CN110827999B - 一种套管式燃料组件及超临界水冷堆 - Google Patents

一种套管式燃料组件及超临界水冷堆 Download PDF

Info

Publication number
CN110827999B
CN110827999B CN201911126755.5A CN201911126755A CN110827999B CN 110827999 B CN110827999 B CN 110827999B CN 201911126755 A CN201911126755 A CN 201911126755A CN 110827999 B CN110827999 B CN 110827999B
Authority
CN
China
Prior art keywords
fuel
area
fuel assembly
tube
coolant
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201911126755.5A
Other languages
English (en)
Other versions
CN110827999A (zh
Inventor
夏榜样
姚磊
卢迪
王连杰
李庆
李翔
肖鹏
甯忠豪
李司南
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Nuclear Power Institute of China
Original Assignee
Nuclear Power Institute of China
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Nuclear Power Institute of China filed Critical Nuclear Power Institute of China
Priority to CN201911126755.5A priority Critical patent/CN110827999B/zh
Publication of CN110827999A publication Critical patent/CN110827999A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN110827999B publication Critical patent/CN110827999B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G21—NUCLEAR PHYSICS; NUCLEAR ENGINEERING
    • G21C—NUCLEAR REACTORS
    • G21C3/00—Reactor fuel elements and their assemblies; Selection of substances for use as reactor fuel elements
    • G21C3/02—Fuel elements
    • G21C3/04—Constructional details
    • G—PHYSICS
    • G21—NUCLEAR PHYSICS; NUCLEAR ENGINEERING
    • G21C—NUCLEAR REACTORS
    • G21C15/00—Cooling arrangements within the pressure vessel containing the core; Selection of specific coolants
    • G21C15/24—Promoting flow of the coolant
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E30/00—Energy generation of nuclear origin
    • Y02E30/30—Nuclear fission reactors

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • High Energy & Nuclear Physics (AREA)
  • Monitoring And Testing Of Nuclear Reactors (AREA)

Abstract

本发明公开了一种套管式燃料组件及超临界水冷堆，所述燃料组件沿着径向由内到外依次为内内管和外管，所述内管所围区域为内区，所述内区内布置有内区燃料棒，外管与内管之间的区域为外区，所述外区内布置有外区燃料棒，所述外管的上部为开口结构，下部为封闭式结构，所述内管的两端均为开口结构，冷却剂在外区从上向下流动，冷却剂在内区从下向上流动，所述内区燃料棒的燃料富集度高于外区燃料棒的燃料富集度。本发明解决了现有由于采用慢化水棒及冷却剂多流程设计技术，导致的燃料组件及堆芯结构复杂化问题，同时具有提高堆芯冷却剂流速、强化传热，降低燃料包壳温度的优点。

