[发明专利]一种超临界二氧化碳反应堆微球形燃料组件

说明书

本发明公开了一种超临界二氧化碳反应堆微球形燃料组件，解决了现有技术导致堆芯具有不可接受的压降，难以具备实际操作性的问题。本发明包括从上至下顺次设置的上管座、燃料段和下管座；所述燃料段包括从内至外顺次设置的冷却剂进口腔、燃料微球放置区和冷却剂出口腔，所述冷却剂进口腔与下管座相连通，所述冷却剂出口腔与上管座相连通；所述燃料微球放置区包括沿着燃料微球放置区的轴向交替设置的支撑结构和环形释热带；所述环形释热带的内侧通过内侧压紧丝网与冷却剂进口腔连通，所述环形释热带外侧也通过外侧压紧丝网与冷却剂出口腔连通，内侧压紧丝网和外侧压紧丝网之间填充有燃料微球。本发明能显著降低气体流过燃料组件的压降。

技术领域

本发明涉及反应堆燃料组件领域，具体涉及一种超临界二氧化碳反应堆微球形燃料组件。

背景技术

超临界二氧化碳作为冷却剂的传热系数低，而采用超临界二氧化碳冷却剂的反应堆具有较高的出口温度。这就要求使用的燃料组件具有较高的传热能力和高温耐受能力。微球形燃料元件采用直径2-3mm的二氧化铀燃料球外包覆石墨层、碳化硅包壳等工艺，能耐1600℃以上的高温。

采用微球形燃料元件无序堆积形成燃料组件，具有非常高的传热能力，可较好地满足超临界二氧化碳堆对燃料组件的要求。但微球形燃料组件的孔隙率较低，气体流过组件时产生极高的压降，对堆芯设计提出了严峻的挑战。

传统采用微球形燃料元件的燃料组件一般设计成长径比较大的圆筒形，即“桶形设计”，其是将燃料微球在圆筒内无序堆积，以满足堆芯设计对几何结构的基本要求。但此种设计的结果是堆芯具有不可接受的压降，难以具备实际操作性。

如何通过合理的结构和冷却剂流程设计，降低微球形燃料组件堆芯的压降，是决定此种堆芯技术可行性的关键。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：现有技术中的燃料微球在圆筒内无序堆积，导致堆芯具有不可接受的压降，难以具备实际操作性的问题，本发明的目的在于提供一种超临界二氧化碳反应堆微球形燃料组件，其通过合理的结构和冷却剂流程优化，显著降低气体流过燃料组件的压降，使压降相比传统桶形设计降低90％以上。

本发明通过下述技术方案实现：

一种超临界二氧化碳反应堆微球形燃料组件，包括从上至下顺次设置的上管座、燃料段和下管座；

所述燃料段包括从内至外顺次设置的冷却剂进口腔、燃料微球放置区和冷却剂出口腔，所述冷却剂进口腔与下管座相连通，所述冷却剂出口腔与上管座相连通；

所述燃料微球放置区包括沿着燃料微球放置区的轴向交替设置的支撑结构和环形释热带；所述环形释热带的内侧通过内侧压紧丝网与冷却剂进口腔连通，所述环形释热带外侧也通过外侧压紧丝网与冷却剂出口腔连通，内侧压紧丝网和外侧压紧丝网之间填充有燃料微球。

通过上述结构的设置，冷却气的具体流通过程为：

该超临界二氧化碳反应堆微球形燃料组件用于反应堆堆芯时，冷却剂经下管座沿轴向进入冷却剂入口腔，再横向流过燃料微球，进入冷却剂出口腔，最后经上管座流出。由于冷却剂横向流过燃料微球，冷却剂流通截面积大、行程短，流动阻力相比传统“桶形设计”可降低90％以上，有效解决了微球形燃料元件堆芯存在极高压降的问题。

进一步，所述环形释热带的轴向截面呈梯形结构。所述环形释热带上邻近冷却剂进口腔的一侧为梯形结构的长边。这种进口大、出口小的梯形设计的好处有两个方面：一是该组件用于反应堆时，支撑结构内一般设置为具有中子慢化效果的材料，这种设计能够通过区域慢化能力的不同更均匀的展平堆芯中子通量；二是在于能够有效解决流体“边壁效应”，利用流体流速聚中效应，有效控制边壁处燃料孔隙率高的位置的冷却剂流速，降低漏流，使流过燃料球的冷却剂流速更加均匀分布。

进一步，所述冷却剂进口腔、燃料微球放置区和冷却剂出口腔同轴设置。