技术领域
[0001] 本
发明涉及
核反应堆技术领域，具体涉及一种基于正方形
燃料组件的单流程
超临界水冷堆。
背景技术
[0002] 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是一种高温高压水冷反应堆，其冷却剂出口参数在水的热
力学
临界点之上。与常规压水堆相比，SCWR热效率可以达到45％以上，并充分利用了现有超临界火
电机组的技术成果。由于水蒸气参数高，采用直接循环，系统可以大幅度简化。SCWR没有DNB现象，燃料包壳采用不锈
钢，彻底消除了潜在的氢暴
风险。
[0003] 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。为了解决SCWR
中子严重欠慢化问题、燃料元件包壳壁温较高问题、冷却剂流动不
稳定性问题等，在燃料组件设计中引入“水棒”设计方法，在堆芯设计中引入了冷却剂双流程流动设计方法等，使得燃料组件及堆芯结构设计非常复杂，工程可实现性大幅度下降。现有的SCWR设计，例如SCLWR-H、HPLWR等，均采用了带“水棒”设计方案、双流程或三流程堆芯设计方案，在理想条件下，其设计结果基本满足要求，但考虑设计、制造偏差及运行过程面临的复杂工况，燃料组件及反应堆堆芯的现有设计方案可能面临巨大的挑战。因此，非常有必要重新考虑更为简单、可靠的燃料组件及堆芯结构方案，实现SCWR经济性、安全性、技术指标及工程可实现性的统一。
[0004] 综上所述，在燃料组件及堆芯设计中面临的主要问题是：为了使燃料组件内每根燃料棒获得充分且均匀慢化，必须设置多个“水棒”且均匀布置；为了使不同流程冷却剂在堆芯内部有效分流，必须在燃料组件上下封头及堆内设置高
低温流体隔离专用结构，上述设计方法虽然保证了燃料经济性、安全性及技术指标，但燃料组件及堆芯结构趋于复杂化，工程可实现性大幅度降低。因此，如何协调SCWR经济性、安全性、技术指标与工程可实现性之间的矛盾，取消燃料组件“水棒”设计、堆芯双流程设计同时避免SCWR本身的一些
缺陷(如SCWR中子严重欠慢化问题、燃料元件包壳壁温较高问题、冷却剂流动不稳定性问题等)是SCWR燃料组件及堆芯设计亟待解决的关键技术问题。
发明内容
[0005] 本发明所要解决的技术问题是：在解决SCWR中子严重欠慢化、燃料元件包壳管壁温较高、冷却剂流动不稳定性等问题时，如何协调SCWR经济性、安全性、技术指标与工程可实现性之间的矛盾，本发明提供了解决上述问题的一种基于正方形燃料组件的单流程超临界水冷堆。
[0006] 本发明通过下述技术方案实现：
[0007] 一种正方形燃料组件，在正方形燃料组件中心处同轴向设置
导向管，所述导向管内同轴向设置
控制棒束；在正方形燃料组件的四
角处、以及外围周向四边的中心点处均同轴向设置
支撑管；在正方形燃料组件的死板与中心处之间同轴向设置若干燃料棒，相邻燃料棒之间的间隙作为冷却剂流道。
[0008] 进一步地，所述导向管占用正方形燃料组件中心处若干个栅格
位置，导向管正方形结构。
[0009] 进一步地，若干个控制棒以导向管的中心为基点呈环形排布构成控制棒束。
[0010] 进一步地，若干燃料棒按照正方形格栅阵列均匀排布。
[0011] 进一步地，所述正方形燃料组件还包括上端
定位架和下端定位架，所述导向管、支撑管和燃料棒安装在上端定位架和下端定位架之间；正方形燃料组件的总高度≤1.5m。利用正方形燃料组件上端定位架和下端定位架进行燃料棒、支撑管、导向管等部件的径向、轴向定位。
[0012] 进一步地，所述燃料棒的包壳材料采用
碳化
硅(SiC)，导向管和支撑管采用
不锈钢材料。本发明包括材料可选择耐高温且中子吸收截面较小的包括材料，优选碳化硅(SiC)作为燃料棒包壳材料。
[0013] 一种基于上述的正方形燃料组件的单流程超临界水冷堆，包括若干正方形通道，若干正方形通道相互邻接后呈蜂窝状整体式结构，蜂窝状整体式结构外设置金属反射层；所述正方形通道用于容纳正方形燃料组件，所述金属反射层内侧边为与蜂窝状整体式结构外侧边
接触适配的不规则多边形结构。
[0014] 进一步地，每个正方形通道的底部设置都设有冷却剂流量分配器。
[0015] 进一步地，每个正方形通道内装入N盒正方形燃料组件，所述N为正整数，1≤N≤10。
[0016] 本发明具有如下的优点和有益效果：
