CN110853770B - 一种基于正六角形燃料组件的单流程超临界水冷堆 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于正六角形燃料组件，在正六角形燃料组件中心处同轴向设置导向管，导向管内同轴向设置控制棒束；六角处均同轴向设置支撑管；侧边与中心处之间同轴向设置若干燃料棒，相邻燃料棒之间的间隙作为冷却剂流道。一种基于上述的正六角形燃料组件的单流程超临界水冷堆，包括若干正六角形通道，若干正六角形通道相互邻接后呈蜂窝状整体式结构，蜂窝状整体式结构外设置金属反射层；所述正六角形通道用于装入正六角形燃料组件。本发明在保证超临界水冷堆经济性、安全性及各项技术指标先进性的条件下，大幅简化燃料组件及堆内结构，显著提高超临界水冷堆的工程可实现性。

Description

一种基于正六角形燃料组件的单流程超临界水冷堆

技术领域

本发明涉及核反应堆技术领域，具体涉及一种基于正六角形燃料组件的单流程超临界水冷堆。

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。SCWR是一种高温高压水冷反应堆，其冷却剂出口参数在水的热力学临界点之上。与常规压水堆相比，SCWR热效率可以达到45％以上，并充分利用了现有超临界火电机组的技术成果。由于水蒸气参数高，采用直接循环，系统可以大幅度简化。SCWR没有DNB现象，燃料包壳采用不锈钢，彻底消除了潜在的氢暴风险。

尽管SCWR具有诸多优点，但在燃料组件及堆芯设计方面尚存在亟待解决的问题。为了解决SCWR中子严重欠慢化问题、燃料元件包壳管壁温较高问题、冷却剂流动不稳定性问题等，在燃料组件设计中引入“水棒”设计方法，在堆芯设计中引入了冷却剂双流程流动设计方法等，使得燃料组件及堆芯结构设计非常复杂，工程可实现性大幅度下降。现有的SCWR设计，例如SCLWR-H、HPLWR等，均采用了带“水棒”设计方案、双流程或三流程堆芯设计方案，在理想条件下，其设计结果基本满足要求，但考虑设计、制造偏差及运行过程面临的复杂工况，燃料组件及反应堆堆芯的现有设计方案可能面临巨大的挑战。因此，非常有必要重新考虑更为简单、可靠的燃料组件及堆芯结构方案，实现SCWR经济性、安全性、技术指标及工程可实现性的统一。

综上所述，在燃料组件及堆芯设计中面临的主要问题是：为了使燃料组件内每根燃料棒获得充分且均匀慢化，必须设置多个“水棒”且均匀布置；为了使不同流程冷却剂在堆芯内部有效分流，必须在燃料组件上下封头及堆内设置高低温流体隔离专用结构，上述设计方法虽然保证了燃料经济性、安全性及技术指标，但燃料组件及堆芯结构趋于复杂化，工程可实现性大幅度降低。因此，如何协调SCWR经济性、安全性、技术指标与工程可实现性之间的矛盾，取消燃料组件“水棒”设计、堆芯双流程设计同时避免SCWR本身的一些缺陷(如SCWR中子严重欠慢化问题、燃料元件包壳壁温较高问题、冷却剂流动不稳定性问题等)是SCWR燃料组件及堆芯设计亟待解决的关键技术问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：在解决SCWR中子严重欠慢化、燃料元件包壳管壁温较高、冷却剂流动不稳定性等问题时，如何协调SCWR经济性、安全性、技术指标与工程可实现性之间的矛盾，本发明提供了解决上述问题的一种基于正六角形燃料组件的单流程超临界水冷堆。

本发明通过下述技术方案实现：

一种正六角形燃料组件，在正六角形燃料组件中心处同轴向设置导向管，所述导向管内同轴向设置控制棒束；在正六角形燃料组件的六角处均同轴向设置支撑管；在正六角形燃料组件的侧边与中心处之间同轴向设置若干燃料棒，相邻燃料棒之间的间隙作为冷却剂流道。

进一步地，所述导向管占用正六角形燃料组件中心处若干个栅格位置，导向管径向截面的形状为外方内圆。

进一步地，所述导向管径向截面外形呈正六角形结构，内孔呈圆形。

进一步地，若干个控制棒以导向管的中心为基点呈圆环排布构成控制棒棒束。

进一步地，若干燃料棒按照正三角形栅格阵列均匀排布。

进一步地，所述正六角形燃料组件还包括上端定位架和下端定位架，所述导向管、支撑管和燃料棒安装在上端定位架和下端定位架之间；正六角形燃料组件的总高度≤1.5m。利用正六角形燃料组件上端定位架和下端定位架进行燃料棒、支撑管、导向管等部件的径向、轴向定位。

