一种嵌入式双流程超临界水堆燃料组件的制作方法

本发明涉及用于核反应堆结构技术领域，特别是涉及一种嵌入式双流程超临界水堆燃料组件。

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，在热中子谱组件设计中引入了“水棒”设计，在堆芯设计中冷却剂采用了多流程流动方案，造成组件及堆芯结构设计极为复杂且制造困难。此外，还发展了无“水棒”的快中子谱超临界水堆燃料组件及与之相匹配的双流程冷却剂流动方案。但超临界水堆冷却剂平均密度低，会导致无“水棒”燃料组件设计的水密度反应性系数可能为负值，严重影响了堆芯固有安全性。为此，需要在组件中引入固体慢化剂材料，如ZrH、石墨等，给堆芯批次换料方案设计带来了极大困难。另外，冷却剂流动方案采用双流程设计，反应堆堆芯上部需要设置专用的低温冷却剂和高温冷却剂分流结构，也导致堆芯上部的结构设计非常复杂，给堆内构件及相关设备安装带来了较大困难。在理想条件下，基本满足安全设计要求，若考虑制造偏差及实际运行，热谱/快谱燃料组件及堆芯设计方案可行性将面临巨大挑战。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。

技术实现要素：

本发明提供了一种嵌入式双流程超临界水堆燃料组件，该燃料组件结构简单，可有效提高燃料组件制造和使用时的经济性和安全性。

为解决上述问题，本发明提供的一种嵌入式双流程超临界水堆燃料组件通过以下技术要点来解决问题：一种嵌入式双流程超临界水堆燃料组件，包括燃料棒及导向管，还包括组件盒、水棒盒及隔热盒，所述组件盒及隔热盒均为管状结构，且组件盒、隔热盒、导向管、燃料棒相互之间呈平行关系；

所述组件盒套设于隔热盒的外侧，组件盒的两端均位于隔热盒的两端之间；

所述隔热盒内、隔热盒的外壁与组件盒内壁之间的空间内均设置有燃料棒，所述导向管设置于隔热盒内；

所述组件盒上还设置第二流程冷却剂出口及第二流程冷却剂入口，所述第二流程冷却剂出口及第二流程冷却剂入口均位于组件盒侧壁上的；

所述水棒盒为设置于隔热盒内的管状结构，水棒盒的长度方向与隔热盒的长度方向共向。

具体的，以上水棒盒的内孔、组件盒与隔热盒之间的空间、隔热盒的内孔中均为冷却剂的流通通道；本燃料组件中，隔热盒将冷却剂的流程分为两个流程：隔热盒内的第一流程、隔热盒与组件盒之间的第二流程，即第一流程与第二流程中均设置有燃料棒：第一流程中的第一流程区燃料棒、第二流程中的第二流程区燃料棒；对组件盒的两端均位于隔热盒的两端之间的限定，即隔热盒的两端分别相对于组件盒的对应端外凸，这样，隔热盒的两端中，一端为第一流程冷却剂入口，另一端为第一流程冷却剂出口，冷却剂在流经第一流程区时，水棒盒的中空区域亦作为第一流程区的流通通道，这样，水棒盒中的冷却剂作为水棒，在燃料组件工作时起到慢化作用，第一流程区中水棒盒以外的冷却剂，起到对第一流程区燃料棒的冷却作用；在第二流程中，设置的第二流程冷却剂入口作为第二流程冷却剂的入口，第二流程冷却剂出口作为第二流程冷却剂的出口，第一流程冷却剂出口流出的冷却剂通过第二流程冷却剂入口进入到第二流程中。

以上提供的燃料组件方案可代替超临界水堆堆芯双流程流动设计方案，由于第一流程的冷却剂出入口位于隔热盒的端部，第二流程的冷却剂出入口位于组件盒的侧面，同时，导向管和水棒盒均位于第一流程中，故本方案区别于现有技术，可以取消堆芯上部的高温与低温冷却剂分流结构，从而简化压力容器堆内构件设计，减小压力容器内部构件及相关设备安全难度；通过在燃料组件第一流程的中心区设置水棒盒得到水棒，采用与第一流程燃料棒相同的冷却剂流动方案，无需设置独立的冷却剂分流结构，可适度增强组件中子慢化能力，保证水密度具有正反应性系数，取消快中子谱组件设计采用的固体慢化剂；以上燃料组件中由于向其内部通入冷却剂实现方案简单，故相应的堆芯装载设计方案中可采用以上提供的单一燃料组件形式，这样，可显著降低堆芯批次换料设计技术难度。

