一种超临界二氧化碳反应堆微球形燃料组件的制作方法

本发明涉及反应堆燃料组件领域，具体涉及一种超临界二氧化碳反应堆微球形燃料组件。

背景技术：

超临界二氧化碳作为冷却剂的传热系数低，而采用超临界二氧化碳冷却剂的反应堆具有较高的出口温度。这就要求使用的燃料组件具有较高的传热能力和高温耐受能力。微球形燃料元件采用直径2-3mm的二氧化铀燃料球外包覆石墨层、碳化硅包壳等工艺，能耐1600℃以上的高温。

采用微球形燃料元件无序堆积形成燃料组件，具有非常高的传热能力，可较好地满足超临界二氧化碳堆对燃料组件的要求。但微球形燃料组件的孔隙率较低，气体流过组件时产生极高的压降，对堆芯设计提出了严峻的挑战。

传统采用微球形燃料元件的燃料组件一般设计成长径比较大的圆筒形，即“桶形设计”，其是将燃料微球在圆筒内无序堆积，以满足堆芯设计对几何结构的基本要求。但此种设计的结果是堆芯具有不可接受的压降，难以具备实际操作性。

如何通过合理的结构和冷却剂流程设计，降低微球形燃料组件堆芯的压降，是决定此种堆芯技术可行性的关键。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是：现有技术中的燃料微球在圆筒内无序堆积，导致堆芯具有不可接受的压降，难以具备实际操作性的问题，本发明的目的在于提供一种超临界二氧化碳反应堆微球形燃料组件，其通过合理的结构和冷却剂流程优化，显著降低气体流过燃料组件的压降，使压降相比传统桶形设计降低90％以上。

本发明通过下述技术方案实现：

一种超临界二氧化碳反应堆微球形燃料组件，包括从上至下顺次设置的上管座、燃料段和下管座；

所述燃料段包括从内至外顺次设置的冷却剂进口腔、燃料微球放置区和冷却剂出口腔，所述冷却剂进口腔与下管座相连通，所述冷却剂出口腔与上管座相连通；

所述燃料微球放置区包括沿着燃料微球放置区的轴向交替设置的支撑结构和环形释热带；所述环形释热带的内侧通过内侧压紧丝网与冷却剂进口腔连通，所述环形释热带外侧也通过外侧压紧丝网与冷却剂出口腔连通，内侧压紧丝网和外侧压紧丝网之间填充有燃料微球。

通过上述结构的设置，冷却气的具体流通过程为：

该超临界二氧化碳反应堆微球形燃料组件用于反应堆堆芯时，冷却剂经下管座沿轴向进入冷却剂入口腔，再横向流过燃料微球，进入冷却剂出口腔，最后经上管座流出。由于冷却剂横向流过燃料微球，冷却剂流通截面积大、行程短，流动阻力相比传统“桶形设计”可降低90％以上，有效解决了微球形燃料元件堆芯存在极高压降的问题。

进一步，所述环形释热带的轴向截面呈梯形结构。所述环形释热带上邻近冷却剂进口腔的一侧为梯形结构的长边。这种进口大、出口小的梯形设计的好处有两个方面：一是该组件用于反应堆时，支撑结构内一般设置为具有中子慢化效果的材料，这种设计能够通过区域慢化能力的不同更均匀的展平堆芯中子通量；二是在于能够有效解决流体“边壁效应”，利用流体流速聚中效应，有效控制边壁处燃料孔隙率高的位置的冷却剂流速，降低漏流，使流过燃料球的冷却剂流速更加均匀分布。

进一步，所述冷却剂进口腔、燃料微球放置区和冷却剂出口腔同轴设置。

进一步，相邻两个支撑结构的轴向距离为200mm～400mm。所述燃料段中支撑结构的数量为3～8个。一方面有利于组件结构的稳定，另一方面有利于燃料组件的制造。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

