料组件之间的间距一致。

堆芯包含所述的燃料组件157个，围绕堆芯中心燃料组件外围排列7圈，其中所述的第1流程燃料组件为57个，围绕堆芯中心燃料组件外围排列4圈，所述的第2流程燃料组件为100个，围绕第1流程燃料组件外围排列3圈。

一种超临界水堆堆芯慢化剂与冷却剂双流程流动方法，包括以下步骤：

（1）根据堆芯物理参数及核设计计算分析结果，将堆芯燃料组件分成第1流程燃料组件和第2流程燃料组件；

（2）慢化剂自上而下流进第1流程燃料组件和第2流程燃料组件的子组件中心水棒及子组件之间的通道；冷却剂自上而下流进第1流程燃料组件的子组件燃料区，即燃料棒之间的区域；自上而下的慢化剂和冷却剂在堆芯下部混合腔充分搅混后，自下而上流入第2流程燃料组件的子组件燃料区，向上流动至堆芯蒸汽腔室，不与第1流程冷却剂发生混合，从堆芯出水口处流出堆芯。

基于以上技术方案，本发明具有以下技术效果：

1、水棒布置在每个子组件中心且子组件之间的区域为慢化剂通道，保证了每个燃料棒能够获得充分且均匀的慢化；子组件之间的间距与燃料组件之间的间距完全一致，进一步保证堆芯内燃料棒慢化均匀性；

2、由4个子组件构成的十字形区域，可作为堆芯十字形控制棒通道，采用十字形控制棒，取消了活性区控制棒导向管，简化了组件结构设计，减少了结构材料，提高了组件反应性；

3、堆芯内慢化剂和冷却剂采用双流程流动方法，以及燃料组件和堆芯结构的设计，使得堆芯上腔室冷却水作为慢化剂可直接向下经过控制棒导向筒和水棒导管分别流入子组件间通道和水棒通道，且在上部蒸汽腔室中使用简单结构即可实现上部蒸汽腔室内第I流程冷却剂与第2流程冷却剂的有效分流，流程短、分配均匀、结构简单，工程可实现性好，提高了堆芯安全性。

4、燃料棒内填充环形芯块，降低了燃料芯块温度，可以容纳更多的裂变气体，缩短燃料棒两端气腔长度，减小了组件长度，提高了安全性。

  说明书附图

图1 超临界水堆组合式方形燃料组件横向剖面图；

图2 超临界水堆组合式方形燃料组件纵向剖面图；

图3 超临界水堆组合式方形燃料组件堆芯双流程区域划分示意图；

图4 超临界水堆组合式方形燃料组件堆芯结构示意图；

图5 环形燃料芯块结构示意图。                                        

附图说明

在图中，1-水棒，2-下栅格板，3-十字形控制棒，4-燃料棒，5-流量分配器，6-组件上封头，7-十字形控制棒导向筒，8-上下封头侧孔，9-水棒导管，10-上管座，11-子组件，12-子组件间十字形区域，13-下管座，14-下封头，15-慢化剂导流管，16-第1流程燃料组件，17-第2流程燃料组件，18-蒸汽腔室，19-隔热围筒，20-压力容器入水口，21-压力容器出水口，22-下部混合腔，23-燃料棒包壳，24-中心气孔，25-燃料芯块，26-蒸汽腔室上板导流孔。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明提出的一种超临界水堆组合式方形燃料组件、反应堆堆芯及慢化剂冷却剂双流程流动方法，进行进一步的介绍：

如图2所示的超临界水堆组合式方形燃料组件，由子组件11、上管座10、下管座13、上封头6、下封头14构成，子组件11上端安装上管座10，上管座10上端安装上封头6，子组件11下端安装下管座13，下管座13下端安装下封头14，上下封头均开有侧孔8；如图1所示，所述的燃料组件由4个相同的子组件11以2×2排列成方形构成，子组件11之间形成十字形区域12，每个子组件11由若干个燃料棒4以正方形栅格形式排列构成，每个子组件11的中央区域设置水棒1。水棒1占用5×5栅格位置，围绕水棒1设置两排燃料棒4，每排燃料棒4以9×9栅格排列构成。