进一步地，所述燃料棒的包壳材料采用碳化硅(SiC)，导向管和支撑管采用不锈钢材料。本发明包括材料可选择耐高温且中子吸收截面较小的包括材料，优选碳化硅(SiC)作为燃料棒包壳材料。

一种基于上述的正六角形燃料组件的单流程超临界水冷堆，包括若干正六角形通道，若干正六角形通道相互邻接后呈蜂窝状整体式结构，蜂窝状整体式结构外设置金属反射层；所述正六角形通道用于装入正六角形燃料组件，所述金属反射层内侧边为与蜂窝状整体式结构外侧边接触适配的不规则多边形结构。

进一步地，每个正六角形通道的底部设置都设有冷却剂流量分配器。

堆芯内每个正六角形通道的底部可对应设置冷却剂流量分配器，根据正六角形通道在堆芯所处位置、堆芯控制棒布置及堆芯三维功率分布形状，对各通道的冷却剂流量进行调节。

进一步地，每个正六角形通道内装入3～5盒正六角形燃料组件。

本发明具有如下的优点和有益效果：

现有公开技术中，在燃料组件设计中引入“水棒”设计方法，在堆芯设计中引入了冷却剂双流程流动设计方法等，在理想条件下，其设计结果基本满足要求，对解决SCWR中子严重欠慢化问题、燃料元件包壳壁温较高问题、冷却剂流动不稳定性问题等起到积极作用，但是使得燃料组件及堆芯结构设计非常复杂，在考虑设计、制造偏差及运行过程面临的复杂工况，燃料组件及反应堆堆芯的现有设计方案可能面临巨大的挑战，工程可实现性大幅度下降。取消燃料组件“水棒”设计、堆芯双流程设计同时避免SCWR本身的一些缺陷(如SCWR中子严重欠慢化问题、燃料元件包壳壁温较高问题、冷却剂流动不稳定性问题等)是SCWR燃料组件及堆芯设计亟待解决的关键技术问题。

本发明提供的正六角形燃料组件总高度可以控制在1.5m以内，正六角形燃料组件的承重依赖于导向管和支撑管，一方面中心设置的导向管和六角处设置的支撑管，六角处各支撑管道导向管的距离相等，因此六处的支撑管以导向管为中心形成不连续的环形支撑结构，环形支撑结构与中心的导向管配合形成稳定的支撑架，环形支撑结构与中心的导向管支撑起的环形腔内设置若干燃料棒，因此对燃料棒包壳材料的支撑强度要求相对降低，此时非常有利于选择耐高温且低中子吸收的碳化硅(SiC)作为包壳材料，从而显著提高了燃料元件壁温限值，对于提高堆芯出口温度及安全性具有重要作用，同时也显著提高了燃料经济性；燃料元件采用低中子吸收碳化硅(SiC)包壳，不采用强中子吸收的不锈钢包壳，并充分利用位于燃料组件中心位置的大尺寸导向管内冷却剂的中子慢化作用，在取消“水棒”的情况下，能够满足反应堆循环长度要求，显著简化了燃料组件结构，提高了工程可实现性。另一方面，对每一个正六角形燃料组件，导向管集中安装在中心部位，支撑管分布在六个角处，可使所有燃料棒集中分布在环形支撑结构与中心的导向管支撑起的环形腔内，尤其在每个燃料棒结构参数相同、间隙相同时，则利于冷却剂(又做慢化剂用)在燃料组件内均匀分布，促进热量均匀分布与传递，提高冷却、慢化效果。对于整个堆芯，每个正六角形燃料组件的角点处与另外两个正六角形燃料组件相邻，则三个正六角形角点处聚集在一起，这样对于整个堆芯而言，支撑管分布也相对集中、分布均匀，利于保证整体受力稳定，以及热量均匀分布。

本发明提供的一种基于上述的正六角形燃料组件的单流程超临界水冷堆，堆芯由若干个正六角形通道排布成蜂窝状的整体式结构构成，每个正六角形通道内装入3～5盒正六角形燃料组件，冷却剂在相邻燃料组件端头连接处得以充分搅混，提高了通道内冷却剂温度分布的均匀性，可以有效提高冷却剂流动的稳定性，使得冷却剂可以采用单流程流动方案，各正六角形通道内冷却剂流量固定，大幅度提高了工程可实现性。堆芯底部冷却剂密度高、顶部冷却剂密度低，新燃料组件由反应堆顶部进入，乏燃料组件从反应堆底部卸出，非常有利于展平堆芯轴向功率分布并提供卸料燃耗，显著提高了超临界水冷堆的燃料经济性。

