CN212541923U - 一种实现快速安全停堆的球床先进高温堆堆芯 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了实现快速安全停堆的球床先进高温堆堆芯，在堆芯活性区上部布置燃料球、下部布置石墨球，堆芯活性区外围包裹有石墨反射层；第一套控制棒布置在石墨反射层中；还包括第二套控制棒和排空熔盐系统；第二套控制棒布置在石墨反射层中；排空熔盐系统位于堆芯活性区下方，排空熔盐系统包括排出通道和阀门，排出通道的一端贯穿石墨反射层后通过熔盐主回路与堆芯活性区底部连通、另一端用于输出熔盐。本实用新型提出新的第二套停堆系统设计方案，减少第二套停堆系统对控制棒的使用，在控制棒位置总数一定的情况下，相应增加第一套停堆系统的控制棒数量，进而增大第一套停堆系统的控制能力，提高球床先进高温堆的经济性和安全性。

Description

一种实现快速安全停堆的球床先进高温堆堆芯

技术领域

本实用新型涉及核反应堆技术领域，具体涉及实现快速安全停堆的球床先进高温堆堆芯。

背景技术

反应堆相关安全法规中要求，停堆手段必须由两个不同的系统组成。第二套停堆系统是防止反应堆保护系统停堆失效的纵深防御手段。两个系统中，至少有一个系统能在单一故障情况下独立行使，使反应堆从运行工况和事故工况迅速进入有足够深度的次临界的功能。即使在堆芯具有最大后备反应性情况下，两个系统中至少有一个系统能独立使反应堆从正常运行工况进入次临界，并以足够的深度和高的可靠度保持次临界状态，维持安全停堆，保障堆芯安全。第二套停堆系统的设计目标为：在临界运行、第一套停堆系统拒绝动作时，能够快速将堆芯带至次临界状态；在反应堆重返临界前，可以补偿氙毒消耗等所引入的正反应性，使反应堆长期维持冷停堆状态。

球床先进高温堆是近年来提出的一种先进反应堆概念，其核心特点主要有两个：1)采用以石墨为基体、含有TRISO包覆颗粒的燃料元件；2)使用氟盐作为冷却剂。球床先进高温堆活性区具有燃料球和TRISO颗粒的双重不均匀性，没有可供控制棒插入的通道，因此控制棒只能布置在堆芯活性区外围反射层中。为获得大的控制棒价值，一般控制棒通道会布置在离活性区较近的反射层位置处，考虑机械应力的要求和控制棒间的空间自屏效应，满足要求的控制棒位置较有限，即控制棒总价值有限。目前为了满足相关安全法规的要求，球床先进高温堆第二套停堆系统也采用控制棒控制，必须占用一些反射层中的控制棒位置，这使得第一套停堆系统可利用的控制棒根数减小，即总价值变小，严重影响了球床先进高温堆功率和寿期的设计，进而限制了球床先进高温堆的经济性。

实用新型内容

基于上述技术问题，本实用新型提供了解决上述问题的实现快速安全停堆的球床先进高温堆堆芯，是一种机械控制棒结合排空熔盐系统作为第二套停堆系统的先进高温堆堆芯，在减少第二套停堆系统对控制棒的使用的情况下，仍可有效实现安全、快速停堆，提高了球床先进高温堆的经济性和安全性。

本实用新型通过下述技术方案实现：

实现快速安全停堆的球床先进高温堆堆芯，包括燃料球、石墨球、石墨反射层和第一套控制棒；若干个燃料球布置在堆芯活性区上部；若干石墨球布置在堆芯活性区下部；堆芯活性区外围包裹有石墨反射层；若干第一套控制棒布置在石墨反射层中；还包括第二套控制棒和排空熔盐系统；若干所述第二套控制棒布置在石墨反射层中；所述排空熔盐系统位于堆芯活性区下方，排空熔盐系统包括排出通道和阀门，所述排出通道的一端贯穿石墨反射层后通过熔盐主回路与堆芯活性区底部连通、另一端用于输出熔盐，所述阀门设置在排出通道上。

目前为了满足相关安全法规的要求，球床先进高温堆第二套停堆系统也采用控制棒控制，必须占用一些反射层中的控制棒位置，这使得第一套停堆系统可利用的控制棒根数减小，即总价值变小，严重影响了球床先进高温堆功率和寿期的设计，进而限制了球床先进高温堆的经济性。基于该技术背景，本实用新型提供了一种机械控制棒结合排空熔盐系统作为第二套停堆系统的先进高温堆堆芯，通过第二套控制棒实现快速停堆，通过排空熔盐系统维持长期停堆，保障堆芯安全性；第二套停堆系统采用控制棒结合排空熔盐的形式，通过排空熔盐引入负反应性，减少第二套停堆系统对控制棒的使用，在控制棒位置总数一定的情况下，相应增加第一套停堆系统的控制棒数量，进而增大第一套停堆系统的控制能力，提高了球床先进高温堆的经济性和安全性。

