CN103310855B - 一种液态重金属冷却反应堆燃料组件 - Google Patents

一种液态重金属冷却反应堆燃料组件 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种液态重金属冷却反应堆燃料组件，属于核工程领域，它包括燃料系统与用于固定燃料组件的配重系统。燃料系统包括成束的燃料元件和用于固定燃料元件的金属绕丝、上管座、下管座，外管套，冷却剂入口；配重系统包括配重填充物，配重外管套，中心承力棒和法兰等。本发明使得所述的燃料组件利用本身重力即可实现在液态铅基合金冷却剂中的固定，具有固有安全性，降低了极限事故中燃料操作事故和弹棒事故的风险。本发明适用于冷却剂为密度较大的液态重金属的反应堆。

Description

一种液态重金属冷却反应堆燃料组件
技术领域
本发明涉及一种液态重金属冷却反应堆燃料组件，适用于冷却剂选择为密度较大的液态重金属合金的反应堆，属于核工程领域。
背景技术
当今世界在利用核能的同时，不得不面临核废料的处理和处置难题。加速器驱动次临界系统是一种理想的核废料嬗变装置，液态重金属铅基合金由于具有良好的中子学特性、安全特性和传热能力，是目前加速器驱动次临界反应堆冷却剂的主要候选材料。但由于液态重金属密度比燃料组件的密度更大，因此不同于水冷反应堆，传统结构的燃料组件在液态重金属作为冷却剂的反应堆中，无法依靠自身重力而固定在堆芯中。
目前，国内还没有开展对液态重金属冷却反应堆燃料组件结构的设计研究工作。国际上仅有少数国家在该方面有所研究，欧盟XADS项目中，燃料组件的结构设计中采用机械锁紧的方式，即将燃料组件底端与堆芯通过一种机械结构锁紧，结构设计复杂精细，加工难度大，且还没有解决在换料过程中如何解决燃料组件上浮、摆动和精确定位的问题，故换料装置需设计复杂，换料过程运行时间较长。同时，由于液态重金属冷却反应堆堆内服役环境严苛，堆芯中组件数目多，换料周期长，机械锁紧的固定方式增加了在服役寿期内燃料组件的固定和操作事故，弹棒事故的风险。欧洲核能机构ENEA的ALFRED与ELFR项目中，燃料组件采用配重方式进行固定，该项目中将配重系统安装在燃料系统上端，通过压力容器等将两系统隔开，且配重系统暴露在外部环境中，增大了堆芯的设计难度和辐射物质泄露的风险，且不遵守燃料组件自立等设计准则。
综上，已知的液态重金属冷却反应堆燃料组件结构设计存在的缺点有：
采用锁紧的固定方式，结构设计复杂精细，加工难度大，且换料装置设计复杂，换料运行时间较长，大大增加了在服役寿期内燃料组件的固定和操作事故，弹棒事故的风险。
采用将配重系统安装在燃料系统上端的方式，配重系统暴露在外部环境中，增大了堆芯的设计难度和辐射物质泄露的风险，且不遵守燃料组件自立等设计准则。
发明内容
本发明的目的是：克服现有国外设计结构复杂精细，加工难度大，事故风险高等缺点，提供一种液态重金属冷却反应堆燃料组件，具有设计简单，具有固有安全性，换料装置简单等优点，可普遍用于将液态重金属作为冷却剂的反应堆。
本发明的技术方案是：一种液态重金属冷却反应堆燃料组件，包括：燃料系统1和用于固定燃料组件的配重系统2；所述燃料系统1包括成束的燃料元件3和用于固定成束燃料元件3的金属绕丝4、燃料外管套5、上管座6、下管座7和冷却剂入口8；所述配重系统2由配重填充物9、配重外管套10、中心承力棒11和法兰12组成；成束的燃料元件3之间用金属绕丝4固定，成束的燃料元件3两端分别固定在上管座6和下管座7上，成束的燃料元件3之间用金属绕丝4固定；燃料外管套5两端分别与上管座6、下管座7焊接在一起；冷却剂入口8与配重系统2通过法兰12连接；所述外管套10底部密封；配重填充物9装入配重外管套10内，上部通过法兰12密封；中心承力棒11安装在成束的燃料元件3最中央，贯穿燃料系统1与配重系统2，位于配重系统2的部分带有外螺纹，并与配重系统2旋紧连接。
所述上管座6与下管座7结构相同，成束的燃料元件3两端端塞分别插入上管座6和下管座7的小孔中固定。成束的燃料元件3之间用金属绕丝固定。冷却剂通过下管座7的空隙间流入，与成束燃料元件3充分接触，利用金属绕丝4固定成束的燃料元件3并形成冷却剂流道，最终冷却剂从上管座6的空隙中流出。
所述配重系统2的外管套10底部密封，从而配重填充物9无需暴露在堆芯中与重金属冷却剂接触，受到的腐蚀和辐射剂量小，因此不会对堆芯环境造成污染，不易发生变形。所述配重系统2的配重外管套10与所述燃料系统1的燃烧外管套5均为六边形，内外半径相同，从而便于安装与换料，减少加工成本。
所述配重系统2的配重填充物9必须选择密度比作为反应堆冷却剂的液态重金属密度更大的金属，密度范围从10g/cm3——25g/cm3。通过计算整套燃料组件的体积和重量，得到所述燃料组件的平均密度，在留出足够安全裕量的前提下，令所述整盒燃料组件的平均密度大于液态铅基合金的密度，从而所述整盒燃料组件可依靠自己重力固定在堆芯中。
所述配重系统2中心开有带内螺纹的孔，在安装时，缓慢旋进带外螺纹的中心承力棒11上，安装到位后，将法兰12上的螺丝13旋紧，从而将燃料系统1与配重系统2连接到一起。由于加上配重系统2后，整套燃料组件的重量较大，单纯依靠外管套5不能保证在安装和换料过程中的结构稳定性，因此在所述燃料组件中心增加一根中心承力棒11，用于在安装和换料过程中承受配重的重量。采用螺纹的方式固定中心承力棒和配重系统，具有受力均匀，不易变形，加工简单等优点。
所述的冷却剂入口8直径范围为所述的外管套5直径的1/4～4/5，目的是在自然循环的前提下，液态重金属冷却剂能够顺利从堆芯外部进入堆芯内部。所述的冷却剂入口8的六边形各面均开有长条形孔洞，从而使冷却剂从所述的燃料组件外部进入内部，与所述的燃料元件3接触后，从所述的上管座6空隙中流出，通过计算，在保证结构稳定性的前提下，将长条形孔洞尽量扩大，从而使液态重金属冷却剂顺利从所述的燃料组件外部进入内部。
本发明与现有技术相比的优点在于：本发明使得所述的燃料系统利用本身重力即可实现在液态铅基合金冷却剂中的固定，具有固有安全性，降低了极限事故中燃料操作事故和弹棒事故的风险。本发明适用于冷却剂为密度较大的液态重金属的反应堆。
附图说明
图1为本发明的主体结构示意图；
图2为本发明的内部结构图；
图3为本发明的上下管座示意图；
其中1.燃料系统；2.配重系统.；3.燃料元件；4.金属绕丝；5.燃烧外管套；6.上管座；7.下管座；8.冷却剂入口；9.配重填充物；10.配重外管套；11.中心承力棒；12.法兰；13.螺丝。
具体实施方式
下面结合附图1-3对本发明提出的一种液态铅基合金冷却快中子反应堆燃料组件进行进一步的介绍：
如图1、2、3所示，将上管座6与燃烧外管套5焊接到一起后，将成束的燃料元件3上端端塞插入上管座6的小孔中固定。成束的燃料元件3之间用金属绕丝4固定，再将成束的燃料元件3下端端塞插入下管座7的小孔中固定，安装好后，将下管座7与燃烧外管套5也焊接在一起。调整冷却剂入口8六边形的位置，使其与燃烧外管套5的六边形吻合后，进行焊接。将中心承力棒11插入燃烧系统1的中心，其位于配重系统2的部分，带有外螺纹。配重系统2中心开有带内螺纹的孔，在安装时，缓慢旋进带外螺纹的中心承力棒11上，安装到位后，将法兰12上的螺丝13旋紧，从而将燃料系统1与配重系统2连接到一起。
整盒燃料组件在进行安装和换料时，通过换料装置抓取中心承力棒11和上管座6，并逐根对所述的整盒燃料组件进行操作，放入堆芯中指定的位置上。
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 (7)

