CN1035845C

CN1035845C - 脉冲堆

Info

Publication number: CN1035845C
Application number: CN91100827A
Authority: CN
Inventors: 夏祥贵; 陆绍机; 章宋耀; 田盛; 江兴英; 阮桂兴; 于俊崇; 游克毅; 魏昌武
Original assignee: Nuclear Power Institute of China
Current assignee: Nuclear Power Institute of China
Priority date: 1991-02-12
Filing date: 1991-02-12
Publication date: 1997-09-10
Anticipated expiration: 2006-02-12
Also published as: CN1064170A

Abstract

本发明提供一种铀氢锆燃料元件的池式脉冲堆，堆芯采用铀氢锆燃料-慢化元件，燃料芯体为重量比占8.5%、丰度为20%的铀与氢锆原子比为1.6∶1的氢化锆的均匀混合物，堆芯装载量为3.5公斤轴-235，堆的寿期可达2000兆瓦.日，瞬发负温度系数绝对值不小于8×10^-5Δk/k/℃，脉冲运行最大反应性达4元，最大脉冲峰功率3420兆瓦，中子通量密度蜂值为6×10¹⁶中子/厘米².秒。本堆安全性好、造价低、用途广泛。

Description

脉冲堆

本发明涉及一种多用途池式研究反应堆，具体说是一种堆芯采用铀氢锆元件作燃料的脉冲堆。

目前，世界上广泛应用的脉冲堆均由美国通用原子公司(GeneralAtomic Company)设计制造。该公司在《SAFETY ANALYSIS REPORT FORTHE TRIGA MARK II REACTOR》E-117-661 January 1977中公开了一种称为TRI-GA MARK II的池式脉冲堆，该堆采用铀氢锆元件作燃料，具有大的瞬发负温度系数，固有安全性好。反应堆不仅可以稳态运行，也可脉冲运行，脉冲运行时可引入的最大反应性达3元。但由于堆芯尺寸较小，燃料装载量较小(3.2公斤铀235)，堆的寿期较短；由于脉冲棒驱动方式不同，当堆芯燃耗加深到无法实现脉冲运行时，脉冲棒便起不到补偿堆芯功率的作用；反应堆大厅及工艺房间只设有一个排风系统，堆池上部空间(水池盖板与池水面间的空间)内的放射性介质直接排至反应堆大厅，实验孔道虽然设有单独的排风系统，但没有过滤措施，从而增加了反应堆大厅内和周围环境中的放射性剂量水平；水池内壁及外围混凝土屏蔽层因无屏蔽措施而受到过量的γ辐射；无元件壁面温度测量装置，不利于反应堆的安全性。

本发明的目的在于提供一种堆芯寿期较长、堆芯瞬发负温度效应较高、堆的安全性和实验能力较好的脉冲堆。

本发明提供的脉冲堆采用池式结构，反应堆由装有供慢化冷却用轻水的堆水池1和其外围的混凝土屏蔽层8、堆芯12、石墨反射层11、铅屏蔽层13、堆桥30、水池盖板2、控制棒驱动机构5、脉冲棒驱动机构3、中央垂直孔道6、径向孔道14、切向孔道15、热柱10、“跑兔”装置(气动传输装置)7、旋转样品架9及其驱动装置4等构成，其结构如图1所示。堆芯12包括堆芯筒体、中子源22、燃料元件16、补偿棒17、脉冲棒18、安全棒19、调节棒20、偏心腔试验孔道23等。堆芯采用轻水自然循环对流，以利于运行时堆芯的冷却和停堆后余热的导出。慢化剂主要是氢化锆，轻水也兼作慢化剂。堆芯按同心圆排列，燃料元件均匀分布在同心圆上，中央垂直孔道6位于堆芯中央，并排列有补偿棒17，脉冲棒18、安全棒19、调节棒20等，其堆芯布置如图3所示。

本发明的脉冲堆由于加大了堆芯和燃料元件的几何尺寸，使堆芯的装载量加大(额定装载量3.5公斤铀-235)，增加了堆的寿期(堆寿期可达2000兆瓦.天)。堆芯采用铀氢锆作燃料元件，具有很大的瞬发负温度效应，其瞬发负温度系数的绝对值不小于8×10(ΔK/K)/℃。当运行中由于误引入一定量的正反应性而使堆功率陡增时，大的瞬发负温度效应可自动使反应堆功率下降到一个安全水平，而无需依赖外部电气的、机械的或手动的控制。堆芯在深度燃耗后由于后备反应性过小而不能脉冲运行时，脉冲棒可作补偿棒使用，使反应堆继续稳态运行，延长了堆芯寿期。

