CN102855946B - 一种适用于超临界水冷堆的水棒 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了属于核反应堆设计技术领域的一种适用于超临界水冷堆的水棒。该水棒由水棒外壁和水棒内壁组成，其中，水棒外壁由两种材料构成，分为三层，其内外两层均采用不锈钢材料，中间层采用嵌入锗纳米晶体的绝热硅材料；水棒内壁由一种材料构成，只有一层。水棒外壁和水棒内壁围成了方环形水棒外管，水棒内壁围成了方形水棒内管。在超临界水冷堆水棒设计中，通过改进水棒的结构设计，采用热导率较小的水棒外壁材料和热导率较大的水棒内壁材料，从而使慢化剂轴向温升降低，慢化剂慢化效果增强，提高堆芯轴向功率分布的均匀性。该水棒具有结构简单，对原超临界水堆组件设计改进较小的特点，可以提高反应堆的安全性。

Description

一种适用于超临界水冷堆的水棒
技术领域
本发明属于核反应堆设计技术领域，特别涉及一种适用于超临界水冷堆的水棒结构。具体说，是采用双层水棒结构改变工质流动方式，选取热导率较小的水棒外壁材料和热导率较大的水棒内壁材料，使慢化剂轴向温升降低，从而起到更好的慢化效果，获得更加均匀的轴向功率分布。
背景技术
超临界水冷堆是国际核能界公认的第四代核能堆型之一。超临界水冷堆工作在超过工质热工临界点的温度和压力下，超临界水冷堆堆芯结构以及工质流动方式有其自己的特点。为了使堆芯轴向功率分布更加均匀，在堆芯中设置了水棒结构。水棒中工质的流动与换热特点，对堆芯热工水力以及反应性系数产生了重要影响。目前大多数采用水棒结构的组件多采用单层水棒，虽然这种设计中使用了较小热导率的材料作为水棒壁材料，但是由于材料工艺以及成本问题，水棒中慢化剂仍然会有较大程度的温升。上世纪90年代，日本研究人员曾提出过采用单一材料的双层圆管水棒的设计，但是没有应用在多种形式的超临界组件设计中。多年来，材料的导热性较高与结构形式成为制约水棒功能的瓶颈问题。只有通过适当的设计水棒结构，并选取合适热导率的水棒材料，才可以降低慢化剂温升，才能减少燃料通道向慢化剂通道导出的热量。由此获得更加均匀的慢化剂温度分布和功率分布，从而可提高燃料通道冷却剂出口温度，提高热效率。
发明内容
本发明提供了一种具有较低热导率的适用于超临界水冷堆的水棒结构。在超临界水冷堆设计中，降低超临界水冷堆中慢化剂轴向温升，从而获得更加均匀的轴向功率分布。
本发明采用的技术方案如下：
一种适用于超临界水冷堆的水棒，该水棒由水棒外壁和水棒内壁组成，其中，水棒外壁由两种材料构成，分为三层，其内外两层均采用不锈钢材料，中间层采用嵌入锗纳米晶体的绝热硅材料；水棒内壁由一种材料构成，只有一层。
水棒外壁和水棒内壁围成了方环形水棒外管，水棒内壁围成了方形水棒内管。
水棒外壁中间层由嵌入锗纳米晶体的绝热硅材料构成，其导热系数可降至低于1W/（m·K）。由于良好的绝热性能，可减少燃料通道与慢化剂之间的热量传递，降低慢化剂温升，同时也可降低材料厚度，进而降低对中子的吸收强度。
水棒内壁，是由锆合金材料构成。锆合金在温度低于380℃时，具有较好的抗腐蚀特性和较好的机械性能。由于良好的导热性能，使得水棒外管中慢化剂与水棒内管中慢化剂之间换热增强，从而使得慢化剂轴向温度分布更为均匀。
水棒外壁内外两层壁厚均优选0.1mm至0.3mm，中间层壁厚优选0.5mm至1.5mm，水棒内壁的壁厚优选 1mm至2mm。
水棒外管与水棒内管内慢化剂反向流动。由水棒外壁和水棒内壁围成的水棒外管内，慢化剂向下流动。
本发明的有益效果为：
在超临界水冷堆水棒设计中，通过改进水棒的结构设计，采用热导率较小的水棒外壁材料和热导率较大的水棒内壁材料，从而使慢化剂轴向温升降低，慢化剂慢化效果增强，提高堆芯轴向功率分布的均匀性。
