一种热中子谱混合定位多流区燃料组件及超临界水冷堆

技术领域

本发明涉及核反应堆技术领域，具体涉及一种热中子谱混合定位多流区燃料组件及超临界水冷堆。

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。为了解决SCWR中子慢化不足、堆芯出入口温差大及流动不稳定性等问题，在组件设计中引入了“水棒”设计，在堆芯设计中冷却剂采用了多流程流动方案。尤其是热中子谱超临界水冷堆，为了使燃料元件获得充分且均匀慢化，需要“水棒”在组件内均匀分布，且高低温冷却剂需要有效分流，造成组件及堆芯结构设计极为复杂且制造困难，经济性、安全性及工程可实现性大幅度降低。

现有超临界水冷堆组件及堆芯设计方案，均有“水棒”或固体慢化剂，且冷却剂为多流程。在较为理想条件下，基本满足安全设计要求，若考虑制造偏差及实际运行面临的复杂工况，组件及堆芯设计方案可行性将面临巨大挑战。此外，为了保证低温冷却剂与高温冷却剂之间的分流及隔热，会向堆芯引入大量强中子吸收结构材料，导致燃料经济性显著下降。因此，非常有必要重新考虑超临界水冷堆组件及堆芯设计，实现经济性、安全性与工程可实现性的协调统一。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种热中子谱混合定位多流区燃料组件及超临界水冷堆，解决组件及堆芯结构设计极为复杂且制造困难的问题。克服现有热中子谱超临界水冷堆燃料组件及堆芯设计的不足，取消燃料组件中的“水棒”或“固体慢化材料”，以及多流程冷却剂流动设计方法，简化燃料组件及堆芯内部结构设计，减少结构材料引入，提高燃料经济性及工程可实现性。

本发明的通过下述技术方案实现：

一种热中子谱混合定位多流区燃料组件，包括隔热围筒和沿径向依次套装于隔热围筒外部的强隔热组件盒和组件格架，隔热围筒内部为内流区，隔热围筒与强隔热组件盒之间为中间流区，强隔热组件盒与组件格架之间为外流区，即所述燃料组件的内部沿径向从内向外依次为内流区、中间流区和外流区。内流区的冷却剂入口位于内流区的上部，内流区的冷却剂出口位于内流区的下部，从而，在内流区内冷却剂从内流区上部流入、从内流区下部流出。燃料组件在压力容器中垂直安装，故所述上部、下部是指燃料组件垂直安装时的上部和下部，这对本领域技术人员而言属于公知常识。中间流区的冷却剂入口位于中间流区的下部，中间流区的冷却剂出口位于中间流区的上部，从而，在中间流区内冷却剂从中间流区下部流入、从中间流区上部流出。外流区的冷却剂入口位于外流区的上部，外流区的冷却剂出口位于外流区的下部，从而，在外流区内冷却剂从外流区上部流入、从外流区下部流出。利用外流区外围设置的组件格架维持燃料组件径向形状和外流区形状及面积。

本发明根据冷却剂流向及温度将燃料组件划分为多个流区，提高冷却剂流速以强化传热，燃料组件可以获得充分且均匀慢化，代替了目前采用的多流程冷却剂流动方案，大幅简化压力容器结构设计，有效降低了组件结构设计、物理设计难度，减少了结构材料引入，并提高了燃料经济性。

隔热围筒内部设置有燃料棒及导向管，燃料棒及导向管通过格架定位安装于隔热围筒内，内流区由燃料棒及导向管构成，冷却剂在内流区内自上而下流动，即冷却剂在内流区内从组件上端进入，从格架下端流出。可选的，所述的内流区内的燃料棒及导向管按正方形或六角形传统栅格排列，并采用格架进行径向和轴向定位，导向管中插入控制棒。

隔热围筒与强隔热组件盒之间设置有燃料棒，燃料棒通过绕丝定位安装于隔热围筒与强隔热组件盒之间。中间流区全部由燃料棒构成，冷却剂在中间流区内自下而上流动，即冷却剂在中间流区内从中间流区下端进入，从中间流区上端流出。可选的，所述的中间流区内的燃料棒按正方形或六角形栅格排列，稠密栅格布置，利用绕丝进行自定位，再利用隔热围筒和强隔热组件盒维持径向形状。

组件格架与强隔热组件盒之间不设置燃料棒或导向管，组件格架与强隔热组件盒之间仅通过格架连接，即外流区无燃料棒或导向管，为冷却剂通道，组件格架与强隔热组件盒之间沿轴向设置有多层格架，冷却剂在外流区内自上向下流，即冷却剂在外流区内从上端进入，从下端流出。可选的，组件格架与强隔热组件盒之间的间距和中间流区内的棒栅距接近或相同。

