專利名稱:一種環(huán)形燃料元件及環(huán)形燃料超臨界水堆的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于反應(yīng)堆技術(shù)領(lǐng)域：
，涉及一種超臨界水堆，尤其是一種具有更高安全性能的環(huán)形燃料超臨界水堆。
背景技術(shù)：
超臨界水堆(SCWR)是第四代國際論壇(GIF)選定的需要進(jìn)行研究開發(fā)的六種反應(yīng)堆堆型之一，本質(zhì)上就是運(yùn)行在高溫高壓工況下的反應(yīng)堆。出口溫度為500°C左右，使得 SCffR的熱效率大約為45%，比目前的輕水堆33%的效率要高得多，同時可以顯著簡化電廠設(shè)施，再加上早已商業(yè)化運(yùn)營的超臨界常規(guī)電廠的豐富經(jīng)驗，所以SCWR被認(rèn)為是一種有前途的先進(jìn)核能系統(tǒng)。
盡管超臨界水堆具備了諸多優(yōu)點(diǎn)，也面臨著一些亟待解決的問題。(1)在熱譜超臨界水堆中，為了滿足慢化的要求，基本上都采用慢化劑水洞的方式來實(shí)現(xiàn)慢化，這往往會導(dǎo)致堆芯內(nèi)的功率分布不均勻；(2)與現(xiàn)有的亞臨界水堆采用DNBR作為設(shè)計限值不同，超臨界水堆的熱工設(shè)計限值為包殼的最高包殼溫度。根據(jù)鎳基包殼材料的性能，要求在正常運(yùn)行時，其包殼溫度不得超過650°C，在發(fā)生預(yù)計運(yùn)行事件后，其溫度不得超過850°C?，F(xiàn)有的超臨界水堆設(shè)計(如日本，歐洲等)普遍采用傳統(tǒng)的棒形燃料元件，通過采用精心挑選的經(jīng)驗關(guān)系式和假設(shè)，其計算結(jié)果基本都能滿足設(shè)計要求，但如果考慮到設(shè)計、制造的偏差，關(guān)系式本身的巨大不確定性等，其設(shè)計限值可能會突破。因此，有必要重新考慮堆芯燃料元件的結(jié)構(gòu)，來實(shí)現(xiàn)安全目標(biāo)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，提供一種環(huán)形燃料超臨界水堆，該超臨界水堆使用環(huán)形燃料元件替代現(xiàn)有的棒狀燃料元件，并采用獨(dú)特的冷卻劑流動方案， 能有效地降低堆芯內(nèi)燃料棒的包殼溫度和徑向功率因子。
本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案來解決的
這種環(huán)形燃料元件，該環(huán)形燃料元件是橫截面為環(huán)形的筒體結(jié)構(gòu)，其從外層至內(nèi)層分別由外包殼、外氣隙、燃料芯塊、內(nèi)氣隙和內(nèi)包殼構(gòu)成。
—種基于上述環(huán)形燃料元件的組件盒，將多個所述環(huán)形燃料元件和導(dǎo)向管間隔排列并利用繞絲進(jìn)行定位后裝在組件盒里。
上述環(huán)形燃料元件和導(dǎo)向管軸向平行且間隔排列成橫截面為正方形的陣列并裝在正方形組件盒里構(gòu)成正方形環(huán)形燃料組件；或所述環(huán)形燃料元件和導(dǎo)向管軸向平行且間隔排列成橫截面為六邊形的陣列并裝在六邊形組件盒里構(gòu)成六邊形環(huán)形燃料組件。
進(jìn)一步的，上述環(huán)形燃料元件和導(dǎo)向管在正方形組件盒里軸向平行排列為橫截面為17X17的矩陣。