本发明的脉冲堆不仅可以稳态运行，还可脉冲运行，稳态运行时的额定功率为1000千瓦，稳态堆芯平均热中子通量1.4×10¹³中子/厘米².秒，脉冲运行时的最大反应性达4元，最大脉冲峰值功率为3420兆瓦，中子通量密度峰值为6×10¹⁶中子/厘米².秒，脉冲半宽度7毫秒。脉冲棒驱动机构采用冲击气缸原理，带动脉冲棒作稳态运行，并可发射脉冲棒进行脉冲运行。脉冲棒全行程发射时间小于0.1秒，堆芯具有良好的脉冲性能。脉冲棒的发射靠驱动机构气缸内的活塞在压缩空气作用下带动脉冲棒向上运行来实现。

本发明的脉冲堆设有废气排放系统，系统中设有高效除碘器和过滤器，其终端设在堆水池水面上部空间和实验装置内。反应堆投入运行时，废气排放系统投入工作，以净化和排出堆水池上部空间及实验装置内的活化气体，气溶胶和事故工况下可能产生的放射性裂变气体，降低反应堆大厅及周围环境中的放射性剂量水平。

本发明的脉冲堆在石墨反射层11的外围设有铅屏蔽层13，用以减弱堆芯射出的γ射线，使堆水池四周的混凝土不致过热，从而降低混凝土屏蔽层的热应力、而且无需设置屏蔽冷却系统。活性区上方设有喷射器，喷射流量最大可达28吨/小时，用以建立活性区上方的水上升层流的挠动区，以延缓活化气体上升至水面的时间，从而降低堆顶的剂量水平。在堆芯的燃料元件中还设有燃料芯体温度测量元件和燃料包壳温度测量元件，用以测量燃料芯体的温度和包壳温度，提高了堆的安全性。

本发明的脉冲堆在堆内堆外还设有多种实验设施，如中央垂直孔道6，偏心腔试验孔道23，径向孔道14，切向孔道15，旋转样品架9，“跑兔”装置(气动传输装置)7和热柱10等，利用这些实验设施可以进行中子活化分析试验，辐照试验，中子照相和中短寿命同位素的生产。

除了上述系统之外，本发明的脉冲堆还设有控制系统、冷却系统、造水及供水系统、废水收集及贮运系统、排风系统、供电系统、通讯系统以及监测系统等公知系统。

现结合附图和实施例对本发明作进一步描述。

图1是脉冲堆剖面图。

图2是脉冲堆A-A剖面图。

图3是堆芯布置图。

图4是脉冲棒驱动机构示意图。

图5是铀氢锆燃料元件示意图。

如图1、图2所示，本发明的脉冲堆采用池式结构，堆水池1是一个7米深，内径2米，壁厚4毫米的不锈钢筒体，在其外围有混凝土屏蔽层8，堆桥30置于混凝土屏蔽层8上，反应堆水池上有能够打开的水池盖板2，既保持了池式反应堆简便易操作的优点，又提高了运行的安全性。堆芯12装在堆水池1的底部中央，活性区上方有5米厚的轻水层作轴向屏蔽。堆芯12的周围有石墨反射层11围绕，石墨反射层11的外围是5厘米厚的铅屏蔽层13，用以减弱堆芯射出的γ射线。活性区上方设有喷射器，降低了堆顶的剂量水平。

堆芯采用铀氢锆作燃料元件，图5为燃料元件示意图。燃料元件由不锈钢端塞31、端部石墨芯体32，U-HZr1.6芯体33、Zr-4芯棒34和不锈钢包壳35组成。燃料芯体为丰度20％的铀与氢锆原子比为1.6∶1的氢化锆的均匀混合物，其中铀重占8.5％。每根元件中有3块等长的燃料芯体，芯体总长390毫米，外径36.1毫米，中心直径4.6毫米的孔中插有4.6毫米的Zr-4芯棒。元件上下端各有一块石墨芯体，外径36毫米，长97.5毫米，包壳管壁厚0.5毫米，外径37.2毫米。元件内充有0.1MPa的氦气，元件总长760毫米。控制棒吸收材料为BC。安全棒、调节棒和补偿棒的结构完全相同，包壳均为不锈钢，并在包壳内装有燃料跟随体。脉冲棒包壳材料为铝合金，包壳内无燃料跟随体。

堆芯内燃料元件按同心圆排列，均匀分布在同心圆上，同心圆相距40毫米。中央垂直孔道6位于堆芯12的中央，周围共有126个棒位，自内向外每圈棒位数递增，共6圈。126个棒位安装有燃料元件16，共86根(其中燃料芯体温度测量元件2根，燃料包壳温度测量元件1根)，控制棒3根(分别为补偿棒17，安全棒19，调节棒20)，脉冲棒18一根，中子源22一根，石墨元件21共34根，“跑兔”装置(气动传输装置)7，还设有两个偏心腔试验孔道23，呈对称布置，每个偏心腔试验孔道包含一个D圈孔和两个E圈孔，当元件放在这些位置时，由专门的定位器支撑，当元件和定位器移走后，可以插入直径为60毫米的管道，从而构成偏心腔试验孔道23，堆芯结构如图3所示。旋转样品架9置于石墨反射层11的筒体之上，由置于堆桥30之上的样品架驱动装置4驱动。“跑兔”装置7接设备室，主要用于同位素生产和进行辐照实验。两个径向孔道14，切向孔道15，热柱10均穿过混凝土屏蔽层8和堆水池1终结在石墨反射层11的筒体外，主要用于辐照实验和中子照相。堆芯周围的试验孔道和实验装置均与废气排放系统相通，废气排放系统中设有高效除碘器和过滤器。 29为废气排放系统管道，一端与堆池上部空间相通，另一端接废气排放系统，反应堆运行时废气排放系统投入工作，对试验孔道和实验装置以及堆池上部空间的废气进行净化和排放，降低了反应堆大厅及周围环境中的放射性剂量水平。

