CN103474097B

CN103474097B - 高快中子注量率堆芯

Info

Publication number: CN103474097B
Application number: CN201210182828.4A
Authority: CN
Inventors: 王连杰; 黄世恩; 魏彦琴; 夏榜样; 于颖锐; 李庆
Original assignee: Nuclear Power Institute of China
Current assignee: Nuclear Power Institute of China
Priority date: 2012-06-06
Filing date: 2012-06-06
Publication date: 2016-08-10
Anticipated expiration: 2032-06-06
Also published as: CN103474097A

Abstract

本发明属于核反应堆设计技术领域，具体涉及一种高快中子注量率堆芯。该堆芯包括燃料组件、控制棒组件和铍组件；燃料组件为六边形套管型燃料组件，若干个燃料组件呈环形紧凑布置，最内层环上有6个燃料组件，在其环形区域的中心处形成快中子阱；紧挨燃料组件环形区域的外侧布置有若干个六边形铍组件，形成倒中子阱；若干根控制棒组件按两行两列呈“井”字型间隔布置在燃料组件之间。本发明所述高快中子注量率堆芯，满足国际限制的U-235富集度水平和国内的燃料芯体制造及冷却剂流速设计水平的要求，可获得较高的辐照孔道内快中子注量率水平，增强和拓宽试验堆的辐照能力和应用范围。

Description

高快中子注量率堆芯

技术领域

本发明属于核反应堆设计技术领域，具体涉及一种高快中子注量率堆芯。

背景技术

核动力工程的发展离不开核反应堆，而核反应堆的发展离不开试验堆。试验堆对各种反应堆堆型的开发有非常重要的作用。现代试验堆的发展趋势是具有高的热中子或快中子注量率，数目多的实验孔道，包括一定数量的大尺寸孔道。先进试验堆设计追求的一个重要目标是高的快中子注量率。堆内快中子注量率越高，材料辐照试验所需要的时间就越短。例如，聚变反应堆是未来最有希望的能源之一，它所用的材料需要很强的耐辐照性能，要求达到150dpa/a的辐照剂量。要在尽可能短的时间内完成材料的辐照试验，需要具备拥有高快中子注量率试验孔道的工程试验堆。

高快中子注量率试验堆需要燃料元件有高裂变密度，一般不采用圆棒形燃料元件，通常采用板型、套管形或渐开线形燃料元件。计划建造的欧洲先进试验堆JHR堆，采用U₃Si₂-Al圆柱形燃料和雏菊型栅格排列方式，芯体铀密度为4.8gU/cm³，U-235富集度为27％，其富集度水平高于国际核行业通用规定限制的试验堆燃料富集度上限20%。JHR采用“十字麻花型燃料针”，在一个栅元中布置90个燃料针，中心有直径32mm孔道，放置考验件。“十字麻花型燃料针”组件内的功率密度相当高，而其传热能力很差，因此“十字麻花型燃料针”用锆或不锈钢做包壳，堆芯要高压、高流速才能导出热量。JHR堆设计功率为100MW，活性段高度60cm，燃料元件冷却剂流速18m/s。在使用高于国际通用限值的27％富集度U-235的前提条件下，其燃料组件中孔最大快中子注量率通量目标为5×10¹⁴n/cm²/s (E＞0.907MeV)。

国际核行业通用规定限制试验堆燃料中U-235富集度不超过20％，另外，国内燃料制造水平要求U₃Si₂-Al燃料芯体铀密度不高于4.0gU/cm³才能较好地保证芯体内铀的均匀性，国内成熟的套管型燃料组件内冷却剂流速所允许的设计上限值为12m/s。相比于JHR堆，较低的U-235富集度、燃料芯体铀密度以及冷却剂流速限制了国内试验堆的堆芯功率密度和中子注量率水平。因此，基于国际限制的U-235富集度水平和国内的燃料芯体制造及冷却剂流速设计水平，需要提出合理的堆芯布置，获得高快中子注量率堆芯，以提高试验堆的材料辐照能力。

