螺旋十字型金属燃料元件堆芯的制作方法

1.本发明属于先进核能开发技术领域，具体涉及一种螺旋十字型金属燃料元件堆芯。


背景技术：

2.作为高性能新型燃料，螺旋型燃料具有较好的热工水力性能，在相同的安全限值下可以提升堆芯的功率密度，进而提高堆芯出口温度，从而提高能量转换系统热效率，有利于反应堆的经济性。目前已有的方案通常为螺旋十字燃料
‑
四边形排布和螺旋三角燃料
‑
三角形排布，采用的燃料为陶瓷型燃料芯块或triso式燃料，其热导率相对较低，燃料峰值温度较高，不利于充分利用螺旋燃料的优势；同时由于富集度的限制，为达到较高的燃耗，triso式燃料往往导致较大的堆芯体积。


技术实现要素：

3.根据现有技术的限制，本发明旨在提出一种螺旋十字型金属燃料元件堆芯，具有较好的换热能力和较低的燃料峰值温度，同时减小堆芯体积。
4.为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
5.螺旋十字型金属燃料元件堆芯，包括堆芯活性区1、径向反射层2、轴向上反射层3和轴向下反射层4；
6.所述螺旋十字型金属燃料元件堆芯，堆芯活性区1包括一区组件1
‑1‑
a、二区组件1
‑1‑
b和控制棒组件1
‑
2；三类组件采用6圈正六边形密铺布置，且最外圈的六角处不布置组件，故堆芯活性区1共有121盒组件；堆芯活性区1中心三圈为一区组件1
‑1‑
a，其余为二区组件1
‑1‑
b，控制棒组件1
‑
2在中心位置和第三圈的六角位置共替换掉7组一区组件1
‑1‑
a，在第五圈的中边位置替换掉6组二区组件1
‑1‑
b，因此控制棒组件1
‑
2共13组，一区组件1
‑1‑
a共37组(包含7组控制棒组件)，二区组件1
‑1‑
b共84组(包含6组控制棒组件)；
7.所述螺旋十字型金属燃料元件堆芯，一区组件1
‑1‑
a和二区组件1
‑1‑
b均包括燃料元件1
‑1‑
1、冷却剂通道1
‑1‑
2以及包覆燃料元件1
‑1‑
1和冷却剂通道1
‑1‑
2的组件盒1
‑1‑
3；燃料元件1
‑1‑
1采用螺旋十字型式，燃料栅元呈三角形排布，在一区组件1
‑1‑
a和二区组件1
‑1‑
b中均布置6圈，相邻燃料元件1
‑1‑
1每扭转30度后会在花瓣处点接触，相比于已有的四边形排布的螺旋十字型燃料元件，具有更多的固定点；燃料元件1
‑1‑
1之间的区域为冷却剂通道1
‑1‑
2；燃料元件1
‑1‑
1的燃料为zr质量含量10％的u
‑
zr合金，u235富集度19.75％。
8.所述燃料元件1
‑1‑
1和组件盒1
‑1‑
3的包壳材料均为不锈钢。
9.所述螺旋十字型金属燃料元件堆芯，堆芯活性区1嵌入在径向反射层2中，二者等高且上下端面和中轴线分别重合；轴向上反射层3和轴向下反射层4分别与堆芯活性区1的上端面和下端面连接，中轴线与堆芯活性区1重合，直径与径向反射层2相等；径向反射层2、轴向上反射层3和轴向下反射层4材料为氧化铝。
10.所述螺旋十字型金属燃料元件堆芯，控制棒组件1
‑
2包括控制体1
‑2‑
1、导向筒1
‑
2
‑
2和控制棒组件盒1
‑2‑
3；每个控制棒组件1
‑
2中采用六边形布置2圈控制体1
‑2‑
1，因此共7根控制体1
‑2‑
1，并被不锈钢材料导向筒1
‑2‑
2围住，每个控制体1
‑2‑
1包括圆柱形碳化硼控制棒和包覆圆柱形碳化硼控制棒的不锈钢包壳；控制棒组件盒1
‑2‑
3将导向筒1
‑2‑
2共轴围住；控制体1
‑2‑
1、导向筒1
‑2‑
2和控制棒组件盒1
‑2‑
3之间的空隙为冷却剂通道。
11.和现有技术相比较，本发明具备如下优点：
12.1、本发明螺旋十字型金属燃料元件，在保留了螺旋燃料优异的热工水力性能同时，有效地减少了堆芯体积并具有较低的燃料峰值温度，适用于小型化、高温度参数并兼顾经济性的新型反应堆。
13.2、本发明螺旋十字型金属燃料元件采用zr质量含量10％的u
‑
zr合金燃料，体积装载量高于现有螺旋燃料采用的陶瓷材料或triso燃料方案；因此本发明在相同燃耗要求下，有效地降低了堆芯体积。
14.3、u
‑
zr合金燃料的热导率低，在相同热功率前提下，相比于棒型原件，有效降低了芯块峰值温度，进而能够在相同的安全裕量下提高反应堆功率，进而提高冷却剂出口温度，有利于反应堆的经济性。
15.4、本发明螺旋十字型金属燃料元件采用三角形排布，相邻燃料元件每扭转30度后会在花瓣处点接触，实现支撑和固定作用，而已有的正方形排布的螺旋十字元件每扭转90度才会出现点接触。故在相同的螺距下，本发明的堆芯在径向和周向上具有更好的稳定性，有利于抵抗流致振动。
附图说明
16.图1为本发明螺旋十字型金属燃料元件堆芯的横截面示意图。
17.图2为本发明螺旋十字型金属燃料元件堆芯沿图1c
‑
c向的纵截面示意图。
