[發明專利]一種反應堆分層燃料組件

有效

• 申請號: 201310043081.9
• 申請日: 2013-02-04
• 公開（公告）號: CN103137219A
• 公開（公告）日: 2013-06-05
• 發明（設計）人: 李慶;朱發文;程華旸;雷濤;龐華;田盛;李翔
• 申請（專利權）人: 中國核動力研究設計院
• 主分類號: G21C3/322
• 分類號: G21C3/322
• 代理公司: 成都行之專利代理事務所(普通合伙) 51220
• 代理人: 梁田

技術領域

本發明涉及核工業領域，具體涉及一種反應堆燃料組件。

背景技術

長期以來，反應堆的中子經濟性一直是核能行業重點關注的問題。提高反應堆中子經濟性的根本在于減少中子的泄漏和無益吸收。對燃料組件來說，其結構材料和包殼材料需要盡量選用中子吸收較少的合金。

在超臨界水冷堆中，燃料組件為單層結構，其內部的冷卻水流道前后一致，冷卻水從燃料組件的入口進入，經燃料棒加熱后，再由燃料組件的出口排出。在這種結構下，燃料棒會將冷卻水的溫度前后加熱成一致。

由于超臨界水冷堆運行壓力和溫度都很高，燃料組件結構材料不能采用吸收中子較少的鋯合金，而往往選擇不銹鋼或鎳基合金等中子吸收較多的耐高溫材料。例如：歐盟開發的超臨界燃料組件結構材料為不銹鋼，包殼材料為鎳基合金；日本開發的超臨界燃料組件包殼及結構材料均使用鎳基合金。燃料組件結構越復雜，所使用的不銹鋼或鎳基合金越多，中子無益吸收就越多，反應堆的中子經濟性就越差。

發明內容

本發明的目的即在于提供一種反應堆燃料組件，以克服現有的超臨界燃料組件只能使用銹鋼或鎳基合金等中子吸收較多的耐高溫材料，導致反應堆的中子經濟性差的缺陷。

本發明的目的通過以下技術方案實現：

一種反應堆分層燃料組件，包括燃料棒盒，燃料棒盒的內部空間構成冷卻劑流道，所述燃料棒盒包括相互連通的高溫盒和低溫盒，高溫盒中冷卻劑流道的體積大于低溫盒中冷卻劑流道的體積，高溫盒由耐熱合金構成，低溫盒由鋯合金或鈹合金構成。

發明人經過研究發現，冷卻水在現有的超臨界燃料組件中會被加熱至較高的溫度（通常為500℃以上），這種溫度對于中子吸收量較少的材料（如鋯合金或鈹合金）是無法承受的，因此，現有的超臨界燃料組件只能使用銹鋼或鎳基合金等中子吸收較多的耐高溫材料，導致反應堆的中子經濟性差。為了得到中子經濟性高的燃料組件，發明人希望能將鋯合金或鈹合金最大程度的應用到超臨界燃料組件中，而面臨的問題在于如何降低冷卻水溫。最終，發明人發明的技術方案是采用分層設計，將燃料組件分成兩部分，通過控制兩部分中冷卻水流道的體積來控制冷卻水通過燃料棒的速度。在低溫盒中，由于冷卻水流道的體積較小，冷卻水通過低溫盒的速度較快，冷卻水以較短的時間通過燃料棒，燃料棒對冷卻水的加熱時間短，使得低溫盒中冷卻水的溫度較低。經過加熱的冷卻水從低溫盒進入高溫盒，由于高溫盒中冷卻水流道的體積較大，冷卻水流通過高溫盒的速度慢，冷卻水與燃料棒接觸的時間長，燃料棒能夠充分對冷卻水加熱，使冷卻水的溫度達到預定溫度。采用上述結構，在滿足出口冷卻水溫度達到預定值的情況下，使低溫盒中的冷卻水溫低于高溫盒中的冷卻水溫，從而能夠用中子吸收較少但不耐高溫的鋯合金或鈹合金制造低溫盒，提高了反應堆的中子經濟性。

作為本發明的第一個優化方案，所述高溫盒和低溫盒為多個。通過調整高溫盒與低溫盒的數量，進一步調整冷卻水的加熱時間，使本發明更具可控性和適用性。

作為本發明的第二種優化方案，還包括燃料棒，燃料棒分別設置于所述高溫盒和低溫盒內。在高溫盒與低溫盒內分別設置燃料棒，對低溫盒與高溫盒中的冷卻水分開加熱。?

作為第二種優化方案的進一步改進，所述高溫盒內燃料棒的數量少于所述低溫盒內所述燃料棒的數量。要使高溫盒中冷卻劑流道的體積大于低溫盒中冷卻劑流道的體積，可以采用多種方法實現，比如：在長度相同，壁厚相同的情況下，將高溫盒的橫截面積設計得大于低溫盒的橫截面積；長度相同，橫截面積相同的情況下，將高溫盒的壁厚設計得小于低溫盒的壁厚；在壁厚和橫截面積相同的情況下，將高溫盒的長度設計得大于低溫盒的長度。但是，上述三種方式都存在不足：在反應堆內，燃料組件的安裝較為緊密，將高溫盒的橫截面積設計得大于低溫盒的橫截面積必然導致燃料組件安裝困難；將高溫盒的壁厚設計得小于低溫盒的壁厚，不但增加了材料成本，還使得燃料組件的穩定性變差；將高溫盒的長度設計得大于低溫盒的長度，增加了燃料組件的軸向長度，使燃料組件占用空間更大。將上述三種方式任意結合也存在上述問題。需要說明的是，上述三種方式或者三者的結合雖然存在一定不足，但是是能夠實現發明目的的，在本發明的保護范圍之內。

最終，發明人通過控制高溫盒與低溫盒中燃料棒數量的方式來控制冷卻劑流道的橫截面積，從而控制冷卻劑流道的大小。在長度、橫截面積和壁厚都相同的情況下，低溫盒中燃料棒的數量多，燃料棒占用的空間大，低溫盒中冷卻劑流道的橫截面積自然較小，反之高溫盒中冷卻劑流道的橫截面積較大。采用這種方式不影響燃料組件的安裝，不增加材料成本，也不影響燃料組件的結構穩定性。