[发明专利]超临界水堆的改进型环形燃料元件及其构成的燃料组件

说明书

技术领域

本发明涉及一种核反应堆燃料组件，具体是一种适用于超临界水堆的改进型环形燃料元件及其构成的燃料组件。

背景技术

超临界水堆组件设计需要解决两个关键技术问题：降低燃料芯块及包壳温度；使燃料元件获得充分且均匀的慢化，采用棒元件设计的超临界水堆组件方案，通过引入双流程及水棒设计技术，在一定程度上解决了上述问题，但堆芯结构设计复杂度大幅增加，工程可实现性显著降低，因而，采用更为简单的结构解决上述问题是目前国内外超临界水堆设计中亟待解决的关键技术问题。

环形元件是国际上针对轻水堆开发的新一代高性能燃料元件，其从内到外依次是内包壳、内侧气隙、燃料芯块、外侧气隙、外包壳；与棒状燃料元件相比，环形元件的优势在于两侧换热，能够把热量迅速导出，有效降低燃料包壳温度、热流密度和燃料温度，减少放射性气体在燃料包壳中的释放量。

若将环形元件应用于超临界水堆，则能避免超临界水堆组件设计遇到的技术问题。将环形元件内侧作为慢化剂通道，流向为自上而下，外侧为冷却剂通道，流向为自下而上。在不引入“水棒”设计情况下，依然能够使燃料元件获得充分且均匀慢化。由于环形元件两侧传热，可以适度降低冷却剂流速，甚至可以不采用多流程设计。从上述分析可以看出，采用环形元件能够有效解决SCWR堆芯设计过程中遇到的关键技术问题，而且不引入“水棒”及“多流程”设计，大幅简化燃料组件及堆芯结构设计。目前，国内有关单位以国外已公开的环形燃料元件为基础，设计了基于环形元件的超临界水堆方案，提交了名称为：一种环形燃料元件及环形燃料超临界水堆，申请号为：201110273145.5的专利申请。

但是，该专利依然存在以下关键技术问题：1、无法保证环形元件内侧慢化剂温度低于设定值（通常为380℃）；2、不适用于超临界水堆大尺寸环形元件，而且工程制造的可行性较低；3、不能有效实现环形元件内部慢化剂和外部冷却剂分流。现有轻水堆环形元件以及专利201110273145.5方案，均没有解决上述关键技术问题，也难以将其应用于超临界水堆。

发明内容

本发明的目的在于提供应用于超临界水堆的改进型环形燃料元件及其构成的燃料组件，解决目前环形燃料元件无法适用于超临界反应堆的问题。

本发明的目的通过下述技术方案实现：

本发明提出的超临界水堆的改进型环形燃料元件，包括内包壳、以及与内包壳同轴套装的外包壳，在内包壳与外包壳之间填充有颗粒燃料，在颗粒燃料与内包壳之间还设置有一层隔热涂层。本发明采用UO₂颗粒燃料，代替制造难度大且无法有效定位的大尺寸环形芯块，填充至内外包壳和上下端塞构成的密闭空间，与内外包壳、上下端塞接触，在各种工况下，其状态均比较稳定，非常利于控制燃料通过内、外包壳的导热量；通过改变内包壳隔热涂层的厚度，调整内包壳的导热系数，从而精确控制燃料通过内包壳向慢化剂的导热量，保证内侧慢化剂的出口温度低于380℃；通过调整颗粒燃料疏松度，用以改变裂变气体容纳量；本发明的改进型环形燃料元件，与现有环形燃料元件相比，其几何尺寸显著增加（外径~30cm），从而可以采用内包壳长、外包壳短及异形端塞密封设计方案，再与组件上隔热板、下隔热板、上导流板、下导流板相配合，有效了实现环形元件内侧慢化剂与其异向流动的外侧冷却剂的分流。

所述隔热涂层为氧化锆。

所述内包壳的长度大于外包壳的长度，在内包壳与外包壳的末端开口之间安装有密封塞。

所述密封塞的具有圆锥面。采用具有圆锥面结构的密封塞，密封塞的大直径端面与外包壳端面连接，然后逐渐收缩，不仅有效解决了环形元件的密封问题，而且采用UO₂颗粒燃料，代替制造难度大且无法有效定位的大尺寸环形芯块，填充至内外包壳和上下端塞构成的密闭空间，与内外包壳、上下端塞接触，在各种工况下，其状态均比较稳定，非常利于控制燃料通过内、外包壳的导热量。通过改变内包壳隔热涂层厚度，调整内包壳导热系数，从而精确控制燃料通过内包壳向慢化剂的导热量，保证内侧慢化剂的出口温度低于380℃；还使环形元件的两端外径尺寸明显减小，为冷却剂在堆芯顶部和底部的横向流动提供了较大的流通面积。

在所述外包壳的外表面至少设置有一条凸出于外包壳外表面的肋条，所述肋条在外包壳的轴向侧壁上呈螺旋状均匀分布。外包壳的外表面设置的肋条用于元件之间的径向定位，与其他定位方式相比更加可靠；通过合理布置肋的结构，可以最大限度降低冷却剂的流程阻力。

所述肋条与外包壳为一体结构。