一种反应堆分层燃料组件制造技术

本发明专利技术公开了一种反应堆分层燃料组件，包括燃料棒盒，燃料棒盒的内部空间构成冷却剂流道，所述燃料棒盒包括相互连通的高温盒（1）和低温盒（2），高温盒（1）中冷却剂流道的横截面积大于低温盒（2）中冷却剂流道的横截面积，高温盒（1）由耐热合金构成，低温盒（2）由锆合金或铍合金构成。本发明专利技术采用分层结构，让低温盒（2）中的冷却剂温度较低，使得低温盒（2）及其与之连接的部件可以采用吸收中子较少的锆合金或铍合金，相对于现有的燃料组件，大大提高了反应堆的中子经济性。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及核工业领域，具体涉及一种反应堆燃料组件。
技术介绍
长期以来，反应堆的中子经济性一直是核能行业重点关注的问题。提高反应堆中子经济性的根本在于减少中子的泄漏和无益吸收。对燃料组件来说，其结构材料和包壳材料需要尽量选用中子吸收较少的合金。在超临界水冷堆中，燃料组件为单层结构，其内部的冷却水流道前后一致，冷却水从燃料组件的入口进入，经燃料棒加热后，再由燃料组件的出口排出。在这种结构下，燃料棒会将冷却水的温度前后加热成一致。由于超临界水冷堆运行压力和温度都很高，燃料组件结构材料不能采用吸收中子较少的锆合金，而往往选择不锈钢或镍基合金等中子吸收较多的耐高温材料。例如:欧盟开发的超临界燃料组件结构材料为不锈钢，包壳材料为镍基合金；日本开发的超临界燃料组件包壳及结构材料均使用镍基合金。燃料组件结构越复杂，所使用的不锈钢或镍基合金越多，中子无益吸收就越多，反应堆的中子经济性就越差。
技术实现思路
本专利技术的目的即在于提供一种反应堆燃料组件，以克服现有的超临界燃料组件只能使用锈钢或镍基合金等中子吸收较多的耐高温材料，导致反应堆的中子经济性差的缺陷。本专利技术的目的通过以下技术方案实现: 一种反应堆分层燃料组件，包括燃料棒盒，燃料棒盒的内部空间构成冷却剂流道，所述燃料棒盒包括相互连通的高温盒和低温盒，高温盒中冷却剂流道的体积大于低温盒中冷却剂流道的体积，高温盒由耐热合金构成，低温盒由错合金或铍合金构成。专利技术人经过研究发现，冷却水在现有的超临界燃料组件中会被加热至较高的温度(通常为500°C以上)，这种温度对于中子吸收量较少的材料(如锆合金或铍合金)是无法承受的，因此，现有的超临界燃料组件只能使用锈钢或镍基合金等中子吸收较多的耐高温材料，导致反应堆的中子经济性差。为了得到中子经济性高的燃料组件，专利技术人希望能将锆合金或铍合金最大程度的应用到超临界燃料组件中，而面临的问题在于如何降低冷却水温。最终，专利技术人专利技术的技术方案是采用分层设计，将燃料组件分成两部分，通过控制两部分中冷却水流道的体积来控制冷却水通过燃料棒的速度。在低温盒中，由于冷却水流道的体积较小，冷却水通过低温盒的速度较快，冷却水以较短的时间通过燃料棒，燃料棒对冷却水的加热时间短，使得低温盒中冷却水的温度较低。经过加热的冷却水从低温盒进入高温盒，由于高温盒中冷却水流道的体积较大，冷却水流通过高温盒的速度慢，冷却水与燃料棒接触的时间长，燃料棒能够充分对冷却水加热，使冷却水的温度达到预定温度。采用上述结构，在满足出口冷却水温度达到预定值的情况下，使低温盒中的冷却水温低于高温盒中的冷却水温，从而能够用中子吸收较少但不耐高温的锆合金或铍合金制造低温盒，提高了反应堆的中子经济性。