一种双区燃料冷却剂反向流动燃料组件及超临界水冷堆的制作方法

本发明属于核反应堆技术领域，特别是涉及一种双区燃料冷却剂反向流动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(GIF)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。但为了解决SCWR中子慢化不足及流动不稳定性问题，在组件设计中引入了“水棒”设计，在堆芯设计中采用了“多流程”流动方案，使得组件及堆芯结构设计非常复杂，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，且冷却剂为双流程或三流程。在理想条件下，基本满足设计要求，若考虑制造偏差及运行面临的复杂工况，组件及堆芯设计方案可行性面将临巨大挑战。此外，为了保证低温冷却剂与高温冷却剂之间的分流、隔热，会向堆芯引入大量中子吸收能力较强的结构材料，导致经济性大幅下降。因此，非常有必要重新考虑超临界水冷堆组件及堆芯结构设计，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：

本发明针对克服现有超临界水堆燃料组件及堆芯设计缺点，取消组件中的“水棒”或“固体慢化剂”，减少结构材料引入，提高燃料经济性。其次，取消多流程冷却剂流动设计方法，简化堆芯上部结构设计，显著提高工程可实现性，基于以上发明目的，本发明提供了一种双区燃料冷却剂反向流动燃料组件及超临界水冷堆。

为解决上述问题，本发明提供的一种双区燃料冷却剂反向流动燃料组件及超临界水冷堆通过以下技术要点来解决问题：一种双区燃料冷却剂反向流动燃料组件，包括燃料组件本体，所述燃料组件本体包括均呈筒状的隔热围筒及组件盒，所述组件盒套设于隔热围筒外部，所述隔热围筒内设置有内区燃料棒及导向管，所述隔热围筒的外壁与组件盒的内壁之间设置有外区燃料棒，且内区燃料棒、导向管、外区燃料棒均不止一个，内区燃料棒与与之相邻的导向管或内区燃料棒、外区燃料棒与与之相邻的外区燃料棒均间隔分布。

具体的，以上燃料棒本体结构中，采用隔热围筒将多个燃料组件分割在内区与外区，同时设置的导向管用于插入控制棒或测量仪器，利用组件盒对多个燃料组件进行封装，便于实现以下冷却剂在压力容器内的流动方案：冷却剂自压力容器冷端进入，首先流经隔热围筒围成的堆芯，由隔热围筒围成的堆芯流出后经过组件盒内壁与隔热围筒外壁之间的堆芯后流出压力容器。以上结构特点使得本发明提供的燃料组件相较于现有燃料组件，取消了占用多个栅元的“水棒”或“固体慢化剂”，外区无导向管。取消了水棒、固体慢化剂及多流程冷却剂流动设计，大幅降低了组件、堆内构件等结构设计及堆芯物理设计的技术难度，减少了结构材料，显著提高中子经济性及工程可实现性。同时，以上燃料组件的形式代替目前采用的“双流程或多流程”冷却剂流动方案，可以大幅简化了压力容器结构设计，尤其是上部蒸汽腔室结构，显著提高了工程可实现性。

作为对以上双区燃料冷却剂反向流动燃料组件的更进一步的技术方案：

为了提高燃料利用率、控制功率分布、便于燃料组件设计，隔热围筒内的内区燃料棒及导向管相互之间按正方形或六角形栅格排列，隔热围筒外壁与组件盒内壁之间的外区燃料棒相互之间按正方形或六角形栅格排列。进一步的，燃料组件的内区、外区采用了不同的燃料棒，内区燃料棒与导向管的几何尺寸完全相同，。

为了控制内区、外区的功率分布，同时提高外区燃料的利用率，所述内区燃料棒为低富集度UO₂燃料，所述外区燃料棒为高富集度UO₂燃料或者MOX燃料，所述低富集度UO₂燃料为²³⁵U富集度小于5％的UO₂燃料，所述高富集度UO₂燃料为²³⁵U富集度大于或等于5％的UO₂燃料。

为了控制内区、外区的燃料棒之间的冷却剂流通面积，所述内区燃料棒的棒径小于或等于外区燃料棒的棒径，内区燃料棒间距小于或等于外区燃料棒间距。

为了保证导向管中的控制棒始终处于温度相对较低的冷却剂中，所述内区燃料棒、导向管、外区燃料棒、隔热围筒、组件盒五者的轴线平行，且导向筒均布于隔热围筒中。

所述隔热围筒内设置有200根内区燃料棒和25根导向管，隔热围筒外壁与组件盒内壁之间设置有304根外区燃料棒，所述外区燃料棒相互之间、内驱燃料棒与导向管相互之间均按正方形栅格排列，隔热围筒及组件盒垂直于长度方向的截面均为正方形。本方案参考传统采用正方形燃料组件的核电站堆芯设计方案，该方便便于控制燃料组件内不同区域的冷却剂流通面积。

