CN102354539A - 一种环形燃料元件及环形燃料超临界水堆 - Google Patents

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杨珏
朱元兵
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Abstract

本发明公开了一种环形燃料元件及环形燃料超临界水堆，该种环形燃料元件，该环形燃料元件是横截面为环形的筒体结构，其从外层至内层分别由外包壳、外气隙、燃料芯块、内气隙和内包壳构成。所述的水堆从外到内分别由压力容器、下降段、堆芯吊篮和环形燃料组件组成，所述环形燃料组件是由多个正方形环形燃料组件或六边形环形燃料组件轴向平行排列组成。本发明可以通过有效地增加传热面积来降低燃料芯块和包壳的温度；且由于作为慢化剂的低温水处于燃料元件的内通道，因此对物理上的反馈更加均匀，可以有效地降低径向功率因子。

Description

一种环形燃料元件及环形燃料超临界水堆
技术领域
本发明属于反应堆技术领域，涉及一种超临界水堆，尤其是一种具有更高安全性能的环形燃料超临界水堆。
背景技术
超临界水堆(SCWR)是***国际论坛(GIF)选定的需要进行研究开发的六种反应堆堆型之一，本质上就是运行在高温高压工况下的反应堆。出口温度为500℃左右，使得SCWR的热效率大约为45％，比目前的轻水堆33％的效率要高得多，同时可以显著简化电厂设施，再加上早已商业化运营的超临界常规电厂的丰富经验，所以SCWR被认为是一种有前途的先进核能***。
尽管超临界水堆具备了诸多优点，也面临着一些亟待解决的问题。(1)在热谱超临界水堆中，为了满足慢化的要求，基本上都采用慢化剂水洞的方式来实现慢化，这往往会导致堆芯内的功率分布不均匀；(2)与现有的亚临界水堆采用DNBR作为设计限值不同，超临界水堆的热工设计限值为包壳的最高包壳温度。根据镍基包壳材料的性能，要求在正常运行时，其包壳温度不得超过650℃，在发生预计运行事件后，其温度不得超过850℃。现有的超临界水堆设计(如日本，欧洲等)普遍采用传统的棒形燃料元件，通过采用精心挑选的经验关系式和假设，其计算结果基本都能满足设计要求，但如果考虑到设计、制造的偏差，关系式本身的巨大不确定性等，其设计限值可能会突破。因此，有必要重新考虑堆芯燃料元件的结构，来实现安全目标。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种环形燃料超临界水堆，该超临界水堆使用环形燃料元件替代现有的棒状燃料元件，并采用独特的冷却剂流动方案，能有效地降低堆芯内燃料棒的包壳温度和径向功率因子。
本发明的目的是通过以下技术方案来解决的：
这种环形燃料元件，该环形燃料元件是横截面为环形的筒体结构，其从外层至内层分别由外包壳、外气隙、燃料芯块、内气隙和内包壳构成。
一种基于上述环形燃料元件的组件盒，将多个所述环形燃料元件和导向管间隔排列并利用绕丝进行定位后装在组件盒里。
上述环形燃料元件和导向管轴向平行且间隔排列成横截面为正方形的阵列并装在正方形组件盒里构成正方形环形燃料组件；或所述环形燃料元件和导向管轴向平行且间隔排列成横截面为六边形的阵列并装在六边形组件盒里构成六边形环形燃料组件。
进一步的，上述环形燃料元件和导向管在正方形组件盒里轴向平行排列为横截面为17×17的矩阵。
进一步的，将169根上述所说的环形燃料元件和导向管在六边形组件盒里轴向平行排列为横截面为六边形的阵列。
根据以上技术，本发明提出一种环形燃料超临界水堆，该水堆从外到内分别由压力容器、下降段、堆芯吊篮和环形燃料组件组成，所述环形燃料组件是由多个正方形环形燃料组件或六边形环形燃料组件轴向平行排列组成。
本发明具有以下有益效果：
本发明在超临界水堆堆芯内，使用环形元件替代现有的棒状燃料元件，和传统的棒状燃料元件相比，环形燃料元件多一个内通道，具有更大的换热面积，能更快地带走燃料芯块产生的热量，有效地降低燃料芯块和包壳的温度，把环形燃料元件按一定的排列和间距装载在正方形或者六边形的燃料组件盒内，形成环形燃料组件，再把这些正方形或者六边形的环形燃料组件按一定的排列和数量装入堆芯。采用内冷外热的冷却剂流动方案，即冷却剂先流入环形燃料元件的内通道，在堆芯的下腔室混合后，再流入外通道，这样可以保证环形燃料元件内通道的超临界水温度较低，具有较好的慢化能力，从而可以减少慢化剂水洞的数量，达到降低燃料棒径向功率因子，展平堆芯功率分布的目的。
综上所述，本发明可以通过有效地增加传热面积来降低燃料芯块和包壳的温度；且由于作为慢化剂的低温水处于燃料元件的内通道，因此对物理上的反馈更加均匀，可以有效地降低径向功率因子。
