CN105047232B - 一种包层式堆芯结构的加速器驱动次临界装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种包层式堆芯结构的加速器驱动次临界装置，其采用模块化设计思想，将燃料组件改设计为燃料包层，并将外中子源与堆芯部分隔离。外中子源靶和燃料包层分别使用独自的回路进行冷却，这样，靶可以使用与燃料不同的冷却剂进行冷却，增加了设计灵活性。所有的燃料包层都共用电磁泵和换热器，另有一套系统备用。燃料包层冷却回路使用同心管相连，以减少管道布置。所有燃料包层和外中子源都放置在保护容器内，可以实现多重屏障。同时在保护容器内，包层外填充惰性气体，正常工况下可以通过惰性气体压力判断包层破口情况，事故工况下还可以直接填充冷却剂以实现停堆余热排出。控制棒系统根据需要布置在燃料包层的间隙。

Description

一种包层式堆芯结构的加速器驱动次临界装置

技术领域

本发明涉及加速器驱动次临界系统的技术领域，具体涉及一种包层式堆芯结构的加速器驱动次临界装置。

背景技术

核能是国家战略的重要组成部分，然而核能发展中面临着两大制约因素，一是乏燃料的处理，而是核燃料的增殖。一方面，在乏燃料中，存在大量的长寿命裂变产物及大量的次锕系(MA)核素，其不仅放射性强，而且寿命极长，部分核素的寿命甚至可达10⁴～10⁷年。国际上的通常做法是经过减容固化后直接地质深埋但依然不能解决放射性风险问题，其中的长寿命裂变产物与MA仍然对环境以及后代造成极大的安全威胁。另一方面，可直接作为裂变堆燃料的易裂变核素在自然中储量有限，据估计只能使用近60年。为了核能的可持续发展，可以通过使自然界大量存在的²³⁸U以及²³²Th进行增殖。要进行增殖，一来需要中子能量足够高，二来需要具有多的“富裕”中子。

解决上述问题的一个方法就是发展加速器驱动次临界系统(ADS)。在加速器驱动次临界系统(ADS)中，首先质子轰击散裂靶，产生散裂中子。之后散裂中子进入反应堆堆芯，引起裂变，产生更多的裂变中子。之后利用这些中子进行乏燃料的嬗变或燃料的增殖。其比传统临界反应堆的优点是：散裂中子能量要比裂变中子高很多，更利于嬗变和增殖；反应堆处于次临界状态，避免了超临界事故风险。

目前已有的加速器驱动次临界系统(ADS)的结构与传统堆的布置思路类似：将所有的燃料组件都放在一个安全容器内；加速器束流管道直接引入堆芯；散裂靶直接布置与堆芯活性区中。这样，不仅结构复杂，加速器与靶的工作环境苛刻，造成相关部件设计制造难度大，部件更换维修与燃料更换操作困难，为保证足够的安全裕度，需要配备更多复杂的安全设施，造成总体更高。

本发明是一种模块化的加速器驱动次临界系统(ADS)，加速器驱动次临界系统(ADS)是核能领域被认为解决乏燃料嬗变与燃料增殖的有效途径，可以有效简化反应堆结构，降低加速器、靶设备的环境要求，减小维护难度，节省建造与运维成本。

发明内容

本发明的目的在于：为了解决乏燃料处理以及核燃料增殖的难题，以及克服结构复杂，成本高以及操作困难的难题，本发明设计了一种包层式堆芯结构的加速器驱动次临界装置，其具有维护简单、次临界安全、模块化堆芯整体更换、无需换料机、避免小破口等优点。

为实现以上目的，本发明采用的技术方案为：一种包层式堆芯结构的加速器驱动次临界装置，包括外中子源，燃料包层模块，保护容器，外中子源冷却回路，燃料包层模块冷却回路，连接燃料包层模块冷却回路的同心管，燃料包层模块冷却回路包括电磁泵及换热器；同心管包括同心管中心管和同心管中的外层管；

外中子源与反应堆堆芯燃料和反应堆堆芯冷却剂不共用同一容器；反应堆堆芯燃料与反应堆堆芯冷却剂置于多个独立容器内形成的燃料包层模块；燃料包层模块分布在外中子源周围；外中子源与燃料包层模块置于保护容器内，燃料包层模块与燃料包层模块冷却回路通过同心管相连，同心管的中心管和外层管分别作为燃料包层模块中冷却剂的出口与入口，外中子源与外中子源冷却回路相连。

进一步的，散裂靶采用独立的外中子源冷却回路进行冷却。

进一步的，反应堆堆芯燃料在反应堆燃料包层内，燃料包层模块冷却回路中的反应堆堆芯冷却剂仅在燃料包层模块内部流动，不在反应堆堆芯包层与保护容器间流动。

进一步的，控制棒系统安装在包层间隙。

本发明在设计中考虑的问题如下：

1.为减少反应堆堆内复杂环境以及狭小空间对散裂靶与加速器相关部件的要求，将外中子源与反应堆设计成结构独立的两个模块。由传统设计的内耦合，改为创新的外耦合结构。这样还可以使堆芯与散列靶的冷却回路根据各自需求，灵活设计，而不必考虑相互影响，造成的安全问题。

2.为避免安装复杂的堆内换料及遥操维修机构，采用了模块化设计思路，将反应堆堆芯设计成几个独立燃料包层模块。堆芯燃料的冷却剂设计成在正常工况下只在包层内部流动，在包层外与保护容器内不存在冷却剂。这样可以简化操作环境，在需要换料时，直接整体模块更换，不仅节省了遥操机构昂贵的制造成本，还可以大量节省换料时间，提高反应堆的可用率。