所述的燃料棒4中填充环形燃料芯块25，如图5所示，环形燃料芯块25中央有中心气孔24，燃料棒4外径为Ф9.5mm，包壳厚度为0.57mm，棒间距为1.0mm。燃料芯块25外径为8.19mm，中心气腔24直径为1.5mm。燃料组件中心距为239.0mm。

反应堆采用十字形控制棒3，在所述的子组件11之间构成的十字形区域12上方设置有十字形控制棒导向筒7，十字形控制棒3从所述的导向筒7插入燃料组件的十字形区域12中。在水棒1两端，位于燃料组件上封头6和下封头14位置设置了与水棒连接的水棒导管9，位于水棒1上部的导管贯穿上管座10及上封头6，位于水棒1下部的部分贯穿下管座13及下封头14。

在所述的燃料组件下端设置有慢化剂导流管15，慢化剂导流管15位于燃料组件下封头14中心位置，贯穿下管座13及下封头14。

燃料包壳23以及组件结构材料为不锈钢310S，其密度为7.98g/cm³。

如图2、图4所示，由所述的超临界水堆组合式方形燃料组件构成的反应堆堆芯，所述的燃料组件上封头14被蒸汽腔室18上下板及侧壁封闭在堆芯蒸汽腔室18中，蒸汽腔室18上部空间为上腔室，压力容器侧壁上开有压力容器入水口20及压力容器出水口21，压力容器出水口21还贯穿蒸汽腔室18侧壁，供冷却剂从蒸汽腔室18中流出堆芯，在蒸汽腔室18中设置有隔热围筒19，隔热围筒19与蒸汽腔室18上下板连接处为密封连接；隔热围筒19内是第1流程燃料组件16，是根据堆芯的具体物理参数以及核设计计算得出，该区域是由围绕位于堆芯中心的燃料组件、沿堆芯径向由内向外在该中心燃料组件外围排列的若干圈燃料组件构成；围筒19外是堆芯第2流程燃料组件17，是围绕第1流程燃料组件16外围排列的若干圈燃料组件构成，在第1流程区域上部的蒸汽腔室18上板处开若干蒸汽腔室上板导流孔26。在蒸汽腔室18上板处对应燃料组件水棒导管9及十字形控制棒导向筒7位置处开有供水棒导管9及十字形控制棒导向筒7伸出蒸汽腔室18的孔。

在所述的堆芯的下栅格板2上在与每个所述的燃料组件对应位置设置有流量分配器5，使堆芯冷却剂出口温度更为均匀，热工安全裕量更高。流量分配器5通过控制燃料组件下封头侧孔8的流通面积，来实现堆芯冷却剂的流量分配。

如图3所示，堆芯包含所述的燃料组件157个，围绕堆芯中心燃料组件外围排列7圈，其中所述的第1流程燃料组件为57个，围绕堆芯中心燃料组件外围排列4圈，所述的第2流程燃料组件为100个，围绕第1流程燃料组件外围排列3圈。

为了保证堆芯中子慢化的均匀性，所述的子组件之间的间距与反应堆堆芯中所述的燃料组件之间的间距一致。

一种超临界水堆堆芯慢化剂与冷却剂双流程流动方法，包括以下步骤：

（1）根据堆芯物理参数及核设计计算分析结果，将堆芯燃料组件分成第1流程燃料组件和第2流程燃料组件；

（2）慢化剂自上而下流进第1流程燃料组件和第2流程燃料组件的子组件中心水棒及子组件之间的通道；冷却剂自上而下流进第1流程燃料组件的子组件燃料区，即燃料棒之间的区域；自上而下的慢化剂和冷却剂在堆芯下部混合腔充分搅混后，自下而上流入第2流程燃料组件的子组件燃料区，向上流动至堆芯蒸汽腔室，不与第1流程冷却剂发生混合，从堆芯出水口处流出堆芯；