附图说明
图1是环形燃料元件的结构图；
图2是冷却剂在环形燃料元件中流动示意图；
图3是17×17正方形环形燃料组件结构示意图；
图4是169棒六边形环形燃料组件结构示意图；
图5是正方形和六边形的环形燃料组件堆芯布置图；
图6是环形燃料超临界水堆堆芯的内部结构图；
表1是环形燃料超临界水堆的主要设计参数。
图中：1.外通道，2.内通道，3.外包壳，4.外气隙，5.燃料芯块，6.内气隙，7.内包壳，8.内冷却剂流(下降流)，9.外冷却剂流(上升流)，10.导向管，11.环形燃料元件，12.正方形组件盒，13.六边形组件盒，14.压力容器，15.下降段，16.堆芯吊篮，17.正方形环形燃料组件，18.六边形环形燃料组件，19.冷管嘴，20.热管嘴，21.上部支撑板，22.排管，23.堆芯上板，24.堆芯支撑板。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
本发明首先提出一种环形燃料元件11，如图1所示，该环形燃料元件11是横截面为环形的筒体结构，其从外层至内层分别由外包壳3、外气隙4、燃料芯块5、内气隙6和内包壳7构成。各部分尺寸见图所示，环形部件的直径分别为D1、D2、D3、D4、D5、D6。在本发明的最佳实施例中，D1＝8.63mm、D2＝9.78mm、D3＝9.90mm、D4＝14.1mm、D5＝14.2、D6＝15.4。
在该种环形燃料元件中，冷却剂可以同时流过环形燃料元件的外通道1和内通道2对燃料芯块5进行冷却。和现有的棒状燃料元件相比，环形燃料元件多一个内通道2，因此在燃料体积相同情况下，环形燃料元件具有更大的冷却面积，能极大地降低燃料芯块和包壳的温度。
在图2中，冷却剂先从环形燃料元件的内通道2流入，再从外通道1流出，形成了内冷却剂流8和外冷却剂流9，其中qi和qo分别代表燃料芯块5传给内冷却剂流8和外冷却剂流9的热流密度。内冷却剂流8的出口温度是外冷却剂流9的进口温度，故内冷却剂流8的温度要比外冷却剂流9的温度低得多，此时内通道的冷却剂具有较好的慢化性能，能使燃料慢化更加均匀，从而有效地降低燃料棒的径向功率因子。
本发明还提出一种基于以上环形燃料元件11的组件盒，该组件盒是将多个环形燃料元件11和导向管10间隔排列并利用绕丝进行定位后装在组件盒里。组件盒的形式有以下两种：
正方形
如图3所示，将环形燃料元件11和导向管10轴向平行且间隔排列成横截面为正方形的阵列并装在正方形组件盒12里构成正方形环形燃料组件17。
其中导向管10在环形燃料元件11中的分布的最佳方案如图3所示，环形燃料元件11和导向管10在正方形组件盒12里轴向平行排列为横截面为17×17的矩阵。导向管10阵列按照一定的密度穿插分布在具有多个环形燃料元件11的阵列当中，图中所示的导向管10阵列的***为圆形分布，内部为正方形分布。每个环形燃料原件11内都需要安装一定数量的导向管10，其中组件中心的导向管为中子注量率导向管，其余都是控制棒导向管。
六边形
如图4所示，将环形燃料元件11和导向管10轴向平行且间隔排列成横截面为六边形的阵列并装在六边形组件盒13里构成六边形环形燃料组件18。
环形燃料元件11和导向管10和最佳方案如图4所示，将总共为169根的环形燃料元件11和导向管10在六边形组件盒13里轴向平行排列为横截面为六边形的阵列。其中，导向管10的分布和数量由环形燃料元件11的数量决定，并且，在图示的方案中，导向管10设置有13根，排列方式为内外两圈六边形，中间有一根导向管10，其是中子注量率导向管，其余都是控制棒导向管。
在以上技术方案的基础上，本发明提出一种环形燃料超临界水堆，参见图5，该水堆从外到内分别由压力容器14、下降段15、堆芯吊篮16和环形燃料组件组成，其中环形燃料组件可以由多个正方形环形燃料组件17或六边形环形燃料组件18轴向平行排列组成。如图5a所示就是由多个正方形环形燃料组件17排列组成的环形燃料组件；图5b所示是由多个六边形环形燃料组件18排列组成的环形燃料组件。
以上环形燃料超临界水堆的内部结构如图6所示：在压力容器14中设置有下降段15、堆芯吊篮16，在下降段15的上端依次设有堆芯上板23、排管22、上部支撑板21，其中多根排管22设置在堆芯上板23和上部支撑板21之间，在上部支撑板21上方还设有用于引出的导向管10，在压力容器14的下端设有堆芯支撑板24，本发明提到的环形燃料组件就安装在堆芯支撑板24上，另外，在压力容器14的中上部分布设有热管嘴20和冷管嘴19。
本发明的环形燃料超临界水堆的设计参数如表1所示：
表1环形燃料超临界水堆的主要设计参数
Figure BDA0000091587730000071

