CN110853771B - 一种基于叠加式燃料组件的超临界水冷堆 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于叠加式燃料组件的超临界水冷堆，包括燃料组件通道和控制棒组件通道，燃料组件通道和控制棒组件通道均呈正六角形或正方形；每个控制棒组件通道的外侧沿周向连续排布燃料组件通道构成一个单元组件，由若干单元组件交错阵列排布构成蜂窝状的堆芯整体结构；燃料组件通道内布置不同富集度标准的燃料组件，且沿燃料组件通道轴向由下至上方向上，燃料组件的富集度逐渐增加；控制棒组件通道内用于安装控制棒束。本发明在不引入慢化水棒及多流程流动方案的条件下，有效解决了超临界水冷堆面临的轴向温度及冷却剂密度变化过大、堆芯中子慢化能力分布不均衡等关键问题，显著简化了燃料组件及堆芯布置方案，提高了工程可实现性。

Description

一种基于叠加式燃料组件的超临界水冷堆
技术领域
本发明涉及核反应堆技术领域，具体涉及一种基于叠加式燃料组件的超临界水冷堆。
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核电机组具有热效率高、系统简化等突出优，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：
1、为了提高系统的热效率，SCWR系统压力达到25MPa，反应堆出口温度达到了500℃，部分先进设计概念甚至高达600℃，出入口温差也达到200℃～300℃以上，使得燃料组件在轴向需要承担巨大的冷却剂温差变化及应力变化，给SCWR燃料组件的安全性及完整性提出了巨大挑战。
2、冷却剂密度沿反应堆轴向剧烈变化，在反应堆底部入口处的冷却剂密度约为0.7g/cm3，而反应堆上部出口处的冷却剂密度降至0.1g/cm3，堆芯中子慢化能力分布严重不平衡，导致堆芯下部功率密度高，沿轴向逐步减小，堆芯上部功率密度最低。
3、控制棒从堆芯上部插入，逐步提出堆芯，因而堆芯上部的控制棒中子吸收能力大，堆芯下部的控制棒中子吸收能力小，进一步加剧了堆芯功率分布的不均匀特征，这给SCWR的热工安全带来了巨大挑战。
为了解决上述问题，国内外提出的主要超临界水冷堆方案，例如：欧盟HPLWR、日本SCLWR-H等方案，在堆芯设计中冷却剂均采用了“多流程”流动方案，以解决燃料组件轴向温差变化较大问题；在燃料组件内部引入慢化水棒，以解决堆芯中子慢化严重不平衡问题。
但上述设计的引入，导致燃料组件及堆芯结构非常复杂，在理想设计运行条件下才基本满足设计要求，若考虑制造偏差及运行面临的复杂工况，燃料组件及堆芯设计方案可行性面将临巨大挑战。因此，非常有必要重新考虑SCWR燃料组件及堆芯方案，提高工程可实现性。
发明内容
针对上述问题，本发明提供了解决上述问题的一种基于叠加式燃料组件的超临界水冷堆设计，在不引入慢化水棒及多流程流动方案的条件下，有效解决了超临界水冷堆面临的轴向温度及冷却剂密度变化大、堆芯中子慢化能力分布不均衡等关键问题，简化了燃料组件及堆芯布置方案，提高了工程可实现性。
本发明通过下述技术方案实现：
一种基于叠加式燃料组件的超临界水冷堆，包括若干燃料组件通道和若干控制棒组件通道，所述燃料组件通道和控制棒组件通道均呈正六角形或正方形；每个控制棒组件通道的外侧沿周向连续排布燃料组件通道构成一个单元组件，由若干单元组件交错阵列排布构成蜂窝状的堆芯整体结构；燃料组件通道内布置不同富集度标准的燃料组件，且沿燃料组件通道轴向由下至上方向上，燃料组件的富集度逐渐增加；控制棒组件通道内用于安装控制棒束。
进一步地，所述控制棒组件通道内侧壁设置隔热层。
进一步地，所述燃料组件径向截面为与燃料组件通道适配的正六角形或正方形；燃料组件包括仪表管和若干燃料棒，所述仪表管位于燃料组件中心处，若干燃料棒在中心处外围呈正六角形或正方形阵列排布。
进一步地，所述燃料组件内，相邻燃料棒的径向间距在0.5mm～4.0mm范围内；燃料组件的轴向高度在10.0cm～110.0cm范围内。
进一步地，所述燃料棒及仪表管采用稠密栅格布置，相邻燃料棒之间距均小于1.0mm。
进一步地，所述燃料组件还包上管座和下管座，所述仪表管和若干燃料棒固定在上管座和下管座之间进行轴向和径向定位。
进一步地，所述控制棒组件通道的径向截面呈外方内圆结构；所述控制棒束，控制棒束由若干中子吸收棒呈环形阵列排布组成。
进一步地，所述燃料组件的包壳材料和控制棒组件的包壳材料均为不锈钢。
