本发明专利技术提供一种适用于超临界水堆的组合式方形燃料组件、堆芯及慢化剂冷却剂双流程流动方法。所述燃料组件由4个相同子组件以2×2排列成方形构成，每个子组件由若干燃料棒以正方形栅格形式排列构成，中央区域设置水棒，组件上方设置十字形控制棒导向筒及水棒导管，下部设置水棒导管及慢化剂导流管；所述堆芯分成第1、2流程区；慢化剂在双流程中均自上而下流进水棒及子组件间；冷却剂自上而下流进第1流程燃料区；慢化剂和冷却剂在堆芯下部搅混后，自下而上流入第2流程燃料区，流出堆芯。本发明专利技术保证燃料棒获得充分且均匀慢化时，能实现组件及堆芯内慢化剂与冷却剂之间、不同流程冷却剂之间有效分流，且减少结构材料，可行性及安全性高。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及ー种核反应堆燃料组件、由该种燃料组件构成的反应堆堆芯及ー种慢化剂与冷却剂 流动方法，具体是ー种适用于超临界水堆的组合式方形燃料组件、反应堆堆芯、慢化剂与冷却剂双流程流动方法。
技术介绍
超临界水堆是最具发展前景的第IV代核能系统之一，具有机组热效率高、系统简化等突出优点。为了进ー步提高热效率，超临界水堆采用了较高的堆芯出口温度(500°C)以及较大的堆芯出入口温差(500°C /280°C)，冷却剂质量流量约为压水堆的1/10，导致超临界水堆组件设计需要解决两个非常突出的问题较高的燃料芯块及燃料棒包壳温度，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，引入了水棒设计概念，水棒即布置在燃料组件内、占用多个栅格位置的、带隔热层的管道，其内部慢化剂密度较大，用于增强堆芯的中子慢化能力。但进行燃料组件设计时，依然需要解决如下关键问题1)使水棒在组件内的分布尽可能均匀，从而燃料组件内的每根燃料棒获得充分且均匀的慢化；2)实现冷流体(慢化剂)和热流体(冷却剤)在反应堆堆芯内部有效分流；3)尽可能减少结构材料、简化结构设计，使得燃料组件设计方案具有工程可实现性。目前国内外已提出的几种超临界水堆燃料组件设计方案，在实现燃料棒充分且均勻慢化、冷流体(慢化剂)与热流体(冷却剂)有效分流、减少结构材料，以及提高结构设计可行性等方面难以获得较好平衡。从结构设计的工程可实现性角度出发，欧盟HPLWR超临界水堆采用了如下设计方案燃料组件由9个小尺寸子组件构成，采用外径为8. Omm的燃料元件，水棒及子组件之间的间隙均为冷流体通道。水棒内设置导向管，中心子组件及与其相邻的4个子组件的导向管内插入控制棒，其余均不插入控制棒。该组件设计方案结构简单，利于制造，但其缺点也非常明显(I)基于该方案的组件结构，水棒内慢化剂从堆芯上腔室经组件上封头直接进入水棒，然后从下管座侧面流出作为子组件之间的慢化剂，再向上流至堆芯顶部，经反射层顶部导流孔进入反射层，最后向下流入堆芯下腔室的中心区，流程比较长，水棒内慢化剂与子组件间慢化剂温度差别大，子组件之间的慢化剂分布不均匀，组件下封头结构设计也非常复杂。(2)为了实现堆芯冷流体(慢化剂)和热流体(冷却剤)的有效分流，堆芯必须采用三流程设计方案，即沿堆芯径向自里向外依次划分为3个区，中心区域为第I流程，中间区域为第2流程，外围区域为第3流程，冷却剂在第I流程向上流，在第2流程向下流，在第3流程向上流。冷却剂流程较长，流动阻カ及堆芯压降都比较大，对堆芯性能及安全性极为不利。(3)为分流第I和第2、3流程的冷却剤，须在下腔室设置密闭隔热腔室，导致不能在燃料组件底部设置流量分配器，降低了堆芯的安全裕量。因此，超临界水堆燃料组件设计的现有技术都面临燃料棒充分且均匀慢化、冷流体(慢化剂)与热流体(冷却剤)有效分流、減少结构材料，以及提高结构设计工程制造可行性等方面获得较好平衡等关键技术问题，尤其是组件内冷流体(慢化剂)与热流体(冷却剤)分流、不同流程的冷却剂之间的分流，是组件结构设计的关键。
