[发明专利]一种双区燃料冷却剂反向流动燃料组件及超临界水冷堆

说明书

技术领域

本发明属于核反应堆技术领域，特别是涉及一种双区燃料冷却剂反向流动燃料组件及超临界水冷堆。

背景技术

超临界水冷堆(SCWR)是第IV代核能国际论坛(GIF)筛选出的最具发展前景的六种核能系统之一。SCWR核电机组具有热效率高、系统简化等突出优点。但为了解决SCWR中子慢化不足及流动不稳定性问题，在组件设计中引入了“水棒”设计，在堆芯设计中采用了“多流程”流动方案，使得组件及堆芯结构设计非常复杂，工程可实现性大幅度降低。

现有超临界水冷堆组件及堆芯设计方案，均有“水棒”或固体慢化剂，且冷却剂为双流程或三流程。在理想条件下，基本满足设计要求，若考虑制造偏差及运行面临的复杂工况，组件及堆芯设计方案可行性面将临巨大挑战。此外，为了保证低温冷却剂与高温冷却剂之间的分流、隔热，会向堆芯引入大量中子吸收能力较强的结构材料，导致经济性大幅下降。因此，非常有必要重新考虑超临界水冷堆组件及堆芯结构设计，实现经济性、安全性与工程可实现性的协调统一。

发明内容

本发明针对克服现有超临界水堆燃料组件及堆芯设计缺点，取消组件中的“水棒”或“固体慢化剂”，减少结构材料引入，提高燃料经济性。其次，取消多流程冷却剂流动设计方法，简化堆芯上部结构设计，显著提高工程可实现性，基于以上发明目的，本发明提供了一种双区燃料冷却剂反向流动燃料组件及超临界水冷堆。

为解决上述问题，本发明提供的一种双区燃料冷却剂反向流动燃料组件及超临界水冷堆通过以下技术要点来解决问题：一种双区燃料冷却剂反向流动燃料组件，包括燃料组件本体，所述燃料组件本体包括均呈筒状的隔热围筒及组件盒，所述组件盒套设于隔热围筒外部，所述隔热围筒内设置有内区燃料棒及导向管，所述隔热围筒的外壁与组件盒的内壁之间设置有外区燃料棒，且内区燃料棒、导向管、外区燃料棒均不止一个，内区燃料棒与与之相邻的导向管或内区燃料棒、外区燃料棒与与之相邻的外区燃料棒均间隔分布。

具体的，以上燃料棒本体结构中，采用隔热围筒将多个燃料组件分割在内区与外区，同时设置的导向管用于插入控制棒或测量仪器，利用组件盒对多个燃料组件进行封装，便于实现以下冷却剂在压力容器内的流动方案：冷却剂自压力容器冷端进入，首先流经隔热围筒围成的堆芯，由隔热围筒围成的堆芯流出后经过组件盒内壁与隔热围筒外壁之间的堆芯后流出压力容器。以上结构特点使得本发明提供的燃料组件相较于现有燃料组件，取消了占用多个栅元的“水棒”或“固体慢化剂”，外区无导向管。取消了水棒、固体慢化剂及多流程冷却剂流动设计，大幅降低了组件、堆内构件等结构设计及堆芯物理设计的技术难度，减少了结构材料，显著提高中子经济性及工程可实现性。同时，以上燃料组件的形式代替目前采用的“双流程或多流程”冷却剂流动方案，可以大幅简化了压力容器结构设计，尤其是上部蒸汽腔室结构，显著提高了工程可实现性。

作为对以上双区燃料冷却剂反向流动燃料组件的更进一步的技术方案：

为了提高燃料利用率、控制功率分布、便于燃料组件设计，隔热围筒内的内区燃料棒及导向管相互之间按正方形或六角形栅格排列，隔热围筒外壁与组件盒内壁之间的外区燃料棒相互之间按正方形或六角形栅格排列。进一步的，燃料组件的内区、外区采用了不同的燃料棒，内区燃料棒与导向管的几何尺寸完全相同，。

为了控制内区、外区的功率分布，同时提高外区燃料的利用率，所述内区燃料棒为低富集度UO₂燃料，所述外区燃料棒为高富集度UO₂燃料或者MOX燃料，所述低富集度UO₂燃料为²³⁵U富集度小于5％的UO₂燃料，所述高富集度UO₂燃料为²³⁵U富集度大于或等于5％的UO₂燃料。

为了控制内区、外区的燃料棒之间的冷却剂流通面积，所述内区燃料棒的棒径小于或等于外区燃料棒的棒径，内区燃料棒间距小于或等于外区燃料棒间距。

为了保证导向管中的控制棒始终处于温度相对较低的冷却剂中，所述内区燃料棒、导向管、外区燃料棒、隔热围筒、组件盒五者的轴线平行，且导向管均布于隔热围筒中。