一种超临界水冷堆，其堆芯采用上述的热中子谱混合定位多流区燃料组件构造而成。

低温冷却剂自压力容器冷端进入压力容器后分为3部分：第1部分低温冷却剂为上腔室低温冷却剂，第2部分低温冷却剂为环腔低温冷却剂，第3部分低温冷却剂为堆芯活性区低温冷却剂。第1部分低温冷却剂进入上腔室，再通过燃料组件的上端进入其内流区，向下流经堆芯后进入下腔室，第2部分低温冷却沿压力容器环腔向下流入下腔室，第3部分低温冷却通过吊篮导流孔进入堆芯活性区，经燃料组件的上端进入外流区，向下通过下栅板导流孔，流入下腔室。所有冷却剂在下腔室充分搅混后，沿燃料组件的中间流区向上，经堆芯活性区进入蒸汽腔室，再从压力容器热端流出。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

本发明提出一种中子能谱为热谱，燃料棒采用格架及绕丝混合定位，根据冷却剂流向及温度划分为多个流区的燃料组件，不设置“水棒”或“固体慢化剂”，燃料元件可以获得充分且均匀慢化，有效降低了组件结构设计、物理设计难度，减少了结构材料引入，并提高了燃料经济性。

此外，通过燃料组件多流区设计，提高冷却剂流速以强化传热，代替目前采用的多流程冷却剂流动方案，大幅简化压力容器结构设计，尤其是上部蒸汽腔室结构。

燃料组件的内流区燃料棒及导向管采用常规栅格布置，利用组件格架进行定位，显著增强了组件轴向结构设计强度。布置在外流区的组件格架，能够有效维持组件径向形状，保证了组件结构稳定性。

本发明提出的热中子谱混合定位多流区燃料组件及超临界水冷堆，结构设计简单，物理设计难度小，显著提高了燃料经济性、安全性及工程可行性。

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为本发明的混合定位多流区燃料组件的一种结构示意图。

图2为本发明的混合定位多流区燃料组件的另一种结构示意图。

图3为采用本发明的压力容器内冷却剂流动过程示意图。

图4为本发明的一种燃料组件堆芯布置示意图。

图5为本发明的另一种燃料组件堆芯布置示意图。

附图中标记及相应的零部件名称：

1-内流区，2-中间流区，3-外流区，4-内流区燃料棒，5-格架，6-导向管，7-隔热围筒，8-强隔热组件盒，9-组件格架，10-压力容器，11-上腔室，12-蒸汽腔室，13-下腔室，14-压力容器冷端，15-压力容器热端，16-吊篮导流孔，17-下栅板导流孔，18-控制棒，19-上腔室低温冷却剂，20-堆芯活性区低温冷却剂，21-环腔低温冷却剂，22-中间流区燃料棒，23-正方形燃料组件，24-六角形燃料组件。

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：

如图1、图2所示，一种热中子谱混合定位多流区燃料组件，包括隔热围筒7和沿径向依次套装于隔热围筒7外部的强隔热组件盒8和组件格架9，隔热围筒7内部为内流区1，隔热围筒7与强隔热组件盒8之间为中间流区2，强隔热组件盒8与组件格架9之间为外流区3，即所述燃料组件的内部沿径向从内向外依次为内流区1、中间流区2和外流区3，内流区1的冷却剂入口位于内流区1的上部，内流区1的冷却剂出口位于内流区1的下部，中间流区2的冷却剂入口位于中间流区2的下部，中间流区2的冷却剂出口位于中间流区2的上部，外流区3的冷却剂入口位于外流区3的上部，外流区3的冷却剂出口位于外流区3的下部，利用外流区3外围设置的组件格架9维持燃料组件径向形状和外流区3形状及面积。

本发明根据冷却剂流向及温度将燃料组件划分为多个流区，提高冷却剂流速以强化传热，燃料组件可以获得充分且均匀慢化，代替了目前采用的多流程冷却剂流动方案，大幅简化压力容器10结构设计，有效降低了组件结构设计、物理设计难度，减少了结构材料引入，并提高了燃料经济性。

隔热围筒7内部设置有燃料棒及导向管6，燃料棒及导向管6通过格架5定位安装于隔热围筒7内，内流区1由燃料棒及导向管6构成，冷却剂在内流区1内自上而下流动，即冷却剂在内流区1内从组件上端进入，从格架5下端流出。可选的，所述的内流区1内的燃料棒及导向管6按正方形或六角形传统栅格排列，并采用格架5进行径向和轴向定位，导向管6中插入控制棒18。

隔热围筒7与强隔热组件盒8之间设置有燃料棒，燃料棒通过绕丝定位安装于隔热围筒7与强隔热组件盒8之间。中间流区2全部由燃料棒构成，冷却剂在中间流区2内自下而上流动，即冷却剂在中间流区2内从中间流区2下端进入，从中间流区2上端流出。可选的，所述的中间流区2内的燃料棒按正方形或六角形栅格排列，稠密栅格布置，利用绕丝进行自定位，再利用隔热围筒7和强隔热组件盒8维持径向形状。