脉冲棒驱动机构3是由气缸27、活塞28、缓冲弹簧25、缓冲器24组成的高速气动系统。其结构示意图如图4所示。该驱动机构采用冲击气缸原理，为气-电联合驱动型，带动脉冲棒作稳态运行，并可发射脉冲棒进行脉冲运行。脉冲棒的发射靠气缸27内的活塞28在压缩空气的作用下向上运动并带动与活塞杆固定连接的脉冲棒一起向上运动来实现的。脉冲运行时，打开压缩空气供应系统的电磁阀，使压缩空气进入机构的蓄能缸26，利用压缩空气在蓄能缸26内积蓄的能量推动活塞28，带动脉冲棒18向上发射。当活塞28在蓄能缸26内向上运行碰到缓冲器24时，就得到缓冲减速，同时关闭供气回路的电磁阀切断气源，气缸27与大气相通。活塞28在缓冲弹簧25的作用以及脉冲棒18的自重作用下快速投入堆芯12，恢复到原始状态。发射脉冲棒的行程通过调节气缸27的位置来实现。堆芯在深度燃耗后由于后备反应性过小而不能脉冲运行时，脉冲棒可作补偿棒使用，这时，可依靠气缸27的升降来带动控制棒的提升或下降。

本发明的脉冲堆，寿期较长，脉冲峰值功率较高，安全性好、结构简单、造价低、运行维修简便，环境放射性剂量水平低，实验能力强，用途广泛，是一种很有实用价值和广阔应用前景的池式研究性反应堆。

Claims

1.一种堆芯采用铀氢锆燃料元件的池式脉冲堆，包括一个由混凝土屏蔽层(8)包围的堆水池(1)，堆水池(1)内装有供慢化冷却用的轻水，安装在堆水池(1)底部中央由轻水自然循环冷却的堆芯(12)，位于堆芯(12)外围的石墨反射层(11)，控制脉冲堆作稳态运行的控制棒驱动机构(5)以及径向孔道(14)、切向孔道(15)、热柱(10)、旋转样品架(9)和堆的控制系统、冷却系统、排风系统，堆芯(12)包括堆芯筒体及布置在堆芯筒体内的燃料元件(16)、补偿棒(17)、脉冲棒(18)、安全棒(19)、调节棒(20)、石墨元件(21)、中子源(22)，燃料元件(16)中的燃料芯体是重量比占8.5％、丰度为20％的铀与氢锆原子比为1.6∶1的氢化锆的均匀混合物，其特征在于：

(1)堆芯(12)中装有86根燃料元件(16)，总装载量为3.5公斤铀-235，其中两根设有燃料芯体温度测量元件，另一根设有燃料包壳温度测量元件，每根燃料元件中芯体(33)总长为390毫米，外径为36.1毫米，芯体(33)中心插有直径为4.6毫米的锆-4芯棒(34)，芯体(33)的两端各设有长97.5毫米、外径36毫米的石墨芯体(35)，

(2)燃料元件(16)、补偿棒(17)、脉冲棒(18)、安全棒(19)、调节棒(20)、石墨元件(21)、中子源(22)是均匀布置在等距的六个同心圆上，同心圆之间的距离为40毫米，

(3)石墨反射层(11)的外围设有铅屏蔽层(13)。

2.根据权利要求1所说的一种堆芯采用铀氢锆燃料元件的池式脉冲堆，其特征在于它还设有控制脉冲堆作脉冲态运行的脉冲棒驱动机构(3)，脉冲棒驱动机构(3)是由气缸(27)、活塞(28)、缓冲弹簧(25)、缓冲器(24)组成的脉冲棒全行程发射时间小于0.1秒的高速气动系统。

3.根据权利要求1所说的一种堆芯采用铀氢锆燃料元件的池式脉冲堆，其特征在于堆内设有废气排放系统，系统中设有高效除碘器和过滤器，其终端设在堆水池水面上部空间和实验装置内，废气排放管道(29)的一端与堆水池上部空间相通，另一端接废气排放系统，堆内活性区上方设有喷射器，喷射流量最大可达28吨/小时。