CN104376879A - 一种欠慢化反应堆堆芯 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种欠慢化反应堆堆芯，控制棒跟随铍上部依次连接有控制棒过渡段和控制棒，控制棒外设有控制棒导管，控制棒为铍中孔控制棒，控制棒过渡段的长度为0～10cm。铍中孔控制棒穿过铍栅元，铍中孔控制棒内壁设有内层包壳，外壁设有外层包壳；铍中孔控制棒之外套有铝管；铍中孔控制棒之内设有开锁器；开锁器与内层包壳之间填充有水，铝管与外层包壳之间填充有水。本发明将控制棒过渡段取消或减短提高了吸收体对中子的吸收能力。本发明在相同的铀装量下，能提高初始后备反应性，即堆芯能装入更多的考验燃料组件的回路、考验材料的考验件以及高比度同位素生产的靶件。本发明可提高快、热中子注量率，即可缩短考验时间以及同位素生产周期。

Description

一种欠慢化反应堆堆芯
技术领域
本发明涉及一种欠慢化反应堆堆芯，特别是涉及一种在HFETR基础之上作出改进的提高欠慢化反应堆控制棒控制能力的欠慢化反应堆堆芯。
背景技术
我国高通量工程试验堆（HFETR、代号493）1980年投入运行至今已运行33年，现已准备退役。新建的中国工程试验堆（代号493-2）正在初步设计。493和493-2都是欠慢化反应堆。
493-2设计首先要考虑493设计、建造、运行的经验，哪些方面是设计成功的，哪些方面有改进的可能。
其次是参考国内、外欠慢化高通量堆建造经验，侧重于法国在建堆JHR的经验。
这里只涉及高通量工程试验堆控制能力问题。大部分高通量工程试验堆为占栅元控制棒，小尺寸的燃料组件为跟随体，以实现堆芯紧凑布置。只有法国JHR有27根控制棒布置在燃料组件中心孔内，这种布置给换料带来困难。我们不想采用。
493堆有18根控制棒。采用占栅元控制棒。
493控制棒：
堆芯高100cm，控制棒吸收体银铟镉合金长80cm，过渡段为不锈钢长20cm，下面为跟随体铍长100cm，再下面与驱动机构相连。
原设计过渡段为渗硼不锈钢，后由于制造原因改为不锈钢。
原设计跟随体可以是四层燃料组件也可以是铍。从运行经验看，采用跟随铍比四层燃料组件初始后备反应性减小不多，从减少燃料组件种类以及避免更换跟随四层燃料组件的困难，493以后的运行全部取消跟随四层燃料组件。
493-2设计的控制棒吸收体及跟随体与493的结构相当，只是尺寸有所增加。。堆芯高100cm，控制棒吸收体银铟镉合金长80cm，过渡段为不锈钢长20cm，下面为跟随体铍长100cm，再下面与驱动机构相连。
控制棒吸收体银铟镉合金重量百分比为：15%、5%、80%。
控制棒吸收体银铟镉合金对快热中子都有一定的吸收，但主要的还是热中子（见表一）。而从堆内燃料组件与控制棒布置看，控制棒周围绝大部分是燃料组件。因此控制棒接收的是以裂变中子为主。当然，在燃料组件内以及控制棒组件内也有一定的水慢化，但仍是欠慢化。从表一中可以看出，银铟镉吸收截面快一、二群很小，快三群比热群银、铟小5倍、镉小几百倍。这样应主要考虑控制棒吸收热中子。
控制棒吸收体吸收截面见表一：
表一（单位：cm2）
控制棒吸收体在控制棒导管内上下运动，而493控制棒导管壁比较厚（4mm），铝控制棒导管即没有中子慢化作用也没有中子吸收作用，只起导向作用。它降低了进入吸收体的中子注量率。从这个角度说也减弱了对中子的吸收，即控制棒控制能力低。
另外，过渡段不锈钢太长，减弱了吸收体对中子的吸收能力。
控制棒导管要穿过下栅板，因此在下栅板上开孔较大，降低下栅板强度。
因此亟需提供一种新型的欠慢化反应堆堆芯。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种提高欠慢化反应堆控制棒控制能力的欠慢化反应堆堆芯。
为解决上述技术问题，本发明一种欠慢化反应堆堆芯，控制棒跟随铍上部依次连接有控制棒过渡段和控制棒，控制棒外设有控制棒导管，控制棒为铍中孔控制棒，控制棒过渡段的长度为0～10cm。
铍中孔控制棒内壁设有内层包壳，外壁设有外层包壳；铍中孔控制棒之外套有铝管，铝管镶嵌于铍栅元之内；铍中孔控制棒之内设有开锁器；开锁器与内层包壳之间填充有水，铝管与外层包壳之间填充有水。
开锁器直径为8mm，内层包壳内壁直径为19mm，外壁直径为21mm；外层包壳内壁直径为31mm，外壁直径为33mm；铝管的内壁直径为36mm，外壁直径为39mm；正六边形的铍栅元的相对两条边的距离为69mm。
铍中孔控制棒为银铟镉合金制成，内层包壳、外层包壳与开锁器为不锈钢制成。
控制棒导管穿过下栅板的开孔尺寸与下栅板铍组件座开孔相一致。
控制棒过渡段的长度为5cm。
本发明将控制棒过渡段取消或减短提高了吸收体对中子的吸收能力。
本发明在相同的铀装量下，能提高初始后备反应性，即堆芯能装入更多的考验燃料组件的回路、考验材料的考验件以及高比度同位素生产（包括医用同位素、特种同位素）的靶件。
本发明提出了在占栅元铍中孔布置控制棒，并且控制棒导管穿过下栅板的开孔与下栅板铍组件座开孔相一致，提高了下栅板强度。
附图说明
图1为HFETR的堆芯布置图。
图2为控制棒与铍栅元的结构示意图。
图3为轴向热中子注量率分布图。
图中：1为开锁器，2为外围铍、3为水、4为铝组件、5为燃料组件、6为内层包壳、7为控制棒、8为热中子孔道、9为控制棒跟随铍、10为外层包壳、11为铍栅元、12为铝管、F为堆芯铍。
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。
本发明以HFETR堆芯为基础，堆芯40盒燃料组件，堆芯布置如图1所示，控制棒跟随铍9上部依次连接有控制棒过渡段7和控制棒6，控制棒6外设有控制棒导管。
通过核设计计算以下四种方案：
a.18根控制棒用栅元铍代替；
b.18根控制棒为原设计的控制棒；
c.18根控制棒为铍中孔控制棒；
d.18根控制棒6为铍中孔控制棒，控制棒过渡段7的长度由20cm缩短为0～10cm，优选为5cm。铍中孔控制棒内壁设有内层包壳6，外壁设有外层包壳10；铍中孔控制棒之外套有铝管12，铝管12镶嵌于铍栅元11之内；铍中孔控制棒之内设有开锁器1；开锁器1与内层包壳6之间填充有水3，铝管12与外层包壳10之间填充有水3。铍中孔控制棒为银铟镉合金制成，内层包壳6、外层包壳10与开锁器1为不锈钢制成。开锁器1直径为8mm，内层包壳6内壁直径为19mm，外壁直径为21mm；外层包壳10内壁直径为31mm，外壁直径为33mm；铝管12的内壁直径为36mm，外壁直径为39mm；正六边形的铍栅元11的相对两条边的距离为69mm。控制棒导管穿过下栅板的开孔尺寸与下栅板铍组件座开孔相一致。
计算结果见表二：
表二
注：↑Keff表示全提棒时的keff（有效增值系数）；↓Keff表示全插棒时的keff
从表二可以看出：
b.与a.相比，↑Keff减少0.058。而c.与a.相比，↑Keff减少0.0277。
d.是为了提高控制棒价值而采取的措施。18根控制棒为铍中孔控制棒、控制棒过渡段长5cm的方案比原设计的控制棒价值（↑Keff-↓Keff）高出0.026524。而且↑Keff高出0.030267。由此可见d方案为最佳方案。
更改后的技术方案有利于轴向热中子注量率峰值的降低。
以上述堆芯装载为例，计算两种工况：
栅元控制棒、过渡段200mm
铍中孔控制棒、过渡段50mm
以吸收体银铟镉合金底部归一：栅元控制棒为100mm
                          铍中孔控制棒为250mm
计算结果给出：C棒K09旁边燃料组件K10的轴向热中子注量率分布见图3。
从图3可见铍中孔控制棒比栅元控制棒的K10燃料组件热中子注量率降低，而控制棒栅元的热中子注量率增加。