综上：本发明提出的嵌入式双流程超临界水堆燃料组件，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。

更进一步的，为提升冷却剂对第二流程的冷却能力，以上第二流程冷却剂入口和第二流程冷却剂出口可分别设置在组件盒的不同端部上；为便于实现冷、热冷却剂的分离，将燃料组件的仪表管也布置于第一流程中。

由于堆芯中包括多组燃料组件，作为一种便于向各燃料组件各流程中注入冷却剂的技术方案，优选设置为还包括两块与燃料组件相连的隔板，其中一块隔板设置于第一流程冷却剂入口与第二流程冷却剂出口之间，第二块隔板设置于第二流程冷却剂入口与第二流程冷却剂出口之间，同时，以上两块隔板将压力容器分割为独立的三层，压力容器中各第一流程冷却剂入口均位于最上端的一层中，压力容器中各第二流程冷却剂出口均位于第二层中，压力容器中各第一流程冷却剂出口及第二流程冷却剂入口均位于第三层中，两块隔板上可通过在各自上设置多个通孔完成隔板与本燃料组件的连接，且各隔板与燃料组件的连接点可位置各燃料组件的组件盒上或隔热盒上。这样，相较于现有技术的堆芯构件，本结构的结构简单，设计、装配、维护难度小，向燃料组件中注入冷却剂非常方便，可显著提高堆芯制造和运行的经济性、安全性及工程可行性。

更进一步的技术方案为：

为使得在水棒盒中得到体积更大的水棒，同时降低水棒盒中冷却剂的流量，以实现在保证组件水密度反应性系数为正的条件下，即实现保证组件中子慢化能力的条件下，增加水棒盒以外的第一流程中冷却剂的流速，强化对第一流程区燃料棒的传热，所述水棒盒的两端中，至少有一端的外状呈锥形，且水棒盒锥形端端部的小端端面为水棒盒的端面。本结构中，即将水棒盒的至少一端设置为大小头状，大小头的小端位于水棒盒的自由端，这样，可在水棒盒的至少一端得到一个横截面积减小的缩聚口，即使得水棒盒的对应端部具有较差的流体流通能力。优选将水棒盒的两端均设置成大小头状。

为减小第二流程内冷却剂向第一流程内冷却剂传热的量，以利于冷却剂对燃料棒的冷却能力，所述隔热盒的内壁面和/或外壁面上还设置有隔热层。

为减小第二流程内冷却剂向第一流程内冷却剂传热的量，以利于冷却剂对燃料棒的冷却能力，所述隔热盒由隔热材料制成。

作为一种便于将燃料组件安装于压力容器内的实现形式，还包括堆芯上栅板及堆芯下栅板，所述组件盒的下端设置有呈锥形的锥形段，所述堆芯上栅板及堆芯下栅板上均设置有通孔，所述组件盒的下端的锥形段嵌入堆芯下栅板的通孔中，所述隔热盒的上端穿过堆芯上栅板上的通孔，组件盒的上端与堆芯上栅板的壁面接触。以上堆芯上栅板及堆芯下栅板即用于燃料组件的位置固定，组件盒上端的堆芯上封板即可用作组件盒上端的封板。

作为本领域技术人员，以上组件盒两端的开孔大小可设置为与对应位置的隔热盒外形匹配，如将隔热盒的两端设置成椎体状，隔热盒的两端之间用于容置第二流程区燃料棒。

所述堆芯上栅板及堆芯下栅板上均设置有多个通孔，堆芯上栅板上的各通孔分别用于与不同燃料组件的隔热盒配合，堆芯下栅板上的各通孔分别用于与不同燃料组件上的组件盒配合；

所述第二流程冷却剂入口位于堆芯下栅板下侧，所述第一流程冷却剂出口位于堆芯上栅板与堆芯下栅板之间。本方案中，所述堆芯上栅板和堆芯下栅板相当于为上述的隔板，这样，各燃料组件第一流程排出的冷却剂可在堆芯下栅板与压力容器围成的第三层腔体中混合，再由各燃料组件上组件盒上的第二流程冷却剂入口进入到对应的第二流程中完成对第二流程区燃料棒的冷却。

