CN111554413B - 一种用于超临界水冷堆的燃料组件 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于超临界水冷堆的燃料组件，包括呈2×2方形排列的四个子组件，四个子组件之间形成十字形区域，四个子组件位于组件盒内，所述组件盒内部固定有用于填充所述十字形区域的十字框架，所述十字框架上开设若干呈十字形分布的导向孔。本发明的目的在于提供一种用于超临界水冷堆的燃料组件，以解决现有技术中用于超临界水冷堆的燃料组件不能同时满足十字形控制棒的落棒及燃料组件变形小的问题，提供既可以实现十字形控制棒的落棒，又可以提高结构稳定性和抗变形能力的一种用于超临界水冷堆的燃料组件。

Description

一种用于超临界水冷堆的燃料组件
技术领域
本发明涉及核反应堆领域，具体涉及一种用于超临界水冷堆的燃料组件。
背景技术
在压水堆中，燃料组件是核反应堆堆芯的核心部件，其性能对压水堆核电站的安全运行具有重要的意义。实践证明，燃料组件变形是影响燃料组件性能的主要因素之一，燃料组件变形会带来装卸料困难、控制棒不能完全下插、象限功率倾斜等问题，严重的变形还会造成燃料组件破损，从而大大影响燃料组件的使用寿命，严重威胁核电生产的安全。
现有的，在超临界反应堆中，目前一般采用十字形控制棒来控制堆芯的反应性，燃料组件是以导向管作为燃料棒的插入通道，如图1所示，各导向管单独分布，但由于堆芯运行压力和温度都很高，燃料组件冷却剂流速非常高，极易出现流动不稳定性，容易造成燃料组件发生较大的变形，从而影响控制棒的插入和反应堆堆芯的安全。因此，亟需设计一种新型燃料组件，既要满足十字形控制棒的落棒需求，又要减小燃料组件的变形，提高其结构稳定性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于超临界水冷堆的燃料组件，以解决现有技术中用于超临界水冷堆的燃料组件不能同时满足十字形控制棒的落棒及燃料组件变形小的问题，提供既可以实现十字形控制棒的落棒，又可以提高结构稳定性和抗变形能力的一种用于超临界水冷堆的燃料组件。
本发明通过下述技术方案实现：
一种用于超临界水冷堆的燃料组件，包括呈2×2方形排列的四个子组件，四个子组件之间形成十字形区域，四个子组件位于组件盒内，所述组件盒内部固定有用于填充所述十字形区域的十字框架，所述十字框架上开设若干呈十字形分布的导向孔。
针对现有技术中用于超临界水冷堆的燃料组件不能同时满足十字形控制棒的落棒及燃料组件变形小的问题，本发明提出一种用于超临界水冷堆的燃料组件。四个子组件以2×2的格局方形排布，四个子组件之间形成十字形区域。与现有技术不同的是，本申请将四个子组件都设置在组件盒内，并且组件盒内固定有十字框架，通过十字框架充填在四个子组件所形成的十字形区域内，即是通过十字框架将四个子组件分隔开来。本申请以十字框架上开设呈十字形分布的导向孔的方式来代替传统的单个导向管逐个布置的结构，十字形控制棒下落时直接插入对应的导向孔中即可。本发明导向孔的设置，可以容纳十字形控制棒组件的插入，该导向孔与控制棒配合后，通过水力缓冲可以实现十字形控制棒组件的安全落棒。同时，导向孔与组件盒为固定结构，一方面增强了组件的刚度，提高了结构稳定性及抗变形能力，另一方面因取消了导向管和格架，简化了组件结构，减少了结构材料，提高了组件的中子经济性。
优选的，所述十字框架与组件盒一体成型。增强了组件的刚度，提高了结构稳定性及抗变形能力。
优选的，所述导向孔的横截面呈圆形或方形。