进一步地，堆芯置于压力容器内，堆芯与压力容器内壁之间呈连通的环形腔室，压力容器内底部设有混合腔室；冷却剂由压力容器的顶部冷端进入后，沿所述环形腔室向下进入混合腔室内重新分配后进入各燃料组件通道内，沿燃料组件通道向上流动冷却燃料组件后从压力容器的顶端排出。
本发明具有如下的优点和有益效果：
本发明提出的叠加式燃料组件及超临界水冷堆方案，有效解决了单一燃料组件轴向温度变化较大问题，避免了因温度剧烈变化引起的燃料元件轴向弯曲等安全问题，同时利于简化堆芯整体结构、增强组件结构稳定性、提高工程可实现性。
燃料棒及仪表管均采用光滑圆管，利用上下管座进行径向和轴向定位，有效解决了稠密栅格布置引起的燃料棒定位问题，相邻棒间距可以缩小至1.0mm以内，可以显著提高冷却剂流速，强化传热，提高了堆芯热工安全裕量或提高堆芯性能。堆芯由若干燃料组件通道及控制棒组件通道构成，实现了燃料组件与控制棒组件分离设置，控制棒组件始终置于低温冷却剂中，有效解决了控制棒冷却问题。
新燃料组件从反应堆上部装入，从反应堆底部卸出，大反应性燃料组件位于中子慢化能力弱的堆芯上部，小反应性燃料组件位于中子慢化能力较强的底部，与冷却剂密度分布实现了较好匹配，有效展平了堆芯轴向功率分布，同时还降低了堆芯装载方案设计难度，使得堆芯热工安全裕量大幅增加。堆芯燃料组件通道及控制棒组件通道的相对位置不发生变化，新燃料组件从反应堆顶部装入堆芯，使得各燃料组件通道的相对功率分布基本不变，大幅度降低了堆芯冷却剂流量分配的难度，可以显著提高堆芯流量分布与功率分布的匹配精度，有效保证堆芯的设计性能及可靠性。
综上所述，基于通道的叠加式燃料组件及超临界水冷堆，在每个通道底部设置冷却剂流量分配器，实现不同流程冷却剂之间的有效分流，稠密栅格布置利于提高冷却剂流速、强化传热，从而满足冷却剂和慢化剂有效分流，使组件内每根燃料棒充分且均匀慢化；分布设置富集度不同的燃料组件，达到降低燃料组件功率不均匀系数的目的；通过上述设计，可使堆芯最大燃料包壳温度显著降低，采用不锈钢作为包壳材料成为可能。从而在不引入慢化水棒及冷却剂多流程流动方案的条件下，有效解决了超临界水冷堆面临的轴向温度及冷却剂密度变化大、堆芯中子慢化能力分布不均衡等关键问题，简化了燃料组件及堆芯布置方案，提高了工程可实现性。
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为本发明的堆芯燃料组件通道与控制棒组件通道布置结构示意图；
图2为本发明的燃料组件径向布置结构示意图；
图3为本发明的燃料组件轴向布置结构示意图；
图4为本发明的控制棒组件径向布置结构示意图；
图5为本发明的压力容器内部结构示意图，图中箭头方向表示冷却剂流动方向。
附图中标记及对应的零部件名称：1-燃料组件通道，2-控制棒组件通道，3-燃料组件，31- 仪表管，32-燃料棒，33-上管座，34-下管座，4-控制棒束，41-中子吸收棒，42-定位格架，5- 压力容器，6-环形腔室，7-混合腔室，8-蒸汽室。
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
本实施例提供了一种基于叠加式燃料组件的超临界水冷堆，包括150个燃料组件通道1 和19个控制棒组件通道2，燃料组件通道1和控制棒组件通道2均呈正六角形或正方形，以维持通道的几何形状，本实施例以正六角形为例；每个控制棒组件通道2的外侧沿周向连续排布燃料组件通道1构成一个单元组件，由若干单元组件交错阵列排布构成蜂窝状的堆芯整体结构。相邻燃料组件通道1(或控制棒组件通道2)的壁厚为1.0mm，结构材料为不锈钢，中心距为136.8mm。控制棒组件通道2内径为125.0mm。
控制棒组件通道2内用于安装控制棒束4。燃料组件通道1内布置不同富集度标准的燃料组件2，且沿燃料组件通道1轴向由下至上方向上，燃料组件2的富集度逐渐增加。本实施例中每个燃料组件通道1内装载4个燃料组件3，首次装载堆芯每个燃料组件3的富集度分别为(从下至上)：4.0％、4.5％、5.0％、5.5％。平衡循环堆芯装载，每次从反应堆顶部装入150盒、富集度为4.8％的燃料组件，从底部卸出150盒旧燃料组件。
所述燃料组件3径向截面为与燃料组件通道1适配的正六角形或正方形；燃料组件3包括一个仪表管31和168根燃料棒32，仪表管31位于燃料组件3中心处，168根燃料棒32 在中心处外围呈多层正六角形或正方形阵列排布。
以正六角形为例，燃料组件3内，燃料棒32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；仪表管的外径为Φ9.5mm，包壳厚度为1.0mm。燃料棒32及仪表管31采用稠密栅格布置，相邻燃料棒32 的径向间距在0.8mmmm，燃料组件3的对边距为135.4mm。燃料组件3还包上管座33和下管座 34，仪表管31和若干燃料棒32 固定在上管座33和下管座34之间进行轴向和径向定位。燃料组件3的上管座33和下管座34的高度均为3.0cm，燃料组件3的总高度为90.0cm。
控制棒组件通道2的径向截面呈外方内圆结构，以外形为正六角形、内形状为圆形为例；控制棒组件通道2内布置几何形状与通道相匹配的控制棒束4，控制棒束4由37根中子吸收棒41呈环形阵列排布组成，采用定位格架42进行径向、轴向定位；中子吸收棒41的外径为 17.0mm，中子吸收体的包壳材料为不锈钢，厚度为1.0mm，芯体为B4C，控制棒束4的外径为123.0mm。控制棒组件通道2内侧壁设置隔热层，以降低燃料组件通道1内冷却剂向控制棒组件通道2传热。
堆芯置于压力容器5内，堆芯与压力容器5内壁之间呈连通的环形腔室6，压力容器5 内底部设有混合腔室7；低温冷却剂由压力容器5的顶部冷端进入后，沿所述环形腔室6向下进入混合腔室7内，根据燃料组件通道的位置及其功率大小重新分配后进入各燃料组件通道1内，沿燃料组件通道1向上流动冷却燃料组件3后从压力容器5的顶端排出。
如图1所示超临界水冷堆共装入了600盒如图2及图3所示的六角形燃料组件、19盒如图4所示的控制棒组件。反应堆堆芯活性区高度(含组件上管座和下管座)为3600mm，外接圆直径为2060mm。反应堆额定热功率为1000MW，体平均功率密度为101.4MW/m3，平均线功率密度为11.8kW/m。反应堆堆芯详细设计参数见表1。
表1 超临界水冷堆堆芯主参数
Figure BDA0002283032760000051
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)

1.一种基于叠加式燃料组件的超临界水冷堆，其特征在于，包括若干燃料组件通道(1)和若干控制棒组件通道(2)，所述燃料组件通道(1)和控制棒组件通道(2)均呈正六角形或正方形；每个控制棒组件通道(2)的外侧沿周向连续排布燃料组件通道(1)构成一个单元组件，由若干单元组件交错阵列排布构成蜂窝状的堆芯整体结构；燃料组件通道(1)内布置不同富集度标准的燃料组件(3)，且沿燃料组件通道(1)轴向由下至上方向上，燃料组件(3 )的富集度逐渐增加；控制棒组件通道(2)内用于安装控制棒束(4)。
2.根据权利要求1所述的一种基于叠加式燃料组件的超临界水冷堆，其特征在于，所述控制棒组件通道(2)内侧壁设置隔热层。
3.根据权利要求1所述的一种基于叠加式燃料组件的超临界水冷堆，其特征在于，所述燃料组件(3)径向截面为与燃料组件通道(1)适配的正六角形或正方形；燃料组件(3)包括仪表管(31)和若干燃料棒(32)，所述仪表管(31)位于燃料组件(3)中心处，若干燃料棒(32)在中心处外围呈正六角形或正方形环形阵列排布。
4.根据权利要求1所述的一种基于叠加式燃料组件的超临界水冷堆，其特征在于，所述燃料组件(3)内，相邻燃料棒(32 )的径向间距在0.5mm～4.0mm范围内；燃料组件(3)的轴向高度在10.0cm～110.0cm范围内。
5.根据权利要求3所述的一种基于叠加式燃料组件的超临界水冷堆，其特征在于，所述燃料棒(32)及仪表管(31)采用稠密栅格布置，相邻燃料棒(32)之间距均小于1.0mm。
6.根据权利要求3所述的一种基于叠加式燃料组件的超临界水冷堆，其特征在于，所述燃料组件(3)还包上管座(33)和下管座(34)，所述仪表管(31)和若干燃料棒(32 )固定在上管座(33)和下管座(34)之间进行轴向和径向定位。
7.根据权利要求1所述的一种基于叠加式燃料组件的超临界水冷堆，其特征在于，所述控制棒组件通道(2)的径向截面呈外方内圆结构；所述控制棒束(4)，控制棒束(4)由若干中子吸收棒(41)呈环形阵列排布组成。
8.根据权利要求1所述的一种基于叠加式燃料组件的超临界水冷堆，其特征在于，所述燃料组件(3)的包壳材料和控制棒束 (4)的包壳材料均为不锈钢。
9.根据权利要求1所述的一种基于叠加式燃料组件的超临界水冷堆，其特征在于，堆芯置于压力容器(5)内，堆芯与压力容器(5)内壁之间呈连通的环形腔室(6)，压力容器(5)内底部设有混合腔室(7)；冷却剂由压力容器(5)的顶部冷端进入后，沿所述环形腔室(6)向下进入混合腔室(7)内重新分配后进入各燃料组件通道(1)内，沿燃料组件通道(1)向上流动冷却燃料组件(3)后从压力容器(5)的顶端排出。
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