CN103366837A

CN103366837A - 一种超临界水冷堆燃料组件及堆芯

Info

Publication number: CN103366837A
Application number: CN2013103105227A
Authority: CN
Inventors: 李庆; 王连杰; 张知竹; 杨平; 夏榜样; 于颖锐; 李翔; 李妍
Original assignee: Nuclear Power Institute of China
Current assignee: Nuclear Power Institute of China
Priority date: 2013-07-23
Filing date: 2013-07-23
Publication date: 2013-10-23

Abstract

本发明公开了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，其特征在于：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。本发明还公开了一种超临界水冷堆单流程堆芯。本发明的优点在于，减少了²³⁵U的装量，经济性好；降低了堆芯结构的复杂性，同时也解决了多流程结构带来的流致振动增加的问题，对燃料组件的结构完整性有利。

Description

一种超临界水冷堆燃料组件及堆芯

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。

作为优选，所述上部的壳体组件由310S钢构成，所述上部的芯体的²³⁵U富集度为5.6%，所述下部的芯体的²³⁵U富集度为2.5%。310S钢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5.6%，该富集度为现有的燃料组件采用310S钢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。

进一步的，为了最大程度降低²³⁵U装量，提高燃料组件的经济性，需要尽量提高下部的芯体的长度。但是，如果下部的芯体的长度过长，在下部的芯体的范围内，冷却水将被加热至相对锆合金耐热能力来说过高的温度，从而对由锆合金构成的下部的壳体组件造成不利影响。为了克服这一问题，将所述上部的芯体与下部的芯体的长度比限定为6:5，此时下部的芯体的长度最大，而且冷却水在下部的芯体的范围内，最高温度不会超过锆合金正常工作的极限温度。

作为优选，所述芯体长5.5m。现有的燃料组件中，芯体长度为4.2m，其出口冷却水温度较低，无法达到超临界水冷堆的要求，这是现有的超临界水冷堆采用多流程结构的主要原因。本发明增加芯体长度至5.5m，冷却水一次通过燃料组件即可被加热至超临界水冷堆要求的温度，如此，使本发明可以用于单流程结构的超临界水冷堆。

为了更好的实现本发明的目的，进一步的，所述上部的芯体的直径小于所述下部的芯体的直径。上述结构能增大燃料组件上部冷却的流通面积，冷却剂在燃料组件上部的流速将放缓，冷却水被上部的芯体加热的时间更长，上部的芯体能够充分对冷却水加热，使冷却水的温度达到预定温度。通过上述结构，能够进一步减少²³⁵U的装量，提高燃料组件的经济性。

一种超临界水冷堆单流程堆芯，采用上述的芯体长度为5.5m的燃料组件，使堆芯采用单流程结构即可将冷却水加热至超临界水冷堆要求的温度，降低了堆芯结构的复杂性，同时也解决了多流程结构带来的流致振动增加的问题，对燃料组件的结构完整性有利。

进一步的，所述燃料组件为121个。燃料组件的数量相对于现有的两流程堆芯的157个显著降低，不但减少了芯体材料的使用量，还使反应堆压力容器尺寸减小，降低了反应堆压力容器尺寸的制造难度和制造尺寸。

综上所述，本发明的优点和有益效果在于：

1．将燃料组件分为上下两部分，针对上下两部分选择不同的材料和不同的芯体²³⁵U富集度，提高了燃料组件的中子经济性；

2．将上部的芯体与下部的芯体的长度比限定为6:5，进一步降低了²³⁵U的装量；

3．将芯体的长度设定为5.5m，使得燃料组件在满足要求的情况下适用于超临界水冷堆单流程堆芯；

4．使上部的芯体的直径小于下部的芯体的直径，在满足出口冷却水温度的情况下，减少了芯体材料的使用量，可最大程度上提高燃料组件的经济性；

5．本发明还公开了一种超临界水冷堆单流程堆芯，降低了堆芯结构的复杂性，同时也解决了多流程结构带来的流致振动增加的问题，对燃料组件的结构完整性有利；

6．在单流程堆芯中，燃料组件为121个，燃料组件的数量相对于现有的两流程堆芯的157个显著降低，不但减少了芯体材料的使用量，还使反应堆压力容器尺寸减小，降低了反应堆压力容器尺寸的制造难度和制造尺寸。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的实施例，下面将对描述本发明实施例中所需要用到的附图作简单的说明。显而易见的，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域的技术人员来讲，在不付出创造性劳动的情况下，还可以根据下面的附图，得到其它附图。

图1为超临界水冷堆燃料组件的轴向结构图；

图2为图1的径向结构图

图3为实施例7的轴向结构图；

图4为实施例8的结构示意图；

图5为实施例9的燃料组件径向布置图；

图6为现有的两流程堆芯的燃料组件径向布置图；

其中，附图标记对应的零部件名称如下：

1-上部组件盒，2-上部慢化剂盒，3-上部芯体，4-上部包壳，5-下部组件盒，6-下部慢化剂盒，7-下部芯体，8-下部包壳，9-燃料组件，10-第一流程燃料组件，11-第二流程燃料组件，12-压力容器，13-吊篮组件，14-蒸汽腔，15-气腔。