3.为达简化系统目的，所有模块内冷却剂共用电磁泵与换热器系统，同时另有一套系统备用，以满足冗余性准则。电磁泵不仅用来驱动金属冷却剂流动，而且也实现加热冷却剂的功能。为达到减少管道布置，简化系统的目的，燃料包层与电磁泵和换热器系统的连接采用同心管。

4.在正常工况下，为减少散热，提高经济性与安全性，在包层与安全容器之间填充惰性气体(如He)。而在事故工况时，还可以通过惰性气体的压力变化，判断包层的破口情况。在事故工况时，还可以之间向包层与安全容器间填充冷却剂，实现停堆余热的排出。

5.为减少包层上的开口，控制棒不能设计在包层以内，本发明将控制棒设置在包层间隙。这样还可以使得控制棒与燃料相对独立，更换维护较为方便。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)、本发明靶系统与反应堆系统间的相互影响较小，各自设计灵活性大；

(2)、本发明模块化设计，维修换料容易，各模块易于拆卸与组装；

(3)、本发明系统管道布置简单。

附图说明

通过结合附图，对该专利涉及的包层式堆芯结构的加速器驱动次临界装置的结构进行进一步说明：

图1表示的是该包层式堆芯结构的加速器驱动次临界装置的总体示意图；

图2表示的是包层式堆芯结构的加速器驱动次临界装置的剖视示意图；

图3表示的是连接包层回路的同心管剖面示意图。

图中，1为外中子源，2为燃料包层模块，3为保护容器，4为外中子源冷却回路，5为燃料包层模块冷却回路(包括电磁泵及换热器)，6为连接包层模块冷却回路的同心管，7为放置控制棒的位置，8为同心管中心管，9为同心管中的外层管。

具体实施方式

为说明本发明专利的具体实施方式，在本说明书中说明了一种堆芯的结构，本领域技术人员将理解，根据本公开的说明书，可针对那些细节开发出各种改型和替代方式。因此，本文所公开的具体实施例仅是示意性的，而非限制本发明的范围，本发明的范围由所附权利要求及其所有等同物给出。

图1至图3所示，本发明的一种包层式堆芯结构的加速器驱动次临界装置，包括外中子源1，燃料包层模块2，保护容器3，外中子源冷却回路4，燃料包层模块冷却回路5，连接燃料包层模块冷却回路5的同心管6。燃料包层模块冷却回路5包括电磁泵及换热器。同心管6包括：同心管6的中心管8，同心管6中的外层管9。

外中子源1与反应堆堆芯燃料和反应堆堆芯冷却剂不共用同一容器；反应堆堆芯燃料与反应堆堆芯冷却剂置于多个独立容器内形成的燃料包层模块2；燃料包层模块2分布在外中子源1周围；外中子源1与燃料包层模块2置于保护容器3内。燃料包层模块2与燃料包层模块冷却回路5通过同心管6相连，同心管6的中心管8和外层管9分别作为燃料包层模块2中冷却剂的出口与入口，外中子源1与外中子源冷却回路4相连。

在图1中，首先在堆芯中间位置布置外中子源1，并连接外中子源冷却回路4，靶冷却回路设计成从堆芯中间通过，且冷却剂从下往上流动。

在外中子源1周围，布置在堆芯外已组装加工好的燃料包层模块2，如图1所示。将燃料包层的冷却剂出入口通过同心管6连接到共同的冷却回路系统5(包括电磁泵和换热器)中。

燃料包层模块2以及外中子源皆布置在保护容器3(这里为内衬有渗透涂层的混凝土池)内。在燃料包层模块2外，保护容器3内填充惰性气体。

在控制棒布置位置7处，可以根据设计需求，设置合适的形状(如板状)布置在包层间隙。

在正常运行中，可根据包层2外，保护容器3内惰性气体压力变化，判断包层的破口情况。事故工况下，还可以在该空间直接填充冷却剂，以完成停堆预热的排出。

图3中表示的是同心管的轴向剖视结构示意图，出口和入口冷却剂可在同心管中心管8与同心管中的外层管9中逆向流动，并且两层间设有隔热层，以减少出入口冷却剂间的换热。

Claims (3)

1.一种包层式堆芯结构的加速器驱动次临界装置，其特征在于：包括外中子源(1)，燃料包层模块(2)，保护容器(3)，外中子源冷却回路(4)，燃料包层模块冷却回路(5)，连接燃料包层模块冷却回路的同心管(6)，燃料包层模块冷却回路(5)包括电磁泵及换热器；同心管(6)包括同心管中心管(8)和同心管中的外层管(9)；

反应堆堆芯燃料与反应堆堆芯冷却剂置于多个独立容器内形成的燃料包层模块，并且外中子源(1)与反应堆堆芯燃料和反应堆堆芯冷却剂不共用所述独立容器；燃料包层模块(2)分布在外中子源(1)周围；外中子源(1)与燃料包层模块(2)置于保护容器(3)内，燃料包层模块(2)与燃料包层模块冷却回路(5)通过同心管(6)相连，同心管(6)的中心管(8)和外层管(9)分别作为燃料包层模块(2)中冷却剂的出口与入口，外中子源(1)与外中子源冷却回路(4)相连；反应堆堆芯燃料在反应堆燃料包层(2)内，燃料包层模块冷却回路(5)中的反应堆堆芯冷却剂仅在燃料包层模块(2)内部流动，不在反应堆堆芯包层与保护容器(3)间流动。

2.如权利要求1所述的一种包层式堆芯结构的加速器驱动次临界装置，其特征在于：散裂靶采用独立的外中子源冷却回路(4)进行冷却。

3.如权利要求1所述的一种包层式堆芯结构的加速器驱动次临界装置，其特征在于：控制棒系统安装在包层间隙(7)。