CN104183279A - 一种内冷式压水反应堆堆芯 - Google Patents

一种内冷式压水反应堆堆芯 Download PDF

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谢金森
李小华
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Abstract

本发明公开了一种内冷式压水反应堆堆芯，包括由若干盒六角形燃料组件构成近似圆柱体，每三个六角形燃料组件构成Y型接触面，若干个Y型接触面间布置有Y形板状控制棒，将六角形燃料组件之间的接触面之间垫隔出水隙，六角形燃料组件外表由锆铌合金构成外包壳，每一个六角形燃料组件由若干个内冷式六角形栅元构成，六角形栅元间无包壳材料，六角形栅元由置于中心的圆形冷却剂流道和燃料构成，冷却剂流道为内包壳构成的流道，内包壳材料为锆铌合金，内包壳与燃料之间填充锡铅铋合金。采用一体式内冷式燃料组件，无横向支撑结构，堆芯冷却剂流道简单。在较大的冷却剂流速下，堆芯形阻压降和流致震动小，可获得较高的输出功率。

Description

一种内冷式压水反应堆堆芯
技术领域
本发明属于核反应堆技术领域，涉及一种内冷式压水反应堆堆芯。
背景技术
在满足安全限值的前提下，提高反应堆的输出功率有助于提升核反应堆的经济性与小型化。限制反应堆输出功率的主要因素是燃料包壳与燃料芯块中心温度。通过增加冷却剂流量、增大传热面积、减小燃料元件尺寸可实现在满足安全限值前提下提升堆芯输出功率的目的。在减小燃料元件尺寸方面，考虑到机械加工的可行性，目前可行的最小燃料棒直径约6.5mm；在增大传热面积方面，采用环形双冷燃料元件，降低了燃料元件温度，可在保证安全的前提下，提升堆芯功率。
目前的压水反应堆提升功率密度的研究中，小直径燃料元件与环形燃料元件的设计均可降低燃料芯块的中心线温度，但减小燃料元件直径会导致其机械强度的降低与流致振颤的增大；环形燃料元件的冷却剂流道复杂，不利于反应堆堆芯设计，同时冷却剂压降也将增大，需要更大功率的主泵维持一回路强迫循环。
压水反应堆燃料元件一般为棒束结构，堆芯的冷却剂流量(流速)由热工与水力(流致振颤)共同确定，冷却剂流量增加，将导致燃料元件的流致振颤增大，燃料包壳与定位格架的摩擦增大，会对燃料包壳的完好性产生影响。因此，目前通过增加冷却剂流量提升压水反应堆功率密度的研究相对较少。《南华大学学报-自然科学版》2012年第26卷第3期发表的《反转反应堆堆芯组件中子学问题初步研究》、《反转压水反应堆热工水力特性初步研究》和《核动力工程》201年第5期第34卷发表的《内冷式压水反应堆堆芯组件中子学初步研究》中对内冷式压水反应堆的燃料组件进行了中子学与子通道热工水力分析，并没有形成实际的产品和堆芯设计方案。
发明内容
本发明的目的在于提供一种内冷式压水反应堆堆芯，解决了目前的压水反应堆，小直径燃料元件与环形燃料元件的设计均可降低燃料芯块的中心线温度，但减小燃料元件直径会导致其机械强度的降低与流致振颤的增大的问题。
本发明所采用的技术方案是包括由若干盒六角形燃料组件构成近似圆柱体，每三个六角形燃料组件构成Y型接触面，若干个Y型接触面间布置有Y形板状控制棒，将六角形燃料组件之间的接触面之间垫隔出水隙，六角形燃料组件外表由锆铌合金构成外包壳，每一个六角形燃料组件由若干个内冷式六角形栅元构成，六角形栅元间无包壳材料，六角形栅元由置于中心的圆形冷却剂流道和燃料构成，冷却剂流道为内包壳构成的流道，内包壳材料为锆铌合金，内包壳与燃料之间填充锡铅铋合金。
进一步，所述六角形燃料组件个数为187盒；所述六角形燃料组件为长条柱体；所述六角形燃料组件对边距为213mm。
进一步，所述六角形燃料组件的外包壳厚度为9.8mm，长度为3680mm。
进一步，所述六角形栅元为169个。
进一步，所述燃料中铀富集度为10％～13。
进一步，所述燃料采用铀钍锆氢化物燃料，其中U、Th、Zr、H的原子比例为1：0.5：2.25：5.625。
进一步，所述冷却剂流道直径为11mm，冷却剂流道外为内包壳，内包壳厚度为0.68mm，内包壳与燃料间隙为0.34mm。
进一步，Y形板状控制棒厚度为7mm，采用B4C作为中子吸收体，长度3680mm，厚度为5mm。
进一步，所述燃料材料为UTh0.5Zr2.25H5.625。
采用一体式内冷式燃料组件，无横向支撑结构，堆芯冷却剂流道简单。在较大的冷却剂流速下，堆芯形阻压降和流致震动小，可获得较高的输出功率。
附图说明
图1是本发明内冷式压水反应堆六角形燃料组件内部结构示意图；
图2是本发明内冷式压水反应堆堆芯布置图；
图3是本发明内冷式压水反应堆燃料组件六角形栅元结构图；
图4是本发明内冷式压水反应堆燃料组件与Y形板状控制元件示意图；
图5是本发明堆芯有效增殖系数随时间的变化示意图；
图6是本发明堆芯平均通道冷却剂出口温度分布云图；
图7是本发明堆芯平均通道冷却剂出口密度分布云图；
图8是本发明堆芯平均通道冷却剂压降随轴向高度的变化图；
图9是本发明堆芯最热通道冷却剂出口温度分布云图。