进一步的，所述导向孔的孔径从上往下逐渐减小。为增强水力缓冲作用，所述导向孔的下段孔径比上段孔径小，通过孔径缩小的挤水作用进一步增加导向孔与控制棒的水力缓冲作用，减小控制棒组件对燃料组件的落棒冲击力。
进一步的，所述子组件包括水棒盒，位于水棒盒和组件盒之间的燃料棒；所述水棒盒内为慢化剂通道，水棒盒和组件盒之间形成冷却剂通道。由于超临界水冷堆堆芯出口温度较高(500℃以上)以及堆芯出入口温差较大(220℃以上)，冷却剂质量流量约为压水堆的十分之一，导致中子慢化严重不足。本方案通过设置水棒盒，增强了堆芯的中子慢化能力，解决了超临界水冷堆存在的中子慢化不足的问题；优选的，水棒盒在燃料组件内均匀分布，可以实现对每根燃料棒充分且均匀的慢化。
进一步的，所述水棒盒包括隔热层。通过设置隔热层，可以实现水棒盒内外的低温慢化剂与高温冷却剂的相互隔热，有利于增强中子慢化能力，提高堆芯出口温度和堆芯热效率。
优选的，所述隔热层为夹层。即在水棒盒的盒壁内设置夹层，该夹层使用隔热材料作为隔热层使用。
优选的，所述夹层为ZrO2材料。
进一步的，所述燃料棒包括带肋包壳管，所述带肋包壳管用于燃料棒的径向定位。传统的燃料棒径向定位通过绕丝方式实现。与传统的绕丝定位相比，本申请带肋包壳管的定位方式增强了组件的结构稳定性，减少了因冷却剂流速高带来的流动不稳定性问题。
优选的，所述十字框架与组件盒通过精密铸造或3D打印制作而成。所述精密铸造或3D打印均为现有技术，具有工程可实现性。
本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
1、本发明一种用于超临界水冷堆的燃料组件，通过组件盒内的十字框架、在十字框架上开设十字形排列的导向孔，可以通过控制棒与导向孔的水力缓冲实现十字形控制棒组件的安全落棒；并且导向孔与组件盒为一体化结构，组件的结构稳定性高，组件的抗变形能力强。
2、本发明一种用于超临界水冷堆的燃料组件，通过设置带导向孔的组件盒，省略了现有技术中的导向管和格架，简化了组件结构，减少了结构材料，提高了组件的中子经济性。
3、本发明一种用于超临界水冷堆的燃料组件，在组件内均匀布置水棒盒，增强了堆芯的中子慢化能力，实现了燃料棒充分且均匀的慢化。
4、本发明一种用于超临界水冷堆的燃料组件，水棒盒内增加隔热层，实现了低温慢化剂与高温冷却剂的相互隔热，增强了中子慢化能力，提高了堆芯出口温度和堆芯热效率。
5、本发明一种用于超临界水冷堆的燃料组件，通过采用带肋包壳管进行燃料棒的径向定位，进一步增强了组件的结构稳定性，减少了流动不稳定性问题。
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为现有技术的燃料组件剖面结构示意图；
图2为本发明具体实施例的剖面结构示意图。
附图中标记及对应的零部件名称：
1-为组件盒，2-为导向孔，3-为燃料棒，4-为水棒盒。
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：
一种内插束棒型控制棒的燃料组件，如图2所示，包括2×2方式排列的四个子组件，该四个子组件之间形成十字形区域。本实施例的改进之处在于：通过在四个子组件中心位置带导向孔2的十字框架以替代图1中的导向管，构成十字形控制棒的插入通道，控制棒与导向孔2的挤水作用可以实现十字形控制棒组件的安全落棒；通过导向孔2与组件盒1一体化结构布置，可以提高燃料组件的结构稳定性和抗变形能力。
实施例2：
一种内插束棒型控制棒的燃料组件，在实施例1的基础上，本实施例优化了导向孔2的结构：所述导向孔2的横截面为圆形或方形，且下段孔径比上段孔径小。
本实施例通过孔径缩小的挤水作用进一步增加了导向孔2与控制棒的水力缓冲作用，减小了控制棒组件落棒对燃料组件造成的冲击力。
