CN103578579B - 一种先进的聚变-裂变次临界能源堆堆芯 - 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的装载方案。堆芯结构包括沿环形的等离子体聚变区域的环向设置的若干个燃料组件模块，每个燃料组件模块包括在等离子体聚变区域的极向方向布置的若干个燃料组件，在每个燃料组件朝向等离子体聚变区域的一侧布置一层耐高温、耐辐照的第一壁，在每个燃料组件相对于所述第一壁的另一侧布置产氚包层，在产氚包层外设有外层屏蔽。本发明能够同时满足能量放大倍数和氚增殖比的设计要求，并在很长时间内能够维持放大倍数和氚增殖比不断增长，堆芯增殖性能良好。

Description

一种先进的聚变-裂变次临界能源堆堆芯
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的装载方案设计。
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，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装载设计需要综合考虑聚变堆芯结构、裂变能量放大、裂变燃料增殖、热工水力以及产氚包层产氚等所有因素，是聚变-裂变次临界能源堆堆芯设计的核心内容。目前国内外已有的初步方案工程可行性较差，如对聚变堆芯需要预留的偏滤器面积、冷却剂管道布置、冷却剂管道承压问题、堆芯整体布置等因素考虑较少。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有良好安全性、经济性的聚变-裂变次临界能源堆堆芯设计方案。
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，包括沿环形的等离子体聚变区域的环向设置的若干个燃料组件模块，每个燃料组件模块包括在等离子体聚变区域的极向方向布置的若干个燃料组件，在每个燃料组件朝向等离子体聚变区域的一侧布置一层耐高温、耐辐照的第一壁，在每个燃料组件相对于所述第一壁的另一侧布置产氚包层，在产氚包层外设有用于屏蔽泄漏中子的外层屏蔽。
进一步，如上所述的先进的聚变-裂变次临界能源堆堆芯，其中，所述的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，冷却剂材料为轻水。
更进一步，如上所述的先进的聚变-裂变次临界能源堆堆芯，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。
更进一步，如上所述的先进的聚变-裂变次临界能源堆堆芯，其中，在燃料组件外设有锆包壳。
更进一步，如上所述的先进的聚变-裂变次临界能源堆堆芯，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，其中，所述的产氚包层包括若干层产氚材料，在相邻的两层产氚材料之间设有慢化剂水，产氚材料与慢化剂水之间设有锆隔板，产氚包层外设有锆包壳。
更进一步，如上所述的先进的聚变-裂变次临界能源堆堆芯，其中，所述的产氚包层的长度和宽度都与燃料组件相等。
进一步，如上所述的先进的聚变-裂变次临界能源堆堆芯，其中，所述的第一壁为马氏体钢材质，厚度为0.5cm-1.5cm。
进一步，如上所述的先进的聚变-裂变次临界能源堆堆芯，其中，在等离子体聚变区域的环向共设置25个所述的燃料组件模块；每个燃料组件模块包含沿等离子体聚变区域的极向方向布置的17个燃料组件。
进一步，如上所述的先进的聚变-裂变次临界能源堆堆芯，其中，所述的外层屏蔽为不锈钢材料。
进一步，如上所述的先进的聚变-裂变次临界能源堆堆芯，其中，在堆芯下部留有较大空间不布置燃料组件和产氚包层，用于聚变堆芯布置偏滤器等所需部件。
本发明的有益效果如下：本发明所提供的堆芯装载方案以ITER模型为参考，整个堆芯的装载能够同时满足能量放大倍数和氚增殖比的设计要求，并在很长时间内能够维持放大倍数和氚增殖比不断增长，堆芯增殖性能良好。该种堆装载方案实现了满足次临界能源堆芯能量放大和氚增殖比要求、增殖性能良好的一种堆芯设计，具有良好的安全性和经济性。
附图说明
图1为ITER模型和包层坐标定位调整结果示意图；
图2为本发明堆芯装载方案中一个燃料组件模块的布置结构示意图；
图3为本发明的燃料组件与产氚包层的位置关系示意图；
图4为本发明的燃料组件结构示意图；
图5为本发明的产氚包层结构示意图；
图6为正常工况下最热组件燃料温度分布图；
图7为燃料组件组成的堆芯性能随燃耗的变化图。
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。
本发明所提供的堆芯装载方案以ITER模型为参考，图1给出了ITER模型图和包层坐标定位调整结果。根据ITER堆芯模型，调整得到堆芯组件的20个包层定位坐标，尽可能精确模拟ITER环状模型。经过调整，使得包层组件长度相同，得到包层组件内侧的定位点坐标，作为工作模型的燃料组件定位，以大环中心为坐标原点。
图2给出了堆芯装载方案的环形等离子体聚变区域的截面图，图中给出了17个燃料组件1的相对位置，这17个燃料组件在本发明中被描述为一个燃料组件模块，本发明的实施例中在等离子体聚变区域2的环向共设置25个所述的燃料组件模块。表1给出了工作模型的详细参数。
