一种采用棒状燃料组件的超临界二氧化碳冷却小堆的制作方法

本发明属于核反应堆工程技术领域，具体涉及一种采用棒状燃料组件的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，更不适合于一些特殊用途，像破冰船动力等。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。

技术实现要素：

为解决上述问题，本发明提供了一种棒采用棒状燃料组件的超临界二氧化碳冷却小堆，改冷却小堆热功率为100MWt，热效率为40％，工作压力为14MPa，出口温度500℃，换料周期为一年，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：

一种采用棒状燃料组件的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8以及置于压力壳8内的堆芯12和控制棒驱动机构6，所述压力壳8的上部和下部分别被上隔离板和下隔离板隔离出上腔室19和下腔室11，压力壳8与堆芯吊篮7之间的间隙形成下降段10，堆芯12内竖向垂直放置有多个棒状燃料组件以及控制棒组件，所述棒状燃料组件上方有裂变气体气腔17，裂变气体气腔17上面压着上隔离板，所述控制棒组件的控制棒棒束14向上延伸穿过上隔离板与上腔室19内的控制棒驱动机构6相连，在下隔离板和堆芯12内的棒状燃料组件相连处，对应于每个棒状燃料组件有进气孔，用于调节进气流量；

所述堆芯12呈1/6对称结构，每个1/6堆芯由多个棒状燃料组件、控制棒组件C、反射层组件R和屏蔽层组件S排列成截面为三角形形状；所述棒状燃料组件包括第一类棒状燃料组件F1和第二类棒状燃料组件F2两种类型，第一类棒状燃料组件F1放置在堆芯12内部，第二类棒状燃料组件F2放置在第一类棒状燃料组件F1外围位置，第二类棒状燃料组件F2外围放置反射层组件R，反射层组件R外围放置屏蔽层组件S，控制棒组件C分散布置在第一类棒状燃料组件F1中；所述棒状燃料组件的活性区高度为120cm，活性区上下分别有10cm厚的反射层与屏蔽层；第一类棒状燃料组件F1轴向分为三层，活性区的中间部位是48cm长的富集度为25％的燃料，活性区的上部和下部分别为36cm长的富集度为30％的燃料；第二类棒状燃料组件F2轴向不分区，其燃料富集度为35％；所述堆芯12的工作压力为14MPa，堆芯冷却剂进口温度300℃，出口温度为500℃，热功率为100MWt。

所述堆芯12放置的棒状燃料组件之间留有间隙。

所述棒状燃料组件呈六边形，包括外部的组件壁1以及内部的超临界二氧化碳冷却的燃料区2；所述燃料区2内均匀分布有91个棒状燃料。

所述棒状燃料由内向外由燃料棒3、气隙4和燃料棒包壳5组成。

所述燃料棒包壳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2的材料为UO₂燃料。

所述控制棒组件C包括控制棒组件外壁32、设置在控制棒组件外壁32上的多个壁面冷却通道33以及控制棒组件外壁32内插有的37根控制棒棒束14。

所述控制棒棒束14的每个控制棒为圆形截面，由控制棒包壳35及置于控制棒包壳35内的碳化硼吸收体34组成。

本发明和现有技术相比，具有如下优点：

1、与申请号201510729024.5中的发明相比，本发明中燃料使用UO₂燃料，相比于MOX燃料，制造成本更低些，由于堆芯12的每个1/6堆芯由多个棒状燃料组件、控制棒组件C、反射层组件R和屏蔽层组件S排列成截面为三角形形状，所以本发明中的堆芯体积较小，可以适用于对于动力设计尺寸有要求的特殊的地方，像破冰船动力。

2、本发明燃料组件采用棒状燃料组件，由于燃料采用UO₂，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。