所述隔热围筒内设置有210根内区燃料棒和61根导向管，隔热围筒外壁与组件盒内壁之间设置有360根外区燃料棒，所述外区燃料棒相互之间、内驱燃料棒与导向管相互之间均按六角形栅格排列，隔热围筒及组件盒垂直于长度方向的截面均为六角形。本方案参考传统采用六角形燃料组件的核电站堆芯设计方案，该方便便于控制燃料组件内不同区域的冷却剂流通面积。

同时，本发明公开了一种采用以上双区燃料冷却剂反向流动燃料组件的超临界水冷堆，包括压力容器，所述压力容器内设置有两块分层隔板，以上的两块分层隔板将压力容器内部的空间分割成沿着压力容器轴向方向分布的上腔室、蒸汽腔室及下腔室，蒸汽腔室位于上腔室与下腔室之间，所述蒸汽腔室中还设置有上述所述的双区燃料冷却剂反向流动燃料组件，且所述的双区燃料冷却剂反向流动燃料组件中，隔热围筒的长度长于组件盒的长度，隔热围筒的进口端与出口端分别与上腔室和下腔室相通，组件盒的入口端与下腔室相连，组件盒的出口端位于蒸汽腔室内，所述压力容器上还设置有与上腔室相通的冷却剂入口，压力容器上还设置有与蒸汽腔室相通的冷却剂出口。

具体的，以上提供的超临界水冷堆中，冷却剂在压力容器中的流动方式为：冷却剂至冷却剂入口引入上腔室，然后流经隔热围筒围成的区域，完成对内区燃料棒的冷却，然后由隔热围筒的出口端流进下腔室，再由组件盒的入口进入隔热围筒外壁与组件盒内壁之间的区域，完成对外区燃料棒的冷却，最后由冷却剂出口流出压力容器。以上结构中，优选将下腔室设置在压力容器的封头端，这样，具有一定动能的冷却剂在封头端内壁与相应隔板构成的具有特定形状的下腔室中，能够充分搅匀混合后再进去外区燃料棒冷却区域。

以上压力容器相较于现有核领域的压力容器，取消了水棒、固体慢化剂及多流程冷却剂流动设计，大幅降低了组件、堆内构件等结构设计及堆芯物理设计的技术难度，减少了结构材料，显著提高中子经济性及工程可实现性。同时，以上燃料组件的形式代替目前采用的“双流程或多流程”冷却剂流动方案，可以大幅简化了压力容器结构设计，尤其是上部蒸汽腔室结构，显著提高了工程可实现性。

作为以上超临界水冷堆的进一步技术方案：

作为一种可调节堆芯组件内区及外区局部冷却剂流量的技术方案，以便于获得对不同区域的内区燃料棒或外区燃料棒不同的冷却能力，所述上腔室和下腔室中均设置有用于对冷却剂流动进行导向或限流的节流件。

本发明具有以下有益效果：

本发明提供了一种双区燃料冷却剂反向流动燃料组件及采用该燃料组件的超临界水冷堆，本发明提供的燃料组件结构或超临界水冷堆压力容器结构，相较于现有燃料组件或压力容器，取消了水棒、固体慢化剂及多流程冷却剂流动设计，大幅降低了组件、堆内构件等结构设计及堆芯物理设计的技术难度，减少了结构材料，显著提高中子经济性及工程可实现性。同时，以上燃料组件的形式代替目前采用的“双流程或多流程”冷却剂流动方案，可以大幅简化了压力容器结构设计，尤其是上部蒸汽腔室结构，显著提高了工程可实现性。

附图说明

图1是本发明所述的一种双区燃料冷却剂反向流动燃料组件中，具体一个内区燃料棒、外区燃料棒及导向管相互之间采用正方形双区分布的组件俯视示意图；

图2是本发明所述的一种双区燃料冷却剂反向流动燃料组件中，具体一个内区燃料棒、外区燃料棒及导向管相互之间采用六角形双区分布的组件俯视示意图；

图3是本发明所述的一种采用双区燃料冷却剂反向流动燃料组件的超临界水冷堆具体一个实施例的结构示意图及冷却剂在该水冷堆中的流向图；

图4是本发明所述的一种采用双区燃料冷却剂反向流动燃料组件的超临界水冷堆中，具体一个燃料棒组件采用正方形排列的燃料棒组件示意图；

图5是本发明所述的一种采用双区燃料冷却剂反向流动燃料组件的超临界水冷堆中，具体一个燃料棒组件采用三角形排列的燃料棒组件示意图。

附图中标记及相应零部件的名称：1、外区燃料棒，2、内区燃料棒，3、导向管，4、组件盒，5、隔热围筒，6、压力容器，7、上腔室，8、蒸汽腔室，9、下腔室，10、正方形双区燃料组件，11、六角形双区燃料组件。

