CN105405475B - 长寿命超临界二氧化碳冷却小堆 - Google Patents

Abstract

蜂窝型燃料组件及长寿命超临界二氧化碳冷却小堆，该蜂窝型燃料组件由外向内共有三层，分别为组件壁、气隙层以及气隙层内填充的燃料区；该反应堆包括压力容器，压力容器包括压力壳以及置于其内的堆芯和控制棒驱动机构，压力壳的上下部分别被上下隔离板隔离出上腔室和下腔室，堆芯内竖向垂直放置多个蜂窝型燃料组件，其冷却剂通道壁和组件壁向上延伸穿过上隔离板与上腔室相连，在下隔离板和堆芯内的蜂窝型燃料组件相连处，对应于每个蜂窝型燃料组件有进气孔；反应堆具有体积小，热效率高，工作压力及冷却剂出口温度低，工程实现难度低的特点。

Description

长寿命超临界二氧化碳冷却小堆

技术领域

本发明属于核反应堆工程技术领域，具体涉及蜂窝型燃料组件及采用蜂窝型燃料组件的长寿命超临界二氧化碳冷却小堆。

背景技术

超临界二氧化碳冷却反应堆采用超临界二氧化碳作为冷却剂。超临界二氧化碳是指二氧化碳的压力、温度高于二氧化碳的拟临界点(7.38MPa，30.98℃)。与布雷顿循环的氦气冷却堆相比，超临界二氧化碳冷却反应堆堆芯出口温度可以从氦气冷却堆所要求的900℃降到650℃左右甚至更低，大大降低对材料的要求。与目前流行的压水堆相比，热效率在40％以上，经济性好。而且，由于采用布雷顿循环，与现有压水堆相比，超临界二氧化碳冷却反应堆不需要蒸汽发生器、稳压器、汽水分离器和干燥器，其结构紧凑，也降低了建造时的设备成本。

当前，国际上研制的超临界二氧化碳冷却反应堆主要集中在大功率上。堆芯方案以美国麻省理工大学提出的采用蜂窝型燃料组件、热功率为2400MWt堆芯方案为主要代表。其堆芯工作压力为20MPa，为了实现较高的热效率(48％)，堆芯出口温度为650℃。其功率较大，相关设备体积也比较大，不便于在偏远地区或者电力需求量较小的地区建造。为了展平功率及降低空泡反应性，燃料中混有基体材料氧化铍。由于氧化铍的存在，降低了燃料的稳定温度。

上述方案为了实现高的热效率，采用了较高的工作压力及较高的材料温度，增加了工程实现时的难度，也对材料性能提出了较高的要求。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供了一种蜂窝型燃料组件及长寿命超临界二氧化碳冷却小堆，改冷却小堆热功率为300MWt，热效率为40％，工作压力为14MPa，出口温度500℃，具有系统简单，体积小，安全性好，工程实现难度低的特点。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种蜂窝型燃料组件，该燃料组件呈六边形，由外向内共有三层，分别为组件壁1、气隙层2以及气隙层2内填充的燃料区3；所述燃料区3内均匀分布着91个冷却剂通道。

所述冷却剂通道由冷却剂通道4、冷却剂壁面5和冷却剂通道壁与燃料之间的气隙6组成。

所述冷却剂壁面5的材料为ODS MA956不锈钢。

所述组件壁1的材料为ODS MA956不锈钢。

所述燃料区3的材料为MOX燃料。

一种长寿命超临界二氧化碳冷却小堆，包括压力容器，所述压力容器包括压力壳9以及置于压力壳9内的堆芯13和控制棒驱动机构7，所述压力壳9的上部和下部分别被上隔离板和下隔离板隔离出上腔室20和下腔室12，压力壳9与堆芯吊篮8之间的间隙形成下降段11，堆芯13内竖向垂直放置有多个权利要求1至5任一项所述的蜂窝型燃料组件以及控制棒组件，所述蜂窝型燃料组件上方有裂变气体气腔18，裂变气体气腔18上面压着上隔离板，所述控制棒组件的控制棒棒束15向上延伸穿过上隔离板与上腔室20内的控制棒驱动机构7相连，在下隔离板和堆芯13内的蜂窝型燃料组件相连处，对应于每个蜂窝型燃料组件有进气孔，用于调节进气流量。