由水棒内壁围成的水棒内管内，慢化剂向上流动。由水棒外壁和水棒内壁围成的水棒外管内，慢化剂向下流动。在超临界水冷堆中采用此种水棒结构，可以降低慢化剂的温升，防止慢化剂在超临界压力下达到拟临界温度，可以增强慢化效果，改善组件的轴向功率分布不均匀因子。该水棒具有结构简单，对原超临界水堆组件设计改进较小的特点，可以提高反应堆的安全性。
附图说明
图1是采用本发明水棒组件的堆芯工质流动方式图；
图2是本发明的水棒结构的水平剖面图。
图中标号：
1、上腔室；2、吊篮与压力容器间通道；3、堆芯入口；4、燃料棒；5、水棒外管；6、水棒内管；7、燃料通道；8、下联箱；9、下腔室；10、堆芯出口；11、水棒外壁不锈钢层；12、水棒外壁绝热层；13、水棒内壁；14、水棒外壁。
具体实施方式
下面的实施例可以使本专业技术人员更全面的理解本发明，但不以任何方式限制本发明。
本发明的目的是针对目前超临界水冷堆组件设计中水棒中慢化剂温升较大，使组件轴向中子慢化不均匀，提出的一种新型双层水棒结构。水棒的水棒外壁14采用导热率较小的材料，而水棒内壁13采用热导率较大材料， 从而降低慢化剂轴向温升。下面结合附图予以说明。
图1是双层水棒组件的堆芯工质流动方式图。工质在芯中折返的流动三次，分别通过水棒内管6、水棒外管5和燃料通道7。具体流动方式为：工质通过入口3进入堆内，分为两部分从吊篮与压力容器间通道2中流过，一部分向上流动进入上腔室1，另一部分向下流动进入下腔室9。进入下腔室9的工质通过水棒内管6向上流动进入上腔室1。上腔室中的工质混合后经过水棒外管5向下流动进入下联箱8，然后从下向上通过燃料通道7，接收由燃料棒4产生的热量。工质最终通过出口10流出堆芯。
图2是水棒基本结构的水平剖面图。适用于超临界水冷堆的水棒由水棒外壁14和水棒内壁13组成，其中，水棒外壁14由两种材料构成，分为三层，水棒外壁内外两层11均采用不锈钢材料，中间层12采用嵌入锗纳米晶体的绝热硅材料；水棒内壁13只有一层，采用的是锆合金材料。
水棒外壁14内外两层11壁厚均为0.2mm，中间层12壁厚是1.0mm，水棒内壁13的壁厚是 1.5mm。
水棒外壁14和水棒内壁13围成了方环形水棒外管5，水棒内壁13围成了方形水棒内管6。
所述水棒中由水棒外壁和水棒内壁围成的水棒外管5内，慢化剂向下流动。
所述水棒中由水棒内壁围成的水棒内管6内，慢化剂向上流动。
所涉及的水棒外壁中间层12采用的嵌入锗纳米晶体的绝热硅材料，使得燃料通道7与水棒外管5中慢化剂之间换热量减少，从而使得慢化剂温升降低，冷却剂温升增加。
所涉及的水棒内壁13采用导热性能较好的锆合金材料，使得水棒外管5中慢化剂与水棒内管6中慢化剂之间换热增强，又由于水棒外管5与水棒内管6内慢化剂反向流动，从而使得慢化剂轴向温度分布更加均匀。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种适用于超临界水冷堆的水棒，其特征在于：该水棒由水棒外壁(14)和水棒内壁(13)组成，其中，水棒外壁(14)由两种材料构成，分为三层，其内外两层(11)均采用不锈钢材料，中间层(12)采用嵌入锗纳米晶体的绝热硅材料；水棒内壁(13)由一种材料构成，只有一层，壁厚为1.5mm。
2.根据权利要求1所述的水棒，其特征在于：所述水棒内壁(13)由锆合金材料构成。
3.根据权利要求1所述的水棒，其特征在于：水棒外壁(14)内外两层(11)壁厚均为0.1mm至0.3mm，中间层(12)壁厚为0.5mm至1.5mm。
4.根据权利要求1所述的水棒，其特征在于：水棒外壁(14)和水棒内壁(13)围成了方环形水棒外管(5)，水棒内壁(13)围成了方形水棒内管(6)。
5.根据权利要求4所述的水棒，其特征在于：水棒外管(5)与水棒内管(6)内慢化剂反向流动。
6.根据权利要求4所述的水棒，其特征在于：所述水棒中由水棒外壁和水棒内壁围成的水棒外管(5)内，慢化剂向下流动，所述水棒中由水棒内壁围成的水棒内管(6)内，慢化剂向上流动。
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