发明内容

本发明的目的在于基于国际限制的U-235富集度水平和国内的燃料芯体制造及冷却剂流速设计水平，在保证安全及结构可行的前提下，提供一种高快中子注量率堆芯，以获得较高的辐照孔道内快中子注量率水平。

为达到上述目的，本发明所采取的技术方案为：

一种高快中子注量率堆芯，该堆芯包括燃料组件、控制棒组件和铍组件；燃料组件为六边形套管型燃料组件，若干个燃料组件呈环形紧凑布置，最内层环上有6个燃料组件，在其环形区域的中心处形成快中子阱；紧挨燃料组件环形区域的外侧布置有若干个六边形铍组件，形成倒中子阱；若干根控制棒组件按两行两列呈“井”字型间隔布置在燃料组件之间。

所述燃料组件为七层燃料组件，42个七层燃料组件呈环形紧凑布置，最内层环上有6个七层燃料组件。

所述燃料组件包括七层燃料组件和四层燃料组件，39个七层燃料组件和3个四层燃料组件呈环形紧凑布置，最内层环上间隔布置有3个七层燃料组件和3个四层燃料组件。

所述快中子阱中布置有1个小辐照孔道。

所述倒中子阱中布置有若干个大辐照孔道、中辐照孔道和小辐照孔道。

所述快中子阱中布置有1个小辐照孔道，其直径为69mm，倒中子阱中布置2个大辐照孔道，其直径为260mm、4个中辐照孔道，其直径为150mm、2个小辐照孔道，其直径为69mm。

所述七层燃料组件包括铝包壳、7层燃料套管、冷却剂水、挤水芯轴；每层燃料套管由筒状燃料芯体和燃料包壳组成，燃料芯体的厚度为0.6mm，最外层燃料套管外围套有六边形铝包壳，最内层燃料套管的中心填充有挤水芯轴，挤水芯轴为铝棒；铝包壳、各层燃料套管和挤水芯轴之间填充有冷却剂水。

所述四层燃料组件包括铝包壳、4层燃料套管、冷却剂水、挤水芯轴和内套管；每层燃料套管由筒状燃料芯体和燃料包壳组成，燃料芯体的厚度为0.6mm，最外层燃料套管外围套有六边形铝包壳，最内层燃料套管的内侧设置有内套管，内套管的中心填充有挤水芯轴，挤水芯轴为铝棒；铝包壳、各层燃料套管、内套管和挤水芯轴之间填充有冷却剂水。

所述控制棒组件数目为16根，分五排排布：其中第一排从左到右依次为补偿棒E₁、补偿棒F₁；第二排从左到右依次为补偿棒D₁、安全棒A₁、补偿棒B₁、安全棒A₂、调节棒H；第三排从左到右依次为补偿棒C₁、补偿棒C₂；第四排从左到右依次为调节棒G、安全棒A₃、补偿棒B₂、安全棒A₄、补偿棒D₂；第五排从左到右依次为补偿棒F₂、补偿棒E₂。

所述16根控制棒组件提棒程序为：先将安全棒A₁、安全棒A₂、安全棒A₃、安全棒A₄同步提升到顶，再分别将调节棒H、调节棒G依次提升到堆芯半高度，然后将堆芯外围的补偿棒F₁和补偿棒F₂、补偿棒E₁和补偿棒E₂、补偿棒D₁和补偿棒D₂分三组依次提升到顶，接下来将堆芯中心部位的补偿棒B₁和补偿棒B₂、补偿棒C₁和补偿棒C₂分两组依次提升到顶，最后将调节棒G、调节棒H依次提升到顶。

本发明所取得的有益效果为：

本发明所述高快中子注量率堆芯，满足国际限制的U-235富集度水平和国内的燃料芯体制造及冷却剂流速设计水平的要求，可获得较高的辐照孔道内快中子注量率水平，增强和拓宽试验堆的辐照能力和应用范围；