由于本燃料组件工作在高温环境中，为便于本燃料组件中各部件的形状保持，所述组件盒、隔热盒、导向管、水棒盒的横截面形状均为中心对称图形。

作为一种便于制造和安装、便于控制重心位置的技术方案，所述水棒盒的中心线与隔热盒的中心线共线，所述隔热盒的中心线与组件盒的中心线共线。进一步的，优选设置为燃料棒的排布方式也呈中心对称，对称轴为以上水棒盒的中心线。

本发明具有以下有益效果：

以上提供的燃料组件方案可代替超临界水堆堆芯双流程流动设计方案，由于第一流程的冷却剂出入口位于隔热盒的端部，第二流程的冷却剂出入口位于组件盒的侧面，同时，导向管和水棒盒均位于第一流程中，故本方案区别于现有技术，可以取消堆芯上部的高温与低温冷却剂分流结构，从而简化压力容器堆内构件设计，减小压力容器内部构件及相关设备安全难度；通过在燃料组件第一流程的中心区设置水棒盒得到水棒，采用与第一流程燃料棒相同的冷却剂流动方案，无需设置独立的冷却剂分流结构，可适度增强组件中子慢化能力，保证水密度具有正反应性系数，取消快中子谱组件设计采用的固体慢化剂；以上燃料组件中由于向其内部通入冷却剂实现方案简单，故相应的堆芯装载设计方案中可采用以上提供的单一燃料组件形式，这样，可显著降低堆芯批次换料设计技术难度。

综上：本发明提出的嵌入式双流程超临界水堆燃料组件，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

图1为本发明所述的一种嵌入式双流程超临界水堆燃料组件一个具体实施例的剖面图，该剖面图的截面为横截面，该剖面图中，组件盒、隔热盒、水棒盒的横截面均呈正方形；

图2为本发明所述的一种嵌入式双流程超临界水堆燃料组件一个具体实施例的剖面图，该剖面图的截面为横截面，该剖面图中，组件盒、隔热盒、水棒盒的横截面均呈正六边形；

图3为本发明所述的一种嵌入式双流程超临界水堆燃料组件一个具体实施例的结构示意图。

图中标记分别为：1、组件盒，2、第二流程区燃料棒，3、隔热盒，4、导向管，5、水棒盒，6、第一流程区燃料棒，7、第一流程冷却剂入口，8、第一流程冷却剂出口，9、第二流程冷却剂入口，10、第二流程冷却剂出口，11、堆芯上栅板，12、堆芯下栅板。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步的详细说明，但是本发明不仅限于以下实施例：

实施例1：

如图1至图3所示，一种嵌入式双流程超临界水堆燃料组件，包括燃料棒及导向管4，还包括组件盒1、水棒盒5及隔热盒3，所述组件盒1及隔热盒3均为管状结构，且组件盒1、隔热盒3、导向管4、燃料棒相互之间呈平行关系；

所述组件盒1套设于隔热盒3的外侧，组件盒1的两端均位于隔热盒3的两端之间；

所述隔热盒3内、隔热盒3的外壁与组件盒1内壁之间的空间内均设置有燃料棒，所述导向管4设置于隔热盒3内；

所述组件盒1上还设置第二流程冷却剂出口10及第二流程冷却剂入口9，所述第二流程冷却剂出口10及第二流程冷却剂入口9均位于组件盒1侧壁上的；

所述水棒盒5为设置于隔热盒3内的管状结构，水棒盒5的长度方向与隔热盒3的长度方向共向。

具体的，以上水棒盒5的内孔、组件盒1与隔热盒3之间的空间、隔热盒3的内孔中均为冷却剂的流通通道；本燃料组件中，隔热盒3将冷却剂的流程分为两个流程：隔热盒3内的第一流程、隔热盒3与组件盒1之间的第二流程，即第一流程与第二流程中均设置有燃料棒：第一流程中的第一流程区燃料棒6、第二流程中的第二流程区燃料棒2；对组件盒1的两端均位于隔热盒3的两端之间的限定，即隔热盒3的两端分别相对于组件盒1的对应端外凸，这样，隔热盒3的两端中，一端为第一流程冷却剂入口7，另一端为第一流程冷却剂出口8，冷却剂在流经第一流程区时，水棒盒5的中空区域亦作为第一流程区的流通通道，这样，水棒盒5中的冷却剂作为水棒，在燃料组件工作时起到慢化作用，第一流程区中水棒盒5以外的冷却剂，起到对第一流程区燃料棒6的冷却作用；在第二流程中，设置的第二流程冷却剂入口9作为第二流程冷却剂的入口，第二流程冷却剂出口10作为第二流程冷却剂的出口，第一流程冷却剂出口8流出的冷却剂通过第二流程冷却剂入口9进入到第二流程中。

以上提供的燃料组件方案可代替超临界水堆堆芯双流程流动设计方案，由于第一流程的冷却剂出入口位于隔热盒3的端部，第二流程的冷却剂出入口位于组件盒1的侧面，同时，导向管4和水棒盒5均位于第一流程中，故本方案区别于现有技术，可以取消堆芯上部的高温与低温冷却剂分流结构，从而简化压力容器堆内构件设计，减小压力容器内部构件及相关设备安全难度；通过在燃料组件第一流程的中心区设置水棒盒5得到水棒，采用与第一流程燃料棒相同的冷却剂流动方案，无需设置独立的冷却剂分流结构，可适度增强组件中子慢化能力，保证水密度具有正反应性系数，取消快中子谱组件设计采用的固体慢化剂；以上燃料组件中由于向其内部通入冷却剂实现方案简单，故相应的堆芯装载设计方案中可采用以上提供的单一燃料组件形式，这样，可显著降低堆芯批次换料设计技术难度。

综上：本发明提出的嵌入式双流程超临界水堆燃料组件，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。

更进一步的，为提升冷却剂对第二流程的冷却能力，以上第二流程冷却剂入口9和第二流程冷却剂出口10可分别设置在组件盒1的不同端部上；为便于实现冷、热冷却剂的分离，将燃料组件的仪表管也布置于第一流程中。

由于堆芯中包括多组燃料组件，作为一种便于向各燃料组件各流程中注入冷却剂的技术方案，优选设置为还包括两块与燃料组件相连的隔板，其中一块隔板设置于第一流程冷却剂入口7与第二流程冷却剂出口10之间，第二块隔板设置于第二流程冷却剂入口9与第二流程冷却剂出口10之间，同时，以上两块隔板将压力容器分割为独立的三层，压力容器中各第一流程冷却剂入口7均位于最上端的一层中，压力容器中各第二流程冷却剂出口10均位于第二层中，压力容器中各第一流程冷却剂出口8及第二流程冷却剂入口9均位于第三层中，两块隔板上可通过在各自上设置多个通孔完成隔板与本燃料组件的连接，且各隔板与燃料组件的连接点可位置各燃料组件的组件盒1上或隔热盒3上。这样，相较于现有技术的堆芯构件，本结构的结构简单，设计、装配、维护难度小，向燃料组件中注入冷却剂非常方便，可显著提高堆芯制造和运行的经济性、安全性及工程可行性。

实施例2：

本实施例在实施例1的基础上作进一步限定，如图1至图3所示，为使得在水棒盒5中得到体积更大的水棒，同时降低水棒盒5中冷却剂的流量，以实现在保证组件水密度反应性系数为正的条件下，即实现保证组件中子慢化能力的条件下，增加水棒盒5以外的第一流程中冷却剂的流速，强化对第一流程区燃料棒6的传热，所述水棒盒5的两端中，至少有一端的外状呈锥形，且水棒盒5锥形端端部的小端端面为水棒盒5的端面。本结构中，即将水棒盒5的至少一端设置为大小头状，大小头的小端位于水棒盒5的自由端，这样，可在水棒盒5的至少一端得到一个横截面积减小的缩聚口，即使得水棒盒5的对应端部具有较差的流体流通能力。优选将水棒盒5的两端均设置成大小头状。

为减小第二流程内冷却剂向第一流程内冷却剂传热的量，以利于冷却剂对燃料棒的冷却能力，所述隔热盒3的内壁面和/或外壁面上还设置有隔热层。

为减小第二流程内冷却剂向第一流程内冷却剂传热的量，以利于冷却剂对燃料棒的冷却能力，作为另一种方案，所述隔热盒3由隔热材料制成。

作为一种便于将燃料组件安装于压力容器内的实现形式，还包括堆芯上栅板11及堆芯下栅板12，所述组件盒1的下端设置有呈锥形的锥形段，所述堆芯上栅板11及堆芯下栅板12上均设置有通孔，所述组件盒1的下端的锥形段嵌入堆芯下栅板12的通孔中，所述隔热盒3的上端穿过堆芯上栅板11上的通孔，组件盒1的上端与堆芯上栅板11的壁面接触。以上堆芯上栅板11及堆芯下栅板12即用于燃料组件的位置固定，组件盒1上端的堆芯上封板即可用作组件盒1上端的封板。