组件格架9与强隔热组件盒8之间仅通过格架5连接，格架5上不设置燃料棒或导向管6，即外流区3无燃料棒或导向管6，为冷却剂通道，组件格架9与强隔热组件盒8之间沿轴向设置有多层格架5，冷却剂在外流区3内自上向下流，即冷却剂在外流区3内从上端进入，从下端流出。可选的，组件格架9与强隔热组件盒8之间的间距和中间流区2内的棒栅距接近或相同。

如图4、图5所示，一种超临界水冷堆，其堆芯采用上述的热中子谱混合定位多流区燃料组件构造而成。

如图3所示，低温冷却剂自压力容器冷端14进入压力容器10后分为3部分：第1部分低温冷却剂为上腔室低温冷却剂19，第2部分低温冷却剂为环腔低温冷却剂21，第3部分低温冷却剂为堆芯活性区低温冷却剂20。第1部分低温冷却剂进入上腔室11，再通过燃料组件的上端进入其内流区1，向下流经堆芯后进入下腔室13，第2部分低温冷却沿压力容器10环腔向下流入下腔室13，第3部分低温冷却通过吊篮导流孔16进入堆芯活性区，经燃料组件的上端进入外流区3，向下通过下栅板导流孔17，流入下腔室13。所有冷却剂在下腔室13充分搅混后，沿燃料组件的中间流区2向上，经堆芯活性区进入蒸汽腔室12，再从压力容器热端15流出。

实施例2：

如图1所示，热中子谱混合定位多流区燃料组件的结构同实施例1，且进一步的，该热中子谱混合定位多流区燃料组件为正方形燃料组件23，燃料组件采用的燃料棒外径为9.5mm，内流区燃料棒4按12×12正方形栅格布置，栅距为12.2mm，内流区1共布置9个导向管6和108根燃料棒，利用格架5进行定位。每个导向管6占4个栅格位置，导向管6外径为24.0mm，壁厚为1.0mm。内流区1与中间流区2之间的隔热围筒7厚度为1.0mm。中间流区燃料棒22按18×18正方形稠密栅格布置，栅距为10.6mm，共布置了128根燃料棒，利用绕丝进行自定位，再利用隔热围筒7与组件盒来保持中间流区2的形状，具有较强隔热能力的组件盒厚度为2.0mm。布置在外流区3的组件格架9保证燃料组件形状，对边距为212.0mm。燃料芯体为低富集度UO₂或MOX燃料。内流区1和外流区3的冷却剂入口在组件上端，入口温度约为280℃。中间流区2冷却剂入口在组件下端，入口温度约为370℃。

利用上述正方形燃料组件23构造的堆芯装载方案如图4所示。堆芯共装载157盒燃料组件，组件中心距为213mm，外接圆直径为3259mm。热功率为2300MW，电功率为1000MW，活性区高度为4200mm，平均功率密度为76.9MW/m³，平均线功率密度为14.8kW/m。冷却剂入口温度为280℃，出口温度为500℃，冷却剂平均流量为1183kg/s。

图3给出了冷却剂在压力容器10内的流动过程。低温冷却剂自压力容器冷端14进入压力容器10后分为3部分：第1部分进入上腔室11，然后通过内流区1向下流经堆芯进入下腔室13，第2部分通过压力容器10环腔向下流入下腔室13，第3部分通过吊篮导流孔16进入堆芯活性区，经外流区3向下流入下腔室13。所有冷却剂在下腔室13充分搅混后，沿中间流区2向上，进入蒸汽腔室12，再从压力容器热端15流出。

实施例3：

热中子谱混合定位多流区燃料组件的结构同实施例1，且进一步的，如图2所示，该热中子谱混合定位多流区燃料组件为六角形燃料组件24，燃料棒外径为9.5mm，内流区燃料棒4按三角形栅格排列，栅距为12.6mm，内流区1共布置7个导向管6和168根燃料棒，利用格架5进行定位。每个导向管6占7个栅格位置，导向管6外径为29.0mm，壁厚为1.0mm。内流区1与中间流区2之间的隔热围筒7厚度为2.0mm，对边距为191.4mm。中间流区燃料棒22栅距为10.6mm，共布置了216根燃料棒，利用绕丝进行自定位，再利用隔热围筒7与组件盒来保持中间流区2的形状，具有较强隔热能力的组件盒厚度为2.0mm，对边距为253.3mm。布置在组件外流区3的组件格架9保证燃料组件形状，对边距为267.7mm。燃料芯体为低富集度UO₂或MOX燃料。内流区1和外流区3的冷却剂入口在组件上端，入口温度约为280℃。中间流区2冷却剂入口在组件下端，入口温度约为370℃。

利用上述六角形组件构造的堆芯方案如图5所示。堆芯共装载121盒燃料组件，组件中心距为269mm，外接圆直径为3360mm。热功率为2300MW，电功率为1000MW，活性区高度为4200mm，平均功率密度为72.2MW/m³，平均线功率密度为11.8kW/m。冷却剂入口温度为280℃，出口温度为500℃，冷却剂平均流量为1183kg/s。

冷却剂在压力容器10内的流动过程与实施例2相同。

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。