CN103578578B - 一种先进的聚变-裂变次临界能源堆堆芯燃料组件 - Google Patents

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Abstract

本发明属于核电设计技术，具体涉及一种先进的聚变‑裂变次临界能源堆堆芯燃料组件，包括沿厚度方向依次设置的多层结构，每层结构包括沿高度方向布置的若干个设有铀‑锆合金燃料的栅格单元，每个栅格单元的铀‑锆合金燃料中设有水平贯穿的冷却管，冷却管的延伸方向与燃料组件的厚度方向相垂直，冷却管内设有可流动的冷却剂。本发明采用天然铀锆合金作为裂变燃料，冷却管在燃料中呈正三角形排列，其布置方式能够保证燃料冷却。燃料组件具有合适的铀水体积比，能够使堆芯具有足够的能量放大倍数。

Description

一种先进的聚变-裂变次临界能源堆堆芯燃料组件
技术领域
本发明属于核电设计技术，具体涉及一种先进的聚变-裂变次临界能源堆堆芯燃料组件的设计。
背景技术
作为向受控核聚变电站过渡的特殊堆型，聚变-裂变混合堆在安全性、经济性、能源优化利用以及环境影响方面具有特殊的优势，以产能为主要目的的聚变-裂变次临界能源堆是聚变-裂变混合堆的一种，它将聚变堆作为产生高通量中子的中子源，在聚变装置外面包上一层裂变材料或可转换材料（如238U、232Th），通过聚变中子引起的裂变、（n,2n）和俘获反应来倍增能量和中子，从而产生电能和易裂变材料。以产能为主的裂变包层的能量倍增大，对聚变堆芯要求较低，可以实现得较早，同时混合堆的能量输出大，热效率高。但缺点是功率密度大，衰变余热大，对冷却系统要求高，对燃料组件设计要求苛刻，集中了裂变堆的难点。堆芯燃料组件设计是聚变-裂变次临界能源堆芯的核心问题，需要满足产能和燃料增殖的需要，同时维持聚变堆芯的可持续运行。这就要求，燃料组件必须选择合适的铀水比和燃料布置，确保燃料组件有较大的能量放大倍数，同时冷却剂能够带出堆芯产生的能量，燃料最高温度不超过燃料的相变温度。组件的厚度不宜过大，保证穿过燃料组件的中子能量和数量足够，使得氚增殖比大于限值要求，可以维持聚变堆芯的持续运行。因此，聚变-裂变次临界能源堆堆芯燃料组件设计需要综合考虑能量放大、燃料增殖、热工水力以及后续产氚等所有因素，是聚变-裂变次临界能源堆堆芯设计的重要内容之一。
国内外之前设计的聚变中子源驱动的次临界能源堆芯燃料组件，大多考虑燃料棒状布置，没有解决冷却剂承压的问题，需要对燃料组件的结构加以改进。
发明内容
本发明的目的在于提供一种先进的聚变-裂变次临界能源堆堆芯燃料组件，既解决冷却剂承压问题，又能够满足热工水力安全性的要求。
本发明的技术方案如下：一种先进的聚变-裂变次临界能源堆堆芯燃料组件，包括沿厚度方向依次设置的多层结构，每层结构包括沿高度方向布置的若干个设有铀-锆合金燃料的栅格单元，每个栅格单元的铀-锆合金燃料中设有水平贯穿的冷却管，冷却管的延伸方向与燃料组件的厚度方向相垂直，冷却管内设有可流动的冷却剂。
进一步，如上所述的先进的聚变-裂变次临界能源堆堆芯燃料组件，其中，燃料组件中彼此相邻的三根冷却管的截面呈正三角形排列。
进一步，如上所述的先进的聚变-裂变次临界能源堆堆芯燃料组件，其中，所述的冷却管为圆筒形锆合金承压管；冷却管的内壁半径为0.5cm-1.0cm，壁厚0.13cm-0.25cm。
进一步，如上所述的先进的聚变-裂变次临界能源堆堆芯燃料组件，其中，所述的冷却剂为轻水。
进一步，如上所述的先进的聚变-裂变次临界能源堆堆芯燃料组件，其中，在燃料组件外设有锆包壳，所述锆包壳的厚度为0.1cm-0.8cm。
进一步，如上所述的先进的聚变-裂变次临界能源堆堆芯燃料组件，其中，沿厚度方向依次设置6层结构，每层结构包括沿高度方向布置的41或42个栅格单元。
进一步，如上所述的先进的聚变-裂变次临界能源堆堆芯燃料组件，其中，燃料组件的厚度为12cm-18cm，高度为85cm-125cm。
进一步，如上所述的先进的聚变-裂变次临界能源堆堆芯燃料组件，其中，燃料组件的铀水体积比为1.5-2.5。
本发明的有益效果如下：本发明所提供的聚变-裂变次临界能源堆堆芯燃料组件为整体方形设计，采用天然铀锆合金作为裂变燃料，冷却管在燃料中呈正三角形排列，其布置方式能够保证燃料冷却。燃料组件具有合适的铀水体积比，能够使堆芯具有足够的能量放大倍数。冷却剂与燃料之间用锆包壳管隔开，其厚度具有足够的承压能力。燃料组件外包有一定厚度的锆包壳，其内壁与燃料之间留有一定空间用于包容裂变气体。该种燃料组件实现了同时满足次临界能源堆芯的能量放大与氚增殖比要求的一种燃料组件设计。
附图说明
图1为本发明燃料组件的结构示意图；
图2为本发明燃料组件组成的堆芯性能随燃耗的变化示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。
图1给出了燃料组件的结构示意图。燃料组件包括沿厚度方向依次设置的多层结构，每层结构包括沿高度方向布置的若干个栅格单元，每个栅格单元由铀-锆合金燃料1、水冷却剂3和冷却管2构成，冷却管2用于承压，水平穿过铀-锆合金燃料，冷却管的延伸方向与燃料组件的厚度方向相垂直，在燃料组件中呈正三角形排列，即燃料组件中彼此相邻的三根冷却管21、22、23的截面呈正三角形。每个燃料栅格内含圆柱形冷却水3、圆筒形锆合金承压冷却管2、内圆外方的铀-锆合金燃料1。冷却剂材料选用轻水，起中子慢化和燃料导热冷却双重作用，但主要作用是后者，因此称为冷却剂。承压冷却管的管壁厚度能够满足承压要求。燃料组件厚度方向共布置6层，高度方向上布置41或42个栅格。在燃料组件外设有锆包壳4，本实施例中所述锆包壳的厚度为0.5cm。表1给出了燃料组件的参数表。
表1 燃料组件参数表
燃料组件放置于聚变堆芯第一壁后面的包层中，聚变产生的高能中子进入燃料区，在该区域被慢化、产生裂变，产生的裂变中子进一步被慢化后继续链式裂变反应，从最后一层泄露出的中子进入产氚包层进行产氚反应。
所设计的裂变燃料组件适用于外中子源驱动的堆芯，因此为次临界状态，高能聚变中子首先进入第一层燃料，因此第一层燃料中子通量最高，产生能量也最高，中子通量和产生能量逐层递减，以堆芯中功率最高燃料组件（一端的部分栅格）为例，功率分布见表2所示。第一层功率峰值因子可达最外一层燃料的2倍以上。
表2 功率分布参数表
1 1.54 1.55 1.53 1.51 1.51 1.50 1.51 1.51 1.52 1.51 1.53 1.51 1.51 1.52 1.48 1.47 1.48 1.44 1.39 1.38 1.32
2 1.39 1.43 1.38 1.42 1.39 1.40 1.39 1.40 1.38 1.39 1.39 1.40 1.39 1.39 1.35 1.33 1.34 1.29 1.26 1.22
3 1.24 1.24 1.25 1.24 1.24 1.24 1.24 1.24 1.25 1.21 1.22 1.24 1.22 1.21 1.21 1.19 1.18 1.16 1.10 1.06 1.02
4 1.07 1.07 1.05 1.05 1.03 1.05 1.05 1.03 1.04 1.06 1.06 1.05 1.04 1.03 1.01 1.04 1.01 0.98 0.94 0.87
5 0.87 0.86 0.86 0.83 0.84 0.83 0.82 0.83 0.83 0.84 0.85 0.85 0.82 0.83 0.82 0.81 0.80 0.78 0.75 0.74 0.70
6 0.62 0.61 0.61 0.60 0.60 0.60 0.59 0.60 0.60 0.61 0.60 0.60 0.59 0.59 0.59 0.58 0.57 0.55 0.55 0.54
根据热工水力专业的计算，采用上述布置方式，即使在堆芯中功率最高的燃料组件，燃料最高温度也低于最低相变温度（～600℃）。燃料组件的设计满足安全性的设计要求。
燃料组件中铀水体积比是经过反复优化的设计结果。该铀水比的选取能够使得堆芯能量放大倍数满足设计要求，并使得有足够多的中子泄露到产氚组件中去，而且该布置下的燃料能谱能够使得有足够多的238U转换成易裂变核素239Pu，转换速度能够大于235U的消耗速度，这样，在相当长的时间内，燃料组件内的易裂变核素处于增长的状态中，其反应性及能量放大倍数都能在较长时间内维持增长。图2给出了该种燃料组件在堆芯中燃耗时堆芯性能指标随时间的变化趋势。
综上所述，本发明的燃料组件实现了同时满足次临界能源堆芯的能量放大与氚增殖比要求的一种先进的、具有工程可行性的燃料组件设计。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若对本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其同等技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (7)