具体工作过程如下：冷却水从压力容器入水口20进入后，分为三部分：第一部分沿压力容器环腔向下流入下部混合腔22；第二部分在上腔室进入燃料组件上封头6的水棒导管9以及十字形控制棒导向筒7，作为慢化剂分别流入位于子组件中心区域的水棒1以及子组件之间的区域12；第三部分则在堆芯上腔室通过蒸汽腔室18上板的蒸汽腔室上板导流孔26，作为冷却剂进入隔热围筒19与蒸汽腔室18的上下板密封连接构成的空间，即包含第1流程组件上封头的围筒区，由于蒸汽腔室18的上板除了所述的蒸汽腔室上板导流孔26可供冷却剂流入、以及在对应位置为水棒导管9和十字形导向筒7开的孔可供慢化剂从水棒导管9和十字形导向筒7流入外，其余部分为密闭，因此作为堆芯冷却剂的冷却水只流入隔热围筒19内的第1流程区域燃料组件上封头，不进入蒸汽腔室18的其它区域。进入隔热围筒19内区域后，冷却剂从第1流程区域燃料组件的上封头侧孔8进入组件的燃料区，向下流入下部混合腔22。所有冷却剂和慢化剂在堆芯的下部混合腔22充分搅混后，向上作为堆芯第2流程冷却剂，从第2流程燃料组件下封头侧孔流入，经过组件燃料区，达到压力容器出水口21，由于隔热围筒19的阻隔作用，不会与第1流程冷却剂混合，流出堆芯。

在子组件之间的十字形区域12还可以放置堆芯探测器及中子源组件。

本发明提出的技术方案具有以下技术效果：将水棒布置在每个子组件中心，水棒和子组件之间的区域为慢化剂通道，保证每个燃料棒能够获得充分且均匀的慢化，子组件之间的间距与燃料组件之间的间距完全一致，进一步保证了慢化均匀性；在本发明的组件、堆芯设计方案及慢化剂冷却剂双流程流动方法的基础上，仅在上部蒸汽腔室中心区增加隔热围筒便能够有效实现较为复杂的双流程冷流体和热流体之间的分流，在堆芯上、下腔室不需要再设置其它用于分流的构件，简化了堆芯结构，减少了结构材料的使用；堆芯活性区的堆内构件接触面均为冷流体，有效降低了堆芯结构设计对材料性能的要求，提高了其经济性和安全性；控制棒导向筒和水棒导管的设置，使得堆芯上腔室冷却水作为慢化剂可直接向下经过控制棒导向筒和水棒导管分别流入子组件间通道和水棒通道，流程短、分配均匀、结构简单、可实现性强；以子组件构成的十字形区域作为堆芯十字形控制棒通道，采用十字形控制棒，取消了组件导向管，简化了结构设计，减少了结构材料，提高了组件反应性；燃料棒内填充环形芯块，降低燃料芯块温度，容纳更多裂变气体，缩短燃料棒两端气腔长度，减小了组件长度，有利于采用外径较大的燃料棒，在相同棒间距条件下，冷却剂流通面积小、流速高，强化传热，提高了堆芯热工安全裕量及安全性；堆芯内冷却剂和慢化剂双流程流动方法，流程短，慢化均匀，实现了慢化剂与冷却剂的分流、不同流程间冷却剂的分流，提高了堆芯安全性，并且使上下封头可以采用更简单的结构设计。

Claims (11)

1.超临界水堆组合式方形燃料组件，主要由子组件（11）、上管座（10）、下管座（13）、上封头（6）、下封头（14）构成，上下封头均开有侧孔（8），其特征在于：所述的燃料组件由4个相同的子组件（11）以2×2方形排列构成，子组件（11）之间形成十字形区域（12），每个子组件（11）由若干个燃料棒（4）以正方形栅格形式排列构成，每个子组件（11）的中央区域设置水棒（1）。