3、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是二氧化碳冷却小堆结构示意图。

图2是1/6堆芯布置示意图。

图3是棒状燃料组件横截面示意图。

图4是棒状燃料横截面示意图。

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3所示，为一个热功率为100MWt(电功率为40MWe)的采用棒状燃料组件的超临界二氧化碳冷却小堆，该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8以及置于压力壳8内的堆芯12和控制棒驱动机构6，所述压力壳8的上部和下部分别被上隔离板和下隔离板隔离出上腔室19和下腔室11，压力壳8与堆芯吊篮7之间的间隙形成下降段10，堆芯12内竖向垂直放置有多个上述所述的棒状燃料组件及控制棒组件，所述的棒状燃料组件上方有裂变气体气腔17，裂变气体气腔17上面压着上隔离板，控制棒组件的棒束14向上延伸穿过上隔离板与上腔室19内的控制棒驱动机构6相连，在下隔离板和堆芯12内的棒状燃料组件相连处，对应于每个棒状燃料组件有进气孔，用于调节进气流量。

如图2所示，堆芯12(呈1/6对称的)每个1/6堆芯由多个棒状燃料组件、控制棒组件C、反射层组件R和屏蔽层组件S排列成截面为三角形形状，此排列方式可减小堆芯尺寸，从而减小压力容器尺寸。为了展平功率，堆芯12采用高泄露布料方案，分为三个U-235含量区。在堆芯12中，棒状燃料组件包括第一类棒状燃料组件F1和第二类棒状燃料组件两种类型，棒状燃料组件的活性区高度为120cm，在计算模型中，活性区上下分别有10cm厚的反射层与屏蔽层，第一类棒状燃料组件F1轴向分为三层，活性区的上部和下部分别为36cm长的富集度为30％的燃料，活性区的中间部位是48cm长的富集度为25％的燃料，第二类棒状燃料组件F2轴向不分区，其燃料富集度为35％，第一类棒状燃料组件F1放置在堆芯12内部，第二类棒状燃料组件F2放置在第一类棒状燃料组件F1外围位置，第二类棒状燃料组件F2外围放置反射层组件R，反射层组件R外围放置屏蔽层组件S，控制棒组件C分散布置在堆芯12中，堆芯12的工作压力为14MPa，堆芯冷却剂进口温度300℃，出口温度为500℃，热功率为100MWt。

如图3所示，棒状燃料组件呈六边形，由外向内共有两层，分别为组件壁1和以及超临界二氧化碳冷却的燃料区2，燃料区2中均匀分布有91个棒状燃料。

优选所述燃料区2内被冷却的燃料的材料为UO₂。

优选所述组件壁1的材料为ODS MA956不锈钢。

如图4所示，所述棒状燃料由燃料棒3、气隙4和包壳5组成。

优选所述包壳5的材料为ODS MA956不锈钢。

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14，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32，为了冷却所述壁面，内部开有壁面冷却剂通道33，控制棒组件外壁32内插有的37根控制棒棒束14。

如图6所示，控制棒棒束14的每个控制棒为圆形截面，由控制棒包壳35及置于控制棒包壳35内的碳化硼吸收体34组成。

如图1所示，本发明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9进入压力壳8后，进入下腔室11，通过与下隔离板相连的冷却剂通道壁4及组件壁1穿过各个棒状燃料组件及组件间间隔的燃料组件区13，在燃料组件区13充分加热后通过堆芯正常运行出气口18流出压力壳8。出口时气温已达到500℃，随后流向超临界汽轮机20，推动发电机23发电，之后先流进高温换热器25，再进入低温换热器28，经过分流阀27之后，一部分流进预冷器29，剩下一部分流进次级压缩机22，从预冷器29出来的气流流进主压缩机24，经过主压缩机24之后，再流进低温换热器26，从低温换热器26出来之后经过汇流阀28与从次级压缩机22流出的气流汇合，然后一起流进高温换热器25，经过加热之后由进入堆芯正常运行进气口9进入压力壳8，完成一次热力循环。

考虑事故工况下，紧急事故出气口15打开，气体由此从压力壳8流出，进入紧急事故换热器30，之后再由紧急事故进气口16进入压力壳8，从而保证堆芯12被冷却状态。紧急事故换热器30是由外置水箱31提供换热工质。