CN103077752A - 一种液态重金属冷却反应堆用燃料组件及固定方法 - Google Patents

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何梅生
柏云清
陈红丽
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Abstract

本发明涉及一种液态重金属冷却反应堆用燃料组件及固定方法，所述燃料组件由燃料棒、组件套管、定位格架、上栅格、下栅格、操作头和管脚组成，组件套管采用圆形套管，燃料棒布置方式采用圆环状布置，管脚外围设置有定位架。本发明所提供的燃料组件，通过采用圆形套管和管脚定位架的方法克服了液态重金属冷却剂的浮力，实现液体重金属反应堆内燃料组件的固定，不需要设置活动部件，结构简单，有效提高反应堆的可靠性和安全性。

Description

一种液态重金属冷却反应堆用燃料组件及固定方法
技术领域
本发明属于核燃料组件及核反应堆设计技术领域，具体涉及一种液态重金属冷却反应堆用燃料组件及固定方法。
背景技术
液态重金属冷却池式反应堆主要指铅或铅合金冷却反应堆，其在安全性和经济性方面具有特殊优势，是国际先进核能研究领域的热点之一。2011年，中国科学院启动“未来先进核裂变能-ADS嬗变系统”战略性先导科技专项，铅铋合金冷却反应堆是该专项中主要研究内容之一。
燃料组件设计是反应堆设计的关键内容之一。液态重金属反应堆采用液态重金属冷却剂，如铅或铅铋合金，该类冷却剂密度大，一般大于10000kg/m3。当反应堆部件浸没在重金属冷却中，将受到较大的浮力，必须设置固定装置以防止堆内部件上浮。在现有成熟的反应堆燃料组件中，如压水堆燃料组件、重水堆燃料组件和钠冷快堆燃料组件等，并没有针对浮力问题进行特殊设计，不能直接应用于液态重金属反应堆中。因此，需要针对液体重金属反应堆的特殊问题，设计并开发专用的燃料组件。
在目前液态重金属反应堆燃料组件设计研究中，有意大利ENEA研究机构设计的铅铋冷却反应堆XADS的燃料组件方案、意大利Ansaldo公司设计的铅冷快堆ALFRED的燃料组件方案和比利时SCK·CEN研究机构设计的铅铋冷却反应堆MYRRHA的燃料组件方案。
意大利ENEA研究机构设计的铅铋冷却反应堆XADS是一座铅铋合金冷却加速器驱动次临界反应堆，在其燃料组件方案中，在管脚中设置活扣，通过活扣的关闭和开启实现燃料组件的装入的卸出。该方案在燃料组件中设置活扣属于长期活动部件，需保证在燃料组件寿期内能够正常使用。而液态铅铋合金对钢质金属具有较强的腐蚀性，燃料组件管脚处的活扣长期放置于铅铋环境中，存在腐蚀失效的危险。若反应堆内出现活扣失效的事故，将可能出现在运行时燃料组件上浮离开堆芯或在换料时燃料组件无法卸出堆芯的危险，从而导致严重的事故发生，这大大降低反应堆的可靠性和安全性。
意大利Ansaldo公司设计的ALFRED是一座铅冷快堆，在ALFRED的燃料组件方案中，通过延长燃料组件操作头，将燃料组件操作头直接露出反应堆，在堆外进行燃料组件的固定。该方案将燃料组件操作头露出反应堆外，存在较大的放射性泄漏危险，对反应堆的屏蔽设计提出很高的要求。
比利时SCK·CEN研究机构设计的MYRRHA是一座液态铅铋合金冷却多功能反应堆。在MYRRHA的燃料组件方案中，将燃料组件定位板放置于燃料组件顶部，通过固定的燃料组件定位板来压住燃料组件，从而克服浮力，实现燃料组件的固定。该方案需要在堆芯下部预留足够大的燃料组件操作空间，该区域需通过大量液态铅铋合金来填充，增加了反应堆冷却剂的用量，降低了反应堆的经济性。
发明内容
本发明解决的技术问题：克服现有技术的不足，提供一种液态重金属冷却反应堆用燃料组件及固定方法，通过采用圆形套管结构和管脚定位架的方法克服了反应堆内液态重金属冷却剂的浮力，实现燃料组件的固定，结构简单，不需要设置活动部件，可有效提高反应堆的可靠性和安全性。
本发明的技术解决方案：一种液态重金属冷却反应堆用燃料组件，其特征在于：所述燃料组件由燃料棒1、组件套管2、定位格架3、上栅格4、下栅格5、操作头6、管脚7和定位架8组成；由燃料棒1组成的棒束采用圆环状布置，棒束由定位格架3进行径向定位，棒束由上栅格4和下栅格5进行轴向定位，棒束放置于组件套管2内，组件套管2采用圆形套管，组件套管2上端设置有操作头6，组件套管2下端设置管脚7，管脚7外围设置有定位架8，定位架8用于与反应堆内燃料组件定位板9的定位孔10的配合实现燃料组件的固定。
所述燃料组件的固定方法是于通过管脚处的定位架与反应堆内燃料组件定位板的定位孔的配合实现燃料组件的固定。
