[发明专利]一种超临界水冷堆燃料组件及堆芯

说明书

技术领域

本发明涉及核工业领域，具体涉及一种超临界水冷堆燃料组件和一种超临界水冷堆单流程堆芯。

背景技术

超临界水冷堆（SCWR）是近年来发展较为迅速的第四代核能系统，具有机组热效率高、系统简化等突出优点。其热效率高达44%左右，在经济性上，相比其他反应堆具有很大的优势。

为了提高其热效率，超临界水冷堆采用了较高的堆芯出口温度（约500℃），以及较大的堆芯出入口温差（约220℃），其冷却剂的质量流量约为压水堆的1/10。超临界水冷堆在建造时面临两个非常突出的问题：较高的芯体及燃料棒包壳温度，以及因中子慢化严重不足导致的反应性剧烈下降。为了解决上述问题，参考沸水堆，引入慢化剂水棒设计概念，但是现有的超临界水冷堆依然存在如下问题：

一．限于材料在超临界水冷堆高温高压下机械性能的弱化，燃料组件中，包壳、慢化剂盒及组件盒等结构材料不能使用压水堆中普遍采用的中子不利吸收较少的锆合金，而被迫选择镍基合金或不锈钢等中子不利吸收较多的材料，直接导致燃料组件及堆芯所需的²³⁵U富集度提高，降低了燃料组件和堆芯的中子经济性。

二．为了达到500℃的堆芯出口温度，现有的单流程堆芯已经难以满足要求，有必要设计两流程甚至三流程的堆芯布置方案，这增加了冷却剂流程及堆芯结构设计的复杂性，同时，多流程布置的堆芯所需燃料组件数目较多，堆芯径向尺寸及相应的反应堆压力容器尺寸增大，提高了反应堆压力容器的制造难度及制造成本。

三．径向两流程或三流程的堆芯布置中，冷却剂温度较高的第二或第三流程堆芯区燃料组件内冷却剂密度较低，流速较高，导致组件内流致振动增加，不利于燃料组件的结构完整性。

发明内容

本发明的目的即在于克服现有技术中，燃料组件中子经济性低的不足，提供一种超临界水冷堆燃料组件。

本发明还提供一种超临界水冷堆单流程堆芯，以克服现有堆芯采用多流程导致的结构复杂，径向尺寸大，制造成本高，制造难度大，且流致振动严重的问题。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

一种超临界水冷堆燃料组件，包括壳体组件和设置于壳体组件中的芯体，所述燃料组件分为上下两部分，上部的壳体组件由镍基合金或不锈钢构成，下部的壳体组件由锆合金构成，上部的芯体的²³⁵U富集度大于下部的芯体的²³⁵U富集度。

冷却水从燃料组件的下部流入上部流出，燃料组件下部的冷却水温度自然较低，而燃料组件上部的冷却水温度较高。因此，将下部的壳体组件用锆合金制造，锆合金的耐高温能力较弱，但是中子不利吸收少，可以大幅度减少中子不利吸收，提高燃料组件的中子经济性，使芯体中的²³⁵U得到充分利用。将上部的壳体组件用镍基合金或不锈钢制造，以使其能够适应较高的冷却水温度。

另外，由于下部的壳体组件的中子不利吸收较少，下部的芯体中的²³⁵U利用率得到提高，因此，可以降低下部的芯体中的²³⁵U的富集量。本发明可以使芯体中的²³⁵U装量降低，提高燃料组件中子经济性。

作为优选，所述上部的壳体组件由Inconel718合金构成，所述上部的芯体的²³⁵U富集度为6.2%，所述下部的芯体的²³⁵U富集度为2.5%。Inconel718合金是现有的超临界水冷堆燃料组件中常用的一种材料，具有较好的耐高温性能，将其用于上部的壳体组件，可以承受较高的冷却水温度。上部的芯体的²³⁵U富集度为6.2%，该富集度为现有的燃料组件采用Inconel718合金作为壳体组件时所采用的富集度。由于下部的壳体组件的中子不利吸收较少，下部的芯体的²³⁵U富集度也相应降低，下部的芯体的²³⁵U富集度为2.5%时，其加热效果与现有的燃料组件的加热效果一致。本发明在降低了²³⁵U装量的同时，其加热效果与现有的燃料组件相同。