CN103390434B - 一种新型细棒稠密栅格核反应堆堆芯 - Google Patents

Abstract

一种新型细棒稠密栅格核反应堆堆芯，包括放置在燃料组件盒中的N个燃料组件，所述燃料组件包括N1根燃料元件棒、N2根控制棒、N3根可燃毒物棒和N4根测量管，其中测量管位于燃料组件中心，所述燃料元件棒、控制棒、可燃毒物棒和测量管的中心连线按照正三角形排列，燃料元件棒、控制棒、可燃毒物棒和测量管的外径D均相同，中心距为P，外径D=5.5m～7.5mm，中心距P与外径D的比值P/D=1～1.3，并且P-D>1mm；本发明在保证安全性的同时，能够提高堆芯的功率密度并且控制燃料棒的振动。

Description

一种新型细棒稠密栅格核反应堆堆芯

技术领域

本发明核反应堆设计技术领域，具体涉及一种新型细棒稠密栅格核反应堆堆芯。

背景技术

压水堆燃料元件主要有棒形和板形，目的是增加堆芯单位体积内的发热面积，减小反应堆尺寸与重量。仅从经济性看，棒形燃料元件较板形元件占优势，按传统的概念设计方法，即使将元件棒径减小到6mm左右，其功率密度(单位体积发出的功率)较板形燃料元件仍然低30%以上。当船用堆细棒燃料元件棒径在6mm左右，棒中心距减小到7mm，同时采用正三角形排列，则功率密度或单位体积发热面积大幅度增加，可有效弥补棒形燃料元件的不足。

对于船用小型核动力装置要求反应堆具有功率密度高、噪音小、安全性以及机动性能好等特点。由于传统的棒束栅格很难做到这一点，所以常采用板状元件，但经济性和力学性能不理想。采用细棒稠密栅格燃料组件，将燃料棒束按正三角形栅格紧密排列，不仅使堆芯具有较高的功率密度，还能增加燃料的转换比，提高燃料利用率。但是与此同时，稠密的栅格会使冷却剂流速增加，加大主泵的压力，这对降低噪音不利。并且，将燃料棒直径降低后，换热面积减少，也会增加燃料元件表面的热流密度，这对反应堆的安全性带来一定的考验。

选择合适的燃料棒直径、中心距以及长度，使得堆芯在保证安全性的前提下，具有较高的平均功率密度和较低的噪音（冷却剂流动对燃料棒造成的振动较低）。为此，研发出一种新型稠密栅格堆芯对船用核反应堆来说是十分必要的。

发明内容

为了解决上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种新型细棒稠密栅格核反应堆堆芯，在保证安全性的同时，能够提高堆芯的功率密度并且控制燃料棒的振动。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种新型细棒稠密栅格核反应堆堆芯，由多个燃料组件1组成，所述燃料组件1包括燃料组件盒2和置于其内的多个燃料元件棒3、控制棒4，可燃毒物棒5和测量管6，其中测量管6位于燃料组件盒2中心，所述燃料元件棒3、控制棒4、可燃毒物棒5和测量管6的中心连线按照正三角形排列，燃料元件棒3、控制棒4，可燃毒物棒5和测量管6的外径D均相同，中心距为P，外径D=5.5m～7.5mm，中心距P与外径D的比值P/D=1～1.3，并且P-D>1mm。

所述燃料元件棒3、控制棒4、可燃毒物棒5和测量管6的高度H均为0.484m～0.667m。

所述燃料组件1间的水隙宽度d2=3-6mm。

所述燃料组件盒2为封闭式组件盒，其壁厚为2-3mm。

所述燃料组件盒2为正六边形封闭式组件盒。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

本发明的细棒稠密栅格堆芯，设计具有较小直径的燃料棒（燃料元件棒3、控制棒4，可燃毒物棒5和测量管6），并且减小它们各自之间的距离，从而达到提高单位体积内燃料元件的体积比，即降低了堆芯的疏松度（冷却剂、慢化剂以及其他结构材料所占的体积比）。这样利用将燃料棒直径减小，减小元件的水力学当量直径，使棒形元件能够紧密排列，减少结构材料，从而降低堆芯疏松度。同时可以增加冷却剂流速，从而破坏管内近壁区的流动与热边界层，使流动边界层内产生扰动而减小热阻，增大传热量，也能达到强化传热的目的。燃料棒高度H的设计既可以保证冷却剂与燃料的热交换时间，控制冷却剂出口参数较高但不超过安全限值，又可以避免燃料元件的总换热面积太小，造成元件表面热流密度和温度过高发生烧毁。这样的细棒稠密栅格堆芯设计，应用在船用小型核动力装置中，可以使装置更加安全、经济、高效地运行。

