双面冷却环形燃料元件相对传统棒状燃料元件具有两个优势：1）减小了芯块径向热传导路径的厚度，显著降低了芯块内最高温度；2）增加了冷却剂润湿周长，冷却能力得到显著提高。麻省理工学院（MIT）的研究表明，在压水堆中使用这种燃料，功率密度可提高到150%，同时保持甚至提高安全裕量。2001年，MIT提出将双面冷却环形燃料元件应用于压水堆的设想，并启动了相关研究。此后，美国将环形燃料作为新一代压水堆燃料及核电厂延寿优先燃料进行研发，韩国也计划采用环形燃料对在运行的OPR－1000进行技术改造。2010—2011年，中国原子能科学研究院开发了环形燃料设计与分析软件，开展了环形燃料元件应用于压水堆核电厂的可行性研究。国内外学者针对双面冷却环形燃料的研究多为定性的综述性研究。虽然针对组件排列方式做了较多研究，但类似开展的燃料元件几何尺寸优化设计的研究较少，具体的模型和计算方法尚未见文献报道。
环形燃料元件主要由内外两层包壳和圆环状的UO2芯块组成，内外包壳与芯块之间都存在一定的气隙。冷却剂可同时从内外两个通道对燃料元件进行冷却，其中外通道可与周围的通道进行质量、动量和能量交换，而内通道由于与外界隔离，故与外界无质量、动量和能量交换。图2为双面冷却环形燃料元件和实心棒状燃料元件横截面示意图。
双面冷却环形燃料元件的尺寸设计，在中子物理学上主要考虑栅元的“水－铀”体积比，本研究将保持该比值与传统压水堆中的值基本相等。在热工水力学上必须考虑的一个因素是内外通道冷却能力的平衡：若环形芯块中心孔直径过小，则内通道将因冷却剂流量过小导致冷却能力不足；反之，元件内径过大会导致外通道冷却能力不足。这将导致内通道或外通道出口处冷却剂温度不能满足冷却剂出口所需要的过冷度，甚至在靠近出口发生饱和沸腾。如果环形芯块的中心孔大小取值合适，使内外通道的冷却达到平衡，便可有效地利用冷却剂对燃料元件进行充分的冷却。本研究主要基于内外通道冷却平衡原理，对环形燃料元件的尺寸进行优化设计。
当燃料元件内通道直径较小时，内通道的冷却剂和包壳温度明显高于外通道对应值，在内通道靠近出口处甚至出现沸腾现象。当燃料元件内径大小合适时，内外通道冷却剂及包壳表面温度基本相等，内外均不会出现沸腾换热，具有较好的内外通道冷却平衡。
进口处所有尺寸设计下最高温度线均往内通道偏离，这是因为外通道的润湿周长大于内通道，故外通道冷却
能力强于内通道。从进口到出口过程中，内径小的最高温度位置逐渐向内通道偏，而内径大的最高温度位置逐渐向外通道偏，这是因为内径过小时，内通道冷却剂温度高于外通道，导致内通道冷却能力低于外通道，反之情况相反。越靠近出口，最高温度位置线向内或向外偏离越严重，这是因为越靠近出口处，内外通道冷却剂温差越大，导致内外通道冷却越不平衡。若元件内径选择合适，内外通道冷却剂从出口到进口都近似相等，冷却剂最高温度线将在高度方向上保持近似直线。
