[发明专利]一种基于叠加式燃料组件的超临界水冷堆

说明书

本发明公开了一种基于叠加式燃料组件的超临界水冷堆，包括燃料组件通道和控制棒组件通道，燃料组件通道和控制棒组件通道均呈正六角形或正方形；每个控制棒组件通道的外侧沿周向连续排布燃料组件通道构成一个单元组件，由若干单元组件交错阵列排布构成蜂窝状的堆芯整体结构；燃料组件通道内布置不同富集度标准的燃料组件，且沿燃料组件通道轴向由下至上方向上，燃料组件的富集度逐渐增加；控制棒组件通道内用于安装控制棒束。本发明在不引入慢化水棒及多流程流动方案的条件下，有效解决了超临界水冷堆面临的轴向温度及冷却剂密度变化过大、堆芯中子慢化能力分布不均衡等关键问题，显著简化了燃料组件及堆芯布置方案，提高了工程可实现性。

技术领域

本发明涉及核反应堆技术领域，具体涉及一种基于叠加式燃料组件的超临界水冷堆。

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，尽管SCWR具有诸多优点，但在燃料组件及堆芯设计方面尚存在亟待解决的问题：

1、为了提高系统的热效率，SCWR系统压力达到25MPa，反应堆出口温度达到了500℃，部分先进设计概念甚至高达600℃，出入口温差也达到200℃～300℃以上，使得燃料组件在轴向需要承担巨大的冷却剂温差变化及应力变化，给SCWR燃料组件的安全性及完整性提出了巨大挑战。

2、冷却剂密度沿反应堆轴向剧烈变化，在反应堆底部入口处的冷却剂密度约为0.7g/cm³，而反应堆上部出口处的冷却剂密度降至0.1g/cm³，堆芯中子慢化能力分布严重不平衡，导致堆芯下部功率密度高，沿轴向逐步减小，堆芯上部功率密度最低。

3、控制棒从堆芯上部插入，逐步提出堆芯，因而堆芯上部的控制棒中子吸收能力大，堆芯下部的控制棒中子吸收能力小，进一步加剧了堆芯功率分布的不均匀特征，这给SCWR的热工安全带来了巨大挑战。

为了解决上述问题，国内外提出的主要超临界水冷堆方案，例如：欧盟HPLWR、日本SCLWR-H等方案，在堆芯设计中冷却剂均采用了“多流程”流动方案，以解决燃料组件轴向温差变化较大问题；在燃料组件内部引入慢化水棒，以解决堆芯中子慢化严重不平衡问题。

但上述设计的引入，导致燃料组件及堆芯结构非常复杂，在理想设计运行条件下才基本满足设计要求，若考虑制造偏差及运行面临的复杂工况，燃料组件及堆芯设计方案可行性面将临巨大挑战。因此，非常有必要重新考虑SCWR燃料组件及堆芯方案，提高工程可实现性。

发明内容

针对上述问题，本发明提供了解决上述问题的一种基于叠加式燃料组件的超临界水冷堆设计，在不引入慢化水棒及多流程流动方案的条件下，有效解决了超临界水冷堆面临的轴向温度及冷却剂密度变化大、堆芯中子慢化能力分布不均衡等关键问题，简化了燃料组件及堆芯布置方案，提高了工程可实现性。

本发明通过下述技术方案实现：

一种基于叠加式燃料组件的超临界水冷堆，包括若干燃料组件通道和若干控制棒组件通道，所述燃料组件通道和控制棒组件通道均呈正六角形或正方形；每个控制棒组件通道的外侧沿周向连续排布燃料组件通道构成一个单元组件，由若干单元组件交错阵列排布构成蜂窝状的堆芯整体结构；燃料组件通道内布置不同富集度标准的燃料组件，且沿燃料组件通道轴向由下至上方向上，燃料组件的富集度逐渐增加；控制棒组件通道内用于安装控制棒束。

进一步地，所述控制棒组件通道内侧壁设置隔热层。

进一步地，所述燃料组件径向截面为与燃料组件通道适配的正六角形或正方形；燃料组件包括仪表管和若干燃料棒，所述仪表管位于燃料组件中心处，若干燃料棒在中心处外围呈正六角形或正方形阵列排布。

进一步地，所述燃料组件内，相邻燃料棒的径向间距在0.5mm～4.0mm范围内；燃料组件的轴向高度在10.0cm～110.0cm范围内。