附图说明

图1为本发明堆芯径向截面示意图。

图2为本发明燃料组件的径向截面示意图。

图3为本发明燃料组件中燃料元件之间布置方式的径向截面示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

如图1和图2所示，本发明一种新型细棒稠密栅格核反应堆堆芯，由多个燃料组件1组成，所述燃料组件1包括燃料组件盒2和置于其内的多个燃料元件棒3、控制棒4，可燃毒物棒5和测量管6，其中测量管6位于燃料组件盒2中心。燃料元件棒3、控制棒4、可燃毒物棒5和测量管6安置于正六边形燃料组件盒内，燃料组件盒2径向封闭，用来控制堆芯中不同径向位置的冷却剂流量。燃料组件1之间保留一定的水隙，防止边缘燃料元件无法充分冷却。

如图3所示，所述燃料元件棒3、控制棒4，可燃毒物棒5和测量管6的中心连线按照正三角形排列，燃料元件棒3、控制棒4，可燃毒物棒5和测量管6的外径D均相同，中心距为P，外径D=5.5m～7.5mm，中心距P与外径D的比值P/D=1～1.3，并且P-D>1mm。

燃料元件棒3、控制棒4，可燃毒物棒5和测量管6的中心连线按照正三角形排列，，从而使得冷却剂流动的截面积减少，具有较高的流速，增加燃料元件与冷却剂之间的换热系数，提高换热效率，起到强化换热的作用。将燃料元件外径D和中心距P同时适当减小，能够很大程度的提高单位体积内核燃料所占的份额，减小冷却剂的体积份额，从而获得比较高的堆芯平均功率密度。但由于装配的要求，燃料元件棒之间的间隙至少保留1mm，即保证P比D大至少1mm。这样燃料元件棒可以顺利装入燃料组件盒，并进行定位。

实施例

本实施例反应堆热功率38MW，一回路压力15.41MPa，冷却剂流量81.97kg/s，入口温度245℃，出口温度331.27℃。堆芯按图1方式布置，共55个燃料组件，如图2所示，每个燃料组件2中，燃料元件棒3有102根，控制棒4有12根，可燃毒物棒5有12根，测量管6有1根。燃料元件棒3、控制棒4、可燃毒物棒5和测量管6的外径D=6.016mm，中心距P=7.18mm，高度H=0.568m。

该实施例的新型细棒稠密栅格堆芯的性能与俄罗斯船用ABV-6M反应堆以及中国CPWR640反应堆的技术参数对比如表1所示。

表1稠密栅格堆芯与常规栅格堆芯技术参数对比

从表1可以看出：

1.与原ABV-6M相比，细棒稠密栅格堆芯中，燃料棒直径和棒中心距分别从9.15mm和12.2mm减小到6.016mm和7.18mm，使得堆芯体积大大减小。尽管冷却剂流速为ABV-6M的3.6倍，但是冷却剂总流量减少了5.5%，堆芯冷却剂出口温度也因此而略有提高。此外，燃料元件的表面热流密度增加了大约75%，而功率密度则增加为原设计的4倍。说明细棒稠密栅格堆芯提高了平均功率密度，节省了反应堆的布置空间。

2.从与CPWR640的对比中可以看出，在燃料元件表面热流密度近似的情况下，稠密栅堆芯平均功率密度依然比常规设计高约24%；稠密栅冷却剂流速较高，其进出口温差约为CPWR640堆芯设计的2.6倍。这些都表明稠密栅堆芯具有流量低、体积小、主参数先进等综合性能的优势。

Claims (4)

1.一种新型细棒稠密栅格核反应堆堆芯，由多个燃料组件(1)组成，所述燃料组件(1)包括燃料组件盒(2)和置于其内的多个燃料元件棒(3)、控制棒(4)，可燃毒物棒(5)和测量管(6)，其中测量管(6)位于燃料组件盒(2)中心，其特征在于：所述燃料元件棒(3)、控制棒(4)、可燃毒物棒(5)和测量管(6)的中心连线按照正三角形排列，燃料元件棒(3)、控制棒(4)，可燃毒物棒(5)和测量管(6)的外径D均相同，中心距为P，外径D＝5.5m～7.5mm，中心距P与外径D的比值P/D＝1～1.3，并且P-D>1mm；所述燃料元件棒(3)、控制棒(4)、可燃毒物棒(5)和测量管(6)的高度H均为0.484m～0.667m。

2.根据权利要求1所述的一种新型细棒稠密栅格核反应堆堆芯，其特征在于：所述燃料组件(1)间的水隙宽度d2＝3-6mm。

3.根据权利要求1所述的一种新型细棒稠密栅格核反应堆堆芯，其特征在于：所述燃料组件盒(2)为封闭式组件盒，其壁厚为2-3mm。

4.根据权利要求3所述的一种新型细棒稠密栅格核反应堆堆芯，其特征在于：所述燃料组件盒(2)为正六边形封闭式组件盒。