CN103106929B

CN103106929B - 超临界水堆的改进型环形燃料元件及其构成的燃料组件

Info

Publication number: CN103106929B
Application number: CN201310043002.4A
Authority: CN
Inventors: 夏榜样; 李庆; 李翔; 王连杰; 杨平
Original assignee: Nuclear Power Institute of China
Current assignee: Nuclear Power Institute of China
Priority date: 2013-02-04
Filing date: 2013-02-04
Publication date: 2016-03-02
Anticipated expiration: 2033-02-04
Also published as: CN103106929A

Abstract

本发明超临界水堆的改进型环形燃料元件及其构成的燃料组件，包括内包壳、以及与内包壳同轴套装的外包壳，在内包壳与外包壳之间填充有颗粒燃料，在颗粒燃料与内包壳之间还设置有一层隔热涂层。本发明的环形燃料元件与组件上隔热板、下隔热板、上导流板、下导流板相配合构成燃料组件，有效了实现环形元件内侧慢化剂与其异向流动的外侧冷却剂的分流；组件内无专用控制棒导向管，不仅简化了组件的结构设计，还减少了结构材料使用，提高了经济性；可以充分发挥环形燃料元件慢化均匀、两侧传热、低燃料温度等优势，大幅提高了工程应用可行性，从而可以设计出经济性和安全性更高的超临界水冷堆。

Description

超临界水堆的改进型环形燃料元件及其构成的燃料组件

技术领域

本发明涉及一种核反应堆燃料组件，具体是一种适用于超临界水堆的改进型环形燃料元件及其构成的燃料组件。

背景技术

超临界水堆组件设计需要解决两个关键技术问题：降低燃料芯块及包壳温度；使燃料元件获得充分且均匀的慢化，采用棒元件设计的超临界水堆组件方案，通过引入双流程及水棒设计技术，在一定程度上解决了上述问题，但堆芯结构设计复杂度大幅增加，工程可实现性显著降低，因而，采用更为简单的结构解决上述问题是目前国内外超临界水堆设计中亟待解决的关键技术问题。

环形元件是国际上针对轻水堆开发的新一代高性能燃料元件，其从内到外依次是内包壳、内侧气隙、燃料芯块、外侧气隙、外包壳；与棒状燃料元件相比，环形元件的优势在于两侧换热，能够把热量迅速导出，有效降低燃料包壳温度、热流密度和燃料温度，减少放射性气体在燃料包壳中的释放量。

若将环形元件应用于超临界水堆，则能避免超临界水堆组件设计遇到的技术问题。将环形元件内侧作为慢化剂通道，流向为自上而下，外侧为冷却剂通道，流向为自下而上。在不引入“水棒”设计情况下，依然能够使燃料元件获得充分且均匀慢化。由于环形元件两侧传热，可以适度降低冷却剂流速，甚至可以不采用多流程设计。从上述分析可以看出，采用环形元件能够有效解决SCWR堆芯设计过程中遇到的关键技术问题，而且不引入“水棒”及“多流程”设计，大幅简化燃料组件及堆芯结构设计。目前，国内有关单位以国外已公开的环形燃料元件为基础，设计了基于环形元件的超临界水堆方案，提交了名称为：一种环形燃料元件及环形燃料超临界水堆，申请号为：201110273145.5的专利申请。

但是，该专利依然存在以下关键技术问题：1、无法保证环形元件内侧慢化剂温度低于设定值（通常为380℃）；2、不适用于超临界水堆大尺寸环形元件，而且工程制造的可行性较低；3、不能有效实现环形元件内部慢化剂和外部冷却剂分流。现有轻水堆环形元件以及专利201110273145.5方案，均没有解决上述关键技术问题，也难以将其应用于超临界水堆。