1.一种液态重金属冷却反应堆燃料组件，其特征在于包括：燃料系统(1)和用于固定燃料组件的配重系统(2)；所述燃料系统(1)包括成束的燃料元件(3)和用于固定成束燃料元件(3)的金属绕丝(4)、燃料外管套(5)、上管座(6)、下管座(7)和冷却剂入口(8)；所述配重系统(2)由配重填充物(9)、配重外管套(10)、中心承力棒(11)和法兰(12)组成；成束的燃料元件(3)之间用金属绕丝(4)固定，成束的燃料元件(3)两端分别固定在上管座(6)和下管座(7)上，成束的燃料元件(3)之间用金属绕丝(4)固定；燃料外管套(5)两端分别与上管座(6)、下管座(7)焊接在一起；冷却剂入口(8)与配重系统(2)通过法兰(12)连接；所述配重外管套(10)底部密封；配重填充物(9)装入配重外管套(10)内，上部通过法兰(12)密封；中心承力棒(11)安装在成束的燃料元件(3)最中央，贯穿燃料系统(1)与配重系统(2)，位于配重系统(2)的部分带有外螺纹，并与配重系统(2)旋紧连接。
2.根据权利要求1所述的燃料组件，其特征在于：所述上管座(6)与下管座(7)结构相同。
3.根据权利要求1所述的燃料组件，其特征在于：所述成束的燃料元件(3)两端端塞分别插入上管座(6)和下管座(7)的小孔中固定。
4.根据权利要求1所述的燃料组件，其特征在于：所述配重外管套(10)底部与燃料外管套(5)底部形状相同，均为六边形，内外半径相同。
5.根据权利要求1所述的燃料组件，其特征在于，所述配重填充物(9)必须选择密度比作为反应堆冷却剂的液态重金属密度更大的金属，密度范围从10g/cm3——25g/cm3。
6.根据权利要求1所述的燃料组件，其特征在于：所述配重系统(2)中心开有带内螺纹的孔，在安装时，缓慢旋进带外螺纹的中心承力棒(11)上，安装到位后，将法兰(12)上的螺丝(13)旋紧，从而将燃料系统(1)与配重系统(2)连接到一起。
7.根据权利要求1所述的燃料组件，其特征在于：所述的冷却剂入口(8)直径范围为所述的燃料外管套(5)直径的1/4～4/5，六边形的各面均开有长条形孔洞，从而使冷却剂从所述的燃料组件外部进入内部，与所述的燃料元件(3)接触后，从所述的上管座(6)空隙中流出。
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