CN103474099B - 高热中子注量率堆芯 - Google Patents

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Abstract

本发明属于核反应堆设计技术领域，具体涉及一种高热中子注量率堆芯。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，在燃料组件环形区域的内侧形成热中子阱；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。本发明所述高热中子注量率堆芯，在保证安全及结构可行的前提下，有利于提高辐照孔道内热中子注量率，增强和拓宽试验堆的辐照能力和应用范围。

Description

高热中子注量率堆芯
技术领域
本发明属于核反应堆设计技术领域，具体涉及一种高热中子注量率堆芯。
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。高中子注量率工程试验堆是国家科技实力的重要标志之一，是国家独立自主开发核能所必不可少的基础设施和重要工具。而试验堆中，高的热中子注量率有很大实用价值，可用于动力堆燃料元件、堆用材料的中子辐照特性研究和高比活度放射性同位素及超铀元素的辐照生产，因此是先进研究试验堆设计追求的一个重要目标。
目前国际上新建的先进研究堆设计多采用倒（反）中子阱紧凑堆芯。在合适的功率水平下，尽量紧缩堆芯，提高堆芯功率密度，得到高的裂变中子注量率。高度欠慢化的堆芯被周围大体积的重水或铍所包围，大量裂变中子从堆芯表面泄漏到反射层中被慢化，形成热中子注量率峰。在相同的功率水平下，功率区体积越小，泄漏的裂变中子在反射层中形成的热中子注量率越高。典型的新建试验堆有中国先进研究堆（CARR堆）和法国的JHR堆。
CARR堆采用U3Si2-Al弥散型平板燃料，方盒燃料组件构成方形栅格，U-235富集度为20％，芯体铀密度为4.0gU/cm3。堆芯容器与燃料组件间用Be填充，堆芯容器外为重水反射层环形水箱。在重水反射层中设置了七个水平试验孔道，供中子散射实验用。在重水反射层径向不同通量水平位置上，设置了若干垂直试验孔道，供同位素辐照使用。CARR堆设计功率为60MW，活性段高度70cm，燃料元件冷却剂流速10m/s，其热中子（E<0.625eV）通量目标为7×1014n/cm2/s。
JHR堆采用U3Si2-Al圆柱形燃料和雏菊型栅格排列方式，U-235富集度为27％，芯体铀密度为4.8gU/cm3。堆芯外围选用Be作为反射层。在堆芯内部设置三个试验孔道，在Be反射层中设置了若干个试验孔道。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，其热中子（E<0.625eV）通量目标为6×1014n/cm2/s。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高热中子注量率堆芯，在保证安全及结构可行的前提下，获得更高的辐照孔道内热中子注量率水平。
为达到上述目的，本发明所采取的技术方案为：
一种高热中子注量率堆芯，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，在燃料组件环形区域的内侧形成热中子阱；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。
所述热中子阱中布置有1个中辐照孔道。
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。
所述热中子阱中布置有1个中辐照孔道，其直径为150mm，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。
所述燃料组件包括铝包壳、燃料套管、冷却剂水和挤水芯轴；燃料套管分为69层呈同心环形布置，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0.4~0.6mm。
所述燃料套管为7层。
所述燃料芯体的厚度为0.6mm。
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：
本发明所述高热中子注量率堆芯，有利于提高辐照孔道内热中子注量率，增强和拓宽试验堆的辐照能力和应用范围。在堆芯功率密度与CARR堆和JHR堆相当的条件下，本发明所述高热中子注量率堆芯中心处的中辐照孔道内平均热中子注量率可达1.0×1015n/cm2/s，中辐照孔道中心轴向10cm高度内热中子注量率峰值可达1.6×1015n/cm2/s，热中子注量率水平要高于CARR堆和JHR堆的通量目标，也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热中子注量率水平，例如，燃料组件外侧中辐照孔道内平均热中子注量率可达5.6×1014n/cm2/s，同样具备较高的辐照能力和实用价值；
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热中子注量率；
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、提高中子注量率；
本发明利用布置在燃料组件环形区内部和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，可在获得高热中子注量率的同时满足热工安全要求。
附图说明
图1为本发明所述高热中子注量率堆芯示意图；
图2为本发明所述高热中子注量率堆芯的燃料组件示意图；
图中：1、钴靶；2、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。
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。
如图1所示，本发明所述高热中子注量率堆芯包括钴靶1、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；燃料组件2为六边形套管型燃料组件，若干个燃料组件2呈环形紧凑布置，在燃料组件2环形区域的内侧形成热中子阱，在热中子阱中布置有1个中辐照孔道3，在中辐照孔道3中可获得较高的热中子注量率；紧挨燃料组件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2所示，所述燃料组件2包括铝包壳8、燃料套管9、冷却剂水10、挤水芯轴11；
燃料套管9分为69层呈同心环形布置，其中优选7层，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；
当燃料套管9为7层时，对应燃料组件2的数量为40个；热中子阱中布置有1个中辐照孔道3，其直径为150mm，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的提棒程序对热中子注量率和堆芯功率分布影响较大。为了在获得高热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 (10)

1.一种高热中子注量率堆芯，其特征在于：该堆芯包括燃料组件（2）、控制棒组件（4）和铍组件（5）；燃料组件（2）为六边形套管型燃料组件，若干个燃料组件（2）呈环形紧凑布置，在燃料组件（2）环形区域的内侧形成热中子阱；紧挨燃料组件（2）环形区域的外侧布置有若干个六边形铍组件（5），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（2）之间。
2.根据权利要求1所述的高热中子注量率堆芯，其特征在于：所述热中子阱中布置有1个中辐照孔道（3）。
3.根据权利要求1所述的高热中子注量率堆芯，其特征在于：所述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）。
4.根据权利要求2或3所述的高热中子注量率堆芯，其特征在于：所述热中子阱中布置有1个中辐照孔道（3），其直径为150mm，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。
5.根据权利要求1所述的高热中子注量率堆芯，其特征在于：所述燃料组件（2）包括铝包壳（8）、燃料套管（9）、冷却剂水（10）和挤水芯轴（11）；燃料套管（9）分为6-9层呈同心环形布置，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）。
6.根据权利要求5所述的高热中子注量率堆芯，其特征在于：所述每层燃料套管（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。
7.根据权利要求5所述的高热中子注量率堆芯，其特征在于：所述燃料套管（9）为7层。
8.根据权利要求6所述的高热中子注量率堆芯，其特征在于：所述燃料芯体的厚度为0.6mm。
9.根据权利要求1所述的高热中子注量率堆芯，其特征在于：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）、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）、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）。
10.根据权利要求9所述的高热中子注量率堆芯，其特征在于：所述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）、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。
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