進(jìn)一步的，將169根上述所說的環(huán)形燃料元件和導(dǎo)向管在六邊形組件盒里軸向平行排列為橫截面為六邊形的陣列。[0011]根據(jù)以上技術(shù)，本發(fā)明提出一種環(huán)形燃料超臨界水堆，該水堆從外到內(nèi)分別由壓力容器、下降段、堆芯吊籃和環(huán)形燃料組件組成，所述環(huán)形燃料組件是由多個正方形環(huán)形燃料組件或六邊形環(huán)形燃料組件軸向平行排列組成。
本發(fā)明具有以下有益效果
本發(fā)明在超臨界水堆堆芯內(nèi)，使用環(huán)形元件替代現(xiàn)有的棒狀燃料元件，和傳統(tǒng)的棒狀燃料元件相比，環(huán)形燃料元件多一個內(nèi)通道，具有更大的換熱面積，能更快地帶走燃料芯塊產(chǎn)生的熱量，有效地降低燃料芯塊和包殼的溫度，把環(huán)形燃料元件按一定的排列和間距裝載在正方形或者六邊形的燃料組件盒內(nèi)，形成環(huán)形燃料組件，再把這些正方形或者六邊形的環(huán)形燃料組件按一定的排列和數(shù)量裝入堆芯。采用內(nèi)冷外熱的冷卻劑流動方案，即冷卻劑先流入環(huán)形燃料元件的內(nèi)通道，在堆芯的下腔室混合后，再流入外通道，這樣可以保證環(huán)形燃料元件內(nèi)通道的超臨界水溫度較低，具有較好的慢化能力，從而可以減少慢化劑水洞的數(shù)量，達(dá)到降低燃料棒徑向功率因子，展平堆芯功率分布的目的。
綜上所述，本發(fā)明可以通過有效地增加傳熱面積來降低燃料芯塊和包殼的溫度； 且由于作為慢化劑的低溫水處于燃料元件的內(nèi)通道，因此對物理上的反饋更加均勻，可以有效地降低徑向功率因子。


圖1是環(huán)形燃料元件的結(jié)構(gòu)圖；
圖2是冷卻劑在環(huán)形燃料元件中流動示意圖；
圖3是17X17正方形環(huán)形燃料組件結(jié)構(gòu)示意圖；
圖4是169棒六邊形環(huán)形燃料組件結(jié)構(gòu)示意圖；
圖5是正方形和六邊形的環(huán)形燃料組件堆芯布置圖；
圖6是環(huán)形燃料超臨界水堆堆芯的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖；
表1是環(huán)形燃料超臨界水堆的主要設(shè)計參數(shù)。
圖中1.外通道，2.內(nèi)通道，3.外包殼，4.外氣隙，5.燃料芯塊，6.內(nèi)氣隙，7.內(nèi)包殼，8.內(nèi)冷卻劑流(下降流)，9.外冷卻劑流(上升流)，10.導(dǎo)向管，11.環(huán)形燃料元件， 12.正方形組件盒，13.六邊形組件盒，14.壓力容器，15.下降段，16.堆芯吊籃，17.正方形環(huán)形燃料組件，18.六邊形環(huán)形燃料組件，19.冷管嘴，20.熱管嘴，21.上部支撐板，22.排管，23.堆芯上板，24.堆芯支撐板。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)描述
本發(fā)明首先提出一種環(huán)形燃料元件11，如圖1所示，該環(huán)形燃料元件11是橫截面為環(huán)形的筒體結(jié)構(gòu)，其從外層至內(nèi)層分別由外包殼3、外氣隙4、燃料芯塊5、內(nèi)氣隙6和內(nèi)包殼7構(gòu)成。各部分尺寸見圖所示，環(huán)形部件的直徑分別為D1、D2、D3、D4、D5、D6。在本發(fā)明的最佳實(shí)施例中，Dl = 8. 63mm、D2 = 9. 78mm、D3 = 9. 90mm、D4 = 14. 1mm、D5 = 14. 2、D6 =15. 4。