进一步优选，沿石墨反射层的周向，第一套控制棒和第二套控制棒间隔排布。

为了保障第一套控制棒和第二套控制棒对堆芯活性区整体均匀控制，本实用新型设计第一套控制棒和第二套控制棒间隔排布。

进一步优选，沿石墨反射层的周向，第一套控制棒和第二套控制棒等间距间隔排布呈圆环形。

作为优选方案，使得所有第一套控制棒和第二套控制棒位于同一圆环位置上，且第一套控制棒和第二套控制棒等间距间隔排布，最大化保障对堆芯活性区的有效控制，且设计第一套控制棒和第二套控制棒均在靠近堆芯活性区位置处。

进一步优选，所述第一套控制棒的数量为13根，第二套控制棒的数量为3根。

针对球床先进高温堆的设计以及运行特点，优选设计13根第一套控制棒和3根第二套控制棒，在实际操作中，利于实现控制棒位置总数一定的情况下，相应增加第一套停堆系统的控制棒数量，进而增大第一套停堆系统的控制能力，提高球床先进高温堆的经济性和安全性。且沿石墨反射层的周向，第一套控制棒和第二套控制棒等间距间隔排布呈圆环形，三根第二套控制棒分布呈三角形结构分布，利于实现对堆芯活性区整体的有效控制。

进一步优选，所述第一套控制棒和第二套控制棒分别采用两套独立的驱动机构。

本实用新型提出的堆芯设计中，为了保证球床先进高温堆拥有两套独立的停堆系统，第一套控制棒和第二套控制棒的驱动原理不同，以满足两套停堆系统的相互独立性。

进一步优选，所述第一套控制棒采用磁阻马达型驱动机构；所述第二套控制棒采用直线电机型驱动机构。

依据球床先进高温堆的设计以及运行特点，优选设计第一套控制棒采用磁阻马达型驱动机构，第二套控制棒采用直线电机型驱动机构。

进一步优选，所述排空熔盐系统的排出通道包括至少两个条排出通道，排出通道的另一端连接至储存罐。

通过设计多条排出通道，利于加速熔盐的排出。

进一步优选，所述阀门采用手动阀门或自动阀门。

可依据实际需求，采用手动控制开闭阀门。

进一步优选，所述阀门的熔融温度低于熔盐的温度限值；所述阀门在熔盐温度低于设定限值时，起到隔断排出通道的作用；在熔盐温度超过设定限值时，阀门受熔盐熔解，排出通道打开，熔盐在重力作用下沿排出通道流排出。

为了保障故障情况下，熔盐能够顺利排出，本实用新型采用可熔融阀门，即如果熔盐温度超过设定限制时，阀门自动熔解，打开管路，熔盐在重力作用下流入存储罐中，排空熔盐需在30小时内完成，防止堆芯因氙毒消耗等原因重返临界。

本实用新型具有如下的优点和有益效果：

1、本实用新型所述机械控制棒结合排空熔盐系统作为第二套停堆系统的先进高温堆堆芯，第二套停堆系统包含排空熔盐系统，且其采用的机械控制棒与第一套控制棒驱动原理不同，因此满足两套停堆系统的相互独立性，能够保证反应堆拥有两套独立的停堆系统以保障堆芯安全。

2、本实用新型所述机械控制棒结合排空熔盐系统作为第二套停堆系统的先进高温堆堆芯，当第一套控制棒卡在临界棒位无法实现停堆动作时，可以通过第二套控制棒实现快速停堆，又可以通过排空熔盐系统维持长期冷停堆，保障堆芯安全性。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本实用新型实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本实用新型实施例的限定。在附图中：

图1为本实用新型的实现快速安全停堆的球床先进高温堆堆芯径向示意图；

图2为本实用新型的实现快速安全停堆的球床先进高温堆堆芯轴向剖面图。

附图中标记及对应的零部件名称：1-燃料球，2-石墨球，3-石墨反射层，4-第一套控制棒，5-第二套控制棒，6-排空熔盐系统，61-排空通道，62-阀门。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本实用新型作进一步的详细说明，本实用新型的示意性实施方式及其说明仅用于解释本实用新型，并不作为对本实用新型的限定。

实施例1

本实施例提供了一种实现快速安全停堆的球床先进高温堆堆芯，包括多个燃料球1、多个石墨球2、石墨反射层3和多个第一套控制棒4；多个燃料球1布置在堆芯活性区上部；多个石墨球2紧挨着燃料球1布置在堆芯活性区下部；堆芯活性区外围包裹有石墨反射层3；多个第一套控制棒4布置在靠近堆芯活性区位置的石墨反射层3中；还包括第二套控制棒5和排空熔盐系统6，当第一套控制棒4卡在临界棒位无法实现停堆动作时，可以通过第二套控制棒5实现快速停堆，又可以通过排空熔盐系统6维持长期冷停堆，保障堆芯安全性，具体地，多个第二套控制棒5布置在石墨反射层3中；排空熔盐系统6位于堆芯活性区下方，排空熔盐系统6包括排出通道61和阀门62，排出通道61的一端贯穿石墨反射层3后通过熔盐主回路与堆芯活性区底部连通、另一端用于输出熔盐，所述阀门62设置在排出通道61上。