发明内容

本发明的目的在于提供应用于超临界水堆的改进型环形燃料元件及其构成的燃料组件，解决目前环形燃料元件无法适用于超临界反应堆的问题。

本发明的目的通过下述技术方案实现：

本发明提出的超临界水堆的改进型环形燃料元件，包括内包壳、以及与内包壳同轴套装的外包壳，在内包壳与外包壳之间填充有颗粒燃料，在颗粒燃料与内包壳之间还设置有一层隔热涂层。本发明采用UO₂颗粒燃料，代替制造难度大且无法有效定位的大尺寸环形芯块，填充至内外包壳和上下端塞构成的密闭空间，与内外包壳、上下端塞接触，在各种工况下，其状态均比较稳定，非常利于控制燃料通过内、外包壳的导热量；通过改变内包壳隔热涂层的厚度，调整内包壳的导热系数，从而精确控制燃料通过内包壳向慢化剂的导热量，保证内侧慢化剂的出口温度低于380℃；通过调整颗粒燃料疏松度，用以改变裂变气体容纳量；本发明的改进型环形燃料元件，与现有环形燃料元件相比，其几何尺寸显著增加（外径~30cm），从而可以采用内包壳长、外包壳短及异形端塞密封设计方案，再与组件上隔热板、下隔热板、上导流板、下导流板相配合，有效了实现环形元件内侧慢化剂与其异向流动的外侧冷却剂的分流。

所述隔热涂层为氧化锆。

所述内包壳的长度大于外包壳的长度，在内包壳与外包壳的末端开口之间安装有密封塞。

所述密封塞的具有圆锥面。采用具有圆锥面结构的密封塞，密封塞的大直径端面与外包壳端面连接，然后逐渐收缩，不仅有效解决了环形元件的密封问题，而且采用UO₂颗粒燃料，代替制造难度大且无法有效定位的大尺寸环形芯块，填充至内外包壳和上下端塞构成的密闭空间，与内外包壳、上下端塞接触，在各种工况下，其状态均比较稳定，非常利于控制燃料通过内、外包壳的导热量。通过改变内包壳隔热涂层厚度，调整内包壳导热系数，从而精确控制燃料通过内包壳向慢化剂的导热量，保证内侧慢化剂的出口温度低于380℃；还使环形元件的两端外径尺寸明显减小，为冷却剂在堆芯顶部和底部的横向流动提供了较大的流通面积。

在所述外包壳的外表面至少设置有一条凸出于外包壳外表面的肋条，所述肋条在外包壳的轴向侧壁上呈螺旋状均匀分布。外包壳的外表面设置的肋条用于元件之间的径向定位，与其他定位方式相比更加可靠；通过合理布置肋的结构，可以最大限度降低冷却剂的流程阻力。

所述肋条与外包壳为一体结构。

所述肋条的横截面呈矩形或者梯形。肋条的横截面呈矩形或者梯形，使得肋条间的接触为面接触，增强了肋条抗磨蚀性能，作为简单替换，也可以是其它的几何形状。

超临界水堆改进型环形燃料组件，包括组件盒，在组件盒的上、下端口分别安装有上导流板、下导流板，在上导流板与下导流板之间安装有上述的超临界水堆的改进型环形燃料元件，在超临界水堆的改进型环形燃料元件的上端口和下端口分别设置有上隔热板、下隔热板，上导流板与上隔热板之间形成密封的上分流腔，下导流板与下隔热板之间形成密封的下分流腔，在上隔热板上方设置有慢化剂入口腔，在下隔热板下方设置有慢化剂出口腔，所述超临界水堆的改进型环形燃料元件的内部慢化剂通道将慢化剂入口腔与慢化剂出口腔连通。本发明通过上导流板和上隔热板形成了上分流腔，上分流腔通过通孔与组件盒内部连通，上分流腔实现了上部慢化剂和冷却剂分流；通过下导流板和下隔热板形成了下分流腔，实现了下部慢化剂和冷却剂分流，下分流腔通过通孔与组件盒内部连通；在上分流腔、下分流腔的侧面开孔，实现冷却剂的流入和流出，简化了组件结构设计；使用时，慢化剂进入慢化剂入口腔，然后顺着环形燃料元件的内部慢化剂通道自上而下流动，并从慢化剂出口腔流出；同时冷却剂从下分流腔侧壁的开口进入下分流腔，然后通过通孔进入组件盒内，在环形燃料元件的外侧自下而上移动，其流动方向与慢化剂方向相反，再从通孔进入上分流腔，最后从上分流腔侧壁的开孔流出，实现冷却剂的循环。本发明的改进型换料燃料组件由多个几何尺寸完全一致的改进型环形燃料元件构成，采用稠密栅格布置方式；环形元件内包壳可插入控制棒，组件内无控制棒专用导向管，减少结构材料使用量。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