燃料组件的固定方法，其特征在于：当进行装料时，换料机构将燃料组件管脚7插入反应堆内燃料组件定位板9中的燃料组件定位孔10并进行一定角度的转动，将管脚7的定位架8放入燃料组件定位板9的燃料组件定位孔10预留的固定槽，实现燃料组件的固定；当进行换料时，换料机构将燃料组件下压并进行与装料时相反的角度转动，将管脚7的定位架8退出燃料组件定位板9的燃料组件定位孔10预留的固定槽，然后将燃料组件拔出燃料组件定位板9，实现燃料组件的更换。
本发明与现有技术相比的优点在于：通过采用圆形套管结构和管脚定位架的方法克服了反应堆内液态重金属冷却剂的浮力，实现燃料组件的固定。相比于现有方案，该方法无需对现有反应堆结构设计方案进行大幅度修改，燃料组件结构简单，换料操作方法简单，可有效提高反应堆的可靠性和安全性。相比于意大利ENEA研究机构设计的铅铋冷却反应堆XADS的燃料组件方案，本发明没有浸没于液态重金属冷却剂中的活动部件（活扣），不存在活动部件失效的危险，提高了反应堆的可靠性和安全性。相比与意大利Ansaldo公司设计的铅冷快堆ALFRED的燃料组件方案，本发明无需堆反应堆结构进行重大修改，无需提高屏蔽设计要求，取消了由于燃料组件结构而引起放射性泄漏的危险，提高了反应堆的安全性。与比利时SCK·CEN研究机构设计铅铋冷却反应堆MYRRHA的燃料组件方案相比，本发明无需在堆芯下部预留燃料组件操作空间，减少反应堆冷却剂的用量，提高了反应堆的经济性。
附图说明
图1是本发明燃料组件的纵向布置图；
图2是本发明燃料组件的横向布置图；
图3是本发明燃料组件固定方式示意图。
具体实施方式
如图1所示，本发明的燃料组件由燃料棒1、组件套管2、定位格架3、上栅格4、下栅格5、操作头6、管脚7和定位架8组成，其特征在于采用圆形组件套管，燃料棒采用圆环状布置，管脚设置有定位架。定位格架3位于燃料棒1棒束中间，起燃料棒1定位作用，具体数目可根据具体反应堆设计调整。上栅格4和下栅格5分别布置与燃料棒1棒束的上端和下端，其燃料棒1固定作用。操作头6位于燃料组件上端，用于反应堆换料时与换料机构相匹配。管脚7位于燃料组件下端，管脚7设置有定位架8，与反应堆内的燃料组件定位板9的燃料组件定位孔10相匹配，用于燃料组件固定，定位架8形式可以是十字架式或螺丝结构式。
如图2所示，燃料棒1采用圆环状布置，具体布置层数可根据具体反应堆设计调整；组件套管2采用圆形组件套管，具体圆形组件套管直径可根据具体反应堆设计调整。
如图3所示，燃料组件的固定方法，是通过管脚7处的定位架8与反应堆内燃料组件定位板9的定位孔10的配合实现燃料组件的固定。
燃料组件固定方法，其操作流程为：换料机构将燃料组件管脚7插入反应堆内燃料组件定位板9中的燃料组件定位孔10并进行一定角度的转动，将管脚7的定位架8放入燃料组件定位板9的燃料组件定位孔10预留的固定槽，实现燃料组件的固定；当进行换料时，换料机构将燃料组件下压并进行与装料时相反的角度转动，将管脚7的定位架8退出燃料组件定位板9的燃料组件定位孔10预留的固定槽，然后将燃料组件拔出燃料组件定位板9，实现燃料组件的更换。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种液态重金属冷却反应堆用燃料组件，其特征在于：所述燃料组件由燃料棒（1）、组件套管（2）、定位格架（3）、上栅格（4）、下栅格（5）、操作头（6）、管脚（7）和定位架（8）组成；由燃料棒（1）组成的棒束采用圆环状布置，棒束由定位格架（3）进行径向定位，棒束由上栅格（4）和下栅格（5）进行轴向定位，棒束放置于组件套管（2）内，组件套管（2）采用圆形套管，组件套管（2）上端设置有操作头（6），组件套管（2）下端设置管脚（7），管脚（7）外围设置有定位架（8），定位架（8）用于与反应堆内燃料组件定位板（9）的定位孔（10）的配合实现燃料组件的固定。
2.一种液态重金属冷却反应堆用燃料组件的固定方法，其特征在于：当进行装料时，换料机构将燃料组件管脚（7）插入反应堆内燃料组件定位板（9）中的燃料组件定位孔（10）并进行一定角度的转动，将管脚（7）的定位架（8）放入燃料组件定位板（9）的燃料组件定位孔（10）预留的固定槽，实现燃料组件的固定；当进行换料时，换料机构将燃料组件下压并进行与装料时相反的角度转动，将管脚（7）的定位架（8）退出燃料组件定位板（9）的燃料组件定位孔（10）预留的固定槽，然后将燃料组件拔出燃料组件定位板（9），实现燃料组件的更换。
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