技术实现思路
本专利技术针对现有技术的缺陷，提供了ー种在保证燃料棒获得充分且均匀慢化的基础上，能够实现组件及堆芯内冷流体(慢化剂)与热流体(冷却剤)的有效分流、不同流程冷却剂之间的分流，并且减少结构材料，提高结构设计可行性及安全性的超临界水堆组合式方形燃料组件、使用该种燃料组件的反应堆堆芯，及堆芯慢化剂与冷却剂双流程流动方法。本专利技术是通过以下技术方案实现的 超临界水堆组合式方形燃料组件，主要由子组件、上管座、下管座、上封头、下封头构成，上下封头均开有侧孔，其特征在于所述的燃料组件由4个相同的子组件以2X2方形排列构成，子组件之间形成十字形区域，每个子组件由若干个燃料棒以正方形栅格形式排列构成，每个子组件的中央区域设置水棒。所述的子组件在中央区域设置的水棒占用5X5栅格位置，围绕水棒的燃料棒为两排，每排以9X9栅格排列构成。在所述的子组件之间构成的十字形区域上方设置有十字形控制棒导向筒，十字形控制棒从所述的导向筒插入燃料组件的十字形区域中。在所述的水棒上设置了与水棒连接的水棒导管，位于水棒上部的水棒导管贯穿上管座及上封头。在所述的燃料组件下端设置有慢化剂导流管，慢化剂导流管位于燃料组件下封头中心位置，贯穿下管座及下封头；所述的水棒导管位于水棒下部的部分贯穿下管座及下封头。所述的燃料棒中填充环形燃料芯块，环形燃料芯块中央设有中心气孔。使用所述的超临界水堆组合式方形燃料组件的反应堆堆芯，在堆芯压力容器蒸汽腔室中设置有隔热围筒，隔热围筒与蒸汽腔室上下板连接处为密封连接；隔热围筒内是位于堆芯中心区域的第I流程燃料组件，包含若干个所述的超临界水堆组合式方形燃料组件，隔热围筒外是堆芯第2流程燃料组件，包含除第I流程燃料组件以外的所述的超临界水堆组合式方形燃料组件，在第I流程区域对应的蒸汽腔室上板处开若干蒸汽腔室上板导流孔。在蒸汽腔室上板处对应燃料组件水棒导管及十字形控制棒导向筒位置处开有供水棒导管及十字形控制棒导向筒伸出蒸汽腔室的孔。在堆芯下栅格板上与每个所述的燃料组件对应位置设置有流量分配器。所述的子组件之间的间距与反应堆堆芯中所述的燃料组件之间的间距一致。堆芯包含所述的燃料组件157个，围绕堆芯中心燃料组件外围排列7圈，其中所述的第I流程燃料组件为57个，围绕堆芯中心燃料组件外围排列4圈，所述的第2流程燃料组件为100个，围绕第I流程燃料组件外围排列3圏。一种超临界水堆堆芯慢化剂与冷却剂双流程流动方法，包括以下步骤 (1)根据堆芯物理參数及核设计计算分析结果，将堆芯燃料组件分成第I流程燃料组件和第2流程燃料组件； (2)慢化剂自上而下流进第I流程燃料组件和第2流程燃料组件的子组件中心水棒及子组件之间的通道；冷却剂自上而下流进第I流程燃料组件的子组件燃料区，即燃料棒之间的区域；自上而下的慢化剂和冷却剂在堆芯下部混合腔充分搅混后，自下而上流入第2流程燃料组件的子组件燃料区，向上流动至堆芯蒸汽腔室，不与第I流程冷却剂发生混合，从堆芯出水ロ处流出堆芯。