1本发明超临界水堆的改进型环形燃料元件，采用颗粒燃料代替大尺寸环形燃料芯块，填充至内外包壳和上下端塞构成的密闭空间，与内外包壳、上下端塞接触，在各种工况下，其状态均比较稳定，大幅提高了环形元件工程制造可行性；同时通过调整颗粒燃料的疏松度，可以更加有效地容纳裂变气体；在内包壳外表面涂覆隔热涂层，改变其导热系数，可以更为精确控制燃料向慢化剂和冷却剂的导热量，保证内包壳管内慢化剂温度低于设定值；

2本发明超临界水堆的改进型环形燃料元件，上下两端采用具有圆锥面结构的密封塞，大直径端面与外包壳的端面连接，然后逐渐收缩，不仅有效解决了环形元件的密封，还使环形元件的两端外径尺寸明显减小，为冷却剂在堆芯底部和顶部的横向流动提供了较大的流通面积；

3本发明超临界水堆的改进型环形燃料元件，其外包壳与肋条采用了一体结构，相对于金属绕丝等其他定位方式相比更加可靠，结构设计更加简单，通过合理布置肋的条数及旋转角度，可以最大限度降低冷却剂的流程阻力；

4本发明超临界水堆改进型环形燃料组件，通过上导流板和上隔热板形成了上分流腔，上分流腔通过通孔与组件盒内部连通，上分流腔实现了上部慢化剂和冷却剂分流；通过下导流板和下隔热板形成了下分流腔，实现了下部慢化剂和冷却剂分流，下分流腔通过通孔与组件盒内部连通；在上分流腔、下分流腔的侧面开孔，实现冷却剂的流入和流出，简化了组件结构设计；使用时，慢化剂进入慢化剂入口腔，然后顺着环形燃料元件的内部慢化剂通道自上而下流动，并从慢化剂出口腔流出；冷却剂从下分流腔侧壁的开口进入下分流腔，然后通过通孔进入组件盒内，在环形燃料元件的外侧自下而上移动，其流动方向与慢化剂方向相反，再从通孔进入上分流腔，最后从上分流腔侧壁开孔流出，实现冷却剂的循环；

5本发明超临界水堆改进型环形燃料组件，采用的燃料元件几何尺寸完全一致，元件内包壳可插入控制棒，组件内无专用控制棒导向管，不仅简化了组件的结构设计，还减少了结构材料使用，提高了经济性；

6本发明超临界水堆改进型环形燃料组件，解决了环形燃料元件应用于超临界水冷堆的关键技术问题，采用简单的结构设计实现了异形流动的慢化剂与冷却剂分流、慢化剂出口温度低于设定值，可以充分发挥环形燃料元件慢化均匀、两侧传热、低燃料温度等优势，大幅提高了工程应用可行性，从而可以设计出经济性和安全性更高的超临界水冷堆。

附图说明

图1为本发明燃料元件半剖结构示意图；

图2为本发明图1中A-A向横截面结构示意图；

图3为本发明外包壳结构示意图；

图4为本发明环形燃料组件结构示意图。

附图中标记及相应的零部件名称：

1-内包壳，2-外包壳，3-颗粒燃料，4-隔热涂层，5-密封塞，6-肋条，7-组件盒，8-上导流板，9-下导流板，10-上隔热板，11-下隔热板，12-上分流腔，13-下分流腔，14-慢化剂入口腔，15-慢化剂出口腔，16-通孔。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步的详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

