CN117716443A - 核反应堆堆芯 - Google Patents

Abstract

本发明涉及核电工程领域，即无护套燃料组件在核反应堆堆芯中的放置，旨在改善核反应堆中燃料元件的散热。核反应堆堆芯包括六角形无护套燃料组件，具有燃料元件位于三角形栅格上，其间距大于燃料元件包壳直径。燃料元件包括包壳上的螺旋间隔肋，并以给定的角度方向刚性固定，使得燃料元件在一高度位置肋对肋接触，在所述高度位置，燃料元件在反应堆运行期间达到最大燃料元件包壳温度。燃料组件的定位方式使得位于燃料组件表面的燃料元件与堆芯中的其余燃料元件形成单个三角形栅格，并且确保所有的燃料元件在一高度位置都肋对肋接触，所述高度位置在反应堆运行期间达到最高的燃料元件包壳温度。同时，排除了燃料组件在堆芯中的错误放置。

Description

核反应堆堆芯

技术领域

本发明涉及核电工程领域，即无护套(jacketless)燃料组件在核反应堆堆芯中的放置，旨在改善核反应堆中燃料元件的散热。

背景技术

本文中使用的缩写列表：

FA：燃料组件(fuel assembly)；

FE：燃料元件(fuel element)；

NR：核反应堆(nuclear reactor)。

具有液态金属冷却剂的模块化快中子核反应堆的堆芯是已知的(俄罗斯专利2699229)，它由垂直安装的护套燃料组件形成，带有承载元件和间隔带，后者位于上部，具有用于安装圆柱形燃料元件(FEs)的三角形栅格。

水慢化(water-moderated)核反应堆的堆芯是已知的(俄罗斯专利2216056)，其包括燃料组件，所述燃料组件包括框架中呈六边形横截面的一束燃料元件，其表面具有镜面反射。所述发明解决是减少堆芯内能量释放不均匀性以及防止由于燃料组件彼此紧密堆积而导致燃料组件变形的问题。

上述解决方案的缺点包括燃料组件面上燃料元件的方形单元中冷却剂的“闲置(idle)”流速过高，这降低了堆芯出口处的平均冷却剂温度并恶化了功率单元性能。上述缺点是由于将燃料组件放置在堆芯中并沿表面进行镜面反射。

俄罗斯专利261770中描述了一种已知的技术解决方案，此专利提出了核电站热发射转换器反应堆的堆芯，其中发电通道沿着正三角形栅格的节点位于整个堆芯，包括在发电通道束的接头处。

在无护套设计的情况下，已知的技术解决方案排除了束面接头(燃料组件面)处的“闲置”冷却剂泄漏。

然而，已知发明的技术实现只有在发电通道(燃料元件)“紧密”堆积的情况下(当燃料元件间距几乎等于它们的直径时)才能确保堆芯可靠运行。

在燃料元件密集堆积在三角形栅格的情况下，则堆芯中冷却剂通道自由横截面的相对面积(冷却剂体积分数)ε通过以下公式ε＝1-π/(s²·2√3)计算，其中s是相对燃料元件间距，等于三角栅格中燃料元件间距a与燃料元件直径d(在本例中s＝1)的比率为9.25％。这适用于俄罗斯专利261770中要求保护的极低功率热发射反应堆。对于动力反应堆，冷却剂体积分数ε在30％-50％范围内。冷却液体积分数的这个值可以在相对燃料元件间距节距在1.1-1.3范围内时得到保证，这意味着燃料元件之间存在间隙。在这种情况下，为了避免燃料元件偏转(燃料元件偏转会造成冷却剂流动区域的局部“收缩(constriction)”，从而导致燃料元件过热)，并且为了消除破坏薄壁包壳的燃料元件振动，需要确保沿推芯高度的燃料元件间距。

发明内容

本发明要解决的技术问题是在保持堆芯出口冷却剂总流量和平均冷却剂温度的同时，提高反应堆功率输出，并且提升燃料组件正确放置在堆芯相应位置的可靠性。

使用本发明所达到的技术效果是降低了燃料元件包壳(cladding)的最高温度，减少了腐蚀磨损，提高对温度升高敏感的燃料元件包壳的长期强度，并消除燃料组件在堆芯中的错误放置。

上述技术成果是这样实现的：在核反应堆堆芯中，包括六边形无护套燃料组件，燃料组件具有位于三角形栅格上的燃料元件，其间距大于燃料元件包壳的直径，燃料元件包括包壳上的螺旋形间隔肋，并以给定的角度方向刚性固定，以在反应堆运行期间达到最大燃料元件包壳温度的高度位置，确保“肋对肋”燃料元件接触，并且燃料组件的放置方式使得位于相邻燃料组件表面的燃料元件与堆芯中的其他燃料元件形成单个三角形栅格，并确保在反应堆运行期间时，在燃料元件包壳达到最高温度的高度位置的堆芯中所有燃料元件的“肋对肋”接触。