作为本专利技术的第一个优化方案，所述高温盒和低温盒为多个。通过调整高温盒与低温盒的数量，进一步调整冷却水的加热时间，使本专利技术更具可控性和适用性。作为本专利技术的第二种优化方案，还包括燃料棒，燃料棒分别设置于所述高温盒和低温盒内。在高温盒与低温盒内分别设置燃料棒，对低温盒与高温盒中的冷却水分开加热。作为第二种优化方案的进一步改进，所述高温盒内燃料棒的数量少于所述低温盒内所述燃料棒的数量。要使高温盒中冷却剂流道的体积大于低温盒中冷却剂流道的体积，可以采用多种方法实现，比如:在长度相同，壁厚相同的情况下，将高温盒的横截面积设计得大于低温盒的横截面积；长度相同，横截面积相同的情况下，将高温盒的壁厚设计得小于低温盒的壁厚；在壁厚和横截面积相同的情况下，将高温盒的长度设计得大于低温盒的长度。但是，上述三种方式都存在不足:在反应堆内，燃料组件的安装较为紧密，将高温盒的横截面积设计得大于低温盒的横截面积必然导致燃料组件安装困难；将高温盒的壁厚设计得小于低温盒的壁厚，不但增加了材料成本，还使得燃料组件的稳定性变差；将高温盒的长度设计得大于低温盒的长度，增加了燃料组件的轴向长度，使燃料组件占用空间更大。将上述三种方式任意结合也存在上述问题。需要说明的是，上述三种方式或者三者的结合虽然存在一定不足，但是是能够实现专利技术目的的，在本专利技术的保护范围之内。最终，专利技术人通过控制高温盒与低温盒中燃料棒数量的方式来控制冷却剂流道的横截面积，从而控制冷却剂流道的大小。在长度、横截面积和壁厚都相同的情况下，低温盒中燃料棒的数量多，燃料棒占用的空间大，低温盒中冷却剂流道的横截面积自然较小，反之高温盒中冷却剂流道的横截面积较大。采用这种方式不影响燃料组件的安装，不增加材料成本，也不影响燃料组件的结构稳定性。作为本专利技术的第三种优化方案，还包括由耐热合金构成的高温管座、高温慢化剂盒和高温慢化剂管，还包括由锆合金或铍合金构成的低温管座、低温慢化剂盒和低温慢化剂管，高温慢化剂盒设置于所述高温盒中，低温慢化剂盒设置于所述低温盒中，高温管座与所述高温盒连通，低温管座与所述低温盒连通，高温慢化剂盒与低温慢化剂盒连通，高温慢化剂管贯穿高温管座，高温慢化剂管与高温慢化剂盒连接，低温慢化剂管贯穿低温管座，低温慢化剂管与低温慢化剂盒连接，高温管座上开设有冷却水出口，低温管座上开设有冷却水进口。高温管座与低温管座用于与反应堆的其它装置相连接，并为冷却水与慢化剂提供出口和进口。慢化剂盒和慢化剂管用于为慢化剂提供一个完整的流通管道。冷却剂从低温管座上的冷却剂进口进入，然后依次通过低温盒、高温盒、高温管座流出。慢化剂从低温慢化剂管进入，然后依次通过低温慢化剂盒、高温慢化剂盒、高温慢化剂管流出。上述结构能够使慢化剂与冷却剂分流，并让慢化剂与冷却剂的流量一致，缩短了流程，使慢化均匀，提高了堆芯安全性。另外，为了进一步加强反应堆的中子经济性，配合高温盒与低温盒中冷却水的不同温度，采用耐热合金制成高温管座、高温慢化剂盒和高温慢化剂管，采用锆合金或铍合金制成低温管座、低温慢化剂盒和低温慢化剂管。作为本专利技术第三种优化方案的进一步优化，还包括由耐热合金构成的连接盒和连接管，所述高温盒和低温盒通过连接盒连通，连接管设置于连接盒内，连接管连通所述高温慢化剂盒和低温慢化剂盒。如果从低温盒中流出的冷却水立即进入高温盒中加热，高温盒中冷却水的部分热量会直接传导至低温盒中的冷却水，使低温盒中冷却水温度升高。