[0017] 现有公开技术中，在燃料组件设计中引入“水棒”设计方法，在堆芯设计中引入了冷却剂双流程流动设计方法等，在理想条件下，其设计结果基本满足要求，对解决SCWR中子严重欠慢化问题、燃料元件包壳壁温较高问题、冷却剂流动不稳定性问题等起到积极作用，但是使得燃料组件及堆芯结构设计非常复杂，在考虑设计、制造偏差及运行过程面临的复杂工况，燃料组件及反应堆堆芯的现有设计方案可能面临巨大的挑战，工程可实现性大幅度下降。取消燃料组件“水棒”设计、堆芯双流程设计同时避免SCWR本身的一些缺陷(如SCWR中子严重欠慢化问题、燃料元件包壳壁温较高问题、冷却剂流动不稳定性问题等)是SCWR燃料组件及堆芯设计亟待解决的关键技术问题。
[0018] 本发明提供的正方形燃料组件总高度可以控制在1.5m以内，正方形燃料组件的承重依赖于导向管和支撑管，一方面中心设置的导向管和正方形四周轴向均匀分布设置的支撑管，所有支撑管以导向管为中心形成不连续的环形支撑结构，环形支撑结构与中心的导向管配合形成稳定的支撑架，环形支撑结构与中心的导向管支撑起的环形腔内设置若干燃料棒，因此对燃料棒包壳材料的支撑强度要求相对降低，此时非常有利于选择耐高温且低中子吸收的碳化硅(SiC)作为包壳材料，从而显著提高了燃料元件壁温限值，对于提高堆芯出口
温度及安全性具有重要作用，同时也显著提高了燃料经济性；燃料元件采用低中子吸收碳化硅(SiC)包壳，不采用强中子吸收的不锈钢包壳，并充分利用位于燃料组件中心位置的大尺寸导向管内冷却剂的中子慢化作用，在取消“水棒”的情况下，能够满足反应堆循环长度要求，显著简化了燃料组件结构，提高了工程可实现性。另一方面，对每一个正方形燃料组件，导向管集中安装在中心部位，支撑管分布在正方形周向边缘处，可使所有燃料棒集中分布在环形支撑结构与中心的导向管支撑起的环形腔内，尤其在每个燃料棒结构参数相同、间隙相同时，则利于冷却剂(又做慢化剂用)在燃料组件内均匀分布，促进热量均匀分布与传递，提高冷却、慢化效果。对于整个堆芯，相邻正方形燃料组件的侧边相互邻接，则各正方形燃料组件侧边处的支撑管集中在一起，这样对于整个堆芯而言，支撑管分布也相对集中、分布均匀，利于保证整体受力稳定，以及热量均匀分布。
[0019] 本发明提供的一种基于上述的正方形燃料组件的单流程超临界水冷堆，堆芯由若干个正方形通道排布成蜂窝状的整体式结构构成，每个正方形通道内设置可设置多盒正方形燃料组件，冷却剂在相邻燃料组件端头连接处得以充分搅混，提高了通道内冷却剂温度分布的均匀性，可以有效提高冷却剂流动的稳定性，使得冷却剂可以采用单流程流动方案，各正方形通道内冷却剂流量固定，大幅度提高了工程可实现性。堆芯底部冷却剂
密度高、顶部冷却剂密度低，新燃料组件由反应堆顶部进入，乏燃料组件从反应堆底部卸出，非常有利于展平堆芯轴向功率分布并提供卸料燃耗，显著提高了超临界水冷堆的燃料经济性。
[0020] 综上所述，本发明提出了一种应用于超临界水冷堆的正方形燃料组件、单流程堆芯，在满足中子经济性、安全性及工程可实现性条件下，可取消“水棒”的燃料组件设计、实现单流程堆芯设计，利于提高燃料管理的经济性。
附图说明
[0021] 此处所说明的附图用来提供对本发明
实施例的进一步理解，构成本
申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
[0022] 图1为本发明的正方形燃料组件径向截面结构示意图；
[0023] 图2为本发明的正方形燃料组件轴向截面局部结构示意图；
[0024] 图3为本发明的单流程超临界水冷堆径向截面结构示意图；
[0025] 图4为本发明的多批次换料装载示意图。
[0026] 附图中标记及对应的零部件名称：1-导向管，2-支撑管，3-燃料棒，4-控制棒束，5-上端定位架，6-下端定位架，7-正方形通道，8-金属反射层，9-冷却剂流量分配器，10-吊篮，11-
压力容器；A-正方形燃料组件。
具体实施方式
[0027] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
[0028] 实施例1
[0029] 本实施例提供了一种正方形燃料组件，在正方形燃料组件中心处同轴向设置1根导向管1，导向管1内同轴向设置控制棒束4；在正方形燃料组件的四角处、以及外围周向四边的中心点处均同轴向设置1根支撑管2，共8根支撑管2；在正方形燃料组件的死板与中心处之间同轴向设置256根燃料棒3。
[0030] 每根燃料棒3的外径为9.5mm，壁厚为0.65mm，包壳材料为SiC；芯体为UO2陶瓷，芯体外径为8.0mm；相邻燃料棒3之间的中心距为10.5mm用作冷却剂流道。燃料棒3的包壳材料采用碳化硅。
[0031] 导向管1占用正方形燃料组件中心处25个栅格位置，导向管1正方形结构，导向管1的对边距为52.0mm、壁厚为3.0mm，导向管1的结构材料为不锈钢。在导向管1的中心处设置1根控制棒，然后6控制棒以导向管1的中心为基点呈环形排布构成控制棒束4，控制棒采用强中子吸收体，控制棒中子吸收体直径为12.0mm。
[0032] 每根支撑管外径为9.5mm、壁厚为2.0mm，包壳材料为不锈钢。
[0033] 256根燃料棒3、8根支撑管2按照正方形格栅阵列均匀排布，正方形燃料组件对边距为179.0mm。
[0034] 正方形燃料组件还包括上端定位架5和下端定位架6，导向管1、支撑管2和燃料棒3安装在上端定位架5和下端定位架6之间，上端定位架5和下端定位架6的高度均为20.0mm；正方形燃料组件的总高度≤1.5m，优选0.5m～1.5m。
[0035] 实施例2
[0036] 本实施例提供一种单流程超临界水冷堆，包括293个正方形通道7，293个正方形通道7相互邻接后呈蜂窝状整体式结构，蜂窝状整体式结构外设置金属反射层8；正方形通道7用于容纳实施例2提供的正方形燃料组件，金属反射层8内侧边为与蜂窝状整体式结构外侧边接触适配的不规则多边形结构。
[0037] 正方形通道7的壁厚为2.0mm，相邻正方形通道7的中心距为182.0mm，结构材料为不锈钢，蜂窝状整体式结构堆芯的外接圆直径为3686mm；金属反射层8的外径为3790mm；吊篮10的外径为3850mm，吊篮10的壁厚为20mm；压力容器11的外径为4610mm，压力容器11的壁厚为300mm。
[0038] 每个正方形通道7的底部设置都设有冷却剂流量分配器9，每个正方形通道内装入N盒正方形燃料组件，所述N为正整数，1≤N≤10。
[0039] 实施例3
[0040] 基于实施例2提供的单流程超临界水冷堆燃料管理方法：
[0041] 本实施例堆芯内每个正方形通道7的底部设置1个冷却剂流量分配器9，根据正方形通道7在堆芯所处位置、堆芯控制棒布置及堆芯三维功率分布形状，对各正方形通道7的冷却剂流量进行调节。
[0042] 根据堆芯功率、高度等参数，采用多批次换料的燃料管理方法，即堆芯每个正方形通道7内设置多盒正方形燃料组件，冷却剂采用单流程流动方案，各正方形通道7冷却剂流量固定，大幅度提高了工程可实现性。堆芯底部冷却剂密度高、顶部冷却剂密度低，新燃料组件由反应堆顶部进入，乏燃料组件从反应堆底部卸出，非常有利于展平堆芯轴向功率分布并提供卸料燃耗，显著提高了超临界水冷堆的燃料经济性。
[0043] 如图4所示的5批次换料单流程超临界水冷堆，每个正方形通道内共设置了5盒正方形燃料组件，正方形燃料组件之间通过上端定位架和下端定位架进行相互连接。每盒正方形燃料组件(含两端定位架)总高度为84cm，堆芯共装载1465盒燃料组件，每次换料从堆芯底部卸出293盒旧组件，从堆芯顶部装入293盒新组件，反应堆芯详细参加见表1。
[0044] 表1超临界水冷堆堆芯主参数
[0045]
[0046]
[0047]
现有技术为避免“SCWR中子严重欠慢化问题、燃料元件包壳壁温较高问题、冷却剂流动不稳定性问题等”，采用了复杂的水棒及多流程设计技术等。本发明充分利用位于组件中心导向管内冷却剂加强中子慢化，且燃料棒包壳采用低中子吸收、耐高温碳化硅(SiC)，在取消水棒条件下，保证了燃料经济性及循环长度，有效解决了现有SCWR中子严重欠慢化问题；本发明充分利用正方形通道底部冷却剂流量分配器，建立功率与流量的严格匹配，进行堆芯径向冷却剂温度展平，正方形通道内轴向相邻组件端头充分搅混冷却剂，提高冷却剂温度在通道内分布的均匀性，从而提高冷却剂流动稳定性；本发明采用碳化硅(SiC)作为燃料包壳管材料，提高耐高温性能，同时增加燃料元件装载量，降低平均线功率密度，从而有效缓解了SCWR燃料元件包壳管壁温较高问题。本发明与现有技术相比简化了燃料组件及堆芯结构，降低了堆芯冷却剂流动复杂度，提高了工程可实现性和经济性。
[0048] 以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何
修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
