技术领域
[0001] 本
发明涉及
核反应堆技术领域，具体涉及一种套管式
燃料组件及
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。为了提高系统的热效率，获得更高的经济性，系统运行压
力约为25MPa，出口
温度则达到500℃以上，使得
堆芯冷却剂的平均温度较高、
密度较低，导致堆芯热工安全裕量小且需要采用较高的燃料富集度，显著影响超临界水冷堆(SCWR)的技术指标及市场竞争力。为此，国内外超临界水冷堆设计方案采用了较为复杂的燃料组件结构、反应堆总体结构，用以增加反应堆的热工安全裕量及经济性，但显著降低了超临界水冷堆(SCWR)的工程可实现性。因此，非常有必要探索结构形式更为简单的SCWR燃料组件方案，以提高超临界水冷堆(SCWR)燃料组件及堆芯设计的工程可实现性和经济性。
发明内容
[0003] 本发明的目的在于提供一种能够实现冷却剂隐式双流程流动的套管式燃料组件，有效解决现有由于采用慢化水棒、冷却剂多流程设计及高
低温流体分流技术，导致的燃料组件及堆芯结构复杂化问题，同时确保堆芯冷却剂流速、强化
传热能力及安全性。
[0004] 此外，本发明还提供基于上述套管式燃料组件的超临界水冷堆，所述超临界水冷堆具有结构简单的优点。
[0005] 本发明通过下述技术方案实现：
[0006] 一种套管式燃料组件，所述燃料组件沿着径向由内到外依次为内内管和外管，所述内管所围区域为内区，所述内区内布置有内区燃料棒，外管与内管之间的区域为外区，所述外区内布置有外区燃料棒，所述外管的上部为开口结构，下部为封闭式结构，所述内管的两端均为开口结构，冷却剂在外区从上向下流动，冷却剂在内区从下向上流动，所述内区燃料棒的燃料富集度高于外区燃料棒的燃料富集度。
[0007] 本发明外管的上部为冷却剂的入口，下部用于隔离不同流向的冷却剂。
[0008] 本发明的冷却剂从外管的上部开口端进入外管后，向下流动至外管的下部封闭端，在封闭端处改变流向进入内管下部，冷却剂在内管内向上流动，从内管的上端流出，为隐式双流程流动方案。
[0009] 本发明所述燃料组件内部不设置慢化水棒及
导向管，显著简化了燃料组件方案；燃料组件采用径向分区设计方法，以及更为简单可靠的单流程冷却剂流动方案，低温冷却剂从堆芯顶部进入燃料组件外区，不但显著简化了堆芯结构，还提高了冷却剂流速，强化了冷却剂传
热能力。
[0010] 沿燃料组件径向分区越多，燃料组件结构越复杂，本发明综合考虑了燃料组件的结构复杂度、冷却剂在燃料区流速及传热能力、低温冷却剂从堆芯进入燃料组件的可行性、高温冷却剂从燃料组件流出的可行性等因素，燃料组件沿径向分为两区，即在组件尺度实现冷却剂的隐式双流程流动。
[0011] 进一步地，内管的上部凸出于外管，保证燃料组件外区低温冷却剂与内区高温冷却剂之间的隔离，使内区高温冷却剂向上流入
压力容器蒸汽腔室。
[0012] 进一步地，燃料组件为圆柱状结构，便于相邻的3个燃料组件构成的三
角形低温冷却剂通道区域面积最大化，在此区域布置导向管或其它测量装置。
[0013] 进一步地，内区燃料棒和外区燃料棒均采用圆环状布置，与内管、外管形状匹配，燃料棒装载量最大化，提高燃料装载量并降低燃料棒平均线功率密度，同时减少燃料组件内的冷却剂无效流通面积。
[0014] 进一步地，内区燃料棒布置165根，所述外区燃料棒布置169根，内区与外区燃料棒的功率份额及平均线功率密度基本一致。
[0015] 进一步地，内管的半径为90.5mm，壁厚为1.0mm，内管不承担燃料组件整体重量，具有较高
隔热能力，减少内区高温冷却剂与外区低温冷却剂之间的导热量。
[0016] 进一步地，外管的半径为128mm，壁厚为2.0mm，外管承担燃料组件整体总量，并维持燃料组件几何形状，隔热能力较低。
[0017] 进一步地，内区燃料棒和外区燃料棒的外径均为9.5mm。
[0018] 一种包括套管式燃料组件的超临界水冷堆，所述超临界水冷堆由若干燃料组件及导向管构成，所述燃料组件按照正三角形栅格进行排列，导向管布置在3个相邻燃料组件形成的正三角形区域中心
位置。
[0019] 所述燃料组件及导向管在压力容器内始终置于低温冷却剂中，增加了燃料组件结构及堆芯结构的安全裕量，确保堆芯的热工安全。
[0020] 进一步地，导向管的外径为40mm，壁厚为1.0mm，任意两个相邻燃料组件的中心距为270mm，采用外径达到34mm的大尺寸
控制棒吸收体，强化堆芯
反应性控制能力。
[0021] 本发明与
现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
[0022] 本发明所述燃料组件内部不设置慢化水棒及导向管，显著简化了燃料组件方案；燃料组件采用径向分区设计方法，以及更为简单可靠的单流程冷却剂流动方案，低温冷却剂从堆芯顶部进入燃料组件外区，不但显著简化了堆芯结构，还提高了冷却剂流速，强化了冷却剂传热能力。
附图说明
[0023] 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：
[0024] 图1为燃料组件分区示意图；
[0025] 图2为燃料组件内冷却剂流动过程示意图；
[0026] 图3为超临界水冷堆堆芯布置示意图；
[0027] 图4为压力容器内冷却剂流动示意图。
[0028] 附图中标记及对应的零部件名称：
[0029] 1-外管，2-内管，3-内区燃料棒，4-外区燃料棒，5-燃料组件，6-导向管，7-压力容器蒸汽腔室。
具体实施方式
[0030] 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。
[0031] 实施例1：
[0032] 如图1、图2所示，一种套管式燃料组件，所述燃料组件5沿着径向由内到外依次为内内管2和外管1所述内管2的半径为90.5mm，壁厚为1.0mm，所述外管1的半径为128mm，壁厚为2.0mm，所述内管2所围区域为内区，所述内区内布置有内区燃料棒3，外管1与内管2之间的区域为外区，所述外区内布置有外区燃料棒4，内区燃料棒3和外区燃料棒4的外径为Φ9.5mm，包壳厚度为0.57mm，燃料芯体为UO2陶瓷燃料，芯体直径为8.19mm，包壳材料为不锈
钢，所述外管1的上部为开口结构，为冷却剂进入口，下部为封闭式结构，用于隔离不同流向的冷却剂，所述内管2的两端均为开口结构，冷却剂从下端流入，从上端流出，内管具有隔热能力，即冷却剂在外区从上向下流动，冷却剂在内区从下向上流动，所述内区燃料棒3的燃料富集度高于外区燃料棒4的燃料富集度，燃料组件径向功率分布更加平坦，所述内管2的上部凸出于外管1，所述燃料组件5为圆柱状结构；所述内区燃料棒3和外区燃料棒4均采用圆环状布置；所述内区燃料棒3布置165根，所述外区燃料棒4布置169根，所述燃料组件5的结构均为
不锈钢。
[0033] 实施例2：
[0034] 如图3、图4所示，一种包括实施例1所述套管式燃料组件的超临界水冷堆，所述超临界水冷堆由211盒燃料组件5及372根导向管6构成，所述燃料组件5按照正三角形栅格进行排列，导向管6布置在3个相邻燃料组件5形成的正三角形区域中心位置，任意两个相邻燃料组件5的中心距为270mm，导向管6的外径为40mm，壁厚为1.0mm。堆芯外接圆直径为4364mm，活性区高度为4200mm。堆芯热功率为3600MWth，体
平均功率密度为64.4MW/m3，平均线功率密度为10.6kW/m。
[0035] 在本实施例中，冷却剂从压力容器的冷端进入后，沿压力容器环腔向下进入下腔室，充分搅混后，从圆柱状的燃料组件5之间的通道向上流动，充满堆芯活性区并承担堆芯
中子慢化功能。冷却剂从燃料组件5上部流入燃料组件5的外区，向下流动并冷却外区燃料棒4，在燃料组件5的底部改变方向，进入内区，向上流动冷却剂内区燃料棒3，流出燃料组件5后进入压力容器蒸汽腔室7，再经过压力容器热端流出。反应堆的燃料组件5及导向管6在任意工况下，均置于低温冷却剂之中，大幅提高了反应堆安全性。
[0036] 反应堆堆芯详细设计参数见表1。
[0037] 表1超临界水冷堆主参数
[0038]
[0039]
[0040] 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。