为了解决新出现的问题，增设连接盒，连接盒为低温盒内的冷却水和高温盒内的冷却水提供过渡空间，防止高温盒内的冷却水直接将热量传导至低温盒内的冷却水中。连接管使连接盒中的慢化剂与冷却水分流。连接盒中冷却水的温度会高于低温盒中冷却水的温度，因此，采用耐热合金构成连接盒和连接管。作为本专利技术第三种优化方案的进一步优化，所述冷却水出口为设置于高温管座侧面的蒸汽窗。高温管座与反应堆蒸汽腔连接，蒸汽窗位于反应堆蒸汽腔中，蒸汽窗用于排放被加热成蒸汽的冷却水，使蒸汽能够通过反应堆蒸汽腔被导出。作为本专利技术第三种优化方案的进一步优化，还包括由耐热合金构成的高温管座连接件、由锆合金或铍合金构成的低温管座连接件，所述高温管座通过高温管座连接件与所述高温盒连通，所述低温管座通过低温管座连接件与所述低温盒连通。作为本专利技术第三种优化方案的进一步优化，还包括由耐热合金构成的分流板，分流板设置于所述高温管座中将高温管座内部分成不相通的两个腔室，所述两个腔室分别与两个所述高温盒连通，两个所述高温慢化剂管分别贯穿两个腔室，高温慢化剂管本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种反应堆分层燃料组件，包括燃料棒盒，燃料棒盒的内部空间构成冷却剂流道，其特征在于：所述燃料棒盒包括相互连通的高温盒（1）和低温盒（2），高温盒（1）中冷却剂流道的体积大于低温盒（2）中冷却剂流道的体积，高温盒（1）由耐热合金构成，低温盒（2）由锆合金或铍合金构成。

【技术特征摘要】
1.一种反应堆分层燃料组件，包括燃料棒盒，燃料棒盒的内部空间构成冷却剂流道，其特征在于:所述燃料棒盒包括相互连通的高温盒(I)和低温盒(2)，高温盒(I)中冷却剂流道的体积大于低温盒(2)中冷却剂流道的体积，高温盒(I)由耐热合金构成，低温盒(2)由错合金或铍合金构成。2.根据权利要求1所述的一种反应堆分层燃料组件，其特征在于:所述高温盒(I)和低温盒(2)为多个。3.根据权利要求1所述的一种反应堆分层燃料组件，其特征在于:还包括燃料棒(3)，燃料棒(3 )分别设置于所述高温盒(I)和低温盒(2 )内。4.根据权利要求3所述的一种反应堆分层燃料组件，其特征在于:所述高温盒(I)内燃料棒(3)的数量少于所述低温盒(2)内所述燃料棒(3)的数量。5.根据权利要求广4中任意一项所述的一种反应堆分层燃料组件，其特征在于:还包括由耐热合金构成的高温管座(41)、高温慢化剂盒(51)和高温慢化剂管(61)，还包括由锆合金或铍合金构成的低温管座(42 )、低温慢化剂盒(52 )和低温慢化剂管(62 )，高温慢化剂盒(51)设置于所述高温盒(I)中，低温慢化剂盒(52)设置于所述低温盒(2)中，高温管座(41)与所述高温盒(I)连通，低温管座(42)与所述低温盒(2)连通，高温慢化剂盒(51)与低温慢化剂盒(52 )连通，高温慢化剂管(61)贯穿高温管座(41)，高温慢化剂管(61)与高温慢化剂盒(51)连接，低温慢化剂管(62)贯穿低温管座(42)，低温慢化剂管(62)与低温慢化剂盒(52)连接，高温管座(41)上开设有冷却水出口，低温管座...

【专利技术属性】
技术研发人员：李庆，朱发文，程华旸，雷涛，庞华，田盛，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：