一种环形燃料元件及基于环形燃料元件的钠冷快堆堆芯

本发明属于核反应堆，更具体地说，本发明涉及一种环形燃料元件及基于环形燃料元件的钠冷快堆堆芯。

背景技术：

1、目前世界上核电站主要运营的堆型为压水堆，但随着核电的发展，对核电的安全性和经济性等重要参数有了更高的要求，2022年第四代核能系统确定了6种核能系统作为开发重点，分别是气冷快堆系统(gfr)、铅冷快堆系统(lfr)、熔盐堆系统(msr)、钠冷快堆系统(sfr)、超临界水冷堆系统(scwr)、超高温气冷堆系统(vhtr)。钠冷快堆在工程技术上最为成熟，是第四代核能系统的首选堆型。反应堆小型模块化是未来反应堆发展的重要趋势之一，小型模块化反应堆具有良好的安全设计理念和结构简化的特点，在海水淡化、城市供热以及船舶推进等领域具有重大优势。钠冷快堆本身具有换料周期长、占地体积小等特点，非常符合小型化的要求。全球有多个国家已建成钠冷快堆作为实验用途和商业用途。

2、环形燃料组件是核燃料发展的重要趋势，目前国内外学者关于环形燃料元件的研究大多基于压水堆开展的，有少数学者基于铅冷快堆开展研究，关于环形燃料钠冷快堆的文献鲜有报道。

技术实现思路

1、本发明的一个目的是解决至少上述问题和/或缺陷，并提供至少后面将说明的优点。

2、为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了一种环形燃料元件，包括：

3、第一包壳，其内部设置有钠冷却剂通道，所述钠冷却剂通道内填充有钠冷却剂；

4、所述第一包壳的外部设置有第一氦气层，所述第一氦气层的外部设置有燃料芯块，所述燃料芯块的外部设置有第二氦气层，所述第二氦气层的外部设置有第二包壳；

5、所述第一包壳、第一氦气层、燃料芯块、第二氦气层和第二包壳的截面均呈环形。

6、优选的是，其中，所述第一包壳和第二包壳的材料为zr-4合金。

7、优选的是，其中，所述第一包壳和第二包壳的厚度为0.4mm，所述第一氦气层和第二氦气层的厚度为0.2mm，所述第一包壳的外径为2.3～13mm，所述第一包壳的内径为1.9～12.6mm，所述第二包壳的外径为2.8～5.3mm，所述第二包壳的内径为1.9～4.9mm；所述燃料芯块的内径为2.4～3.7mm，所述燃料芯块的外径为4.8mm，燃料芯块的钠铀比为0.86～3.09。

8、一种环形燃料组件，其由环形燃料元件排列而成，三根相邻燃料元件之间采用三角形格栅结构连接，且37根燃料元件排列为一个正六边形棒束，所述正六边形棒束安装在不锈钢组件包壳中，构成一个环形燃料组件。

9、优选的是，其中，所述环形燃料组件为四环环形燃料组件或五环环形燃料组件，所述四环环形燃料组件每个边装载有四根环形燃料元件，所述五环环形燃料组件每个边装载有五根环形燃料元件。

10、一种钠冷快堆堆芯，其装载有环形燃料组件，所述钠冷快堆堆芯包括156个外区环形燃料组件、118个中区环形燃料组件和117个内区环形燃料组件，所述外区环形燃料组件活性区高度为56.76cm，所述中区环形燃料组件和内区环形燃料组件的活性区高度为46.76mm；所述内区环形燃料组件的燃料富集度为19.5％，所述中区环形燃料组件的燃料富集度为22.1％，所述外区环形燃料组件的燃料富集度为24.7％。

11、优选的是，其中，所述钠冷快堆堆芯使用的控制棒组件的结构包括：

12、7根控制棒元件，每根控制棒元件内装填有控制棒吸收体芯块，所述吸收体芯块的外部设置有控制棒包壳，所述吸收体芯块与控制棒包壳之间设置有气隙；

13、控制棒束外套，7根所述控制棒元件插入设置在所述控制棒束外套内；7根控制棒元件中的6根控制棒元件在控制棒束外套内呈六边环形排布，另一根控制棒元件设置在6根控制棒元件的中心位置处；