Description

一种套管式燃料组件及超临界水冷堆
技术领域
本发明涉及核反应堆技术领域，具体涉及一种套管式燃料组件及超临界水冷堆。
背景技术
超临界水冷堆(SCWR)是第IV代核能国际论坛(GIF)筛选出的最具发展前景的六种核能系统之一。为了提高系统的热效率，获得更高的经济性，系统运行压力约为25MPa，出口温度则达到500℃以上，使得堆芯冷却剂的平均温度较高、密度较低，导致堆芯热工安全裕量小且需要采用较高的燃料富集度，显著影响超临界水冷堆(SCWR)的技术指标及市场竞争力。为此，国内外超临界水冷堆设计方案采用了较为复杂的燃料组件结构、反应堆总体结构，用以增加反应堆的热工安全裕量及经济性，但显著降低了超临界水冷堆(SCWR)的工程可实现性。因此，非常有必要探索结构形式更为简单的SCWR燃料组件方案，以提高超临界水冷堆(SCWR)燃料组件及堆芯设计的工程可实现性和经济性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能够实现冷却剂隐式双流程流动的套管式燃料组件，有效解决现有由于采用慢化水棒、冷却剂多流程设计及高低温流体分流技术，导致的燃料组件及堆芯结构复杂化问题，同时确保堆芯冷却剂流速、强化传热能力及安全性。
此外，本发明还提供基于上述套管式燃料组件的超临界水冷堆，所述超临界水冷堆具有结构简单的优点。
本发明通过下述技术方案实现：
一种套管式燃料组件，所述燃料组件沿着径向由内到外依次为内内管和外管，所述内管所围区域为内区，所述内区内布置有内区燃料棒，外管与内管之间的区域为外区，所述外区内布置有外区燃料棒，所述外管的上部为开口结构，下部为封闭式结构，所述内管的两端均为开口结构，冷却剂在外区从上向下流动，冷却剂在内区从下向上流动，所述内区燃料棒的燃料富集度高于外区燃料棒的燃料富集度。
本发明外管的上部为冷却剂的入口，下部用于隔离不同流向的冷却剂。
本发明的冷却剂从外管的上部开口端进入外管后，向下流动至外管的下部封闭端，在封闭端处改变流向进入内管下部，冷却剂在内管内向上流动，从内管的上端流出，为隐式双流程流动方案。
本发明所述燃料组件内部不设置慢化水棒及导向管，显著简化了燃料组件方案；燃料组件采用径向分区设计方法，以及更为简单可靠的单流程冷却剂流动方案，低温冷却剂从堆芯顶部进入燃料组件外区，不但显著简化了堆芯结构，还提高了冷却剂流速，强化了冷却剂传热能力。
沿燃料组件径向分区越多，燃料组件结构越复杂，本发明综合考虑了燃料组件的结构复杂度、冷却剂在燃料区流速及传热能力、低温冷却剂从堆芯进入燃料组件的可行性、高温冷却剂从燃料组件流出的可行性等因素，燃料组件沿径向分为两区，即在组件尺度实现冷却剂的隐式双流程流动。
进一步地，内管的上部凸出于外管，保证燃料组件外区低温冷却剂与内区高温冷却剂之间的隔离，使内区高温冷却剂向上流入压力容器蒸汽腔室。
进一步地，燃料组件为圆柱状结构，便于相邻的3个燃料组件构成的三角形低温冷却剂通道区域面积最大化，在此区域布置导向管或其它测量装置。
进一步地，内区燃料棒和外区燃料棒均采用圆环状布置，与内管、外管形状匹配，燃料棒装载量最大化，提高燃料装载量并降低燃料棒平均线功率密度，同时减少燃料组件内的冷却剂无效流通面积。
进一步地，内区燃料棒布置165根，所述外区燃料棒布置169根，内区与外区燃料棒的功率份额及平均线功率密度基本一致。
进一步地，内管的半径为90.5mm，壁厚为1.0mm，内管不承担燃料组件整体重量，具有较高隔热能力，减少内区高温冷却剂与外区低温冷却剂之间的导热量。
进一步地，外管的半径为128mm，壁厚为2.0mm，外管承担燃料组件整体总量，并维持燃料组件几何形状，隔热能力较低。
进一步地，内区燃料棒和外区燃料棒的外径均为9.5mm。
一种包括套管式燃料组件的超临界水冷堆，所述超临界水冷堆由若干燃料组件及导向管构成，所述燃料组件按照正三角形栅格进行排列，导向管布置在3个相邻燃料组件形成的正三角形区域中心位置。
所述燃料组件及导向管在压力容器内始终置于低温冷却剂中，增加了燃料组件结构及堆芯结构的安全裕量，确保堆芯的热工安全。
进一步地，导向管的外径为40mm，壁厚为1.0mm，任意两个相邻燃料组件的中心距为270mm，采用外径达到34mm的大尺寸控制棒吸收体，强化堆芯反应性控制能力。
本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
本发明所述燃料组件内部不设置慢化水棒及导向管，显著简化了燃料组件方案；燃料组件采用径向分区设计方法，以及更为简单可靠的单流程冷却剂流动方案，低温冷却剂从堆芯顶部进入燃料组件外区，不但显著简化了堆芯结构，还提高了冷却剂流速，强化了冷却剂传热能力。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