具体实施方式

本发明提供了一种双区燃料冷却剂反向流动燃料组件及超临界水冷堆，用于针对克服现有超临界水堆燃料组件及堆芯设计缺点，取消组件中的“水棒”或“固体慢化剂”，减少结构材料引入，提高燃料经济性的问题。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，一种双区燃料冷却剂反向流动燃料组件，包括燃料组件本体，所述燃料组件本体包括均呈筒状的隔热围筒5及组件盒4，所述组件盒4套设于隔热围筒5外部，所述隔热围筒5内设置有内区燃料棒2及导向管3，所述隔热围筒5的外壁与组件盒4的内壁之间设置有外区燃料棒1，且内区燃料棒2、导向管3、外区燃料棒1均不止一个，内区燃料棒2与与之相邻的导向管3或内区燃料棒2、外区燃料棒1与与之相邻的外区燃料棒1均间隔分布。

本实施例中，以上燃料棒本体结构中，采用隔热围筒5将多个燃料组件分割在内区与外区，同时设置的导向管3用于插入控制棒或测量仪器，利用组件盒4对多个燃料组件进行封装，便于实现以下冷却剂在压力容器6内的流动方案：冷却剂自压力容器6冷端进入，首先流经隔热围筒5围成的堆芯，由隔热围筒5围成的堆芯流出后经过组件盒4内壁与隔热围筒5外壁之间的堆芯后流出压力容器6。以上结构特点使得本发明提供的燃料组件相较于现有燃料组件，取消了水棒、固体慢化剂及多流程冷却剂流动设计，大幅降低了组件、堆内构件等结构设计及堆芯物理设计的技术难度，减少了结构材料，显著提高中子经济性及工程可实现性。同时，以上燃料组件的形式代替目前采用的“双流程或多流程”冷却剂流动方案，可以大幅简化了压力容器6结构设计，尤其是上部蒸汽腔室8结构，显著提高了工程可实现性。

同时，本发明公开了一种采用以上双区燃料冷却剂反向流动燃料组件的超临界水冷堆，包括压力容器6，所述压力容器6内设置有两块分层隔板，以上的两块分层隔板将压力容器6内部的空间分割成沿着压力容器6轴向方向分布的上腔室7、蒸汽腔室8及下腔室9，蒸汽腔室8位于上腔室7与下腔室9之间，所述蒸汽腔室8中还设置有上述所述的双区燃料冷却剂反向流动燃料组件，且所述的双区燃料冷却剂反向流动燃料组件中，隔热围筒5的长度长于组件盒4的长度，隔热围筒5的进口端与出口端分别与上腔室7和下腔室9相通，组件盒4的入口端与下腔室9相连，组件盒4的出口端位于蒸汽腔室8内，所述压力容器6上还设置有与上腔室7相通的冷却剂入口，压力容器6上还设置有与蒸汽腔室8相通的冷却剂出口。

具体的，以上提供的超临界水冷堆中，冷却剂在压力容器6中的流动方式为：冷却剂至冷却剂入口引入上腔室7，然后流经隔热围筒5围成的区域，完成对内区燃料棒2的冷却，然后由隔热围筒5的出口端流进下腔室9，再由组件盒4的入口进入隔热围筒5外壁与组件盒4内壁之间的区域，完成对外区燃料棒1的冷却，最后由冷却剂出口流出压力容器6。以上结构中，优选将下腔室9设置在压力容器6的封头端，这样，具有一定动能的冷却剂在封头端内壁与相应隔板构成的具有特定形状的下腔室9中，能够充分搅匀混合后再进去外区燃料棒1冷却区域。

以上压力容器6相较于现有核领域的压力容器6，取消了水棒、固体慢化剂及多流程冷却剂流动设计，大幅降低了组件、堆内构件等结构设计及堆芯物理设计的技术难度，减少了结构材料，显著提高中子经济性及工程可实现性。同时，以上燃料组件的形式代替目前采用的“双流程或多流程”冷却剂流动方案，可以大幅简化了压力容器6结构设计，尤其是上部蒸汽腔室8结构，显著提高了工程可实现性。