14、控制棒导向管，所述控制棒束外套设置在所述控制棒导向管内。

15、优选的是，其中，所述控制棒吸收体芯块的材料为碳化硼、二硼化铪、氢化铪中的一种；其中碳化硼控制棒吸收体芯块的密度为10.4g/cm2，二硼化铪控制棒吸收体芯块的密度为10.5g/cm2，氢化铪控制棒吸收体芯块的密度为13.0g/cm2；所述控制棒组件包括安全棒组件、调节棒组件和补偿棒组件，以碳化硼或二硼化铪作为控制棒吸收体芯块材料的控制棒组件中，所述安全棒组件的10b富集度为80％，补偿棒组件的10b富集度为60％，调节棒组件的10b富集度为19.8％。

16、优选的是，其中，所述控制棒包壳的外径为23mm，所述吸收体芯块的外径为22mm，所述吸收体芯块与控制棒包壳之间的气隙厚度为1mm；所述控制棒束外套的材料为不锈钢，所述控制棒束外套的壁厚为2.5mm；所述控制棒导向管的对边距为94.5cm。

17、优选的是，其中，所述控制棒组件在所述钠冷快堆堆芯内采用四种不同的装载方案，所述装载方案包括：

18、方案一、所述控制棒组件装载在钠冷快堆堆芯的燃料内区，在燃料内区装载有4组安全棒组件，24组补偿棒组件和3组调节棒组件；其中1组安全棒组件位于钠冷快堆堆芯中心位置，另外3组安全棒组件与3组调节棒组件在中心的安全棒组件外围呈正六边形间隔排布，24组补偿棒组件分成两圈围绕安全棒组件和调节棒组件的外围呈正六边形间隔排布；

19、方案二、所述控制棒组件装载在钠冷快堆堆芯的燃料内区，在燃料内区装载有16组安全棒组件，12组补偿棒组件和3组调节棒组件；其中1组安全棒组件位于钠冷快堆堆芯中心位置，在钠冷快堆堆芯中心位置的外围装载有3组安全棒组件和3组调节棒组件，且3组安全棒组件和3组调节棒组件呈正六边形间隔排布，剩余12组安全棒组件呈正六边形布置在3组安全棒组件和3组调节帮组件的外围，12组补偿棒组件呈正六边形布置在12组安全棒组件的外围；

20、方案三、在钠冷快堆堆芯的燃料内区中，中心位置装载有1组安全棒组件，在中心位置的外围分别对称装载有呈正六边形排布的2组调节棒组件和4组补偿棒组件，在2组调节棒组件和4组调节棒组件的外围装载有呈正六边形排布的12组安全棒组件；在钠冷快堆堆芯的燃料中区中装载有12组呈正六边形排布的补偿棒组件；

21、方案四、在钠冷快堆堆芯的燃料内区中，在中心位置的外围分别对称装载有呈正六边形排布的2组调节棒组件和4组补偿棒组件，在2组调节棒组件和4组调节棒组件的外围装载有呈正六边形排布的12组安全棒组件；在钠冷快堆堆芯的燃料中区中装载有12组呈正六边形排布的补偿棒组件。

22、本发明至少包括以下有益效果：本发明创新性地在钠冷快堆堆芯上装载环形燃料组件，环形燃料元件具有两个冷却表面，传热面积-体积比增加，芯块导热路径减小，能大幅降低燃料峰值温度，可在保持充分安全裕度的条件下，有效提升反应堆功率密度。

23、本发明公开的钠冷快堆环形燃料组件装载方案设计，结果表明，环形燃料钠冷快堆拥有良好的安全性能，满足卡棒准则要求，能够维持长寿期运行，本装载方案设计在堆芯物理方面完全可行。

24、装载环形燃料元件的小型钠冷快堆中子能谱较传统棒状燃料元件堆芯更硬，钠反应性空泡系数为负，堆芯失钠时处于深次临界状态，并且可以在50mwth-300mwth功率范围内实现长寿期稳定运行，卸料最大燃耗深度不超过65gwd/th；最后验证了堆芯控制系统满足卡棒准则，第一、第二控制系统均可使堆芯达到1$以上的停堆裕量。综上，小型钠冷快堆使用环形燃料元件从中子学性能上来讲可行性较强，本发明可为我国发展小型钠冷快堆环形燃料堆芯提供理论支撑。

25、本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。