表1装载方案总体参数表
如图3所示，装载方案主要由布置在聚变区的第一壁4、裂变燃料组件1、产氚包层5以及用于屏蔽泄漏中子的外层屏蔽3（不锈钢材料）等组成，保守考虑了聚变堆芯可能需要的偏滤器等不能布置燃料的区域。在堆芯下部留有较大空间不布置燃料组件和产氚包层，用于聚变堆芯布置偏滤器等所需部件。
燃料组件极向布置17个，全堆总计425个，由铀-锆合金燃料6、水冷却剂8和冷却管7（承压锆管）构成，在燃料组件外设有锆包壳9，燃料组件中彼此相邻的三根冷却管71、72、73的截面呈正三角形排列，如图4所示。燃料栅格内含圆柱形冷却水、圆筒形锆合金承压管、内圆外方的铀-锆合金燃料。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满足冷却剂承压要求。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。有关燃料组件的具体介绍可参考申请人同期申请的专利“一种先进的聚变-裂变次临界能源堆堆芯燃料组件”。
燃料组件1放置于聚变堆芯第一壁4后面的包层中，第一壁具有耐高温、耐辐照的特性，本发明第一壁为马氏体钢材质，厚度为0.5cm-1.5cm。聚变产生的高能中子进入燃料区，在燃料区域被慢化、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。
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。
产氚包层采用优化的层状结构，由产氚材料10、慢化剂水11和锆隔板12分层构成，产氚包层外设有锆包壳13，如图5所示，总厚度约40cm。产氚包层的长度和宽度都与燃料组件相等。产氚材料与慢化材料交替布置，使得经过慢化的中子能够与产氚材料充分反应，而没有被慢化下来的中子则在后面的材料层中被慢化、吸收。有关产氚包层的具体介绍可参考申请人同期申请的专利“一种先进的聚变-裂变次临界能源堆堆芯产氚包层”。
图6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，图7给出了易裂变核素235U和239Pu随燃耗的变化。从图中可以看出，本发明所提供的堆芯布置不仅能够维持堆芯主要性能指标在较长时间内稳定增长，还具有很好的燃料增殖特性。
综上所述，本发明所设计的聚变-裂变次临界能源堆不仅能够实现能量倍增、持续产氚、热工安全等设计要求，还具有燃料增殖特性，是具有良好安全性、经济性、具有工程可行性的新型堆芯设计。
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，其特征在于：包括沿环形的等离子体聚变区域(2)的环向设置的若干个燃料组件模块，每个燃料组件模块包括在等离子体聚变区域(2)的极向方向布置的若干个燃料组件(1)，在每个燃料组件(1)朝向等离子体聚变区域的一侧布置一层耐高温、耐辐照的第一壁(4)，在每个燃料组件(1)相对于所述第一壁(4)的另一侧布置产氚包层(5)，在产氚包层(5)外设有用于屏蔽泄漏中子的外层屏蔽(3)；所述的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天然铀-锆合金燃料(6)的栅格单元，每个栅格单元的天然铀-锆合金燃料(6)中设有水平贯穿的冷却管(7)，冷却管(7)的延伸方向与燃料组件的厚度方向相垂直，冷却管(7)内设有可流动的冷却剂(8)，冷却剂材料为轻水，所述的燃料组件中彼此相邻的三根冷却管(71、72、73)的截面呈正三角形排列；在堆芯下部留有空间用于布置偏滤器所需部件。
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，其特征在于：在燃料组件外设有锆包壳(9)。
3.如权利要求1或2所述的先进的聚变-裂变次临界能源堆堆芯，其特征在于：所述的燃料组件的厚度为12cm-18cm，高度为85cm-125cm。
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，其特征在于：所述的产氚包层包括若干层产氚材料(10)，在相邻的两层产氚材料(10)之间设有慢化剂水(11)，产氚材料(10)与慢化剂水(11)之间设有锆隔板(12)，产氚包层外设有锆包壳(13)。
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，其特征在于：所述的第一壁(4)为马氏体钢材质，厚度为0.5cm-1.5cm。
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，其特征在于：在等离子体聚变区域(2)的环向共设置25个所述的燃料组件模块；每个燃料组件模块包含沿等离子体聚变区域(2)的极向方向布置的17个燃料组件(1)。
7.如权利要求1所述的先进的聚变-裂变次临界能源堆堆芯，其特征在于：所述的外层屏蔽(3)为不锈钢材料。
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