本发明所述高快中子注量率堆芯，采用芯体铀密度为3.9gU/cm³的U₃Si₂-Al燃料，U-235富集度为19.75％，堆芯冷却剂流速为12m/s，在堆芯功率密度与JHR堆相当的条件下，堆芯辐照孔道内平均快中子注量率可达约4.0×10¹⁴n/cm²/s，辐照孔道中心轴向10cm高度内快中子注量率峰值可达5.0×10¹⁴n/cm²/s，快中子注量率水平与JHR堆相当，远高于国内在役的高通量工程试验堆HFETR。倒中子阱内辐照孔道中也可以获得可观的中子注量率水平，同样具备较高的辐照能力和实用价值；

本发明所述高快中子注量率堆芯，峰值快中子注量率所在辐照孔道的直径为69mm，相比于JHR堆燃料中孔直径32mm，可以放入更大尺寸的考验件，具备更强的辐照能力。除上述辐照孔道外，本发明所述高快中子注量率堆芯还可利用四层燃料组件的中孔形成3个直径为25mm的辐照孔道，可同时放置几个考验件进行辐照考验；

本发明采用多层套管燃料组件，并采用较厚的燃料芯体，可提高堆芯功率密度以获得更高的快中子注量率；

本发明燃料组件的最外层燃料套管外围套有六边形铝包壳，并在最内层燃料套管中心填充挤水芯轴，以减少燃料区域的水量，减弱中子吸收和慢化，提高快中子注量率；

本发明利用燃料组件紧凑布置和布置在燃料组件环形区外围的铍组件同时形成中子阱和倒中子阱，在中子阱和倒中子阱内布置多个不同尺寸的辐照孔道，使堆芯适用于不同注量率要求，并具备辐照不同尺寸材料的能力；

本发明提出的堆芯内控制棒组件沿水平、垂直方向呈“井”字形布置，方便在不拆卸辐照考验装置的前提下打开控制棒导管支架，有利于堆芯维护、换料等操作；

本发明提出的补偿棒由外向内依次提出的控制棒组件提棒程序，可在获得高快中子注量率的同时满足热工安全要求。

附图说明

图1为本发明所述高快中子注量率堆芯示例I；

图2为本发明所述高快中子注量率堆芯示例II；

图3为本发明所述高快中子注量率堆芯的七层燃料组件示意图；

图4为本发明所述高快中子注量率堆芯的四层燃料组件示意图；

图中：1、钴靶；2、七层燃料组件；3、中辐照孔道；4、控制棒组件；5、铍组件；6、大辐照孔道；7、小辐照孔道；8、铝包壳；9、燃料套管；10、冷却剂水；11、挤水芯轴；12、补偿棒E₁；13、补偿棒F₁；14、补偿棒D₁；15、安全棒A₁；16、补偿棒B₁；17、安全棒A₂；18、调节棒H；19、补偿棒C₁；20、补偿棒C₂；21、调节棒G；22、安全棒A₃；23、补偿棒B₂；24、安全棒A₄；25、补偿棒D₂；26、补偿棒F₂；27、补偿棒E₂；28、四层燃料组件；29、内套管。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细的说明。

实施例1：

如图1所示，本发明所述高快中子注量率堆芯包括钴靶1、七层燃料组件2、中辐照孔道3、控制棒组件4、铍组件5、大辐照孔道6和小辐照孔道7；七层燃料组件2为六边形套管型燃料组件，42个七层燃料组件2呈环形紧凑布置，最内层环上有6个七层燃料组件2，在其环形区域的中心处形成快中子阱，在快中子阱中布置有1个小辐照孔道7，在小辐照孔道7中可获得较高的快中子注量率；紧挨七层燃料组件2环形区域的外侧布置有若干个六边形铍组件5，铍组件5用作慢化剂和反射层，形成倒中子阱；在倒中子阱中布置有若干个大辐照孔道6、中辐照孔道3和小辐照孔道7；紧挨七层燃料组件2环形区域的外侧布置有钴靶1；若干根控制棒组件4按两行两列呈“井”字型间隔布置在七层燃料组件2之间，以方便沿水平、垂直方向打开控制棒导管支架，有利于堆芯维护、换料等操作。

