CN110828006B - 一种冷却剂交错流动式燃料组件及超临界水冷堆 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种冷却剂交错流动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设置内盒、隔热围筒和外盒，所述内盒包含的区域为I区，内盒与隔热围筒之间的区域为II区，隔热围筒与外盒之间的区域为III区，所述I区内设置有1个导向管，II区布置低富集度燃料棒，III区布置高富集度燃料棒，所述燃料组件的两端分别设置有下封头和上封头，所述下封头上设置有下封头导流孔，所述上封头上设置有上封头导流孔，其中，冷却剂在I区、II区和III区交错流动。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

一种冷却剂交错流动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，具体涉及一种冷却剂交错流动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先进核能系统之一。超临界水冷堆(SCWR)核电机组为了获得较高的热效率，堆芯冷却剂平均出口温度需要达到500℃以上，这导致燃料包壳的外表面温度较高，给其长期运行过程中的安全性带来了巨大挑战。为了解决该问题，在反应堆冷却剂总流量不变的情况下，需要将堆芯沿径向划分为多个流区，即“多流程”流动方案，以提高堆芯的冷却剂流速，强化燃料元件传热，有效降低燃料包壳温度，并提高热工安全裕量，但燃料组件及反应堆总体结构会非常复杂，在考虑制造偏差以及运行过程面临的复杂工况，工程化应用面临巨大挑战。因此，非常有必要探索研究超临界水冷堆的冷却剂流动、燃料组件方案及堆芯方案的简化方法及其实现途径，以促进超临界水冷堆(SCWR)第IV代核电的工程化应用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种冷却剂交错流动式燃料组件及超临界水冷堆，利用简单结构实现控制棒布置区、低温冷却剂通道、中子慢化区的合并，以及组件尺度的冷却剂隐式多流程流动，代替堆芯尺度的冷却剂复杂多流程实现方式，从而有效解决现有由于采用组件尺度的慢化水棒及堆芯尺度的冷却剂多流程设计技术，导致的燃料组件结构及堆芯结构的复杂化问题，同时确保堆芯冷却剂流速、强化传热能力，以获得更高的设计性能。
本发明通过下述技术方案实现：
一种冷却剂交错流动式燃料组件，所述燃料组件沿着径向由内到外依次为内盒、隔热围筒和外盒，所述内盒包含的区域为I区，内盒与隔热围筒之间的区域为II区，隔热围筒与外盒之间的区域为III区，所述I区内设置有1个导向管，II区布置低富集度燃料棒，III区布置高富集度燃料棒，所述燃料组件的两端分别设置有下封头和上封头，所述下封头上设置有下封头导流孔，所述上封头上设置有上封头导流孔，所述下封头导流孔用于导入冷却剂、连通II区和III区，所述上封头导流孔用于连通I区和II区、将冷却剂导出III区，其中，冷却剂在I区、II区和III区交错流动。
本发明所述内盒、隔热围筒和外盒均为环形结构(可以是矩形或圆环结构)，所述隔热围筒和外盒的两端齐平，所述内盒的两端均凸出于隔热围筒和外盒的端部，所述下封头和上封头与内盒的两端均形成有密闭空腔，通过上封头导流孔实现密闭空腔与I区连通、密闭空腔与II区连通，通过下封头导流孔实现II区和III区连通，所述下封头的外径与外盒的外径一致，所述上封头的外径与隔热围筒的外径一致。
压力容器冷端的冷却剂从下封头导流孔导入I区后，在I区内向上流动，然后通过上封头导流孔进入上封头与内盒之间形成的密闭空腔，然后通过上封头导流孔进入II区，在II区内向下流动进入下封头与内盒之间形成的密闭空腔，然后通过下封头导流孔进入III区，在III区内向上移动，最后通过上封头导流孔导出III区(燃料组件)。即本发明的冷却剂从下封头导流孔导入I区后，依次冷却II区的低富集度燃料棒、III区的高富集度燃料棒，最后向上从件III区流出反应堆为单流程流动方案，