基于以上技术方案，本专利技术具有以下技术效果 1、水棒布置在每个子组件中心且子组件之间的区域为慢化剂通道，保证了每个燃料棒能够获得充分且均匀的慢化；子组件之间的间距与燃料组件之间的间距完全一致，进ー步保证堆芯内燃料棒慢化均匀性； 2、由4个子组件构成的十字形区域，可作为堆芯十字形控制棒通道，采用十字形控制棒，取消了活性区控制棒导向管，简化了组件结构设计，減少了结构材料，提高了组件反应性； 3、堆芯内慢化剂和冷却剂采用双流程流动方法，以及燃料组件和堆芯结构的设计，使得堆芯上腔室冷却水作为慢化剂可直接向下经过控制棒导向筒和水棒导管分别流入子组件间通道和水棒通道，且在上部蒸汽腔室中使用简单结构即可实现上部蒸汽腔室内第I流程冷却剂与第2流程冷却剂的有效分流，流程短、分配均匀、结构简单，工程可实现性好，提 高了堆芯安全性。4、燃料棒内填充环形芯块，降低了燃料芯块温度，可以容纳更多的裂变气体，缩短燃料棒两端气腔长度，减小了组件长度，提高了安全性。附图说明 图I超临界水堆组合式方形燃料组件横向剖面图； 图2超临界水堆组合式方形燃料组件纵向剖面图； 图3超临界水堆本文档来自技高网...
【技术保护点】
超临界水堆组合式方形燃料组件，主要由子组件（11）、上管座（10）、下管座（13）、上封头（6）、下封头（14）构成，上下封头均开有侧孔（8），其特征在于：所述的燃料组件由4个相同的子组件（11）以2×2方形排列构成，子组件（11）之间形成十字形区域（12），每个子组件（11）由若干个燃料棒（4）以正方形栅格形式排列构成，每个子组件（11）的中央区域设置水棒（1）。
【技术特征摘要】
1.超临界水堆组合式方形燃料组件，主要由子组件(11)、上管座(10)、下管座(13)、上封头(6)、下封头(14)构成，上下封头均开有侧孔(8)，其特征在于所述的燃料组件由4个相同的子组件(11)以2X2方形排列构成，子组件(11)之间形成十字形区域(12)，每个子组件(11)由若干个燃料棒(4)以正方形栅格形式排列构成，每个子组件(11)的中央区域设置水棒(I)。2.如权利要求I所述的超临界水堆组合式方形燃料组件，其特征在于所述的子组件(11)在中央区域设置的水棒(I)占用5X5栅格位置，围绕水棒(I)的燃料棒(4)为两排，每排以9X9栅格排列构成。3.如权利要求I或2所述的超临界水堆组合式方形燃料组件，其特征在于在所述的子组件(11)之间构成的十字形区域(12)上方设置有十字形控制棒导向筒(7)，十字形控制棒(3)从所述的导向筒(7)插入燃料组件的十字形区域(12)中。4.如权利要求3所述的超临界水堆组合式方形燃料组件，其特征在于在所述的水棒Cl)上设置了与水棒(I)连接的水棒导管(9)，位于水棒(I)上部的水棒导管贯穿上管座(10)、上封头(6)。5.如权利要求4所述的超临界水堆组合式方形燃料组件，其特征在于在所述的燃料组件下端设置有慢化剂导流管(15)，慢化剂导流管(15)位于燃料组件下封头(14)中心位置，贯穿下管座(13)及下封头(14);所述的水棒导管(9)位于水棒(I)下部的部分贯穿下管座(13)及下封头(14)。6.如权利要求5所述的超临界水堆组合式方形燃料组件，其特征在于所述的燃料棒(4)中填充环形燃料芯块(25)，环形燃料芯块(25)中央设有中心气孔(24)。7.使用如以上任ー权利要求所述的超临界水堆组合式方形燃料组件的反应堆堆芯，其特征在于在堆芯压力容器蒸汽腔室(18)中设置有隔热...
【专利技术属性】
技术研发人员：夏榜样，王连杰，杨平，李庆，李翔，
申请(专利权)人：中国核动力研究设计院，
类型：发明
国别省市：
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