图中，1.六角形燃料组件，2.Y形板状控制棒，3.外包壳，4.六角形栅元，5.冷却剂流道，6.燃料，7.内包壳。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明的一种实施例如图1和图2所示，由六角形燃料组件1构成近似圆柱体，活性区高度3680mm，等效直径3660mm，堆芯核功率4000MW；如图3所示，六角形燃料组件1由内冷式六角形栅元4构成，六角形栅元4间无包壳材料，六角形栅元4对边距为16.04mm，六角形燃料组件1为一体式“蜂窝煤”状结构，六角形燃料组件1对边距为213mm，燃料6中铀富集度为10％～13可调，满足不同长度的堆芯寿期，六角形燃料组件1的外包壳3为锆铌合金，厚度为9.8mm。燃料6采用铀钍锆氢化物燃料，其中U、Th、Zr、H的原子比例为1：0.5：2.25：5.625；六角形燃料组件1为“蜂窝煤”状内冷式，即冷却剂流道5位于每根六角形燃料组件1中心，冷却剂流道5直径为11mm，冷却剂流道5外为内包壳7，厚度为0.68mm，材料为锆铌合金，内包壳7与燃料6间隙为0.34mm，内填充锡铅铋合金，正常运行工况，该合金为液态。每个组件含有169个内冷式冷却剂流道5。
如图4所示，本发明整个内冷式压水反应堆堆芯优选由187盒六角形燃料组件1构成，六角形燃料组件1间留有水隙，厚度为12.24mm；六角形燃料组件1间的水隙用于布置Y形板状控制棒2，Y形板状控制棒2厚度为7mm，采用B4C作为中子吸收体，长度优选3680mm，厚度为5mm，Y形板状控制棒2由不锈钢包裹，厚度1mm。Y形板状控制棒2的总数量视反应性控制要求确定，在“卡棒”准则下，可实现-1％Δk/k的最小停堆深度要求。
Y形板状控制棒2共两大类，即调节棒组与停堆棒组。通过调整燃料中铀的富集度、控制棒数量与排布，可使内冷式压水反应堆实现功率控制与“卡棒”准则下的最小停堆深度要求。内冷式压水反应堆的燃耗反应性补偿与传统的棒束结构压水反应堆类似，采用化学补偿方式(硼酸)；快速的负荷调节与停堆采用控制棒实现。
本例内冷式压水反应堆优选设计参数如表1所示。
表1
参数名称 值
燃料类型 UTh0.5Zr2.25H5.625
活性区高度/mm 3680
等效直径/mm 3660
燃料组件对边距/mm 213
燃料组件内冷却剂流道数量/个 169
冷却剂流道直径/mm 11
六边形燃料栅元对边距/mm 16.04
内包壳厚度/mm 0.68
燃料组件外包壳厚度/mm 9.8
包壳材料 锆铌合金
堆芯燃料组件数量/盒 187
堆芯核功率/MW 4000
压力容器运行压力/Mpa 15.5
堆芯入口温度/℃ 295
堆芯出口平均温度/℃ 329.1
稳态工况包壳峰值温度/℃ 343.8
稳态工况燃料中心线最高温度/℃ 438.1
焓升/(kJ/kg) 195.2
堆芯有效流量/(kg/s) 20891
冷却剂平均流速/(m/s) 9.44
堆芯功率密度/(MW/m3) 119
燃料比功率/(kw/kg燃料) 73.60
平均线功率密度/(W/cm) 391
稳态工况峰值线功率密度/(W/cm) 880
比流量/[kg/(W·s)] 5.12×10-6
稳态工况最小偏离泡核沸腾比 1.79
堆芯压降/Mpa 0.138
按照以上设计参数，如图5所示，本发明在无任何控制元件情况下的堆芯有效增殖系数随时间的变化，对于13％的铀富集度，可满足18个月换料要求。图6所示堆芯平均通道冷却剂出口温度分布云图，图7所示堆芯平均通道冷却剂出密度度分布云图。反应堆具有较好的周向均匀性。图8所示堆芯平均通道冷却剂压降随轴向高度的变化，入口压力为15.5MPa，堆芯压降较小，为0.138MPa。图9所示堆芯最热通道冷却剂出口温度分布云图，堆芯最热通道出口平均温度为616.42K(343.42℃)，小于堆芯运行压力(15.5MPa)的饱和温度617.94K(344.79℃)。
本发明的优点有：
(1)采用六角形内冷式燃料组件1的压水反应堆堆芯，与传统的棒束结构压水反应堆相比，燃料6与冷却剂流道5的几何布置方式相反，现有的压水反应堆均为棒束结构，燃料棒外为冷却剂，而内冷式堆芯，冷却剂在中心，外侧外燃料；内冷式组件不需要横向支撑结构(定位格架)，现有压水堆的燃料棒是细长的棒状，长度约360cm，直径约1cm，一个燃料组件由264根棒束构成，为保证相互平行，需要在轴向加装定位装置，即定位搁架，也起到横向支撑的作用，冷却剂流道5横截面为圆形，流道周向均匀性更好。
(2)采用铀钍锆氢化物作为燃料，堆芯具有自慢化特性，使得内冷式压水反应堆具有更高的堆芯功率密度。
(3)采用内冷式燃料组件，冷却剂流道5在轴向没有变化，堆芯流速更高的情况下，堆芯形阻压降小，且无堆芯冷却剂无横向交混。而由于现有的压水堆燃料组件为棒束结构，冷却剂自下而上(轴向)流经燃料棒时，流道是开放式的，因此一定存在横向的搅混，对燃料棒施加径向作用力，导致震动，进而导致燃料包壳与定位搁架产生摩擦，影响反应堆安全。本发明在大流速情况下，堆芯流致振颤极小。
(4)内冷式燃料组件为一体式“蜂窝煤”结构。
(5)控制组件采用“Y形”板状结构。
(6)燃料包壳采用吸氢率极低的锆铌合金，并且在燃料与内包壳间填充锡铅铋液态金属，可有效降低燃料包壳的吸氢脆化的风险。
与传统的棒束结构反应堆相比，本发明采用六角形内冷式堆芯结构，冷却剂流道5结构简单，周向不均匀性小，组件内部不需要横向支撑结构，堆芯的形阻压降低，采用更高的冷却剂流速的情况下，堆芯的流致振颤极小；燃料具有自慢化性能，堆芯允许的功率密度更高；在六角形燃料组件1间采用Y形板状控制棒2，控制元件对组件内流道没有任何影响；采用锆铌合金包壳，包壳与燃料间隙填充锡铅铋液态合金，可大幅增强燃料与冷却剂的传热性能，同时降低包壳吸氢脆化风险。本发明内冷式压水反应堆的堆芯结构更加简单，功率密度更高，流致振颤极小，除可用于陆基核电厂还可用于船用核动力。
以上所述仅是对本发明的较佳实施方式而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施方式所做的任何简单修改，等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的范围内。

