[发明专利]一种螺旋十字燃料元件小型氟盐冷却高温堆堆芯

说明书

本发明公开了一种螺旋十字燃料元件小型氟盐冷却高温堆堆芯，包括堆芯围筒以及位于其中的上腔室、上反射层、径向反射层、冷却剂旁流通道、燃料组件、控制棒组件、下反射层和下腔室；燃料组件包括燃料元件、冷却剂通道以及石墨层；燃料元件包括燃料区和包壳；控制棒组件包括控制棒、冷却剂通道以及石墨层；控制棒包括控制体、间隙和导向管。本发明采用螺旋十字燃料元件，增大传热面积，增强堆芯冷却剂搅浑，提升换热效果从而提高堆芯功率密度。同时，依靠螺旋十字燃料元件之间的相互支撑也避免定位格架的使用，简化了堆芯结构。本发明堆芯通过熔盐换热器输出热量储存于储能池中，可用于发电以及输出高温工艺热，实现热量多用途利用。

技术领域

本发明涉及反应堆设计技术领域，具体涉及一种螺旋十字燃料元件小型氟盐冷却高温堆堆芯。

背景技术

氟盐冷却高温堆是结合熔盐堆、高温气冷堆和钠冷快堆等多种反应堆优势提出的一种第四代反应堆，以氟盐作为冷却剂，包覆颗粒作为燃料，具有良好的安全性、经济性、可持续性和防核扩散性。

螺旋十字燃料是一种高性能新型燃料，其通过改进传统核燃料几何形状来改善燃料元件热工水力性能,可以极大地提升堆芯的功率密度，在反应堆设计中具有广阔的应用前景。

目前国内外提出的氟盐冷却高温堆概念设计方案中，堆芯所采用的燃料元件包括圆柱型、环型、板型和球型，其中圆柱型和环型元件不易安装定位，在运行过程中易产生流致振动，板型燃料元件有较好的机械性能，但其具有较高的燃料峰值温度和较短的堆芯寿期，球形燃料元件在线换料的特点使得燃料循环方案更为复杂，需要进行更多的研究。基于已有氟盐冷却高温堆燃料元件存在的问题，本发明公开了一种流动阻力小、换热能力强、避免定位格架使用的新型燃料元件。

发明内容

本发明的目的是提出一种螺旋十字燃料元件小型氟盐冷却高温堆堆芯，强化反应堆换热，提升反应堆性能。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种螺旋十字燃料元件小型氟盐冷却高温堆堆芯，包括堆芯围筒1以及位于堆芯围筒1中的上腔室2、下腔室9、位于上腔室2和下腔室9间的上反射层3、径向反射层4、冷却剂旁流通道5、燃料组件6、控制棒组件7以及下反射层8；所述燃料组件6和控制棒组件7位于径向反射层4、上反射层3和下反射层8之间，燃料组件6和控制棒组件7外围包括36个冷却剂旁流通道5，冷却剂旁流通道5上部穿过上反射层3，下部穿过下反射层8；所述燃料组件6包括19个呈六边形排列的燃料元件12，燃料元件12间的冷却剂通道14以及包覆燃料元件12和冷却剂通道14的石墨层13，燃料元件12均为螺旋十字型，依靠相邻燃料元件的支撑实现固定；所述燃料元件12包括燃料区10和包覆燃料区10的包壳11；所述控制棒组件7包括7个呈六边形排列的控制棒18，控制棒18间的冷却剂通道14以及包覆控制棒18和冷却剂通道14的石墨层13；所述控制棒18包括控制体17、控制体17外围的间隙16和间隙16外围的导向管15。

所述堆芯包括78个燃料组件6和13个控制棒组件7,呈六边形排列。

所述燃料元件12为六边形排列，依靠每个燃料元件12每扭转30度处的两个接触点实现支撑和固定作用，增加了接触点的数量，更易于固定。

所述燃料元件12的燃料区10由石墨基体和弥散在石墨基体中的TRISO包覆燃料颗粒组成，燃料为UC_0.5O_1.5，铀-235富集度为19.75％，燃料元件12的包壳11材料为石墨。

所述控制棒18的控制体17由碳化硼填充，导向管15材料为石墨。

所述冷却剂通道14中的冷却剂材料为液态熔盐FLiBe，由LiF和BeF₂以2:1的摩尔比混合而成，由主泵21驱动以冷却堆芯。

所述燃料组件6和控制棒组件7的冷却剂通道14均为六边形。