[發明專利]一種雙區燃料冷卻劑反向流動燃料組件及超臨界水冷堆

有效

• 申請號: 201611059693.7
• 申請日: 2016-11-25
• 公開（公告）號: CN106448756B
• 公開（公告）日: 2018-04-24
• 發明（設計）人: 夏榜樣;盧迪;王連杰;李慶;李翔
• 申請（專利權）人: 中國核動力研究設計院
• 主分類號: G21C15/02
• 分類號: G21C15/02;G21C15/12;G21C3/32;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: 高俊

技術領域

本發明屬于核反應堆技術領域，特別是涉及一種雙區燃料冷卻劑反向流動燃料組件及超臨界水冷堆。

背景技術

超臨界水冷堆(SCWR)是第IV代核能國際論壇(GIF)篩選出的最具發展前景的六種核能系統之一。SCWR核電機組具有熱效率高、系統簡化等突出優點。但為了解決SCWR中子慢化不足及流動不穩定性問題，在組件設計中引入了“水棒”設計，在堆芯設計中采用了“多流程”流動方案，使得組件及堆芯結構設計非常復雜，工程可實現性大幅度降低。

現有超臨界水冷堆組件及堆芯設計方案，均有“水棒”或固體慢化劑，且冷卻劑為雙流程或三流程。在理想條件下，基本滿足設計要求，若考慮制造偏差及運行面臨的復雜工況，組件及堆芯設計方案可行性面將臨巨大挑戰。此外，為了保證低溫冷卻劑與高溫冷卻劑之間的分流、隔熱，會向堆芯引入大量中子吸收能力較強的結構材料，導致經濟性大幅下降。因此，非常有必要重新考慮超臨界水冷堆組件及堆芯結構設計，實現經濟性、安全性與工程可實現性的協調統一。

發明內容

本發明針對克服現有超臨界水堆燃料組件及堆芯設計缺點，取消組件中的“水棒”或“固體慢化劑”，減少結構材料引入，提高燃料經濟性。其次，取消多流程冷卻劑流動設計方法，簡化堆芯上部結構設計，顯著提高工程可實現性，基于以上發明目的，本發明提供了一種雙區燃料冷卻劑反向流動燃料組件及超臨界水冷堆。

為解決上述問題，本發明提供的一種雙區燃料冷卻劑反向流動燃料組件及超臨界水冷堆通過以下技術要點來解決問題：一種雙區燃料冷卻劑反向流動燃料組件，包括燃料組件本體，所述燃料組件本體包括均呈筒狀的隔熱圍筒及組件盒，所述組件盒套設于隔熱圍筒外部，所述隔熱圍筒內設置有內區燃料棒及導向管，所述隔熱圍筒的外壁與組件盒的內壁之間設置有外區燃料棒，且內區燃料棒、導向管、外區燃料棒均不止一個，內區燃料棒與與之相鄰的導向管或內區燃料棒、外區燃料棒與與之相鄰的外區燃料棒均間隔分布。

具體的，以上燃料棒本體結構中，采用隔熱圍筒將多個燃料組件分割在內區與外區，同時設置的導向管用于插入控制棒或測量儀器，利用組件盒對多個燃料組件進行封裝，便于實現以下冷卻劑在壓力容器內的流動方案：冷卻劑自壓力容器冷端進入，首先流經隔熱圍筒圍成的堆芯，由隔熱圍筒圍成的堆芯流出后經過組件盒內壁與隔熱圍筒外壁之間的堆芯后流出壓力容器。以上結構特點使得本發明提供的燃料組件相較于現有燃料組件，取消了占用多個柵元的“水棒”或“固體慢化劑”，外區無導向管。取消了水棒、固體慢化劑及多流程冷卻劑流動設計，大幅降低了組件、堆內構件等結構設計及堆芯物理設計的技術難度，減少了結構材料，顯著提高中子經濟性及工程可實現性。同時，以上燃料組件的形式代替目前采用的“雙流程或多流程”冷卻劑流動方案，可以大幅簡化了壓力容器結構設計，尤其是上部蒸汽腔室結構，顯著提高了工程可實現性。

作為對以上雙區燃料冷卻劑反向流動燃料組件的更進一步的技術方案：

為了提高燃料利用率、控制功率分布、便于燃料組件設計，隔熱圍筒內的內區燃料棒及導向管相互之間按正方形或六角形柵格排列，隔熱圍筒外壁與組件盒內壁之間的外區燃料棒相互之間按正方形或六角形柵格排列。進一步的，燃料組件的內區、外區采用了不同的燃料棒，內區燃料棒與導向管的幾何尺寸完全相同，。

為了控制內區、外區的功率分布，同時提高外區燃料的利用率，所述內區燃料棒為低富集度UO₂燃料，所述外區燃料棒為高富集度UO₂燃料或者MOX燃料，所述低富集度UO₂燃料為²³⁵U富集度小于5％的UO₂燃料，所述高富集度UO₂燃料為²³⁵U富集度大于或等于5％的UO₂燃料。

為了控制內區、外區的燃料棒之間的冷卻劑流通面積，所述內區燃料棒的棒徑小于或等于外區燃料棒的棒徑，內區燃料棒間距小于或等于外區燃料棒間距。

為了保證導向管中的控制棒始終處于溫度相對較低的冷卻劑中，所述內區燃料棒、導向管、外區燃料棒、隔熱圍筒、組件盒五者的軸線平行，且導向管均布于隔熱圍筒中。