实施例

如图1至3所示，本发明超临界水堆的改进型环形燃料元件，包括内包壳1、以及与内包壳1同轴套装的外包壳2，在内包壳1与外包壳2之间填充有UO₂颗粒燃料3，在UO₂颗粒燃料3与内包壳1之间还设置有一层隔热涂层4；外包壳2的外径为32.4mm，内包壳1与外包壳2的厚度均为0.57mm，UO₂颗粒燃料区的厚度为2.5mm，隔热涂层4厚度为0.16mm，内包壳1的内径为24.8mm。外包壳2和内包壳1材料选用不锈钢310S，隔热涂层4选用氧化锆。

本发明超临界水堆改进型环形燃料组件，包括组件盒7，组件盒7材料为310S，厚度为1.5mm，组件由61根改进型环形燃料元件组成，呈三角形排列，为了提高冷却剂流速，采用稠密栅格布置，在组件盒7的上、下端口分别安装有上导流板8、下导流板9，在超临界水堆的改进型环形燃料元件的上端口和下端口分别设置有上隔热板10、下隔热板11，上导流板8与上隔热板10之间形成密封的上分流腔12，下导流板9与下隔热板11之间形成密封的下分流腔13，在上隔热板10上方设置有慢化剂入口腔14，在下隔热板11下方设置有慢化剂出口腔15，改进型环形燃料元件的内部慢化剂通道将慢化剂入口腔14与慢化剂出口腔15连通，在上导流板8和下导流板9上均设施有通孔16。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质上对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化，均落入本发明的保护范围之内。

Claims

1.超临界水堆的改进型环形燃料元件，包括内包壳（1）、以及与内包壳（1）同轴套装的外包壳（2），其特征在于：在内包壳（1）与外包壳（2）之间填充有颗粒燃料（3），在颗粒燃料（3）与内包壳（1）之间还设置有一层隔热涂层（4）；所述内包壳（1）的长度大于外包壳（2）的长度，在内包壳（1）与外包壳（2）的末端开口之间安装有密封塞（5），所述密封塞（5）具有圆锥面。

2.根据权利要求1所述的超临界水堆的改进型环形燃料元件，其特征在于：所述隔热涂层（4）为氧化锆。

3.根据权利要求1至2中任意一项所述的超临界水堆的改进型环形燃料元件，其特征在于：在所述外包壳（2）的外表面至少设置有一条凸出于外包壳（2）外表面的肋条（6），所述肋条（6）在外包壳（2）的轴向侧壁上呈螺旋状均匀分布。

4.根据权利要求3所述的超临界水堆的改进型环形燃料元件，其特征在于：所述肋条（6）与外包壳（2）为一体结构。

5.根据权利要求3所述的超临界水堆的改进型环形燃料元件，其特征在于：所述肋条（6）的横截面呈矩形或者梯形。

6.超临界水堆改进型环形燃料组件，包括组件盒（7），在组件盒（7）的上、下端口分别安装有上导流板（8）、下导流板（9），其特征在于：在上导流板（8）与下导流板（9）之间安装有权利要求1至5中任意一项所述的超临界水堆的改进型环形燃料元件，在超临界水堆的改进型环形燃料元件的上端口和下端口分别设置有上隔热板（10）、下隔热板（11），上导流板（8）与上隔热板（10）之间形成密封的上分流腔（12），下导流板（9）与下隔热板（11）之间形成密封的下分流腔（13），在上隔热板（10）上方设置有慢化剂入口腔（14），在下隔热板（11）下方设置有慢化剂出口腔（15），所述超临界水堆的改进型环形燃料元件的内部慢化剂通道将慢化剂入口腔（14）与慢化剂出口腔（15）连通。