1、本发明能显著降低气体流过燃料组件的压降，解决采用微球形燃料反应堆堆芯的应用可行性的问题；

2、本发明结构的设置可使流动压降相比传统“桶形设计”降低90％以上，效果十分显著。

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，构成本技术的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为本发明的结构示意图。

附图中标记及对应的零部件名称：

1-上管座，2-支撑结构，3-燃料微球，4-外侧压紧丝网，5-冷却剂进口腔，6-冷却剂出口腔，7-下管座，8-内侧压紧丝网。

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

一种超临界二氧化碳反应堆微球形燃料组件，主要包括上管座1、燃料段、下管座7。其中，燃料段包括从内至外顺次设置的冷却剂进口腔5、燃料微球放置区、冷却剂出口腔6，燃料段构成了“内外空腔、中间释热”的环形“夹心饼干”的几何结构，如图1所示。该冷却剂进口腔5、燃料微球放置区、冷却剂出口腔6可以同轴设置，也可以不同轴，只要燃料微球放置区套接在冷却剂进口腔5外侧，冷却剂出口腔6套接在燃料微球放置区外侧即可，本实施例中优选为同轴设置的方式，如图1所示。

本实施例中该燃料微球放置区由支撑结构2和环形释热带沿着燃料微球放置区的轴向交替设置。环形释热带靠近轴心的内侧设置内侧压紧丝网8，环形释热带远离轴心的外侧设置外侧压紧丝网4。内侧压紧丝网8、外侧压紧丝网4以及相邻两个支撑结构2之间共同构成一个腔体，该腔体内用于放置燃料微球3。即，燃料微球3、内侧压紧丝网8、外侧压紧丝网4以及相邻两个支撑结构2之间的侧壁共同构成环形释热带。通过压紧丝网的设置，在达到固定燃料微球3的同时并有效保障冷却剂的流通。

本实施例中该冷却剂的流通过程如下：

该超临界二氧化碳反应堆微球形燃料组件用于反应堆堆芯时，冷却剂经下管座7沿轴向进入冷却剂入口腔5，再横向流过燃料微球3，进入冷却剂出口腔6，最后经上管座1流出。由于冷却剂横向流过燃料微球3，流通截面积大、行程短，流动阻力相比传统“桶形设计”可降低90％以上，有效解决了微球形燃料元件堆芯存在极高压降的问题。

实施例2

本实施例与实施例1的区别在于，本实施例中主要优化了环形释热带的结构设置，具体如下：

所述环形释热带的轴向截面呈梯形结构，所述环形释热带上邻近冷却剂进口腔5的一侧为梯形结构的长边。

同时，本发明中还优化了支撑结构2的设置，本实施例中沿燃料微球放置区的轴向间隔200mm～400mm布置3～8个支撑结构2。本实施例中该支撑结构2的轴向间隔设置为300mm，支撑结构2的数量布置为4个，具有3个环形释热带与支撑结构2交替排布，如图1所示。

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。

技术特征：

技术总结
本发明公开了一种超临界二氧化碳反应堆微球形燃料组件，解决了现有技术导致堆芯具有不可接受的压降，难以具备实际操作性的问题。本发明包括从上至下顺次设置的上管座、燃料段和下管座；所述燃料段包括从内至外顺次设置的冷却剂进口腔、燃料微球放置区和冷却剂出口腔，所述冷却剂进口腔与下管座相连通，所述冷却剂出口腔与上管座相连通；所述燃料微球放置区包括沿着燃料微球放置区的轴向交替设置的支撑结构和环形释热带；所述环形释热带的内侧通过内侧压紧丝网与冷却剂进口腔连通，所述环形释热带外侧也通过外侧压紧丝网与冷却剂出口腔连通，内侧压紧丝网和外侧压紧丝网之间填充有燃料微球。本发明能显著降低气体流过燃料组件的压降。

技术研发人员：王俊峰;黄彦平
受保护的技术使用者：中国核动力研究设计院
技术研发日：2018.09.13
技术公布日：2019.01.15