CN102339653A - 乏燃料贮存格架 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种乏燃料贮存格架，其包括由结构板制成的不锈钢框架，每一结构板都在对应乏燃料组件的活性段处开设多个凹槽，相邻凹槽之间的间隔远小于凹槽的高度，每个凹槽中放置有尺寸适配的中子吸收体，中子吸收体由与凹槽尺寸对应的不锈钢板密封在凹槽内。本发明乏燃料贮存格架将中子吸收体分成较小的单元包覆在构成框架的结构板内，因此中子吸收体无需特殊制造而使制造过程大大简化，不仅提高了乏燃料贮存格架的密集度，而且降低了其制造成本。

Description

乏燃料贮存格架

技术领域

本发明涉及核电厂内的乏燃料贮存技术，更具体地说，本发明涉及一种高密集度的乏燃料贮存格架。

背景技术

细长的核燃料组件（如图1所示）在核反应堆内经过辐照即成为乏燃料组件，乏燃料组件在达到一定的燃耗深度后需要从堆芯中卸出，并贮存在核电厂内的乏燃料贮存格架中，乏燃料贮存格架则放置在充满含硼水的乏燃料贮存水池中。乏燃料组件在乏燃料贮存水池中的贮存期一般按10年考虑，然后再运到乏燃料后处理厂进行处理。

请参阅图2，为乏燃料贮存格架的栅格结构基本形式，每个乏燃料贮存栅格20内竖直放置一个乏燃料组件（与图1所示的核燃料组件外形相同）。由于核电厂内的乏燃料贮存空间有限，为了增加乏燃料组件贮存量，目前核电厂内普遍采用密集贮存的方式，即：尽量减小乏燃料贮存格架的栅格间距，以期存放更多的乏燃料组件。

但是，当乏燃料组件彼此靠得很近时，乏燃料释放的中子可能达到一定的浓度而使乏燃料产生临界事故，因此密集型乏燃料贮存格架中必需放置中子吸收体以防止乏燃料的临界。目前在乏燃料贮存格架中使用的中子吸收体的材料主要有镉不锈钢、硼不锈钢和铝基复合材料如Metamic（译为铬铝陶瓷金属或铬-氧化铝金属陶瓷）等。现有技术中的乏燃料贮存格架的结构形式都是根据中子吸收体和结构体材料确定的，而且都存在各种不足。

例如，请参阅图3至图5，现有的镉乏燃料贮存格架是将作为中子吸收体的镉不锈钢32制成的圆筒夹在两个不锈钢圆筒中间，然后用扩管机械将套叠的圆筒扩为方形栅格34，再采用底板和相应的固定结构将方形栅格34组装成乏燃料贮存格架30。但是，这种乏燃料贮存格架30的结构决定了其栅格34间的中心距较大且很难进一步缩小，以致无法实现更加密集的贮存。

请参阅图6和图7，为现有的采用硼不锈钢作为中子吸收体的乏燃料贮存格架40的示意图。此种乏燃料贮存格架40的支撑结构是采用不锈钢制成的，包括方形排列的多个直立贮存栅格44，在每个贮存栅格44里都有用硼不锈钢制造的箱体46，硼不锈钢箱体46即用做中子吸收体。此种乏燃料贮存格架40可做的比较密集，但作为中子吸收体的硼不锈钢制造比较困难，原因在于：一是硼元素很难渗透到不锈钢中，一般硼不锈钢中的硼元素含量小于3%；二是不锈钢中过量添加硼会导致硼化物析出，从而影响硼不锈钢的延展性。因此硼不锈钢中硼元素含量不会太高，从而影响了其中子吸收的能力，也影响了上述乏燃料贮存格架密集度的进一步提高。

请参阅图8和图9，为现有采用铝基复合材料作为中子吸收体的乏燃料贮存格架示意图。此种乏燃料贮存格架50采用不锈钢做结构体材料，采用铝基复合材料Metamic作中子吸收体， Metamic中子吸收体52被做成板状并用不锈钢将其包覆在栅格54的内壁上。此种中子吸收体材料的碳化硼含量在30%左右，乏燃料贮存格架50也可以做的很密集，但缺点是Metamic材料的制造很困难，成本高，目前国内还未掌握其制造技术。