所述堆芯13工作压力为14MPa，堆芯冷却剂出口温度为500℃。

所述堆芯13放置的蜂窝型燃料组件之间留有间隙。

所述控制棒组件包括控制棒组件外壁33、设置在控制棒组件外壁33上的多个壁面冷却通道34以及控制棒组件外壁33内插有的37根控制棒棒束15。

所述控制棒棒束15的每个控制棒为圆形截面，由控制棒包壳36及置于控制棒包壳36内的碳化硼吸收体35组成。

本发明和现有技术相比，具有如下优点：

1、本发明燃料组件采用蜂窝型燃料组件，由于燃料采用MOX，其中不混合氧化铍，这样可以增加燃料的稳定温度，有利于安全，同时降低燃料制造时的复杂度。

2、与美国麻省理工大学提出2400MWt的堆芯方案相比，由于堆芯工作压力为较低的14MPa，虽然热效率有所降低(从48％降到40％)，但依然比普通压水堆的热效率要高，而且降低了工程实现时的难度；堆芯出口温度设定为500℃，这样在保证较高效率的同时，也降低了对材料的要求，减小了材料因为高温造成的腐蚀。堆芯体积及热功率的减小，能适用于偏远地区或者电力需求量较小的地区。

附图说明

图1是蜂窝型燃料组件横截面示意图。

图2是冷却剂通道横截面示意图。

图3是核反应堆结构示意图。

图4是1/6堆芯布置示意图。

图5是控制棒组件横截面示意图。

图6是控制棒横截面示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明结构进行详细说明。

如图1所示，本发明一种蜂窝型燃料组件，该燃料组件呈六边形，由外向内共有三层，分别为组件壁1和气隙层2，在气隙层2内填充有燃料区3，燃料区3中均匀分布着91个冷却剂通道。

优选所述燃料区3内填充的材料为MOX燃料。

优选所述内组件壁的材料为ODS MA956不锈钢。

如图2所示，所述冷却剂通道由冷却剂4、冷却剂壁面5和冷却剂通道壁与燃料之间的气隙6组成。

优选所述冷却剂壁面5的材料为ODS MA956不锈钢。

如图3所示，为一个热功率为300MWt(电功率为120MWe)的采用蜂窝型燃料组件的长寿命超临界二氧化碳冷却小堆，该长寿命超临界二氧化碳冷却小堆的主体结构为压力容器，压力容器包括压力壳9以及置于压力壳9内的堆芯13和控制棒驱动机构7，所述压力壳9的上部和下部分别被上隔离板和下隔离板隔离出上腔室20和下腔室12，压力壳9与堆芯吊篮8之间的间隙形成下降段11，堆芯13内竖 向垂直放置有多个上述所述的蜂窝型燃料组件及控制棒组件，所述的蜂窝型燃料组件上方有裂变气体气腔18，裂变气体气腔18上面压着上隔离板，控制棒组件的棒束15向上延伸穿过上隔离板与上腔室20内的控制棒驱动机构7相连，在下隔离板和堆芯13内的蜂窝型燃料组件相连处，对应于每个蜂窝型燃料组件有进气孔，用于调节进气流量。

如图4所示，堆芯13(呈1/6对称的)由采用截面为三角形排列的多个蜂窝型燃料组件和控制棒组件组成，此排列方式可减小堆芯尺寸，从而减小压力容器尺寸。为了保证堆芯能实现20年不换料不倒料，并且考虑到便于控制的因素，堆芯反应性的变化要尽量的小些，堆芯13采用高泄露布料方案，分为三个Pu含量区。这样可以得到较低的堆芯有效增值因子和较高的堆芯增值比，从而实现20年不换料不倒料，并且堆芯反应性的变化要尽量的小些的目标。为了保证堆芯安全实现堆芯负反馈，堆芯反射层采用冷却剂超临界二氧化碳(S-CO₂)，这样可以增加堆芯中子泄露，从而得到负的空泡反应性。

为了控制堆芯的反应性，在所述控制棒组件内插有控制棒棒束15，如图5所示为控制棒组件横截面示意图，为了增加控制棒组件的中子学价值，控制棒组件棒束外围为一层厚的控制棒组件外壁面33，为了冷却所述壁面，内部开有壁面冷却剂通道34小孔。