实施例2：

如图2所示，本发明所述高快中子注量率堆芯包括钴靶1、七层燃料组件2、中辐照孔道3、控制棒组件4、铍组件5、大辐照孔道6、小辐照孔道7和四层燃料组件28；七层燃料组件2和四层燃料组件28均为六边形套管型燃料组件，39个七层燃料组件2和3个四层燃料组件28呈环形紧凑布置，最内层环上间隔布置有3个七层燃料组件2和3个四层燃料组件28，在其环形区域的中心处形成快中子阱，在快中子阱中布置有1个小辐照孔道7，在小辐照孔道7中可获得较高的快中子注量率；紧挨七层燃料组件2环形区域的外侧布置有若干个六边形铍组件5，铍组件5用作慢化剂和反射层，形成倒中子阱；在倒中子阱中布置有若干个大辐照孔道6、中辐照孔道3和小辐照孔道7；紧挨七层燃料组件2环形区域的外侧布置有钴靶1；若干根控制棒组件4按两行两列呈“井”字型间隔布置在七层燃料组件2之间，以方便沿水平、垂直方向打开控制棒导管支架，有利于堆芯维护、换料等操作。

如图3所示，实施例1、实施例2中所述七层燃料组件2包括铝包壳8、7层燃料套管9、冷却剂水10、挤水芯轴11；每层燃料套管9由筒状燃料芯体和燃料包壳组成，燃料芯体的厚度为0.4~0.6mm，优选为0.6mm，最外层燃料套管9外围套有六边形铝包壳8，最内层燃料套管9的中心填充有挤水芯轴11，挤水芯轴11为铝棒；铝包壳8、各层燃料套管9和挤水芯轴11之间填充有冷却剂水10；

如图4所示，实施例2中所述四层燃料组件28包括铝包壳8、4层燃料套管9、冷却剂水10、挤水芯轴11和内套管29；每层燃料套管9由筒状燃料芯体和燃料包壳组成，燃料芯体的厚度为0.4~0.6mm，优选为0.6mm，最外层燃料套管9外围套有六边形铝包壳8，最内层燃料套管9的内侧设置有内套管29，内套管29的中心填充有挤水芯轴11，挤水芯轴11为铝棒；铝包壳8、各层燃料套管9、内套管29和挤水芯轴11之间填充有冷却剂水10；

实施例2中，通过抽出四层燃料组件28中的挤水芯轴11，可形成直径25mm的中孔用作辐照孔道。

实施例1、实施例2中快中子阱中布置有小辐照孔道7，其直径为69mm，倒中子阱中布置2个大辐照孔道6，其直径为260mm、4个中辐照孔道3，其直径为150mm、2个小辐照孔道7，其直径为69mm；钴靶1数目为2个；控制棒组件4数目为16根，分五排排布：其中第一排从左到右依次为补偿棒E₁12、补偿棒F₁13；第二排从左到右依次为补偿棒D₁14、安全棒A₁15、补偿棒B₁16、安全棒A₂17、调节棒H18；第三排从左到右依次为补偿棒C₁19、补偿棒C₂20；第四排从左到右依次为调节棒G21、安全棒A₃22、补偿棒B₂23、安全棒A₄24、补偿棒D₂25；第五排从左到右依次为补偿棒F₂26、补偿棒E₂27。

控制棒组件4的提棒程序对快中子注量率和堆芯功率分布影响较大。为了在获得高快中子注量率的同时满足热工安全要求，16根控制棒组件4提棒程序为：先将安全棒A₁15、安全棒A₂17、安全棒A₃22、安全棒A₄24同步提升到顶，再分别将调节棒H18、调节棒G21依次提升到堆芯半高度，然后将堆芯外围的补偿棒F₁13和补偿棒F₂26、补偿棒E₁12和补偿棒E₂27、补偿棒D₁14和补偿棒D₂25分三组依次提升到顶，接下来将堆芯中心部位的补偿棒B₁16和补偿棒B₂23、补偿棒C₁19和补偿棒C₂20分两组依次提升到顶，最后将调节棒G21、调节棒H18依次提升到顶。