通过以上的描述可知，对于乏燃料贮存格架来说，有两个最重要的因素：一是解决乏燃料组件密集化贮存的问题，以便尽量多的贮存乏燃料组件；二是解决中子吸收体的问题，尽量使中子吸收体有较高的中子吸收能力，且要实现制造尽量简单、成本低廉。但是，现有的乏燃料贮存格架不是密集化程度不够，就是中子吸收体的制造复杂且成本较高。因此，制造成本较低的高密集度乏燃料贮存格架成为乏燃料贮存中亟需解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于：提供一种制造成本较低的高密集度乏燃料贮存格架，以实现乏燃料组件的高密集度贮存。

为了实现上述目的，本发明提供了一种乏燃料贮存格架，其包括由结构板制成的不锈钢框架，每一结构板都在对应乏燃料组件的活性段处开设多个凹槽，相邻凹槽之间的间隔远小于凹槽的高度，每个凹槽中放置有尺寸适配的中子吸收体，中子吸收体由与凹槽尺寸对应的不锈钢板密封在凹槽内。

作为本发明乏燃料贮存格架的一种改进，所述不锈钢框架上彼此平行的相邻结构板上的凹槽为交错设置，每一结构板上无中子吸收体的中间段都与相邻结构板上的中子吸收体对应。

作为本发明乏燃料贮存格架的一种改进，所述每一结构板上的凹槽大小相同，且设置为等间距排列，凹槽的高度为十几至几十厘米，相邻凹槽之间的间隔则为毫米级。

作为本发明乏燃料贮存格架的一种改进，所述结构板包括厚度不同的两种结构板，较厚的强化结构板制成较大的结构栅格，较薄的结构板将结构栅格分割成较小的单元栅格，每一单元栅格贮存一个乏燃料组件。

作为本发明乏燃料贮存格架的一种改进，所述较薄的结构板包括宽度不同的两种结构板，其中较宽的结构板直接焊接到结构栅格的两相对强化结构板上，较窄的结构板焊接在两块较宽结构板之间或是较宽结构板与相应的强化结构板之间，从而将结构栅格分割为单元栅格。

作为本发明乏燃料贮存格架的一种改进，所述较厚的强化结构板厚度为10-30毫米，较薄的结构板厚度为6-15毫米。

作为本发明乏燃料贮存格架的一种改进，所述每一结构板可制作成“一”形、“└”形、“┲”形、”╂”形、“┓”形、“H”形中的一种或几种形状。

作为本发明乏燃料贮存格架的一种改进，所述结构栅格按照3×3、4×4、5×5或6×6的形式分割为单元栅格。

作为本发明乏燃料贮存格架的一种改进，所述中子吸收体为碳化硼塑料薄板。

作为本发明乏燃料贮存格架的一种改进，所述中子吸收体的厚度为1-4毫米，其中的碳化硼含量高于30%且低于95%。

与现有技术相比，本发明乏燃料贮存格架将中子吸收体分成较小的单元包覆在构成框架的结构板内，因此中子吸收体无需特殊制造而使制造过程大大简化，这不但提高了乏燃料贮存格架的密集度，而且降低了其制造成本。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式，对本发明乏燃料贮存格架及其有益技术效果进行详细说明。

图1为核燃料组件的示意图。

图2为现有乏燃料贮存格架的栅格结构示意图。

图3为现有镉乏燃料贮存格架的栅格示意图。

图4为图3中A部分的放大图。

图5为现有镉乏燃料贮存格架的部分剖视示意图。

图6为现有硼乏燃料贮存格架的结构示意图。

图7为现有硼乏燃料贮存格架的栅格及其中子吸收体示意图。

图8为现有铝基复合材料的乏燃料贮存格架的结构示意图。

图9为图8的俯视图。

图10为本发明乏燃料贮存格架的栅格结构示意图。

图11为本发明乏燃料贮存格架的较薄结构板剖视图。

图12为本发明乏燃料贮存格架的A型结构板和B型结构板对比图。

图13为本发明乏燃料贮存格架的结构板布置示意图。

具体实施方式

为了实现乏燃料组件的高密集度贮存，本申请的发明人首先对中子吸收体进行了研究，发现得到易于制造且中子吸收能力强的中子吸收体并不困难，困难的是如何将其应用到乏燃料贮存格架中，或者说，是如何为其提供适用的乏燃料贮存格架。

例如，利用碳化硼粉末和特定有机物质即可制得一种中子吸收能力很强的中子吸收体，具体步骤为：首先将碳化硼研磨成极细的粉末，然后将适用的有机物质（如聚乙烯塑料）加热融化，并将碳化硼粉末加入到融化的有机物质中充分混合均匀，最后冷却压实，即可制成一定尺寸的碳化硼塑料薄板。此种薄板中碳化硼含量可高达90%以上，因此具有很强的中子吸收能力，且制造简单、成本低廉。如果将其用做中子吸收体，即能大大提高中子吸收体的中子吸收能力，为乏燃料贮存格架的密集化创造条件。