本发明所述燃料组件内部无慢化水棒结构，避免了高温冷却剂与低温冷却剂之间的分流与隔热，显著简化了燃料组件方案。燃料组件内盒及外盒仅用于燃料组件支撑与燃料元件束缚，隔热功能由燃料组件的隔热围筒承担，进一步简化了燃料组件方案。燃料组件径向采用分区设计，且堆芯采用了更加简单可靠的单流程冷却剂流动设计方案，不但简化了堆芯结构，还显著提高了冷却剂流速，进一步强化了传热能力，热工安全裕量获得提升。
本发明通过设置内盒、隔热围筒和外盒将燃料组件由内到外依次分为I区、II区和III区，并且在燃料组件的两端分别配合设置有下封头和上封头，实现冷却剂在燃料组件内的流向改变，实现在燃料组件内部不设置慢化水棒、堆芯冷却剂为单流程流动方案条件下，可以有效保证堆芯的传热能力及中子慢化能力，大幅度简化燃料组件方案及堆芯结构方案。
为了展平燃料组件径向功率分布，各燃料区的功率份额基本保持一致，根据冷却剂密度变化，II区采用低富集度燃料棒，III区采用高富集度燃料棒。
进一步地，所述交错流动为在I区冷却剂从下向上流动，II区冷却剂从上向下流动，III区冷却剂从下向上流动。
进一步地，I区占用N×N正方形栅格位置，II区的低富集度燃料棒按照(N+4)×(N+4)正方形栅格排列，设置2排，III区的高富集度燃料棒按照(N+8)×(N+8)正方形栅格排列，设置2排。
该布置方式能够使I区、II区燃料棒得到充分且均匀慢化，且较为方便地调整燃料组件的几何尺寸及燃料棒数量。
对于核反应堆，燃料组件的几何尺寸及燃料棒数量布置不是简单的操作，需要根据燃料组件径向功率分布以及冷却剂密度变化，考虑因素多起复杂，每一个堆芯的设计都不是简单的燃料棒数量以及排布方式的调整，而是一个全新设计，燃料棒数量以及排布方式不同的堆芯之间没有技术启示，也不存在技术平移。
进一步地，考虑内盒、外盒需要承担燃料组件重量，隔热围筒仅用于各区之间不同温度冷却剂的隔热，设置内盒的壁厚为0.8mm，对边距为72.0mm，导向管的外径为48.0mm，壁厚为0.6mm。隔热围筒的厚度为1.0mm，对边距为120.0mm，外盒的厚度为0.8mm，对边距为169.6m。
进一步地，考虑燃料组件设计的工程可实现性、经济性及高温运行环境等因素，隔热围筒的材料为不锈钢与氧化锆陶瓷复合材料；所述内盒、导向管和外盒的材料为不锈钢。
进一步地，低富集度燃料棒和高富集度燃料棒的外径均为9.5mm、棒栅距均为12.0mm。
一种采用冷却剂交错流动式燃料组件组成的超临界水冷堆。
本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
本发明通过设置内盒、隔热围筒和外盒将燃料组件沿径向由内到外依次分为I区、II区和III区，并且在燃料组件的两端分别配合设置有下封头和上封头，实现冷却剂在燃料组件内实现流向改变，在燃料组件内部不设置慢化水棒、堆芯冷却剂为单流程流动条件下，可以有效保证堆芯的传热能力及中子慢化能力，大幅度简化燃料组件方案及堆芯结构方案。
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为超临界水冷堆燃料组件示意图；
图4为超临界水冷堆堆芯布置示意图。
附图中标记及对应的零部件名称：
1-内盒，2-隔热围筒，3-外盒，4-导向管，5-低富集度燃料棒，6-高富集度燃料棒，7-下封头，8-上封头，9-下封头导流孔，10-上封头导流孔，11-正方形燃料组件。
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，一种冷却剂交错流动式燃料组件，所述燃料组件沿着径向由内到外依次为内盒1、隔热围筒2和外盒3，所述内盒1包含的区域为I区，内盒1与隔热围筒2之间的区域为II区，隔热围筒2与外盒3之间的区域为III区，所述I区内无燃料棒，中心位置设置有1个导向管4，II区布置低富集度燃料棒5，所述低富集度燃料棒5的富集度为3.7％，III区布置高富集度燃料棒6，所述高富集度燃料棒6的富集度为5.7％；所述燃料组件的两端分别设置有下封头7和上封头8，所述下封头7上设置有下封头导流孔9，所述上封头8上设置有上封头导流孔10，所述下封头导流孔9用于导入冷却剂、连通II区和III区，所述上封头导流孔10用于连通I区和II区、将冷却剂导出III区，其中，冷却剂在I区、II区和III区交错流动；所述交错流动为在I区冷却剂从下向上流动，II区冷却剂从上向下流动，III区冷却剂从下向上流动、冷却高富集度燃料棒6后流出反应堆。