Claims

1.一种高快中子注量率堆芯，其特征在于：该堆芯包括燃料组件、控制棒组件(4)和铍组件(5)；燃料组件为六边形套管型燃料组件，若干个燃料组件呈环形紧凑布置，最内层环上有6个燃料组件，在其环形区域的中心处形成快中子阱；紧挨燃料组件环形区域的外侧布置有若干个六边形铍组件(5)，形成倒中子阱；若干根控制棒组件(4)按两行两列呈“井”字型间隔布置在燃料组件之间；所述快中子阱中布置有1个小辐照孔道(7)，其直径为69mm，倒中子阱中布置2个大辐照孔道(6)，其直径为260mm、4个中辐照孔道(3)，其直径为150mm、2个小辐照孔道(7)，其直径为69mm；所述控制棒组件(4)数目为16根，分五排排布：其中第一排从左到右依次为补偿棒E₁(12)、补偿棒F₁(13)；第二排从左到右依次为补偿棒D₁(14)、安全棒A₁(15)、补偿棒B₁(16)、安全棒A₂(17)和调节棒H(18)；第三排从左到右依次为补偿棒C₁(19)、补偿棒C₂(20)；第四排从左到右依次为调节棒G(21)、安全棒A₃(22)、补偿棒B₂(23)、安全棒A₄(24)和补偿棒D₂(25)；第五排从左到右依次为补偿棒F₂(26)、补偿棒E₂(27)。

2.根据权利要求1所述的高快中子注量率堆芯，其特征在于：所述燃料组件为七层燃料组件(2)，42个七层燃料组件(2)呈环形紧凑布置，最内层环上有6个七层燃料组件(2)。

3.根据权利要求1所述的高快中子注量率堆芯，其特征在于：所述燃料组件包括七层燃料组件(2)和四层燃料组件(28)，39个七层燃料组件(2)和3个四层燃料组件(28)呈环形紧凑布置，最内层环上间隔布置有3个七层燃料组件(2)和3个四层燃料组件(28)。

4.根据权利要求2或3所述的高快中子注量率堆芯，其特征在于：所述七层燃料组件(2)包括铝包壳(8)、7层燃料套管(9)、冷却剂水(10)和挤水芯轴(11)；每层燃料套管(9)由筒状燃料芯体和燃料包壳组成，燃料芯体的厚度为0.6mm，最外层燃料套管(9)外围套有六边形铝包壳(8)，最内层燃料套管(9)的中心填充有挤水芯轴(11)，挤水芯轴(11)为铝棒；铝包壳(8)、各层燃料套管(9)和挤水芯轴(11)之间填充有冷却剂水(10)。

5.根据权利要求3所述的高快中子注量率堆芯，其特征在于：所述四层燃料组件(28)包括铝包壳(8)、4层燃料套管(9)、冷却剂水(10)、挤水芯轴(11)和内套管(29)；每层燃料套管(9)由筒状燃料芯体和燃料包壳组成，燃料芯体的厚度为0.6mm，最外层燃料套管(9)外围套有六边形铝包壳(8)，最内层燃料套管(9)的内侧设置有内套管(29)，内套管(29)的中心填充有挤水芯轴(11)，挤水芯轴(11)为铝棒；铝包壳(8)、各层燃料套管(9)、内套管(29)和挤水芯轴(11)之间填充有冷却剂水(10)。

6.根据权利要求1所述的高快中子注量率堆芯，其特征在于：16根控制棒组件(4)提棒程序为：先将安全棒A₁(15)、安全棒A₂(17)、安全棒A₃(22)和安全棒A₄(24)同步提升到顶，再分别将调节棒H(18)、调节棒G(21)依次提升到堆芯半高度，然后将堆芯外围的补偿棒F₁(13)和补偿棒F₂(26)、补偿棒E₁(12)和补偿棒E₂(27)、补偿棒D₁(14)和补偿棒D₂(25)分三组依次提升到顶，接下来将堆芯中心部位的补偿棒B₁(16)和补偿棒B₂(23)、补偿棒C₁(19)和补偿棒C₂(20)分两组依次提升到顶，最后将调节棒G(21)、调节棒H(18)依次提升到顶。