在該種環(huán)形燃料元件中，冷卻劑可以同時流過環(huán)形燃料元件的外通道1和內(nèi)通道 2對燃料芯塊5進(jìn)行冷卻。和現(xiàn)有的棒狀燃料元件相比，環(huán)形燃料元件多一個內(nèi)通道2，因此在燃料體積相同情況下，環(huán)形燃料元件具有更大的冷卻面積，能極大地降低燃料芯塊和包殼的溫度。
在圖2中，冷卻劑先從環(huán)形燃料元件的內(nèi)通道2流入，再從外通道1流出，形成了內(nèi)冷卻劑流8和外冷卻劑流9，其中qi和qo分別代表燃料芯塊5傳給內(nèi)冷卻劑流8和外冷卻劑流9的熱流密度。內(nèi)冷卻劑流8的出口溫度是外冷卻劑流9的進(jìn)口溫度，故內(nèi)冷卻劑流8的溫度要比外冷卻劑流9的溫度低得多，此時內(nèi)通道的冷卻劑具有較好的慢化性能，能使燃料慢化更加均勻，從而有效地降低燃料棒的徑向功率因子。
本發(fā)明還提出一種基于以上環(huán)形燃料元件11的組件盒，該組件盒是將多個環(huán)形燃料元件11和導(dǎo)向管10間隔排列并利用繞絲進(jìn)行定位后裝在組件盒里。組件盒的形式有以下兩種
正方形
如圖3所示，將環(huán)形燃料元件11和導(dǎo)向管10軸向平行且間隔排列成橫截面為正方形的陣列并裝在正方形組件盒12里構(gòu)成正方形環(huán)形燃料組件17。
其中導(dǎo)向管10在環(huán)形燃料元件11中的分布的最佳方案如圖3所示，環(huán)形燃料元件11和導(dǎo)向管10在正方形組件盒12里軸向平行排列為橫截面為17X 17的矩陣。導(dǎo)向管 10陣列按照一定的密度穿插分布在具有多個環(huán)形燃料元件11的陣列當(dāng)中，圖中所示的導(dǎo)向管10陣列的外圍為圓形分布，內(nèi)部為正方形分布。每個環(huán)形燃料原件11內(nèi)都需要安裝一定數(shù)量的導(dǎo)向管10，其中組件中心的導(dǎo)向管為中子注量率導(dǎo)向管，其余都是控制棒導(dǎo)向管。
六邊形
如圖4所示，將環(huán)形燃料元件11和導(dǎo)向管10軸向平行且間隔排列成橫截面為六邊形的陣列并裝在六邊形組件盒13里構(gòu)成六邊形環(huán)形燃料組件18。
環(huán)形燃料元件11和導(dǎo)向管10和最佳方案如圖4所示，將總共為169根的環(huán)形燃料元件11和導(dǎo)向管10在六邊形組件盒13里軸向平行排列為橫截面為六邊形的陣列。其中，導(dǎo)向管10的分布和數(shù)量由環(huán)形燃料元件11的數(shù)量決定，并且，在圖示的方案中，導(dǎo)向管 10設(shè)置有13根，排列方式為內(nèi)外兩圈六邊形，中間有一根導(dǎo)向管10，其是中子注量率導(dǎo)向管，其余都是控制棒導(dǎo)向管。
在以上技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，本發(fā)明提出一種環(huán)形燃料超臨界水堆，參見圖5，該水堆從外到內(nèi)分別由壓力容器14、下降段15、堆芯吊籃16和環(huán)形燃料組件組成，其中環(huán)形燃料組件可以由多個正方形環(huán)形燃料組件17或六邊形環(huán)形燃料組件18軸向平行排列組成。 如圖如所示就是由多個正方形環(huán)形燃料組件17排列組成的環(huán)形燃料組件；圖恥所示是由多個六邊形環(huán)形燃料組件18排列組成的環(huán)形燃料組件。
以上環(huán)形燃料超臨界水堆的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖6所示在壓力容器14中設(shè)置有下降段 15、堆芯吊籃16，在下降段15的上端依次設(shè)有堆芯上板23、排管22、上部支撐板21，其中多根排管22設(shè)置在堆芯上板23和上部支撐板21之間，在上部支撐板21上方還設(shè)有用于引出的導(dǎo)向管10，在壓力容器14的下端設(shè)有堆芯支撐板M，本發(fā)明提到的環(huán)形燃料組件就安裝在堆芯支撐板M上，另外，在壓力容器14的中上部分布設(shè)有熱管嘴20和冷管嘴19。