具体实施方式

为了使本领域的技术人员更好地理解本发明，下面将结合本发明实施例中的附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。显而易见的，下面所述的实施例仅仅是本发明实施例中的一部分，而不是全部。基于本发明记载的实施例，本领域技术人员在不付出创造性劳动的情况下得到的其它所有实施例，均在本发明保护的范围内。

本文中，富集度指的是芯体材料中，²³⁵U的重量百分比。

实施例1：

如图1和图2所示，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，芯体中部设置有气腔15。所述燃料组件分为上下两部分。上部的壳体组件包括上部组件盒1、上部慢化剂盒2和上部包壳4。上部慢化剂盒2设置于上部组件盒1内部，上部芯体3由上部包壳4包裹并均匀设置于上部慢化剂盒2与上部组件盒1之间。下部的壳体组件包括下部组件盒5、下部慢化剂盒6和下部包壳8。下部慢化剂盒6设置于下部组件盒5内部，下部芯体7由下部包壳8包裹并均匀设置于下部慢化剂盒6与下部组件盒5之间。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。上部芯体3的²³⁵U富集度大于下部芯体7的²³⁵U富集度。

如同现有的燃料组件，上部组件盒1与下部组件盒5构成一个整体，上部慢化剂盒2与下部慢化剂盒6构成一个整体，上部包壳4与对应位置的下部包壳8构成一个整体，上部芯体3与对应位置的下部芯体7构成一个整体。

冷却水燃料组件的下部流入，经过下部芯体7和上部芯体3加热后，再由燃料组件的上部流出。慢化剂由燃料组件的上部流入，经上部慢化剂盒2和下部慢化剂盒6后，从燃料组件的下部流出。

本实施例的结构与现有的燃料组件基本相同，不同之处在于燃料组件分为²³⁵U富集不同且所用材料不同的上下两部分。

本实施例具有如下效果：

减少了下部壳体组件的不利中子吸收，相应的，在降低下部芯体7的²³⁵U富集度的情况下，即可达到与现有的燃料组件相同的加热效率。

需要说明的是，本实施例中燃料组件上下两部分的长度比例并不固定。通常，为了展平燃料组件各处的功率分布，而倾向于通过调整上部芯体3和下部芯体7的²³⁵U富集度，以使燃料组件上部的加热效率和燃料组件下部的加热效率相同，此时燃料组件上下两部分的长度比例可以任意调整。当然，如果不考虑展平燃料组件各处的功率分布，下部芯体7的²³⁵U富集度可以较高，此时，燃料组件下部的长度就相应缩小。

实施例2：

如图1所示，本实施例在实施例1的基础上，所述上部的壳体组件由Inconel718合金构成，所述上部芯体3的²³⁵U富集度为6.2%，所述下部芯体7的²³⁵U富集度为2.5%。现有的燃料组件在采用Inconel718合金制造时，其芯体的²³⁵U富集度通常为6.2%，以取得超临界水冷堆要求的无限增殖因子（Kinf）（无限增殖因子表征在一个无限大的系统内中子的产生率比上中子的消失率）。本实施例为了取得与现有的燃料组件相同的无限增殖因子，将下部芯体7的²³⁵U富集度设定为2.5%。由于锆合金的不利中子吸收少，2.5%的²³⁵U富集度即可实现与采用Inconel718合金时6.2%的²³⁵U富集度相同的无限增殖因子。

本实施例的特点在于：在降低²³⁵U装量的情况下，提供一种几何尺寸与加热效率都与现有的燃料组件相同的超临界水冷堆燃料组件，使本实施例可以与现有的燃料组件互换。

实施例3：

如图1所示，本实施例在实施例1的基础上，所述上部的壳体组件由310S钢构成，所述上部芯体3的²³⁵U富集度为5.6%，所述下部芯体7的²³⁵U富集度为2.5%。现有的燃料组件在采用310S钢制造时，其芯体的²³⁵U富集度通常为5.6%，以取得超临界水冷堆要求的无限增殖因子。本实施例为了取得与现有的燃料组件相同的无限增殖因子，将下部芯体7的²³⁵U富集度设定为2.5%。由于锆合金的不利中子吸收少，2.5%的²³⁵U富集度即可实现与采用310S钢时5.6%的²³⁵U富集度相同的无限增殖因子。

实施例4：

如图1所示，本实施例在实施例2和实施例3的基础上，所述上部芯体3与下部芯体7的长度比为6:5。

为了最大程度降低²³⁵U装量，提高燃料组件的经济性，需要尽量提高下部芯体7的长度。但是，如果下部芯体7的长度过长，在下部芯体7的范围内，冷却水将被加热至相对锆合金极限工作温度来说过高的温度，从而对由锆合金构成的下部的壳体组件造成不利影响。为了克服这一问题，将所述上部芯体3与下部芯体7的长度比限定为6:5，此时下部芯体7的长度最大，而且冷却水在下部芯体7的范围内，被加热至接近（但低于）锆合金的极限工作温度。

表1为实施例2和实施例3采用本实施例中所述的上部芯体3与下部芯体7的长度比时，与现有燃料组件的对比数据。

从表1中，可以看出，当上部芯体3与下部芯体7的长度比6:5时，实施例2中²³⁵U的平均富集度为4.5%，实施例3中²³⁵U的平均富集度为4.2%，相对于现有燃料组件的²³⁵U富集度有大幅降低。

实施例5：

如图1所示，本实施例在实施例2和实施例3的基础上，所述芯体长5.5m。即是上部芯体3和下部芯体7的总长为5.5m。

现有的燃料组件中，芯体长度为4.2m，其出口冷却水温度较低，无法达到超临界水冷堆的要求，这是现有的超临界水冷堆采用多流程结构的主要原因。本实施例增加芯体长度至5.5m，冷却水一次通过燃料组件即可被加热至超临界水冷堆要求的温度，如此，使本实施例可以用于单流程结构的超临界水冷堆。

实施例6：

实施例7：

如图3所示，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。上部的壳体组件包括上部组件盒1、上部慢化剂盒2和上部包壳4。上部慢化剂盒2设置于上部组件盒1内部，上部芯体3由上部包壳4包裹并均匀设置于上部慢化剂盒2与上部组件盒1之间。下部的壳体组件包括下部组件盒5、下部慢化剂盒6和下部包壳8。下部慢化剂盒6设置于下部组件盒5内部，下部芯体7由下部包壳8包裹并均匀设置于下部慢化剂盒6与下部组件盒5之间。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。上部芯体3的²³⁵U富集度大于下部芯体7的²³⁵U富集度。其中，上部芯体3的直径小于下部芯体7的直径。

在本实施例中，上部芯体3的直径减小，增大了冷却水在上部燃料组件内的流通面积，冷却水在上部燃料组件内的流速放缓，冷却水被上部的芯体加热的时间更长，上部芯体3能够充分对冷却水加热，使冷却水的温度达到预定温度。

上部芯体3的直径减小，使得²³⁵U的装量能够进一步减少，提高了燃料组件的经济性。

在本实施例中，下部芯体7的直径8.94mm，上部包壳8外径10.2mm，而上部芯体3的直径减小为6.94mm，上部包壳4的直径相应减小为8.2mm。

实施例8：

如图4所示，一种超临界水冷堆单流程堆芯，其结构于现有的单流程水冷堆基本相同，主要包括压力容器12、吊篮组件13、蒸汽腔14和燃料组件9，燃料组件9采用实施例6中描述的燃料组件。吊篮组件13设置于压力容器12中，蒸汽腔14固定在压力组件12上方，燃料组件9设置于吊篮组件13中，燃料组件9的出口与蒸汽腔14连接。

实施例9：

本实施例在实施例8的基础上，将燃料组件9的数目设定为121个，图5为燃料组件9的径向布置图。

表2为本实施例与传统两流程堆芯的对比数据。

表2中，现有的两流程堆芯中，燃料组件采用310S钢制造。其燃料组件的径向布置如图6所示，由第一流程燃料组件10和第二流程燃料组件11构成。

本实施例中的单流程堆芯，其上部燃料组件采用310S钢制造。

从表2中可以看出，在相同的堆芯热功率、堆芯平均入口温度、堆芯平均出口温度和堆芯寿期的情况下，本实施例只需要采用121个燃料组件，而现有的两流程堆芯需要采用157个燃料组件。本实施例的²³⁵U的平均富集度低于现有的两流程堆芯。本实施例的压力容器12直径小于现有的两流程堆芯。

本实施例相对于现有的两流程堆芯，降低了堆芯结构的复杂性，同时也避免了多流程结构带来的流致振动增加的问题，对燃料组件的结构完整性有利，同时²³⁵U装量更少，具有较高的经济性。本实施例对于压力容器的要求更低，易于制造。

如上所述，便可较好的实现本发明。

本领域技术人员能够意识到的是，可进一步有选择的应用上文多个示例性实施例描述的许多变化和构造来形成本发明的其它可能的实施例。考虑到本领域技术人员的能力，本文未详细提供或描述所有可能重复的内容，但以其它方式所包含的所有组合和可能实施例为本申请的一部分。

Claims

1.一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，其特征在于：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。

2.根据权利要求1所述的一种超临界水冷堆燃料组件，其特征在于：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%。

3.根据权利要求1所述的一种超临界水冷堆燃料组件，其特征在于：所述上部的壳体组件由310S钢构成，所述上部的芯体的²³⁵U富集度为5.6%，所述下部的芯体的²³⁵U富集度为2.5%。

4.根据权利要求2或3所述的一种超临界水冷堆燃料组件，其特征在于：所述上部的芯体与下部的芯体的长度比为6:5。

5.根据权利要求2或3所述的一种超临界水冷堆燃料组件，其特征在于：所述芯体长5.5m。

6.根据权利要求1所述的一种超临界水冷堆燃料组件，其特征在于：所述上部的芯体的直径小于所述下部的芯体的直径。

7.一种超临界水冷堆单流程堆芯：其特征在于：采用权利要求5所述的燃料组件。

8.根据权利要求7所述的一种超临界水冷堆单流程堆芯：其特征在于：所述燃料组件为121个。