但是，由于密集化的需求，上述碳化硼塑料薄板实际厚度仅为1-4毫米，而乏燃料组件高达数米，宽度为20-30厘米，若将碳化硼塑料薄板制造成与乏燃料组件活性段相对应的尺寸，如此比例悬殊的中子吸收板，不仅制造很困难，而且极容易断裂、脱落，无法应用到现有的乏燃料贮存格架结构中。故此，必须设计一种能够应用碳化硼塑料薄板的全新乏燃料贮存格架，以实现乏燃料组件的高密集度贮存。

请参阅图10和图11，本发明乏燃料贮存格架的框架是由不同的不锈钢板竖直拼制焊接而成，包括厚度较大的强化结构板50和厚度较薄的结构板52、53，结构板50、52、53的厚度应根据结构力学设计及密集度设计而定。强化结构板50首先拼成多个结构栅格54，较薄的结构板52、53再将结构栅格54分割为3×3的单元栅格56，每个单元栅格56便是一个贮存单元，用于贮存一个乏燃料组件。较薄的结构板52和53具有相同的高度和厚度，只是较薄的结构板52宽度较大，安装时被直接焊接到结构栅格54的两相对内壁（即强化结构板50）上，较薄的结构板53的宽度较小，焊接在两块较薄的结构板52之间或是较薄的结构板52与相应的强化结构板50之间，从而将结构栅格54分割为单元栅格56。在上述乏燃料贮存格架中，厚度较大的强化结构板50厚度为10-30毫米，能够提高整个乏燃料贮存格架的结构强度，厚度较薄的结构板52、53厚度为6-15毫米，能提高乏燃料贮存格架的密集度，在保证乏燃料贮存格架结构强度的同时，实现了较高的乏燃料组件密集度。

请参阅图11至图13，为了固定碳化硼塑料做成的中子吸收体58，在制造强化结构板50和较薄的结构板52、53时，需要在其上对应乏燃料组件的活性段处用铣床在钢板上铣出凹槽60，这些凹槽60等间距排列，高度为十几至几十厘米，相邻凹槽60之间的间隔则仅为毫米级，远小于凹槽60的高度。在每个凹槽60中放置相应尺寸的中子吸收体58，之后用与凹槽60尺寸对应的不锈钢板（图未示）将中子吸收体58焊接密封在凹槽60内，再对整块板进行平整，便制成了带有中子吸收体的较薄结构板52、53或是强化结构板50。之所以在钢板上铣出间隔相等的小凹槽60，而不是铣出一个连续的大凹槽，是为了让凹槽60之间的间隔起加强筋的作用，以提高栅格54及整个乏燃料贮存格架的结构强度。

从图11可以看出，相邻凹槽60的间距使较薄结构板52、53上有很多中间段没有中子吸收体，显然，强化结构板50上也存在同样的问题。为了保证乏燃料组件所有活性段的中子都能够被吸收，本发明采用在相邻的平行结构板50、52、53上交错开设凹槽60的方式来克服这一问题。下面将以较薄结构板53为例进行说明。

如图12所示，本发明的较薄结构板53包括A型和B型两种，二者的区别仅在于凹槽60的开设位置不同，结构板53A的凹槽60A和结构板53B的凹槽60B彼此交错开设。由于相邻凹槽60之间的间隔远小于凹槽60自身的高度，当所有的凹槽60A、60B内都放置了中子吸收体58后，两块结构板53A、53B上相互错开的所有中子吸收体58能够对应到乏燃料组件的所有活性段。

同理，较薄结构板52、强化结构板50也都包括凹槽60彼此交错开设的A型结构板和B型结构板。

请参阅图13，在制造本发明乏燃料贮存格架的框架时，将凹槽60设置位置不同的A型结构板和B型结构板间隔使用，保证彼此平行的相邻结构板50、52、53上的凹槽60为交错设置，使其中子吸收体58的位置相互错开，每一结构板50、52、53上无中子吸收体58的中间段便会与相邻结构板50、52、53上的中子吸收体58对应。由于结构板50、52、53上无中子吸收体58的中间段长度远小于凹槽60的高度，因此中间段总长度占乏燃料组件活性段总长度的比例也很小，加之本发明的中子吸收体58碳化硼含量较高，具有极强的中子吸收能力，因此，中子吸收体58的上述布置方式能满足乏燃料组件密集化贮存时的中子吸收要求。