Claims (9)

1.一种内冷式压水反应堆堆芯，其特征在于：包括由若干盒六角形燃料组件(1)构成近似圆柱体，每三个六角形燃料组件(1)构成Y型接触面，若干个Y型接触面间布置有Y形板状控制棒(2)，将六角形燃料组件(1)之间的接触面之间垫隔出水隙，六角形燃料组件(1)外表由锆铌合金构成外包壳(3)，每一个六角形燃料组件(1)由若干个内冷式六角形栅元(4)构成，六角形栅元(4)间无包壳材料，六角形栅元(4)由置于中心的圆形冷却剂流道(5)和燃料(6)构成，冷却剂流道(5)为内包壳(7)构成的流道，内包壳(7)材料为锆铌合金，内包壳(7)与燃料(6)之间填充锡铅铋合金。
2.按照权利要求1所述一种内冷式压水反应堆堆芯，其特征在于：所述六角形燃料组件(1)个数为187盒；所述六角形燃料组件(1)为长条柱体；所述六角形燃料组件(1)对边距为213mm。
3.按照权利要求1所述一种内冷式压水反应堆堆芯，其特征在于：所述六角形燃料组件(1)的外包壳(3)厚度为9.8mm，长度为3680mm。
4.按照权利要求1所述一种内冷式压水反应堆堆芯，其特征在于：所述六角形栅元(4)为169个。
5.按照权利要求1所述一种内冷式压水反应堆堆芯，其特征在于：所述燃料(6)中铀富集度为10％～13。
6.按照权利要求1所述一种内冷式压水反应堆堆芯，其特征在于：所述燃料(6)采用铀钍锆氢化物燃料，其中U、Th、Zr、H的原子比例为1：0.5：2.25：5.625。
7.按照权利要求1所述一种内冷式压水反应堆堆芯，其特征在于：所述冷却剂流道(5)直径为11mm，冷却剂流道(5)外为内包壳(7)，内包壳(7)厚度为0.68mm，内包壳(7)与燃料(6)间隙为0.34mm。
8.按照权利要求1所述一种内冷式压水反应堆堆芯，其特征在于：
Y形板状控制棒(2)厚度为7mm，采用B4C作为中子吸收体，长度3680mm，厚度为5mm。
9.按照权利要求1所述一种内冷式压水反应堆堆芯，其特征在于：所述燃料(6)材料为UTh0.5Zr2.25H5.625。
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