如图6所示，控制棒棒束15的每个控制棒为圆形截面，由控制棒包壳36及置于控制棒包壳36内的碳化硼吸收体35组成。

如图3所示，本发明长寿命超临界二氧化碳冷却小堆的工作原理 为：反应堆运行时，堆芯压力为14MPa，温度为300℃的进气从堆芯正常运行进气口10进入压力壳9后，进入下腔室12，通过与下隔离板相连的冷却剂通道壁5及组件壁1穿过各个蜂窝型燃料组件及组件间间隔的燃料组件区14，在燃料组件区14充分加热后通过堆芯正常运行出气口19流出压力壳9。出口时气温已达到500℃，随后流向超临界汽轮机21，推动发电机24发电，之后先流进高温换热器26，再进入低温换热器27，经过分流阀28之后，一部分流进预冷器30，剩下一部分流进次级压缩机23，从预冷器30出来的气流流进主压缩机25，经过主压缩机25之后，再流进低温换热器27，从低温换热器27出来之后经过汇流阀29与从次级压缩机23流出的气流汇合，然后一起流进高温换热器26，经过加热之后由进入堆芯正常运行进气口10进入压力壳9，完成一次热力循环。

考虑事故工况下，紧急事故出气口16打开，气体由此从压力壳9流出，进入紧急事故换热器31，之后再由紧急事故进气口17进入压力壳9，从而保证堆芯13被冷却状态。紧急事故换热器31是由外置水箱32提供换热工质。

Claims (5)

1.一种长寿命超临界二氧化碳冷却小堆，包括压力容器，其特征在于：所述压力容器包括压力壳(9)以及置于压力壳(9)内的堆芯(13)和控制棒驱动机构(7)，所述压力壳(9)的上部和下部分别被上隔离板和下隔离板隔离出上腔室(20)和下腔室(12)，压力壳(9)与堆芯吊篮(8)之间的间隙形成下降段(11)，堆芯(13)内竖向垂直放置有多个蜂窝型燃料组件以及控制棒组件，所述蜂窝型燃料组件上方有裂变气体气腔(18)，裂变气体气腔(18)上面压着上隔离板，所述控制棒组件的控制棒棒束(15)向上延伸穿过上隔离板与上腔室(20)内的控制棒驱动机构(7)相连，在下隔离板和堆芯(13)内的蜂窝型燃料组件相连处，对应于每个蜂窝型燃料组件有进气孔，用于调节进气流量；所述堆芯(13)由采用截面为三角形排列的多个蜂窝型燃料组件和控制棒组件组成，所述蜂窝型燃料组件呈六边形，由外向内共有三层，分别为组件壁(1)、气隙层(2)以及气隙层(2)内填充的燃料区(3)；所述燃料区(3)内均匀分布着91个冷却剂通道；所述燃料区(3)的材料为MOX燃料，不含BeO；所述堆芯(13)的工作压力为14MPa，所述堆芯(13)冷却剂进口温度为300℃，所述堆芯(13)冷却剂出口温度为500℃,所述堆芯(13)包括4种类型组件，分别是控制棒组件C,燃料组件，反射层组件R以及屏蔽层组件S，反射层组件R紧靠燃料组件的最外围，只有一层，控制棒组件C有19个，燃料组件分为3种，分别为MOX中PuO₂体积份额为10％、15％和20％的三类组件，其中36个MOX中PuO₂体积份额为10％的燃料组件布置在堆芯(13)活性区的内部，84个MOX中PuO₂体积份额为15％的燃料组件布置在堆芯(13)活性区的中部，114个MOX中PuO₂体积份额为20％的燃料组件布置在堆芯(13)活性区的外围。

2.根据权利要求1所述的一种长寿命超临界二氧化碳冷却小堆，其特征在于：所述堆芯(13)放置的蜂窝型燃料组件之间留有间隙。

3.根据权利要求1所述的一种长寿命超临界二氧化碳冷却小堆，其特征在于：所述控制棒组件包括控制棒组件外壁(33)、设置在控制棒组件外壁(33)上的多个壁面冷却通道(34)以及控制棒组件外壁(33)内插有的37根控制棒棒束(15)。

4.根据权利要求1所述的一种长寿命超临界二氧化碳冷却小堆，其特征在于：所述控制棒棒束(15)的每个控制棒为圆形截面，由控制棒包壳(36)及置于控制棒包壳(36)内的碳化硼吸收体(35)组成。

5.根据权利要求1所述的一种长寿命超临界二氧化碳冷却小堆，其特征在于：所述组件壁(1)的材料为ODS MA956不锈钢。