Claims (6)

1.一种环形燃料元件，其特征在于，该环形燃料元件是横截面为环形的筒体结构，其从外层至内层分别由外包壳(3)、外气隙(4)、燃料芯块(5)、内气隙(6)和内包壳(7)构成。
2.一种基于权利要求1所述环形燃料元件的组件盒，其特征在于，将多个所述环形燃料元件(11)和导向管(10)间隔排列并利用绕丝进行定位后装在组件盒里。
3.根据权利要求2所述的组件盒，其特征在于，所述环形燃料元件(11)和导向管(10)轴向平行且间隔排列成横截面为正方形的阵列并装在正方形组件盒(12)里构成正方形环形燃料组件(17)；或所述环形燃料元件(11)和导向管(10)轴向平行且间隔排列成横截面为六边形的阵列并装在六边形组件盒(13)里构成六边形环形燃料组件(18)。
4.根据权利要求3所述的组件盒，其特征在于，所述环形燃料元件(11)和导向管(10)在正方形组件盒(12)里轴向平行排列为横截面为17×17的矩阵。
5.根据权利要求3所述的组件盒，其特征在于，将169根所述环形燃料元件(11)和导向管(10)在六边形组件盒(13)里轴向平行排列为横截面为六边形的阵列。
6.一种基于权利要求1-5任一项的环形燃料超临界水堆，其特征在于，从外到内分别由压力容器(14)、下降段(15)、堆芯吊篮(16)和环形燃料组件组成，所述环形燃料组件是由多个正方形环形燃料组件(17)或六边形环形燃料组件(18)轴向平行排列组成。
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