通过在燃料组件支撑栅格和堆芯栅格中使用机械“编码器”来确保特定的燃料组件布局，其中安装根据“钥匙和锁”原理制造的燃料组件。

机械“编码器”设计解决的主要技术问题是，即使考虑到组装核心的人员的潜在错误行为，在技术上也不可能将燃料组件安装在错误的位置和/或在其角位置方面安装错误的方向。

用于实现编码器的选项之一是使用空心的销钉，其一端以任何已知的方式固定在下堆芯支撑栅格中。销钉的另一端应朝下燃料组件栅格的方向突出。在这种情况下，下燃料组件栅格中应该有一个孔，与销钉确实地相对。当销钉的正确位置与相应的孔匹配时，将销钉插入孔中，并且可以将燃料组件安装到下堆芯支撑栅格中。如果销钉没有进入孔中，则它靠在下燃料组件栅格上，不允许将燃料组件降低到下操作位置，从而可以可靠地固定。

对于每个燃料组件的群组和/或单个燃料组件，销钉及其相应孔的几何布局必须是唯一的，并且在设计堆芯和生产时必须确保这一点。如果需要，可以使用多个销钉，并且相应地可以使用支撑板中的多个相应的孔。同时，不同燃料组件的组和/或各个燃料组件中至少一个销钉的位置必须不同。

提供相同技术结果的替代解决方案是使用固定在下燃料组件栅格中的空心销钉以及下堆芯支撑栅格中的相应孔。也可以使用不同横截面的销钉(例如，圆形、方形、三角形、具有或不具有冷却剂通道)。必须满足的主要要求是在物理上不可能将燃料组件安装在错误的位置和/或错误角度方向。

所述销钉可以用于例如具有不同铀浓缩度的燃料组件组(混合铀-钚燃料具有不同的钚含量)。

在所提出的解决方案中，位于燃料组件面上的燃料元件在堆芯中形成单个燃料元件三角形栅格，这消除了燃料组件面上燃料元件单元中过多的冷却剂流速，同时燃料组件内的燃料元件与位于相邻燃料组件的表面上的燃料元件之间的距离相同，这是通过燃料元件包壳上存在间隔螺旋肋以及燃料组件的排列来确保的，使得堆芯中的所有燃料元件，在反应堆运行期间达到最大燃料元件包壳温度的高度的位置能够保证“肋对肋”接触。

相邻燃料组件的燃料元件在这些燃料组件边界处的位置在几何上与燃料组件内的燃料元件位置相同，因此在所有燃料元件附近的区域中产生相同的流阻。通过将燃料元件排列在三角形栅格中，任何燃料元件都被6个与其距离相同的燃料元件包围。每个燃料元件周围有6个相同的传统通道用于冷却剂流动，受到连接相邻燃料元件中心和燃料元件包壳的线路的限制。燃料元件置与上述布置的任何偏差都会导致形成具有增加的流动面积的条件通道。这种通道中纵向流动的流阻降低，导致形成所谓的“闲置泄漏”。由于通过这些通道的冷却剂流速增加，其中冷却剂的加热减少，并且在具有“收缩”横截面的其他通道中，导致流速降低、冷却剂加热增加、以及燃料元件包壳温度增加。

通过螺旋肋将燃料元件刚性固定在燃料元件栅格中包壳的外表面上，并相应地以预定方式将燃料组件固定在堆芯中，同时确保“肋对肋”燃料元件在高度位置接触，在反应堆运行期间，所述高度位置达到最高燃料元件包壳温度，使得可以在每个燃料元件周围创建相同的常规通道。

当将燃料组件中的燃料元件放置在三角形栅格上时，在无护套设计的情况下，消除了燃料组件面接头处的“闲置”冷却剂泄漏，导致正三角形单元中冷却剂流速的增加，从而降低了燃料元件包壳的最高温度，减少腐蚀磨损，并提高对温度升高敏感的燃料元件包壳的长期强度。这使得可以增加反应堆功率输出，同时保持堆芯出口处的总冷却剂流量和平均冷却剂温度。

附图说明

图1示出了堆芯中给定方向的多个燃料组件1的布局，其中多个燃料元件2形成单个三角形栅格。所述燃料元件2的下尾件中形成有多个孔3，将电缆插入其中，以将所述燃料元件2定向在所述燃料组件1中。图1还示出了销钉4，在安装有所述燃料组件1的堆芯支撑栅格中对燃料组件1进行定向，用于将所述燃料组件1以给定方向放置在堆芯中，如果所述燃料组件1包含具有不同铀浓缩度的燃料元件2(混合铀-钚燃料具有不同的钚含量)，则销钉5通过浓缩安装燃料组件，以及安装(定向)支撑栅格7的孔6，在堆芯中组装所述燃料组件1时，将相应的销钉插入其中。