1.一种先进的聚变-裂变次临界能源堆堆芯燃料组件，其特征在于：包括沿厚度方向依次设置的六层结构，每层结构包括沿高度方向布置的若干个设有铀-锆合金燃料(1)的栅格单元，采用天然铀锆合金作为裂变燃料，每个栅格单元的铀-锆合金燃料(1)中设有水平贯穿的冷却管(2)，冷却管(2)的延伸方向与燃料组件的厚度方向相垂直，冷却管(2)内设有可流动的冷却剂(3)，彼此相邻的三根冷却管(21、22、23)的截面呈正三角形排列，在燃料组件外设有锆包壳(4)。
2.如权利要求1所述的先进的聚变-裂变次临界能源堆堆芯燃料组件，其特征在于：所述的冷却管为圆筒形锆合金承压管；冷却管的内壁半径为0.5cm-1.0cm，壁厚0.13cm-0.25cm。
3.如权利要求1所述的先进的聚变-裂变次临界能源堆堆芯燃料组件，其特征在于：所述的冷却剂为轻水。
4.如权利要求1所述的先进的聚变-裂变次临界能源堆堆芯燃料组件，其特征在于：所述锆包壳(4)的厚度为0.1cm-0.8cm。
5.如权利要求1所述的先进的聚变-裂变次临界能源堆堆芯燃料组件，其特征在于：燃料组件每层结构包括沿高度方向布置的41或42个栅格单元。
6.如权利要求1所述的先进的聚变-裂变次临界能源堆堆芯燃料组件，其特征在于：燃料组件的厚度为12cm-18cm，高度为85cm-125cm。
7.如权利要求1或3所述的先进的聚变-裂变次临界能源堆堆芯燃料组件，其特征在于：燃料组件的铀水体积比为1.5-2.5。
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