一种螺旋十字燃料元件小型氟盐冷却高温堆堆芯

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。

技术实现要素：

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uc0.5o1.5，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。

所述上反射层3、径向反射层4和下反射层8材料均为石墨。

所述堆芯20位于压力容器19中，产生的热量由熔盐泵23驱动输热工质flinak熔盐通过熔盐换热器22输出，并在储能池24汇集，用于热量的多用途使用。

所述flinak熔盐中lif：naf：kf＝46.5:11.5:42mol％。

和现有技术相比较，本发明具备如下优点：

1、本发明中小型氟盐冷却高温堆堆芯采用螺旋十字燃料元件，相比于现有氟盐堆的板型、圆柱型、环型以及球型燃料元件，增加了燃料棒表面积和体积比，其螺旋形的结构对冷却剂造成冲击，增强各个子通道之间的搅浑，大大增强换热效果，提升功率密度。螺旋十字燃料元件凹处表面也易于容纳肿胀变形，减小应力。

2、本发明小型氟盐冷却高温堆堆芯采用六边形排列的螺旋十字燃料元件，依靠相邻元件的支撑实现固定，避免定位格架的使用。相比于压水堆螺旋十字燃料元件采用矩形排列，每扭转90度每个燃料元件有四个接触点，本发明中六边形排列依靠每个燃料元件每扭转30度处的两个接触点实现支撑和固定作用，从而增加了接触点的数量，更易于固定，并且六边形的排列空间利用率也更高，有利于减小堆芯体积。

3、本发明小型氟盐冷却高温堆堆芯产生的热量由熔盐泵驱动输热工质flinak液态熔盐经熔盐换热器输出，于储能池中汇集，既能发电，又能输出高温工艺热，实现热量的多用途使用。

4、本发明提供的小型氟盐冷却高温堆堆芯将控制棒设置在单独的组件中，不与燃料接触，降低了控制棒受到的辐照损伤。

附图说明

图1为本发明螺旋十字燃料元件小型氟盐冷却高温堆堆芯纵截面示意图。

图2为本发明螺旋十字燃料元件小型氟盐冷却高温堆堆芯横截面示意图。

图3为燃料组件示意图。

图4为燃料元件示意图。

图5为控制棒组件示意图。

图6为堆芯热量利用示意图。

上述附图中：1-堆芯围筒；2-上腔室；3-上反射层；4-径向反射层；5-冷却剂旁流通道；6-燃料组件；7-控制棒组件；8-下反射层；9-下腔室；10-燃料区；11-包壳；12-燃料元件；13-石墨层；14-冷却剂通道；15-导向管；16-间隙；17-控制体；18-控制棒；19-压力容器；20-堆芯；21-主泵；22-熔盐换热器；23-熔盐泵；24-储能池。

具体实施方式

本发明提供了一种螺旋十字燃料元件小型氟盐冷却高温堆堆芯，现结合附图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。

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。

如图3和图4所示，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。

如图5所示，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，间隙16供控制体17辐照膨胀、热膨胀以及产生气体等预留空间。

如图6所示，堆芯20位于压力容器19中，产生的热量由熔盐泵23驱动输热工质flinak熔盐(lif：naf：kf＝46.5:11.5:42mol％)通过熔盐换热器22输出，并在储能池24汇集，实现热量的多用途使用。

作为本发明的优选实施方式，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，可以更有效的包容裂变产物，燃料为uc0.5o1.5，铀-235富集度为19.75％，燃料元件12的包壳11材料为石墨。

作为本发明的优选实施方式，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。

作为本发明的优选实施方式，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驱动用以冷却堆芯。flibe作为冷却剂具有较高的比热容，可以使得堆芯体积更小，功率密度更大，其导热性良好，能有效传导堆芯热量，并且与石墨材料具有很好的兼容性。

作为本发明的优选实施方式，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，使得冷却剂分布更为均匀。

作为本发明的优选实施方式，所述上反射层3、径向反射层4和下反射层8材料均为石墨。

上述螺旋十字燃料元件小型氟盐冷却高温堆堆芯的工作原理如下：

螺旋十字燃料元件小型氟盐冷却高温堆堆芯运行时，热量由燃料区10中的triso包覆颗粒裂变产生，通过石墨基体和包壳11扩散到燃料元件12外，从而传递到冷却剂通道14内。冷却剂盐由下腔室9进入堆芯，向上流动导出裂变热并在上腔室2进行混合。由燃料区10中的石墨基体以及燃料组件外围石墨层13对裂变产生的中子进行慢化，控制棒18的提升或插入用以控制堆芯反应性。

堆芯20位于压力容器19中，产生的热量由熔盐泵23驱动输热工质flinak液态熔盐(lif：naf：kf＝46.5:11.5:42mol％)通过熔盐换热器22输出，并在储能池24汇集。所储存的热量既能发电，又能输出高温工艺热，实现热量的多用途使用。