综上所述，本发明提出了一种应用于超临界水冷堆的正六角形燃料组件、单流程堆芯，在满足中子经济性、安全性及工程可实现性条件下，可取消“水棒”的燃料组件设计、实现单流程堆芯设计，利于提高燃料管理的经济性。

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为本发明的正六角形燃料组件径向截面结构示意图；

图2为本发明的正六角形燃料组件轴向截面局部结构示意图；

图3为本发明的单流程超临界水冷堆径向截面结构示意图；

图4为本发明的三批次换料装载示意图；

图5为本发明的四批次换料装载示意图；

图6为本发明的五批次换料装载示意图。

附图中标记及对应的零部件名称：1-导向管，2-支撑管，3-燃料棒，4-控制棒束，5-上端定位架，6-下端定位架，7-正六角形通道，8-金属反射层，9-冷却剂流量分配器，10-吊篮，11-压力容器；A-正六角形燃料组件。

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

本实施例提供了一种正六角形燃料组件，在正六角形燃料组件中心处同轴向设置1根导向管1，导向管1内同轴向设置控制棒束4；在正六角形燃料组件的六角处均同轴向设置一根支撑管2，总共6根支撑管2；在正六角形燃料组件的侧边与中心处之间同轴向设置192根燃料棒3。

每根燃料棒3的外径为9.5mm，壁厚为0.65mm，包壳材料为SiC，芯体为UO₂陶瓷，芯体外径为8.0mm；相邻燃料棒3之间的中心距为10.8mm用作冷却剂流道。燃料棒3的包壳材料采用碳化硅。

导向管1占用正六角形燃料组件中心处N个栅格位置，N为≥2的正整数，本实施例中导向管1占用正六角形燃料组件中心处19个栅格位置，导向管1径向截面的形状为外方内圆；优选导向管1径向截面外形呈正六角形结构，内孔呈圆形，正六角形外形对边距为48.0mm，圆形内孔的内径为44.0mm，结构材料为不锈钢。在导向管1的中心处设有一根控制棒，然后以该中心为基点呈圆环分布设置六个控制棒构成控制棒棒束4，控制棒采用强中子吸收体，中子吸收体直径为10.0mm。

每根支撑管2的外径为8.0mm，壁厚为2.0mm，包壳材料为不锈钢。

正六角形燃料组件对边距为160.5mm，在192根燃料棒3按照正三角形栅格阵列均匀排布。正六角形燃料组件还包括上端定位架5和下端定位架6，导向管1、支撑管2和燃料棒3安装在上端定位架5和下端定位架6之间；正六角形燃料组件的总高度≤1.5m，优选0.5m～1.5m。上端定位架5和下端定位架6的高度均为20.0mm，材料为不锈钢。

实施例2

本实施例提供一种单流程超临界水冷堆，包括253个正六角形通道7，253个正六角形通道相互邻接后呈蜂窝状整体式结构，蜂窝状整体式结构外依次设置金属反射层8、吊篮10和压力容器11。正六角形通道7用于容纳实施例3所述的正六角形燃料组件，每个正六角形通道7的壁厚为2.0mm，相邻正六角形通道7通道中心距离为164.0mm，结构材料为不锈钢，蜂窝状整体式结构堆芯外接圆直径为2900mm。金属反射层8内侧边为与蜂窝状整体式结构外侧边接触适配的不规则多边形结构，金属反射层8外径为3000mm。吊篮10的外径为3060mm，吊篮10的壁厚为20mm。压力容器11的外径为3820mm，压力容器11的壁厚为300mm。每个正六角形通道7的底部设置都设有冷却剂流量分配器9，每个正六角形通道内装入3～5盒正六角形燃料组件，排布结构如图4-6。

实施例3

基于实施例2提供的单流程超临界水冷堆燃料管理方法：

本实施例堆芯内每个正六角形通道7的底部设置1个冷却剂流量分配器9，根据正六角形通道7在堆芯所处位置、堆芯控制棒布置及堆芯三维功率分布形状，对各正六角形通道7的冷却剂流量进行调节。

