[发明专利]套管式棒状燃料组件及采用该组件的超临界水冷核反应堆

说明书

技术领域

本发明属于核反应堆工程技术领域，具体涉及一种套管式棒状燃料组件及采用该组件的超临界水冷核反应堆。

背景技术

超临界水冷反应堆采用超临界水作为冷却剂及慢化剂。超临界水是指水的压力、温度高于水的拟临界点（22.12MPa，374.3°C）。其特点是不发生相变，呈单一介质，水温可高达510~620℃，因而热效率可到45%，比目前流行的压水堆高出1/3，经济性好。而且，由于超临界水不发生相变，与现有压水堆相比，超临界水冷反应堆不需要蒸汽发生器、主循环泵、稳压器、汽水分离器和干燥器。另外，超临界水冷堆核能系统作为现有的成熟的压水堆技术和超临界火电站技术结合的自然延伸，其研发成本要低于其他第四代反应堆。当前，国际上正在研制的超临界水冷反应堆主要分为两类，一类是热谱堆芯；另一类是快谱堆芯。其中，热谱堆芯主要有以下三种方案：

A．日本东京大学提出的方形组件方案

B．欧洲提出的组件束方案

C．加拿大提出的重水慢化CANDU型方案

A、B两种方案都是基于轻水冷却及慢化的压力壳式堆芯。它们的组件形式都是闭合式的方形组件，组件内部的燃料棒呈类似压水堆组件燃料的排列。由于超临界水的密度较小，其中子慢化性能较弱。为了增强慢化能力，在组件中都引入了方形的水洞。燃料棒分布在方形水洞四周。由于采用方形水洞，位于水洞四周及角点处的燃料棒受到的慢化作用是不同的，因而功率也是不同的。为了展平组件内部的功率，A方案中在组件外围增加了一圈水洞，B方案采用了不同富集度的燃料棒。这些方案都增加了组件的复杂度。由于在超临界水冷堆中水温可高达500~600℃，运行压力高达25MPa，现有的水堆中广泛使用的锆包壳已不适用，目前多采用中子经济性较差的镍基合金或不锈钢材料。因此为了保证堆芯有足够的寿期，A、B方案中采用的燃料富集度要远高于压水堆中的燃料富集度。

C方案是基于轻水冷却、重水慢化的压力管式堆芯。其组件形式是棒束形组件，组件内部燃料棒呈多圈环形排列。超临界的轻水从组件内部流过冷却燃料棒。重水处于常温常压状态，从组件外部流过，因此组件外围燃料慢化充分。为了展平功率，各圈燃料采用不同富集度。在该组件中，为了获得负的冷却剂空泡系数，确保堆芯安全，组件中心加入了非燃料的中心棒。

上述方案为了确保慢化均匀，采用了不同的措施，增加了组件复杂度。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供了一种套管式棒状燃料组件及采用该组件的超临界水冷核反应堆，具有系统简单，热效率高，安全性好的特点；该反应堆采用的燃料组件具有慢化更均匀，结构更简单，节省铀资源的特点。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种套管式棒状燃料组件，该燃料组件呈环形套管式，由内向外共有六环，分别为水洞壁1、内隔热层2、内环衬管3、外环衬管4、外隔热层5和组件壁6，在所述内环衬管3和外环衬管4间填充有燃料。

所述内环衬管3和外环衬管4间填充的燃料为内外两圈燃料棒。

所述燃料棒由燃料芯块7，燃料包壳9及中间的气隙8组成。

所述内隔热层2和外隔热层5的材料为氧化锆。

所述水洞壁1和组件壁6的材料为碳化硅。

所述内环衬管3和外环衬管4的材料为不锈钢或镍基合金。

一种超临界水冷核反应堆，包括压力容器，所述压力容器包括压力壳12以及置于压力壳12内的堆芯16和控制棒驱动机构10，所述压力壳12的上部和下部分别被上隔离板和下隔离板隔离出上腔室21和下腔室15，压力壳12与堆芯吊篮11之间的间隙形成下降段14，所述堆芯16内竖向垂直放置有多个上述所述的套管式棒状燃料组件，所述多个套管式棒状燃料组件采用截面为三角形排列，套管式棒状燃料组件的水洞壁1和组件壁6向上延伸穿过上隔离板与上腔室21相连，部分套管式棒状燃料组件的水洞壁1同时作为控制棒导向管20，在下隔离板和堆芯16内的套管式棒状燃料组件相连处，对应于每个套管式棒状燃料组件有进水孔。

所述堆芯16放置的套管式棒状燃料组件之间留有间隙。

在所述控制棒导向管20内插有控制棒。

所述控制棒为环形截面，由碳化硼29及其内外包裹的控制棒包壳28组成。

本发明和现有技术相比，具有如下优点：

1、本发明燃料组件采用环形套管式棒状燃料组件，保证了冷却剂慢化均匀，因此，不需要采用不同富集度的燃料，降低了燃料组件复杂度。