2.如权利要求1所述的超临界水堆组合式方形燃料组件，其特征在于：所述的子组件（11）在中央区域设置的水棒（1）占用5×5栅格位置，围绕水棒（1）的燃料棒（4）为两排，每排以9×9栅格排列构成。

3.如权利要求1或2所述的超临界水堆组合式方形燃料组件，其特征在于：在所述的子组件（11）之间构成的十字形区域（12）上方设置有十字形控制棒导向筒（7），十字形控制棒（3）从所述的导向筒（7）插入燃料组件的十字形区域（12）中。

4.如权利要求3所述的超临界水堆组合式方形燃料组件，其特征在于：在所述的水棒（1）上设置了与水棒（1）连接的水棒导管（9），位于水棒（1）上部的水棒导管贯穿上管座（10）、上封头（6）。

5.如权利要求4所述的超临界水堆组合式方形燃料组件，其特征在于：在所述的燃料组件下端设置有慢化剂导流管（15），慢化剂导流管（15）位于燃料组件下封头（14）中心位置，贯穿下管座（13）及下封头（14）；所述的水棒导管（9）位于水棒（1）下部的部分贯穿下管座（13）及下封头（14）。

6.如权利要求5所述的超临界水堆组合式方形燃料组件，其特征在于：所述的燃料棒（4）中填充环形燃料芯块（25），环形燃料芯块（25）中央设有中心气孔（24）。

7.使用如以上任一权利要求所述的超临界水堆组合式方形燃料组件的反应堆堆芯，其特征在于：在堆芯压力容器蒸汽腔室（18）中设置有隔热围筒（19），隔热围筒（19）与蒸汽腔室（18）上下板连接处为密封连接；隔热围筒（19）内是位于堆芯中心区域的第1流程燃料组件（16），包含若干个所述的超临界水堆组合式方形燃料组件，隔热围筒（19）外是堆芯第2流程燃料组件（17），包含除第1流程燃料组件（16）以外的所述的超临界水堆组合式方形燃料组件；在第1流程区域对应的蒸汽腔室（18）上板处开若干蒸汽腔室上板导流孔（26）；在蒸汽腔室（18）上板处对应燃料组件水棒导管（9）及十字形控制棒导向筒（7）位置处开有供水棒导管（9）及十字形控制棒导向筒（7）伸出蒸汽腔室（18）的孔。

8.如权利要求7所述的反应堆堆芯，其特征在于：在堆芯下栅格板（2）上与每个所述的燃料组件对应位置设置有流量分配器（5）。

9.如权利要求7所述的反应堆堆芯，其特征在于：所述的子组件（11）之间的间距与反应堆堆芯中所述的燃料组件之间的间距一致。

10.如权利要求7所述的反应堆堆芯，其特征在于：堆芯包含所述的燃料组件157个，其中所述的第1流程燃料组件（16）为57个，围绕堆芯中央燃料组件外围排列4圈，所述的第2流程燃料组件（17）为100个，围绕第1流程燃料组件（16）外围排列3圈。

11.一种超临界水堆堆芯慢化剂与冷却剂双流程流动方法，其特征在于：包括以下步骤：

（1）根据堆芯物理参数及核设计计算分析结果，将堆芯燃料组件分成第1流程燃料组件和第2流程燃料组件；

（2）慢化剂自上而下流进第1流程燃料组件和第2流程燃料组件的子组件中心水棒及子组件之间的通道；冷却剂自上而下流进第1流程燃料组件的子组件燃料区，即燃料棒之间的区域；自上而下的慢化剂和冷却剂在堆芯下部混合腔充分搅混后，自下而上流入第2流程燃料组件的子组件燃料区，向上流动至堆芯蒸汽腔室，不与第1流程冷却剂发生混合，从堆芯出水口处流出堆芯。

Images