图1为燃料组件分区示意图；
图2为燃料组件内冷却剂流动过程示意图；
图3为超临界水冷堆堆芯布置示意图；
图4为压力容器内冷却剂流动示意图。
附图中标记及对应的零部件名称：
1-外管，2-内管，3-内区燃料棒，4-外区燃料棒，5-燃料组件，6-导向管，7-压力容器蒸汽腔室。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施例1：
如图1、图2所示，一种套管式燃料组件，所述燃料组件5沿着径向由内到外依次为内内管2和外管1所述内管2的半径为90.5mm，壁厚为1.0mm，所述外管1的半径为128mm，壁厚为2.0mm，所述内管2所围区域为内区，所述内区内布置有内区燃料棒3，外管1与内管2之间的区域为外区，所述外区内布置有外区燃料棒4，内区燃料棒3和外区燃料棒4的外径为Φ9.5mm，包壳厚度为0.57mm，燃料芯体为UO2陶瓷燃料，芯体直径为8.19mm，包壳材料为不锈钢，所述外管1的上部为开口结构，为冷却剂进入口，下部为封闭式结构，用于隔离不同流向的冷却剂，所述内管2的两端均为开口结构，冷却剂从下端流入，从上端流出，内管具有隔热能力，即冷却剂在外区从上向下流动，冷却剂在内区从下向上流动，所述内区燃料棒3的燃料富集度高于外区燃料棒4的燃料富集度，燃料组件径向功率分布更加平坦，所述内管2的上部凸出于外管1，所述燃料组件5为圆柱状结构；所述内区燃料棒3和外区燃料棒4均采用圆环状布置；所述内区燃料棒3布置165根，所述外区燃料棒4布置169根，所述燃料组件5的结构均为不锈钢。
实施例2：
如图3、图4所示，一种包括实施例1所述套管式燃料组件的超临界水冷堆，所述超临界水冷堆由211盒燃料组件5及372根导向管6构成，所述燃料组件5按照正三角形栅格进行排列，导向管6布置在3个相邻燃料组件5形成的正三角形区域中心位置，任意两个相邻燃料组件5的中心距为270mm，导向管6的外径为40mm，壁厚为1.0mm。堆芯外接圆直径为4364mm，活性区高度为4200mm。堆芯热功率为3600MWth，体平均功率密度为64.4MW/m3，平均线功率密度为10.6kW/m。
在本实施例中，冷却剂从压力容器的冷端进入后，沿压力容器环腔向下进入下腔室，充分搅混后，从圆柱状的燃料组件5之间的通道向上流动，充满堆芯活性区并承担堆芯中子慢化功能。冷却剂从燃料组件5上部流入燃料组件5的外区，向下流动并冷却外区燃料棒4，在燃料组件5的底部改变方向，进入内区，向上流动冷却剂内区燃料棒3，流出燃料组件5后进入压力容器蒸汽腔室7，再经过压力容器热端流出。反应堆的燃料组件5及导向管6在任意工况下，均置于低温冷却剂之中，大幅提高了反应堆安全性。
反应堆堆芯详细设计参数见表1。
表1超临界水冷堆主参数
Figure BDA0002277075530000041
Figure BDA0002277075530000051
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种套管式燃料组件，其特征在于，所述燃料组件（5）沿着径向由内到外依次为内管（2）和外管（1），所述内管（2）所围区域为内区，所述内区内布置有内区燃料棒（3），外管（1）与内管（2）之间的区域为外区，所述外区内布置有外区燃料棒（4），所述外管（1）的上部为开口结构，下部为封闭式结构，所述内管（2）的两端均为开口结构，冷却剂在外区从上向下流动，冷却剂在内区从下向上流动，所述内区燃料棒（3）的燃料富集度高于外区燃料棒（4）的燃料富集度；内区燃料棒（3）布置165根，所述外区燃料棒（4）布置169根；超临界水冷堆由若干燃料组件（5）及导向管（6）构成，所述燃料组件（5）按照正三角形栅格进行排列，导向管（6）布置在3个相邻燃料组件（5）形成的正三角形区域中心位置。
2.根据权利要求1所述的一种套管式燃料组件，其特征在于，所述内管（2）的上部凸出于外管（1）。
3.根据权利要求1所述的一种套管式燃料组件，其特征在于，所述燃料组件（5）为圆柱状结构。
4.根据权利要求1所述的一种套管式燃料组件，其特征在于，所述内区燃料棒（3）和外区燃料棒（4）均采用圆环状布置。
CN201911126755.5A 2019-11-18 2019-11-18 一种套管式燃料组件及超临界水冷堆 Active CN110827999B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201911126755.5A CN110827999B (zh) 2019-11-18 2019-11-18 一种套管式燃料组件及超临界水冷堆

