[发明专利]一种环形燃料元件及环形燃料超临界水堆

说明书

技术领域

本发明属于反应堆技术领域，涉及一种超临界水堆，尤其是一种具有更高安全性能的环形燃料超临界水堆。

背景技术

超临界水堆(SCWR)是第四代国际论坛(GIF)选定的需要进行研究开发的六种反应堆堆型之一，本质上就是运行在高温高压工况下的反应堆。出口温度为500℃左右，使得SCWR的热效率大约为45％，比目前的轻水堆33％的效率要高得多，同时可以显著简化电厂设施，再加上早已商业化运营的超临界常规电厂的丰富经验，所以SCWR被认为是一种有前途的先进核能系统。

尽管超临界水堆具备了诸多优点，也面临着一些亟待解决的问题。(1)在热谱超临界水堆中，为了满足慢化的要求，基本上都采用慢化剂水洞的方式来实现慢化，这往往会导致堆芯内的功率分布不均匀；(2)与现有的亚临界水堆采用DNBR作为设计限值不同，超临界水堆的热工设计限值为包壳的最高包壳温度。根据镍基包壳材料的性能，要求在正常运行时，其包壳温度不得超过650℃，在发生预计运行事件后，其温度不得超过850℃。现有的超临界水堆设计(如日本，欧洲等)普遍采用传统的棒形燃料元件，通过采用精心挑选的经验关系式和假设，其计算结果基本都能满足设计要求，但如果考虑到设计、制造的偏差，关系式本身的巨大不确定性等，其设计限值可能会突破。因此，有必要重新考虑堆芯燃料元件的结构，来实现安全目标。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种环形燃料超临界水堆，该超临界水堆使用环形燃料元件替代现有的棒状燃料元件，并采用独特的冷却剂流动方案，能有效地降低堆芯内燃料棒的包壳温度和径向功率因子。

本发明的目的是通过以下技术方案来解决的：

这种环形燃料元件，该环形燃料元件是横截面为环形的筒体结构，其从外层至内层分别由外包壳、外气隙、燃料芯块、内气隙和内包壳构成。

一种基于上述环形燃料元件的组件盒，将多个所述环形燃料元件和导向管间隔排列并利用绕丝进行定位后装在组件盒里。

上述环形燃料元件和导向管轴向平行且间隔排列成横截面为正方形的阵列并装在正方形组件盒里构成正方形环形燃料组件；或所述环形燃料元件和导向管轴向平行且间隔排列成横截面为六边形的阵列并装在六边形组件盒里构成六边形环形燃料组件。

进一步的，上述环形燃料元件和导向管在正方形组件盒里轴向平行排列为横截面为17×17的矩阵。

进一步的，将169根上述所说的环形燃料元件和导向管在六边形组件盒里轴向平行排列为横截面为六边形的阵列。

根据以上技术，本发明提出一种环形燃料超临界水堆，该水堆从外到内分别由压力容器、下降段、堆芯吊篮和环形燃料组件组成，所述环形燃料组件是由多个正方形环形燃料组件或六边形环形燃料组件轴向平行排列组成。

本发明具有以下有益效果：

本发明在超临界水堆堆芯内，使用环形元件替代现有的棒状燃料元件，和传统的棒状燃料元件相比，环形燃料元件多一个内通道，具有更大的换热面积，能更快地带走燃料芯块产生的热量，有效地降低燃料芯块和包壳的温度，把环形燃料元件按一定的排列和间距装载在正方形或者六边形的燃料组件盒内，形成环形燃料组件，再把这些正方形或者六边形的环形燃料组件按一定的排列和数量装入堆芯。采用内冷外热的冷却剂流动方案，即冷却剂先流入环形燃料元件的内通道，在堆芯的下腔室混合后，再流入外通道，这样可以保证环形燃料元件内通道的超临界水温度较低，具有较好的慢化能力，从而可以减少慢化剂水洞的数量，达到降低燃料棒径向功率因子，展平堆芯功率分布的目的。

综上所述，本发明可以通过有效地增加传热面积来降低燃料芯块和包壳的温度；且由于作为慢化剂的低温水处于燃料元件的内通道，因此对物理上的反馈更加均匀，可以有效地降低径向功率因子。

附图说明

图1是环形燃料元件的结构图；

图2是冷却剂在环形燃料元件中流动示意图；

图3是17×17正方形环形燃料组件结构示意图；

图4是169棒六边形环形燃料组件结构示意图；

图5是正方形和六边形的环形燃料组件堆芯布置图；

图6是环形燃料超临界水堆堆芯的内部结构图；

表1是环形燃料超临界水堆的主要设计参数。