实施例2

在实施例1的基础上进一步改进，沿石墨反射层3的周向，第一套控制棒4和第二套控制棒5间隔排布，具体地优选，沿石墨反射层3的周向，第一套控制棒4和第二套控制棒5等间距间隔排布呈圆环形。第一套控制棒4的数量为13根，第二套控制棒5的数量为3根。

第一套控制棒4和第二套控制棒5分别采用两套独立的驱动机构，作为优选，所述第一套控制棒4采用磁阻马达型驱动机构；所述第二套控制棒5采用直线电机型驱动机构。

实施例3

在实施例2的基础上进一步改进，所述排空熔盐系统6的排出通道61采用两个条排出通道61，排出通道的另一端连接至圆柱合金储存罐63。

阀门62采用手动阀门；阀门62的熔融温度低于熔盐的温度限值。阀门62在熔盐温度低于设定限值时，起到隔断排出通道61的作用；在熔盐温度超过设定限值时，阀门62受熔盐熔解，排出通道61打开，熔盐在重力作用下沿排出通道61流排出。

本实施例由第二套控制棒5和排空熔盐系统6组成第二套停堆系统，其工作过程如下：反应堆功率运行状态下，当第一套控制棒4卡在临界棒位无法实现停堆动作时，通过插入第二套控制棒5实现快速停堆；在此之后，通过排空熔盐系统6排空一回路冷却剂熔盐，可长期维持反应堆处于冷停堆状态。排空熔盐系统6的投入时间是在第二套控制棒5插入堆芯实现停堆时同时启动，可手动控制开闭控制阀门，同时，如果熔盐温度超过设定限制时，阀门自动熔解，打开管路，熔盐在重力作用下流入存储罐中，排空熔盐需在30h内完成，防止堆芯因氙毒消耗等原因重返临界。

以上所述的具体实施方式，对本实用新型的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本实用新型的具体实施方式而已，并不用于限定本实用新型的保护范围，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (9)

1.实现快速安全停堆的球床先进高温堆堆芯，包括燃料球(1)、石墨球(2)、石墨反射层(3)和第一套控制棒(4)；若干个燃料球(1)布置在堆芯活性区上部；若干石墨球(2)布置在堆芯活性区下部；堆芯活性区外围包裹有石墨反射层(3)；若干第一套控制棒(4)布置在石墨反射层(3)中；其特征在于，还包括第二套控制棒(5)和排空熔盐系统(6)；若干所述第二套控制棒(5)布置在石墨反射层(3)中；

所述排空熔盐系统(6)位于堆芯活性区下方，排空熔盐系统(6)包括排出通道(61)和阀门(62)，所述排出通道(61)的一端贯穿石墨反射层(3)后通过熔盐主回路与堆芯活性区底部连通、另一端用于输出熔盐，所述阀门(62)设置在排出通道(61)上。

2.根据权利要求1所述的实现快速安全停堆的球床先进高温堆堆芯，其特征在于，沿石墨反射层(3)的周向，第一套控制棒(4)和第二套控制棒(5)间隔排布。

3.根据权利要求2所述的实现快速安全停堆的球床先进高温堆堆芯，其特征在于，沿石墨反射层(3)的周向，第一套控制棒(4)和第二套控制棒(5)等间距间隔排布呈圆环形。

4.根据权利要求1至3任一项所述的实现快速安全停堆的球床先进高温堆堆芯，其特征在于，所述第一套控制棒(4)的数量为13根，第二套控制棒(5)的数量为3根。

5.根据权利要求1所述的实现快速安全停堆的球床先进高温堆堆芯，其特征在于，所述第一套控制棒(4)和第二套控制棒(5)分别采用两套独立的驱动机构。

6.根据权利要求5所述的实现快速安全停堆的球床先进高温堆堆芯，其特征在于，所述第一套控制棒(4)采用磁阻马达型驱动机构；所述第二套控制棒(5)采用直线电机型驱动机构。

7.根据权利要求1至3任一项所述的实现快速安全停堆的球床先进高温堆堆芯，其特征在于，所述排空熔盐系统(6)的排出通道(61)包括至少两个条排出通道(61)，排出通道的另一端连接至储存罐(63)。

8.根据权利要求1所述的实现快速安全停堆的球床先进高温堆堆芯，其特征在于，所述阀门(62)采用手动阀门或自动阀门。

9.根据权利要求8所述的实现快速安全停堆的球床先进高温堆堆芯，其特征在于，所述阀门(62)的熔融温度低于熔盐的温度限值；所述阀门(62)在熔盐温度低于设定限值时，起到隔断排出通道(61)的作用；在熔盐温度超过设定限值时，阀门(62)受熔盐熔解，排出通道(61)打开，熔盐在重力作用下沿排出通道(61)流排出。

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