作为本领域技术人员，以上组件盒1两端的开孔大小可设置为与对应位置的隔热盒3外形匹配，如将隔热盒3的两端设置成椎体状，隔热盒3的两端之间用于容置第二流程区燃料棒2。

所述堆芯上栅板11及堆芯下栅板12上均设置有多个通孔，堆芯上栅板11上的各通孔分别用于与不同燃料组件的隔热盒3配合，堆芯下栅板12上的各通孔分别用于与不同燃料组件上的组件盒1配合；

所述第二流程冷却剂入口9位于堆芯下栅板12下侧，所述第一流程冷却剂出口8位于堆芯上栅板11与堆芯下栅板12之间。本方案中，所述堆芯上栅板11和堆芯下栅板12相当于为上述的隔板，这样，各燃料组件第一流程排出的冷却剂可在堆芯下栅板12与压力容器围成的第三层腔体中混合，再由各燃料组件上组件盒1上的第二流程冷却剂入口9进入到对应的第二流程中完成对第二流程区燃料棒2的冷却。

实施例3：

本实施例在以上任意一个实施例提供的任意一个技术方案的基础上对本案作进一步限定：由于本燃料组件工作在高温环境中，为便于本燃料组件中各部件的形状保持，所述组件盒1、隔热盒3、导向管4、水棒盒5的横截面形状均为中心对称图形。

作为一种便于制造和安装、便于控制重心位置的技术方案，所述水棒盒5的中心线与隔热盒3的中心线共线，所述隔热盒3的中心线与组件盒1的中心线共线。进一步的，优选设置为燃料棒的排布方式也呈中心对称，对称轴为以上水棒盒5的中心线。

实施例4：

如图1和图3，本实施例在实施例2的基础上，提供了一种具体的实现方案：本实现方式中组件盒1、隔热盒3、水棒盒5的横截面均呈正方形，燃料棒外径为9.5mm，第一流程区燃料棒6按14×14栅格布置，栅距为10.5mm，第一流程共布置12个导向管4和112根燃料棒。每个导向管4占4个栅格位置，导向管4外径为21.0mm，壁厚为1.0mm。水棒盒5位于第一流程的中心区，占用了6×6栅格位置，水棒盒5壁厚为0.5mm。第二流程区燃料棒2按20×20栅格布置，栅距为10.7mm，共布置204根燃料棒。组件盒1壁厚为0.5mm，隔热盒3壁厚度为1.4mm。

图3给出了轴向剖面示意图，低温冷却剂从燃料组件上部的第一流程冷却剂入口7进入组件第一流程，填充水棒盒5及冷却第一流程区燃料棒6，并从组件下部的第一流程冷却剂出口8流出。通过减小水棒盒5上、下端口的流通面积，降低水棒盒5中的冷却剂流量，在保证组件水密度反应性系数为正的条件下，增加第一流程冷却剂流速，强化传热。本实施例中还包括用于对压力容器进行分层的堆芯上栅板11和堆芯下栅板12，所有冷却剂在压力容器下腔室充分搅混后，从组件下端侧面的第二流程冷却剂入口9进入第二流程，冷却第二流程区燃料棒2，并从组件上部侧面的第二流程冷却剂出口10流出。

实施例5：

如图2和图3，本实施例在实施例2的基础上，提供了一种具体的实现方案：本实现方式中组件盒1、隔热盒3、水棒盒5的横截面均呈正六边形，燃料棒外径为9.5mm，按三角形栅格排列。第一流程内共设置了117根燃料棒，栅距为10.5mm，12个导向管4，每个导向管4占用7个棒栅位置。导向管4外径为22mm，壁厚为1.0mm。水棒位于第一流程中心区，占用了61个栅格位置，水棒盒5壁厚为0.5mm。第二流程共设置了276根燃料棒，栅距为10.7mm。组件盒1壁厚为0.5mm，隔热盒3壁厚度为1.4mm。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的技术方案下得出的其他实施方式，均应包含在本发明的保护范围内。