实施例2：

本实施例在实施例1提供的燃料组件的基础上作进一步限定或提供具体的实现方式，如图1至图3所述，隔热围筒5内的内区燃料棒2及导向管3相互之间按正方形或六角形栅格排列，隔热围筒5外壁与组件盒4内壁之间的外区燃料棒1相互之间按正方形或六角形栅格排列。

所述内区燃料棒2为低富集度UO₂燃料，所述外区燃料棒1为高富集度UO₂燃料或者MOX燃料，所述低富集度UO₂燃料为²³⁵U富集度小于5％的UO₂燃料，所述高富集度UO₂燃料为²³⁵U富集度大于或等于5％的UO₂燃料。

所述内区燃料棒2的棒径小于或等于外区燃料棒1的棒径，内区燃料棒2间距小于或等于外区燃料棒1间距。

所述内区燃料棒2、导向管3、外区燃料棒1、隔热围筒5、组件盒4五者的轴线平行，且导向筒均布于隔热围筒5中。

所述隔热围筒5内设置有200根内区燃料棒2和25根导向管3，隔热围筒5外壁与组件盒4内壁之间设置有304根外区燃料棒1，所述外区燃料棒1相互之间、内驱燃料棒与导向管3相互之间均按正方形栅格排列，隔热围筒5及组件盒4垂直于长度方向的截面均为正方形。本采用正方形栅格排列的具体一个实现方式如下：内区及外区燃料棒1的棒间距均为1.0mm，组件外区燃料棒1的棒径为9.5mm，组件内区燃料棒2的棒径为9.1mm，导向管3外径为9.1mm，正方形隔热围筒5的壁厚为3.0mm，正方形组件盒4厚度为0.5mm。组件内区燃料棒2为200根，25个导向管3，组件外区燃料棒1为304根，正方形隔热围筒5边长为157.5mm，组件盒4边长为242.5mm。内区燃料为低富集度UO₂，²³⁵U富集度小于5％，外区燃料为高富集度UO₂或MOX，以平衡内外区功率份额，作为最佳方案：外区为MOX燃料，内区为低富集度UO₂燃料。内区冷却剂从组件上端进入，入口温度为280℃，从下端流出；外区冷却剂从组件下端进入，入口温度约为380℃，从组件上端流出，出口温度在500℃以上。

所述隔热围筒5内设置有210根内区燃料棒2和61根导向管3，隔热围筒5外壁与组件盒4内壁之间设置有360根外区燃料棒1，所述外区燃料棒1相互之间、内驱燃料棒与导向管3相互之间均按六角形栅格排列，隔热围筒5及组件盒4垂直于长度方向的截面均为六角形。本采用六角形栅格排列的具体一种实现方式如下：组件外区燃料棒1的棒径为9.5mm，棒间距为1.1mm，组件内区燃料棒2的棒径为9.1mm，导向管3外径为9.1mm，棒间距为1.0mm，六角形隔热围筒5壁厚为2.7mm，组件盒4厚度为0.5mm。组件内区燃料棒2为210根，61个导向管3，组件外区燃料棒1为360根，六角形隔热围筒5对边距为181.7mm，六角形组件盒4对边距为266.1mm。内区燃料为低富集度UO₂，²³⁵U富集度小于5％，外区燃料为高富集度UO₂或MOX，以平衡内外区功率份额，作为最佳方案：外区为MOX燃料，内区为低富集度UO₂燃料。内区冷却剂从组件上端进入，入口温度为280℃，从下端流出；外区冷却剂从组件下端进入，入口温度约为380℃，从组件上端流出，出口温度在500℃以上。其中，MOX燃料为钚铀氧化物混合燃料。

实施例3：

实施例在实施例1提供的超临界水冷堆的基础上作进一步限定或提供具体的实现方式，作为一种可调节堆芯组件内区及外区局部冷却剂流量的技术方案，以便于获得对不同区域的内区燃料棒2或外区燃料棒1不同的冷却能力，所述上腔室7和下腔室9中均设置有用于对冷却剂流动进行导向或限流的节流件。

实施例4：

实施例在提供一种超临界水冷堆的具体实现方式，该方式包括两个具体方案，如图4和图5，图4为采用121盒正方形双区燃料组件，其中，燃料组件中，各组件的间距为1.5mm(相邻的外区燃料棒1、相邻的内区燃料棒2之间的间距)，堆芯外接圆直径为3256mm，其中，标号10即指向正方形双区燃料组件；图5为采用121盒六角形双区燃料组件，其中，燃料组件中，各组件的间距为1.9mm(相邻的外区燃料棒1、相邻的内区燃料棒2之间的间距)，堆芯外接圆直径为3275mm，其中，标号11即指向六角形双区燃料组件。两个方案的其他技术指标如下表所示：

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。