18.图3为本发明螺旋十字型金属燃料元件堆芯的一区组件和二区组件示意图。
19.图4为本发明螺旋十字型金属燃料元件堆芯的控制棒组件示意图。
20.上述附图中：1：堆芯活性区；2：径向反射层；3：轴向上反射层；4：轴向下反射层；1
‑1‑
a：一区组件；1
‑1‑
b：二区组件；1
‑
2：控制棒组件；1
‑1‑
1：燃料元件；1
‑1‑
2：冷却剂通道；1
‑1‑
3：组件盒；1
‑2‑
1：控制体；1
‑2‑
2：导向筒；1
‑2‑
3：控制棒组件盒。
具体实施方式
21.本发明提供了一种螺旋十字型金属燃料元件堆芯，现结合附图，以堆芯热功率125mw，冷却剂为flibe的小型氟盐冷却高温堆堆芯为例，对本发明作进一步详细说明。如图1和图2所示，为本发明螺旋十字燃料元件小型氟盐冷却高温堆的一个实施例。
22.如图2所示，螺旋十字型金属燃料元件堆芯，包括堆芯活性区1、径向反射层2、轴向上反射层3和轴向下反射层4；所述螺旋十字型金属燃料元件堆芯，堆芯活性区1嵌入在径向反射层2中，二者等高且上下端面和中轴线分别重合；轴向上反射层3和轴向下反射层4分别与堆芯活性区1的上端面和下端面连接，中轴线与堆芯活性区1重合，直径与径向反射层2相等；径向反射层2、轴向上反射层3和轴向下反射层4材料为氧化铝。
23.如图1所示，所述螺旋十字型金属燃料元件堆芯，堆芯活性区1包括一区组件1
‑1‑
a、二区组件1
‑1‑
b和控制棒组件1
‑
2；三类组件采用6圈正六边形密铺布置，且最外圈的六角
处不布置组件，故堆芯活性区1共有121盒组件；堆芯活性区1中心三圈为一区组件1
‑1‑
a，其余为二区组件1
‑1‑
b，控制棒组件1
‑
2在中心位置和第三圈的六角位置替换掉7组一区组件1
‑1‑
a，在第五圈的中边位置替换掉6组二区组件1
‑1‑
b，因此控制棒组件1
‑
2共13组，一区组件1
‑1‑
a共37组(包含7组控制棒组件)，二区组件1
‑1‑
b共84组(包含6组控制棒组件)。
24.如图3所示，所述螺旋十字型金属燃料元件堆芯，一区组件1
‑1‑
a和二区组件1
‑1‑
b均包括燃料元件1
‑1‑
1、冷却剂通道1
‑1‑
2以及包覆燃料元件1
‑1‑
1和冷却剂通道1
‑1‑
2的组件盒1
‑1‑
3；燃料元件1
‑1‑
1采用螺旋十字型式，燃料栅元呈三角形排布，在一区组件1
‑1‑
a和二区组件1
‑1‑
b中均布置6圈，相邻燃料元件1
‑1‑
1每扭转30度后会在花瓣处点接触，相比于已有的四边形排布的螺旋十字型燃料元件，具有更多的固定点；燃料元件1
‑1‑
1之间的区域为冷却剂通道1
‑1‑
2；燃料元件1
‑1‑
1的燃料为zr质量含量10％的u
‑
zr合金，u235富集度19.75％；燃料元件1
‑1‑
1和组件盒1
‑1‑
3的包壳材料均为不锈钢；
25.如图4所示，所述螺旋十字型金属燃料元件堆芯，控制棒组件1
‑
2包括控制体1
‑2‑
1、导向筒1
‑2‑
2和控制棒组件盒1
‑2‑
3；每个控制棒组件1
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2中采用六边形布置2圈控制体1
‑2‑
1，因此共7根控制体1
‑2‑
1，并被不锈钢材料导向筒1
‑2‑
2围住，每个控制体1
‑2‑
1包括圆柱形碳化硼控制棒和包覆圆柱形碳化硼控制棒的不锈钢包壳；控制棒组件盒1
‑2‑
3将导向筒1
‑2‑
2共轴围住；控制体1
‑2‑
1、导向筒1
‑2‑
2和控制棒组件盒1
‑2‑
3之间的空隙为冷却剂通道。
26.以小型氟盐冷却高温堆堆芯为例：堆芯热功率125mw，冷却剂为flibe，入口温度650℃，出口温度700℃，富集度19.75％，燃耗要求>104mwd/tu。经三维输运反应堆物理和三维精细热工计算，本发明方案计算得到的堆芯直径228cm，活性区高度80cm，上下反射层厚度20cm；无毒物工况下，径向功率因子范围为(0.758
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1.289)，轴向功率因子为(0.792
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1.183)，燃料峰值温度1193.63k；而采用体积分数50％triso方案，计算得到的活性区高度为340cm；如果采用棒型燃料元件，计算得到的活性区高度为400cm，燃料峰值温度1383.46k。综上，本发明在相同燃耗要求下，有效地降低了堆芯体积；相比于棒型原件，有效降低了芯块峰值温度，进而有利于反应堆的经济性。
27.以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定专利保护范围。