在不同的实施方式中，中子吸收体58可根据具体情况，选用不同的原材料配比制造成碳化硼含量不同的中子吸收体，以获得最佳的膨胀系数和密度，本发明乏燃料贮存格架中使用的中子吸收体58的碳化硼含量通常高于30%，甚至可超过90%，但是为了便于中子吸收体58的制造，碳化硼含量通常低于95%；在制造含有中子吸收板58的结构板50、52、53时，凹槽60的尺寸和数量可根据实际情况采用不同尺寸和形式；构成框架的不锈钢结构板50、52、53，也不一定是单一的平面结构，可采用灵活的形式制作成不同的形状，比如“└”形、“┲”形、”╂”形、“┓”形、“H”形或其他形状，以用来拼装焊接成乏燃料贮存格架的框架；乏燃料贮存格架的结构栅格54的规模可根据实际情况采用不同的形式，如3×3、4×4、5×5或6×6等。

综上所述，本发明通过在结构板上开设凹槽、安装中子吸收体后再焊接密封凹槽的方式，将中子吸收体完全包覆在结构板内部，制成带有中子吸收体的结构板，且无需担心中子吸收体的脆化问题，实现了将制造简单、成本低廉、同时具有很高中子吸收能力（碳化硼含量很高）的中子吸收体应用到乏燃料贮存格架中，从而提高了乏燃料贮存格架的经济性，并为提高其密集度创造了条件。而乏燃料贮存格架的框架采用较厚的不锈钢作为强化结构板制成较大的结构栅格54，然后又用较薄的不锈钢板将结构栅格54分割成较小的单元栅格56，这样的结构既保证了乏燃料格架的高密度贮存，又保证了乏燃料格架的结构强度。因此，本发明的乏燃料贮存格架能在高密度贮存的同时，做到制造简单、成本低廉。

根据上述说明书的揭示和教导，本发明所属领域的技术人员还可以对上述实施方式进行适当的变更和修改。因此，本发明并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式，对本发明的一些修改和变更也应当落入本发明的权利要求的保护范围内。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本发明构成任何限制。

Claims (10)

1.一种乏燃料贮存格架，其特征在于：包括由结构板制成的不锈钢框架，每一结构板都在对应乏燃料组件的活性段处开设多个凹槽，相邻凹槽之间的间隔远小于凹槽的高度，每个凹槽中放置有尺寸适配的中子吸收体，中子吸收体由与凹槽尺寸对应的不锈钢板密封在凹槽内。

2.根据权利要求1所述的乏燃料贮存格架，其特征在于：所述不锈钢框架上彼此平行的相邻结构板上的凹槽为交错设置，每一结构板上无中子吸收体的中间段都与相邻结构板上的中子吸收体对应。

3.根据权利要求1所述的乏燃料贮存格架，其特征在于：所述每一结构板上的凹槽大小相同，且设置为等间距排列，凹槽的高度为十几至几十厘米，相邻凹槽之间的间隔则为毫米级。

4.根据权利要求1、2或3所述的乏燃料贮存格架，其特征在于：所述结构板包括厚度不同的两种结构板，较厚的强化结构板制成较大的结构栅格，较薄的结构板将结构栅格分割成较小的单元栅格，每一单元栅格贮存一个乏燃料组件。

5.根据权利要求4所述的乏燃料贮存格架，其特征在于：所述较薄的结构板包括宽度不同的两种结构板，其中较宽的结构板直接焊接到结构栅格的两相对强化结构板上，较窄的结构板焊接在两块较宽结构板之间或是较宽结构板与相应的强化结构板之间，从而将结构栅格分割为单元栅格。

6.根据权利要求4所述的乏燃料贮存格架，其特征在于：所述较厚的强化结构板厚度为10-30毫米，较薄的结构板厚度为6-15毫米。

7.根据权利要求4所述的乏燃料贮存格架，其特征在于：所述每一结构板可制作成“一”形、“└”形、“┲”形、”╂”形、“┓”形、“H”形中的一种或几种形状。

8.根据权利要求4所述的乏燃料贮存格架，其特征在于：所述结构栅格按照3×3、4×4、5×5或6×6的形式分割为单元栅格。

9.根据权利要求1、2或3所述的乏燃料贮存格架，其特征在于：所述中子吸收体为碳化硼塑料薄板。

10.根据权利要求1、2或3所述的乏燃料贮存格架，其特征在于：所述中子吸收体的厚度为1-4毫米，其中的碳化硼含量高于30%且低于95%。

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