实施例3：
一种内插束棒型控制棒的燃料组件，在上述任一实施例的基础上，还设置了水棒盒4，所述水棒盒4均匀分布在组件盒1内。本实施例通过均匀布置水棒盒4，增强了堆芯的中子慢化能力，解决了超临界水冷堆存在的中子慢化不足的问题，实现了对燃料棒3充分且均匀的慢化。
优选的，每个子组件内均包括一个水棒盒4、以及位于水棒盒4和组件盒1之间的若干燃料棒3；所述水棒盒4内形成慢化剂通道，水棒盒4和组件盒1之间形成冷却剂通道。
实施例4：
本实施例与实施例3的区别在于，本实施例优化了水棒盒4的结构：所述水棒盒4为夹层结构，中间的夹层为隔热材料，如ZrO2等。
本实施例通过在水棒盒4内设置隔热的夹层，可以实现水棒盒4内外的低温慢化剂与高温冷却剂的相互隔热，有利于增强中子慢化能力，提高堆芯出口温度和堆芯热效率。
实施例5
如图2所示，在上述任一实施例的基础上，本实施例由带导向孔2的组件盒1、设置在组件盒1中的四个水棒盒4、以及设置在组件盒1和水棒盒4之间的燃料棒3构成。其中，水棒盒4内为慢化剂通道，水棒盒4与组件盒1之间为冷却剂通道。导向孔2的个数以及燃料棒3的层数可以根据堆芯功率需要进行不同的设计。
本实施例通过设置带导向孔的组件盒，取消了导向管及格架等部件，简化了组件结构。在满足十字形控制棒组件安全落棒的同时，提高了组件的结构稳定性，同时减少了结构材料，提高了组件的中子经济性；本实施例通过设置慢化剂通道和冷却剂通道，实现了慢化剂和冷却剂间的有效分流，可以适应超临界水冷堆双流程乃至多流程的堆芯设计布局。
实施例6
本实施例与实施例5的区别在于，本实施例优化了燃料棒3的径向定位结构：燃料棒3采用带肋包壳管实现其径向定位，带肋包壳管的定位方式增强了组件的结构稳定性，减少了因冷却剂流速高带来的流动不稳定性问题。其中带肋包壳管采用现有技术即可。
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)

1.一种用于超临界水冷堆的燃料组件，包括呈2×2方形排列的四个子组件，四个子组件之间形成十字形区域，其特征在于，四个子组件位于组件盒（1）内，所述组件盒（1）内部固定有用于填充所述十字形区域的十字框架，所述十字框架上开设若干呈十字形分布的导向孔（2）；
所述十字框架与组件盒（1）一体成型。
2.根据权利要求1所述的一种用于超临界水冷堆的燃料组件，其特征在于，所述导向孔（2）的横截面呈圆形或方形。
3.根据权利要求1所述的一种用于超临界水冷堆的燃料组件，其特征在于，所述导向孔（2）的孔径从上往下逐渐减小。
4.根据权利要求1所述的一种用于超临界水冷堆的燃料组件，其特征在于，所述子组件包括水棒盒（4），位于水棒盒（4）和组件盒（1）之间的燃料棒（3）；所述水棒盒（4）内为慢化剂通道，水棒盒（4）和组件盒（1）之间形成冷却剂通道。
5.根据权利要求4所述的一种用于超临界水冷堆的燃料组件，其特征在于，所述水棒盒（4）包括隔热层。
6.根据权利要求5所述的一种用于超临界水冷堆的燃料组件，其特征在于，所述隔热层为夹层。
7.根据权利要求6所述的一种用于超临界水冷堆的燃料组件，其特征在于，所述夹层为ZrO2材料。
8.根据权利要求4所述的一种用于超临界水冷堆的燃料组件，其特征在于，所述燃料棒（3）包括带肋包壳管，所述带肋包壳管用于燃料棒（3）的径向定位。
9.根据权利要求1所述的一种用于超临界水冷堆的燃料组件，其特征在于，所述十字框架与组件盒（1）通过精密铸造或3D打印制作而成。
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