Claims (6)

1.一种欠慢化反应堆堆芯，控制棒跟随铍上部依次连接有控制棒过渡段和控制棒，控制棒外设有控制棒导管，其特征在于：所述控制棒为铍中孔控制棒，所述控制棒过渡段的长度为0～10cm。
2.根据权利要求1所述的一种欠慢化反应堆堆芯，其特征在于：所述铍中孔控制棒内壁设有内层包壳，外壁设有外层包壳；铍中孔控制棒之外套有铝管，所述铝管镶嵌于铍栅元之内；铍中孔控制棒之内设有开锁器；所述开锁器与内层包壳之间填充有水，所述铝管与外层包壳之间填充有水。
3.根据权利要求2所述的一种欠慢化反应堆堆芯，其特征在于：所述开锁器直径为8mm，所述内层包壳内壁直径为19mm，外壁直径为21mm；所述外层包壳内壁直径为31mm，外壁直径为33mm；铝管的内壁直径为36mm，外壁直径为39mm；正六边形的铍栅元的相对两条边的距离为69mm。
4.根据权利要求1所述的一种欠慢化反应堆堆芯，其特征在于：所述铍中孔控制棒为银铟镉合金制成，所述内层包壳、外层包壳与开锁器为不锈钢制成。
5.根据权利要求1所述的一种欠慢化反应堆堆芯，其特征在于：所述控制棒导管穿过下栅板的开孔尺寸与下栅板铍组件座开孔相一致。
6.根据权利要求1所述的一种欠慢化反应堆堆芯，其特征在于：所述所述控制棒过渡段的长度为5cm。
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