如图3所示，的正方形燃料组件布置方案，I区共占用了6×6正方形栅格位置，中心区域布置单个外径较大的导向管4；II区燃料棒按照10×10正方形栅格排列，分为两排；III区燃料棒按照14×14正方形栅格排列，分为两排。低富集度燃料棒5和高富集度燃料棒6的外径均为Φ9.5mm，包壳厚度均为0.57mm，燃料芯体均为UO2陶瓷燃料，芯体直径均为8.19mm，包壳材料均为不锈钢。布置在II区内的低富集度燃料棒5的富集度为3.7％，III区高富集度燃料棒6的富集度为5.7％。高富集度燃料棒6和低富集度燃料棒5的棒栅距为12.0mm。内盒1壁厚为0.8mm，对边距为72.0mm，材料为不锈钢；中心区的导向管4外径为48.0mm，壁厚为0.6mm，材料为不锈钢；隔热围筒2的厚度为1.0mm，对边距为120.0mm，材料为不锈钢与氧化锆陶瓷复合材料；外盒3的厚度为0.8mm，对边距为169.6m，材料为不锈钢。
实施例2(堆芯方案)：
如图4所示，一种采用实施例1所述冷却剂交错流动式燃料组件组成的超临界水冷堆，堆芯采用177盒如图3所示的冷却剂交错流动式正方形燃料组件11，相邻燃料组件的中心距为171mm，燃料组件之间的水隙为1.4mm，反应堆堆芯活性区高度为3600.0mm，外接圆直径为2704.0mm，体平均功率密度为64.4MW/m3，平均线功率密度为11.8kW/m。低温冷却剂从压力容器冷端进入反应堆后，沿压力容器环腔向下进入压力容器的下腔室，从燃料组件11的底部进入组件I区，从组件III区流出反应堆。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 BDA0002277257530000041
Figure BDA0002277257530000051
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 (5)

1.一种冷却剂交错流动式燃料组件，其特征在于，所述燃料组件沿着径向由内到外依次为内盒(1)、隔热围筒(2)和外盒(3)，所述内盒(1)包含的区域为I区，内盒(1)与隔热围筒(2)之间的区域为II区，隔热围筒(2)与外盒(3)之间的区域为III区，所述I区内设置有1个导向管(4)，II区布置低富集度燃料棒(5)，III区布置高富集度燃料棒(6)，所述燃料组件的两端分别设置有下封头(7)和上封头(8)，所述下封头(7)上设置有下封头导流孔(9)，所述上封头(8)上设置有上封头导流孔(10)，所述下封头导流孔(9)用于导入冷却剂、连通II区和III区，所述上封头导流孔(10)用于连通I区和II区、将冷却剂导出III区，其中，冷却剂在I区、II区和III区交错流动。
2.根据权利要求1所述的一种冷却剂交错流动式燃料组件，其特征在于，所述交错流动为在I区冷却剂从下向上流动，II区冷却剂从上向下流动，III区冷却剂从下向上流动。
3.根据权利要求1所述的一种冷却剂交错流动式燃料组件，其特征在于，所述I区占用N×N正方形栅格位置，II区的低富集度燃料棒(5)按照(N+4)×(N+4)正方形栅格排列，设置2排，III区的高富集度燃料棒(6)按照(N+8)×(N+8)正方形栅格排列，设置2排。
4.根据权利要求1所述的一种冷却剂交错流动式燃料组件，其特征在于，所述隔热围筒(2)的材料为不锈钢与氧化锆陶瓷复合材料；所述内盒(1)、导向管(4)和外盒(3)的材料为不锈钢。
5.一种采用权利要求1-4任一项所述冷却剂交错流动式燃料组件组成的超临界水冷堆。
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