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201911126755.5A CN110827999B (zh) 2019-11-18 2019-11-18 一种套管式燃料组件及超临界水冷堆

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN110827999A CN110827999A (zh) 2020-02-21
CN110827999B true CN110827999B (zh) 2021-08-24

Family

ID=69556236

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201911126755.5A Active CN110827999B (zh) 2019-11-18 2019-11-18 一种套管式燃料组件及超临界水冷堆

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN110827999B (zh)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113724902A (zh) * 2021-08-26 2021-11-30 东南大学 一种移动式的热管反应堆防撞系统

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102737735A (zh) * 2012-07-04 2012-10-17 中国核动力研究设计院 超临界水堆组合式方形燃料组件、堆芯、双流程流动方法
CN106448750A (zh) * 2016-11-25 2017-02-22 中国核动力研究设计院 一种嵌入式双流程超临界水堆燃料组件

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP6034184B2 (ja) * 2012-12-27 2016-11-30 株式会社日立製作所 燃料集合体
CN103093838B (zh) * 2013-01-15 2014-07-23 西安交通大学 套管式棒状燃料组件及采用该组件的超临界水冷核反应堆
CN103117098A (zh) * 2013-02-04 2013-05-22 中国核动力研究设计院 一种适用于超临界水冷堆的方形燃料组件结构
CN103106929B (zh) * 2013-02-04 2016-03-02 中国核动力研究设计院 超临界水堆的改进型环形燃料元件及其构成的燃料组件
CN106448756B (zh) * 2016-11-25 2018-04-24 中国核动力研究设计院 一种双区燃料冷却剂反向流动燃料组件及超临界水冷堆

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102737735A (zh) * 2012-07-04 2012-10-17 中国核动力研究设计院 超临界水堆组合式方形燃料组件、堆芯、双流程流动方法
CN106448750A (zh) * 2016-11-25 2017-02-22 中国核动力研究设计院 一种嵌入式双流程超临界水堆燃料组件

Also Published As

Publication number Publication date
CN110827999A (zh) 2020-02-21

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN101299351B (zh) 水冷双区增殖核反应堆堆芯及采用该堆芯的核反应堆
US11183311B2 (en) Fuel channel assembly and fuel bundle for a nuclear reactor
CN102737735B (zh) 超临界水堆组合式方形燃料组件及使用该燃料组件的堆芯
CN1319074C (zh) 采用套管燃料组件的超临界水核反应堆
CN110853774B (zh) 一种氢化锆慢化金属冷却反应堆小型化设计方法及反应堆
CN109256222A (zh) 钠冷快中子核反应堆系统
CN110827999B (zh) 一种套管式燃料组件及超临界水冷堆
WO2022206072A1 (zh) 一种气冷微堆堆芯及气冷微堆
US3079321A (en) Sodium deuterium reactor
Nava-Dominguez et al. Canadian SCWR bundle optimization for the new fuel channel design
CN103730172B (zh) 一种液态重金属冷却自然循环池式反应堆堆内辅助加热系统
CN105529052B (zh) 一种热中子谱混合定位多流区燃料组件及超临界水冷堆
US3200045A (en) Liquid cooled nuclear reactor with improved flow distribution means
CN110828006B (zh) 一种冷却剂交错流动式燃料组件及超临界水冷堆
JP2009075001A (ja) 原子炉
CN109887618A (zh) 一种热管径向布置的核反应堆
CN106448750B (zh) 一种嵌入式双流程超临界水堆燃料组件
CN110853772B (zh) 一种基于正方形燃料组件的单流程超临界水冷堆
CN111519005B (zh) 一种大型D形Nb3Sn超导线圈热处理装备
CN110853771B (zh) 一种基于叠加式燃料组件的超临界水冷堆
CN110853770B (zh) 一种基于正六角形燃料组件的单流程超临界水冷堆
CN112863709A (zh) 适用于高释热功率的快堆燃料元件辐照试验装置及方法
Conboy et al. Thermal-hydraulic performance of cross-shaped spiral fuel in high-power-density BWRs
CN110867260A (zh) 一种基于复合式燃料元件的超临界水冷堆
Hirota et al. A Concept of Intermediate Heat Exchanger for High-Temperature Gas Reactor Hydrogen and Power Cogeneration System

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant