CN110867260A - 一种基于复合式燃料元件的超临界水冷堆 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种应用于超临界水冷堆的复合式燃料芯块，沿径向包括实心内区燃料芯块和包围实心内区燃料芯块的连续环状外区燃料芯块，以外区燃料芯块为UO2、内区燃料芯块为BeO形成UO2/BeO复合芯块；或者以外区燃料芯块为UO2、内区燃料芯块为ThO2形成UO2/ThO2复合芯块；一种复合燃料元件，在燃料元件沿轴向方向上，UO2/BeO复合芯块与UO2/ThO2复合芯块交替布置；一种燃料组件，导向管和所述燃料元件按照正方形或正三角形栅格规则排列，构成正方形或正六角形燃料组件；一种临界水冷堆，由若干上述燃料组件构成超临界水冷堆堆芯。本发明利于提升超临界水冷堆的堆芯安全性及其燃料经济性，并简化燃料组件及堆芯方案，大幅提高超临界水冷堆的可靠性及工程可实现性。

Description

一种基于复合式燃料元件的超临界水冷堆
技术领域
本发明涉及核反应堆技术领域，具体涉及一种基于复合式燃料元件的超临界水冷堆。
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、系统简化等突出优点。为了提高系统的热效率，SCWR系统压力达到25MPa以上，出口温度达到500℃以上，导致反应堆燃料元件的设计要求大幅度提高，尤其是燃料元件包壳，不仅耐辐照，还要耐高温、高压冷却剂。此外，由于SCWR冷却剂密度较低，导致堆芯的中子慢化不足，需要引入“水棒”(低温冷却剂流道)设计技术，导致燃料组件及堆芯结构非常复杂，工程实现性大幅度降低。
目前，国内外主要超临界水冷堆技术方案，如：欧盟HPLWR方案、日本SCLWR-H方案、美国SCWR方案等，均采用不锈钢作为包壳材料，燃料芯体为UO2陶瓷，利用“水棒”结构来增强中子慢化能力，燃料元件基本能够满足超临界水冷堆高温高压运行环境，但严重影响了燃料经济性、燃料组件及堆芯结构可靠性，原因如下：
(1)不锈钢包壳材料的强中子吸收能力，直接导致燃料经济性下降；
(2)通过限制燃料棒的平均线功率密度和体功率密度，保证燃料芯体温度及包壳温度满足设计准则，严重影响了堆芯冷却剂出口温度的提升及燃料经济性，导致系统热效率不能进一步提高；
(3)为了使燃料棒获得充分且均匀慢化，SCWR燃料组件内设置了诸多“水棒”结构与燃料元件混合布置，用作低温冷却剂通道，“水棒”内部低温冷却剂与外部用于冷却燃料元件的高温冷却剂，二者之间的分流与隔热，导致燃料组件与堆芯结构非常复杂，严重影响了现有反应堆设计方案的性能指标及经济性。
因此，非常有必要重新考虑超临界水冷堆燃料元件及燃料组件结构形式，简化燃料元件及燃料组件结构，提高SCWR的燃料经济性及总体性能指标。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：如何提高超临界水冷堆经济性及工程可实现性，本发明提供了解决上述问题的一种基于复合式燃料元件的超临界水冷堆，采用燃料芯块为UO2/BeO及UO2/ThO2、包壳材料为SiC的复合式燃料元件，代替现有的不锈钢包壳、UO2芯块的燃料棒。由于燃料元件包壳及燃料芯体温度设计限值的提高、中子慢化能力的增强，可以显著增大燃料元件线功率密度及体功率密度，提高堆芯冷却剂出口温度，从而提升超临界水冷堆的堆芯安全性及其燃料经济性，并取消“水棒”设计、简化了燃料组件及堆芯设置方案，大幅提高超临界水冷堆的可靠性及工程可实现性。
本发明通过下述技术方案实现：
一种应用于超临界水冷堆的复合式燃料芯块，复合式燃料芯块沿径向包括实心内区燃料芯块和包围实心内区燃料芯块的连续环状外区燃料芯块，以外区燃料芯块为UO2、内区燃料芯块为BeO形成UO2/BeO复合芯块；或者以外区燃料芯块为UO2、内区燃料芯块为ThO2形成UO2/ThO2复合芯块。
进一步地，所述UO2燃料芯块富集度低于6.0％，BeO芯块为耐高温中子慢化材料，ThO2芯块为耐高温增殖转换材料。
基于上述一种应用于超临界水冷堆的复合式燃料芯块的复合燃料元件，在燃料元件沿轴向方向上，UO2/BeO复合芯块与UO2/ThO2复合芯块交替布置。
进一步地，所述燃料元件轴向上部区域为UO2/BeO复合芯块，所述燃料元件轴向下部区域为UO2/ThO2复合芯块。
进一步地，所述燃料元件轴向两端区域为UO2/BeO复合芯块，燃料元件轴向中间区域为UO2/ThO2复合芯块。
进一步地，所述燃料元件的包壳采用SiC材料。
一种应用于超临界水冷堆的燃料组件，包括导向管和权利要求3至6任一项所述的燃料元件，所述导向管和燃料元件按照正方形或正三角形栅格规则排列，构成正方形或正六角形燃料组件，所述燃料组件外围设有正方形或正六角形组件盒。
进一步地，所述组件盒及导向管包壳均采用SiC材料。
基于上述一种的燃料组件的超临界水冷堆，其特征在于，由若干上述正方形或正六角形燃料组件构成超临界水冷堆堆芯，导向管内冷却剂流向与燃料元件之间的冷却剂流动方相反。
本发明具有如下的优点和有益效果：
本发明提出了一种应用于超临界水冷堆的复合式燃料芯块，复合式燃料芯块沿径向包括实心内区燃料芯块和包围实心内区燃料芯块的连续环状外区燃料芯块，以外区燃料芯块为低富集度的UO2、内区燃料芯块为具有较强中子慢化能力且耐高温的BeO形成UO2/BeO复合芯块；或者以外区燃料芯块为低富集度的UO2、内区燃料芯块为具有耐高温且增殖能力较强的ThO2形成UO2/ThO2复合芯块。进一步地，本发明提供一种采用上述燃料芯块为UO2/BeO复合芯块及UO2/ThO2复合芯块、包壳材料为SiC的复合式燃料元件，代替现有采用不锈钢包壳、UO2芯块的燃料棒。由于燃料元件包壳及燃料芯体温度设计限值提高、中子慢化能力增强，可以显著增大燃料元件线功率密度及体功率密度至传统大型压水堆的水平，提高堆芯冷却剂出口温度到550℃以上，在保证超临界水冷堆的堆芯安全性及燃料经济性条件下，简化燃料组件及堆芯结构设计方案，大幅提高超临界水冷堆的可靠性及工程可实现性。
UO2/BeO复合芯块布置于燃料棒上部，可以有效缓解堆芯上部高温低密度冷却剂引起的中子慢化不足问题，并降低燃料芯块中心温度，可以取消燃料组件的“水棒”(低温冷却剂流道)结构，大幅简化燃料组件方案；UO2/ThO2芯块布置于燃料棒中部或下部，可以有效降低堆芯中部或下部功率份额及芯块中心温度，并充分利用ThO2增殖转换特性，增大堆芯的增殖转换比，从而提高反应堆燃料经济性。
综上所述，本发明克服了现有超临界水冷堆燃料组件及堆芯设计缺点，增大燃料棒线功率密度及堆芯体功率密度，提高燃料元件包壳及燃料芯块最大温度限值，取消燃料组件内的慢化水棒等复杂结构，简化燃料组件及堆芯设计方案，提高了超临界水冷堆堆芯安全性及燃料经济性。
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本发明的复合式燃料芯块结构示意图；
图2本发明的复合式燃料元件结构示意图；
图3本发明的超临界水冷堆燃料组件结构示意图；
图4本发明的超临界水冷堆堆芯冷却剂流动结构示意图；
图5本发明的超临界水冷堆堆芯布置结构示意图。
附图中标记及对应的零部件名称：1-内区燃料芯块，2-外区燃料芯块，3-包壳，4-UO2/BeO复合芯块，5-UO2/ThO2复合芯块，6-燃料元件，7-导向管，8-定位格架，9-组件盒，10-燃料组件，11-压力容器。
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。
1-内区燃料芯块，2-外区燃料芯块，3-包壳，4-UO2/BeO复合芯块，5-UO2/ThO2复合芯块，6-燃料元件，7-导向管，8定位格架，9-组件盒，10-燃料组件，11-压力容器。
实施例1
本实施例提供一种应用于超临界水冷堆的复合式燃料芯块，复合式燃料芯块沿径向分为实心内区燃料芯块1和包围实心内区燃料芯块1的连续环状外区燃料芯块2，以外区燃料芯块2为UO2、内区燃料芯块1为BeO形成UO2/BeO复合芯块；或者以外区燃料芯块2为UO2、内区燃料芯块1为ThO2形成UO2/ThO2复合芯块。所述UO2燃料芯块的富集度低于6％，耐高温BeO燃料芯块作为中子慢化材料，相应复合芯块布置在冷却剂密度低于0.5g/cm3的中子欠慢化区，耐高温ThO2燃料芯块作为增殖转换材料代替UO2燃料，相应复合芯块布置在平均归一化功率密度大于1.0的高功率密度区域。
复合式燃料芯块的内区燃料芯块1的直径为5.0mm，外区燃料芯块2的内径及其外径分别为5.5mm和8.0mm。
实施例2
本实施例提供一种复合燃料元件，采用实施例1提供的复合式燃料芯块，在燃料元件6沿轴向方向上，UO2/BeO复合芯块4与UO2/ThO2复合芯块5交替布置，优选：燃料元件6轴向芯块共分为上下两个区域，燃料元件轴向上部区域为UO2/BeO复合芯块4，燃料元件轴向下部区域为UO2/ThO2复合芯块5；或者优选：燃料元件6轴向两端区域为UO2/BeO复合芯块4，燃料元件轴向中间区域为UO2/ThO2复合芯块5。
本实施例具体为：燃料元件6轴向上部区域为UO2/BeO复合芯块4，燃料元件轴向下部区域为UO2/ThO2复合芯块5。活性区的轴向总高度为3.6m，复合式燃料芯块分两类：1)燃料元件6上部1.6m长区域，采用UO2/BeO复合芯块4，即内区燃料芯块1为BeO，外区燃料芯块2为UO2；2)燃料元件6下部2.0m长区域，则采用UO2/ThO2复合芯块5，即内区燃料芯块1为ThO2，外区燃料芯块2为UO2。包壳3管材料为SiC，包壳3的厚度为0.65mm，包壳3的管外径为10.2mm。内区燃料芯块1与外区燃料芯块2之间、外区燃料芯块2与包壳3之间均存在间隙
实施例3
本实施例提供一种燃料组件，包括导向管7和实施例2提供的燃料元件6，所述导向管7和燃料元件6按照正方形或正三角形栅格规则排列，构成正方形或正六角形燃料组件10，所述燃料组件10外围设有正方形或正六角形组件盒9。
燃料元件6按照12×12正方形栅格排列，燃料元件6的外径为10.2mm，燃料元件6间距为2.5mm，利用定位格架8进行径向和轴向定位；组件盒9的厚度为1.3mm，对边距为155.0mm。燃料组件10内共设置了5个导向管7，每个导向管7占用4个栅格位置，导向管7的外径为25.0mm、内径为22.0mm。导向管7的包壳以及组件盒9均采用SiC材料。
实施例4
本实施例提供一种超临界水冷堆，由多个上述正方形或正六角形燃料组件10构成超临界水冷堆堆芯，导向管7内冷却剂流向与燃料元件6之间的冷却剂流动方相反。
堆芯采用177盒如图3所示的正方形燃料组件10，相邻燃料组件10的中心距为157mm，燃料组件10之间的水隙为2.0mm，反应堆堆芯活性区高度为3600mm，外接圆直径为2483mm，体平均功率密度为76.4MW/m3，平均线功率密度为15.2kW/m。基于耐高温复合燃料芯块，燃料元件6的包壳3可采用耐高温SiC材料，以提高包壳3温度设计限值，降低235U燃料富集度，同时采用大高径比堆芯(即提高堆芯活性区高度)设计方案，使得堆芯冷却剂可以采用更为简单、可靠的单流程设计方案，从而大幅度简化堆芯总体方案，显著提高工程可实现性。
如图4所示冷却剂流动示意图，低温冷却剂从压力容器11冷端进入后分为两部分：约80％冷却剂沿压力容器11环腔向下进入下腔室，约20％冷却剂进入压力容器11的上腔室，再沿导向管7向下流入下腔室，用于冷却控制棒，所有冷却剂在压力容器11下腔室充分搅混后，沿燃料棒间隙向上流动冷却堆芯，从压力容器11热端流出。反应堆堆芯详细设计参数见表1。
表1反应堆堆芯详细设计参数
Figure BDA0002283308270000051
Figure BDA0002283308270000061
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)

1.一种应用于超临界水冷堆的复合式燃料芯块，其特征在于，复合式燃料芯块沿径向包括实心内区燃料芯块和包围实心内区燃料芯块的连续环状外区燃料芯块，以外区燃料芯块为UO2、内区燃料芯块为BeO形成UO2/BeO复合芯块；或者以外区燃料芯块为UO2、内区燃料芯块为ThO2形成UO2/ThO2复合芯块。
2.根据权利要求1所述的一种应用于超临界水冷堆的复合式燃料芯块，其特征在于，所述UO2燃料芯块的富集度低于6.0％，BeO芯块为耐高温中子慢化材料，ThO2芯块为耐高温增殖转换材料。
3.基于权利要求1或2所述的一种应用于超临界水冷堆的复合式燃料芯块的复合燃料元件，其特征在于，在燃料元件沿轴向方向上，UO2/BeO复合芯块与UO2/ThO2复合芯块交替布置。
4.根据权利要求3所述的一种复合燃料元件，其特征在于，所述燃料元件轴向上部区域为UO2/BeO复合芯块，所述燃料元件轴向下部区域为UO2/ThO2复合芯块。
5.根据权利要求3所述的一种复合燃料元件，其特征在于，所述燃料元件轴向两端区域为UO2/BeO复合芯块，燃料元件轴向中间区域为UO2/ThO2复合芯块。
6.根据权利要求3所述的一种复合燃料元件，其特征在于，所述燃料元件的包壳采用SiC材料。
7.一种应用于超临界水冷堆的燃料组件，其特征在于，包括导向管和权利要求3至6任一项所述的燃料元件，所述导向管和燃料元件按照正方形或正三角形栅格规则排列，构成正方形或正六角形燃料组件，所述燃料组件外围设有正方形或正六角形组件盒。
8.根据权利要求7所述的一种应用于超临界水冷堆的燃料组件，其特征在于，所述组件盒以及导向管包壳均采用SiC材料。
9.基于权利要求7或8所述的一种燃料组件的超临界水冷堆，其特征在于，由若干上述正方形或正六角形燃料组件构成超临界水冷堆堆芯，导向管内冷却剂流向与燃料元件之间的冷却剂流动方相反。
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