根据堆芯功率、高度等参数，采用3批次、4批次或5批次换料的燃料管理方法，即堆芯每个正六角形通道7内设置3盒正六角形燃料组件、4盒正六角形燃料组件或5盒正六角形燃料组件，冷却剂采用单流程流动方案，各正六角形通道7冷却剂流量固定，大幅度提高了工程可实现性。堆芯底部冷却剂密度高、顶部冷却剂密度低，新燃料组件由反应堆顶部进入，乏燃料组件从反应堆底部卸出，非常有利于展平堆芯轴向功率分布并提供卸料燃耗，显著提高了超临界水冷堆的燃料经济性。

如图6所示的5批次换料单流程超临界水冷堆，每个六角形通道内共设置了5盒正六角形燃料组件，正六角形燃料组件之间通过上端定位架和下端定位架进行相互连接。每盒正六角形燃料组件(含两端定位架)总高度为75cm，堆芯共装载1265盒燃料组件，每次换料从堆芯底部卸出253盒旧组件，从堆芯顶部装入253盒新组件，堆芯详细参加见表1。

表1超临界水冷堆堆芯主参数

现有技术为避免“SCWR中子严重欠慢化问题、燃料元件包壳壁温较高问题、冷却剂流动不稳定性问题等”，采用了复杂的水棒及多流程设计等。本发明充分利用位于燃料组件中心区域大尺寸导向管内冷却剂慢化能力，并且燃料棒采用低中子吸收、耐高温的碳化硅(SiC)包壳管，在取消水棒或冷却剂多流程设计条件下，保证了燃料经济性及循环长度，有效解决了现有SCWR设计方案的中子严重欠慢化问题；本发明充分利用正六边形通道底部的冷却剂流量分配器，建立功率与流量的有效匹配，进行堆芯径向冷却剂温度展平，正六边形通道内轴向相邻组件端头使冷却剂充分搅混，提高冷却剂温度在通道内分布的均匀性，从而提高冷却剂流动稳定性；本发明采用碳化硅(SiC)作为燃料包壳管材料，提高耐高温性能，同时增加燃料元件装载量，降低平均线功率密度，从而有效缓解SCWR燃料元件包壳管壁温较高问题。本发明与现有技术相比简化了燃料组件及堆芯总体结构，降低了堆芯冷却剂流动复杂度，提高了工程可实现性和经济性。

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 (9)

1.一种正六角形燃料组件，其特征在于，在正六角形燃料组件中心处同轴向设置导向管(1)，所述导向管(1)内同轴向设置控制棒束(4)；在正六角形燃料组件的六角处均同轴向设置支撑管(2)；在正六角形燃料组件的侧边与中心处之间同轴向设置若干燃料棒(3)，相邻燃料棒(3)之间的间隙作为冷却剂流道。

2.根据权利要求1所述的一种正六角形燃料组件，其特征在于，所述导向管(1)占用正六角形燃料组件中心处若干个栅格位置，导向管(1)径向截面外形呈正六角形结构，内孔呈圆形。

3.根据权利要求2所述的一种正六角形燃料组件，其特征在于，若干个控制棒以导向管(1)的中心为基点呈圆环排布构成控制棒束(4)。

4.根据权利要求1或2所述的一种正六角形燃料组件，其特征在于，若干燃料棒(3)按照正三角形栅格阵列均匀排布。

5.根据权利要求1所述的一种正六角形燃料组件，其特征在于，所述正六角形燃料组件还包括上端定位架(5)和下端定位架(6)，所述导向管(1)、支撑管(2)和燃料棒(3)安装在上端定位架(5)和下端定位架(6)之间；正六角形燃料组件的总高度≤1.5m。

6.根据权利要求1所述的一种正六角形燃料组件，其特征在于，所述燃料棒(3)的包壳材料采用碳化硅，导向管(1)和支撑管(2)采用不锈钢材料。

7.一种基于权利要求1至6任一项所述的正六角形燃料组件的单流程超临界水冷堆，其特征在于，包括若干正六角形通道(7)，若干正六角形通道(7)相互邻接后呈蜂窝状整体式结构，蜂窝状整体式结构外设置金属反射层(8)；所述正六角形通道(7)用于装入正六角形燃料组件，所述金属反射层(8)内侧边为与蜂窝状整体式结构外侧边接触适配的不规则多边形结构。

8.根据权利要求7所述的一种基于正六角形燃料组件的单流程超临界水冷堆，其特征在于，每个正六角形通道(7)的底部设置都设有冷却剂流量分配器(9)。

9.根据权利要求7所述的一种基于正六角形燃料组件的单流程超临界水冷堆，其特征在于，每个正六角形通道内装入3～5盒正六角形燃料组件。

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