图2示出了堆芯的a-a截面，其中示出了所述燃料元件2、所述燃料组件1的支撑栅格7、所述燃料元件中的孔3以及用于在所述燃料组件1中定向所述燃料元件2的电缆、堆芯中引导所述燃料组件的销钉4、用于通过浓缩安装燃料组件1的销钉5、以及用于安装(定向)堆芯的支撑栅格的孔6。

具体实施方式

为了实现如图1所示的堆芯中的燃料组件布局，使用了六角形无护套燃料组件1，其中包壳上带有间隔螺旋肋的燃料元件2沿着三角形栅格安装在所述燃料组件1的栅格(grid)中。所述燃料组件1以所述燃料元件2形成三角形栅格的方式放置在堆芯中，而位于不同燃料组件1表面的相邻燃料元件2的中心线距离等于位于燃料组件1内部的相邻燃料元件2的中心线之间的距离。

在燃料组件1中，所述燃料元件2固定在所述燃料组件1的支撑栅格7中，以防止角位移和轴向位移，并且确保所述燃料元件2的尾件在所述燃料组件1的另一个栅格中的轴向位移，不受其滑动配合的影响。所述燃料元件2的固定方式应确保所述燃料元件2在沿堆芯高度的平面中“肋对肋(rib-to-rib)”接触，在沿所述堆芯高度的平面的位置，所述燃料元件2达到最高包壳温度。为此，达到最大燃料元件包壳温度时的堆芯高度首先通过热工水力计算(thermohydraulic calculation)设计反应堆时使用的方法来确定，同时考虑能量释放场的轴向不均匀性。接下来，将带有预制孔3的所述燃料元件2的下尾件以一定角度定位，并用金属线固定在所述燃料组件1的支撑栅格7的孔中。

然后，使用系线将所述燃料组件1的所述支撑栅格7中的燃料元件2的尾件固定，以防止角位移和轴向位移，并且确保燃料元件2的尾件在燃料组件1的另一个栅格中的轴向位移，不受其滑动配合的影响。

通过在所述燃料组件1的支撑栅格7和安装有所述燃料组件1的堆芯栅格中使用所述销钉4以及所述销钉5(必要时)来确保所述燃料组件1的指定布局。所述销钉4、所述销钉5为空心型销钉。

堆芯的工作原理如下:冷却剂进入堆芯，并通过所述燃料元件2之间、所述燃料组件1内部和所述燃料组件1之间形成的通道均匀分布。

工业实用性:宣告的堆芯用于核反应堆，其堆芯包括六角形无护套燃料组件，其燃料元件位于三角形栅格上，其间距大于燃料元件包壳直径。

Claims (10)

1.一种核反应堆堆芯，包括六角形无护套的燃料组件，具有多个燃料元件位于三角形栅格上，其间距大于燃料元件包壳的直径，其特征在于：所述燃料元件包括在包壳上的螺旋间隔肋，并刚性固定在给定的角度方向上，以确保在反应堆运行期间达到最高燃料元件包壳温度的高度位置的燃料元件肋对肋接触，并且所述燃料组件的放置方式使所述燃料组件的面上的燃料元件与所述堆芯中的其他的燃料元件形成单个三角形栅格，并且确保在反应堆运行期间燃料元件包壳达到最高温度的高度的位置，堆芯中所有燃料元件肋对肋接触。

2.如权利要求1所述的核反应堆堆芯，其特征在于：燃料组件栅格和安装有所述燃料组件的堆芯栅格配备有至少一个机械编码器，所述机械编码器是根据钥匙与锁原理形成的销钉和孔。

3.如权利要求2所述的核反应堆堆芯，其特征在于：所述销钉为空心型。

4.如权利要求2所述的核反应堆堆芯，其特征在于：所述销钉的一端固定在下堆芯支撑栅格内，所述销钉的另一端朝下燃料组件栅格的方向突出，其中与所述销钉相对的位置设有孔。

5.如权利要求2所述的核反应堆堆芯，其特征在于：对于每个燃料组件的组和/或单独的燃料组件来说，所述销钉和相应孔的几何布局是唯一的。

6.如权利要求2所述的核反应堆堆芯，其特征在于：所述销钉固定在下燃料组件栅格中，并且下堆芯支撑栅格中开设有相应的孔。

7.如权利要求2所述的核反应堆堆芯，其特征在于：所述销钉制成圆柱体形状。

8.如权利要求2所述的核反应堆堆芯，其特征在于：所述销钉的形状为四棱柱形。

9.如权利要求2所述的核反应堆堆芯，其特征在于：所述销钉的形状为三棱柱。

10.如权利要求2所述的核反应堆堆芯，其特征在于：所述销钉包括用于冷却剂流动的通道。