本發(fā)明的環(huán)形燃料超臨界水堆的設(shè)計參數(shù)如表1所示
表1環(huán)形燃料超臨界水堆的主要設(shè)計參數(shù)
5[0038]
權(quán)利要求
1.一種環(huán)形燃料元件，其特征在于，該環(huán)形燃料元件是橫截面為環(huán)形的筒體結(jié)構(gòu)，其從外層至內(nèi)層分別由外包殼(3)、外氣隙(4)、燃料芯塊(5)、內(nèi)氣隙(6)和內(nèi)包殼(7)構(gòu)成。
2.一種基于權(quán)利要求
1所述環(huán)形燃料元件的組件盒，其特征在于，將多個所述環(huán)形燃料元件(11)和導(dǎo)向管(10)間隔排列并利用繞絲進(jìn)行定位后裝在組件盒里。
3.根據(jù)權(quán)利要求
2所述的組件盒，其特征在于，所述環(huán)形燃料元件(11)和導(dǎo)向管(10) 軸向平行且間隔排列成橫截面為正方形的陣列并裝在正方形組件盒(12)里構(gòu)成正方形環(huán)形燃料組件(17)；或所述環(huán)形燃料元件(11)和導(dǎo)向管(10)軸向平行且間隔排列成橫截面為六邊形的陣列并裝在六邊形組件盒(1 里構(gòu)成六邊形環(huán)形燃料組件(18)。
4.根據(jù)權(quán)利要求
3所述的組件盒，其特征在于，所述環(huán)形燃料元件(11)和導(dǎo)向管(10) 在正方形組件盒(12)里軸向平行排列為橫截面為17X17的矩陣。
5.根據(jù)權(quán)利要求
3所述的組件盒，其特征在于，將169根所述環(huán)形燃料元件(11)和導(dǎo)向管(10)在六邊形組件盒(1 里軸向平行排列為橫截面為六邊形的陣列。
6.一種基于權(quán)利要求
1-5任一項的環(huán)形燃料超臨界水堆，其特征在于，從外到內(nèi)分別由壓力容器(14)、下降段(15)、堆芯吊籃(16)和環(huán)形燃料組件組成，所述環(huán)形燃料組件是由多個正方形環(huán)形燃料組件(17)或六邊形環(huán)形燃料組件(18)軸向平行排列組成。
專利摘要
本發(fā)明公開了一種環(huán)形燃料元件及環(huán)形燃料超臨界水堆，該種環(huán)形燃料元件，該環(huán)形燃料元件是橫截面為環(huán)形的筒體結(jié)構(gòu)，其從外層至內(nèi)層分別由外包殼、外氣隙、燃料芯塊、內(nèi)氣隙和內(nèi)包殼構(gòu)成。所述的水堆從外到內(nèi)分別由壓力容器、下降段、堆芯吊籃和環(huán)形燃料組件組成，所述環(huán)形燃料組件是由多個正方形環(huán)形燃料組件或六邊形環(huán)形燃料組件軸向平行排列組成。本發(fā)明可以通過有效地增加傳熱面積來降低燃料芯塊和包殼的溫度；且由于作為慢化劑的低溫水處于燃料元件的內(nèi)通道，因此對物理上的反饋更加均勻，可以有效地降低徑向功率因子。
文檔編號G21C3/08GKCN102354539SQ201110273145
公開日2012年2月15日 申請日期2011年9月15日
發(fā)明者單建強(qiáng), 張博, 朱元兵, 楊玨 申請人:中科華核電技術(shù)研究院有限公司, 西安交通大學(xué)導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan