CN104637554B - 一种铅合金冷却剂零功率反应堆燃料组件 - Google Patents

一种铅合金冷却剂零功率反应堆燃料组件 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种铅合金冷却剂零功率反应堆燃料组件，包括组件外壳、固态铅合金片和燃料元件棒三部分组成。这种燃料组件的主要特点是正六角形组件、燃料组件内燃料元件呈正三角形排列、燃料组件内包含固态的铅合金。本发明的积极效果是能够用于精确验证基于正六角形燃料组件设计的铅合金冷却剂快堆堆芯物理方案。

Description

一种铅合金冷却剂零功率反应堆燃料组件
技术领域
本发明涉及一种零功率反应堆燃料组件，用于验证以铅合金为冷却剂的快堆堆芯物理方案。
背景技术
零功率反应堆是为了掌握反应堆的物理性能，由易裂变核材料、冷却剂材料和结构材料组成，能维持可控链式核反应，在很低功率水平下运行的装置。
以铅合金为冷却剂的零功率反应堆，由于铅合金化学性质稳定、常温常压下为稳定固态结构，其燃料组件方案与传统轻水冷却剂和钠冷却剂零功率堆有本质区别。
目前，全世界公开报导的开展铅合金冷却剂零功率物理实验的反应堆包括VENUS-F、YALINA和BFS-2。VENUS-F为水冷却剂零功率装置改造的铅冷却剂零功率装置，燃料组件为正方形，内有9根燃料棒，燃料棒和金属铅棒交替排列。YALINA为水平堆芯，用于研究典型ADS能谱下的嬗变反应，YALINA堆芯分热中子区和快中子区，燃料组件均为方形，快中子区燃料组件由铅合金块和25个成方形排列的燃料元件组成。BFS-2为垂直堆芯，主要验证钠冷却剂反应堆，堆芯内安装了10000多个SS管，每个SS管的作用类似燃料组件，SS管的高为3170mm，直径为50mm。在SS管内部，沿轴向由不同富集度的燃料片，钠片或其它材料片堆积构成。
上述三种零功率堆在燃料组件设计上各有特点，适用于不同的建造目的和验证对象。中国正在发展的铅基研究实验堆CLEAR-I(China LEAd-based Research Reactor)。堆芯燃料组件基本确定为正六角形，并由按照正三角形排列的燃料棒束装入六角形外套管中构成。为了更好验证CLEAR-I堆芯中子分布，物理要求必须设计同样燃料元件呈正三角形排列的零功率堆燃料组件，这种燃料组件结构与VENUS-F、YALINA和BFS-2燃料组件均有较大差异。
发明内容
本发明技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种铅合金冷却剂零功率反应堆燃料组件，可以更准确模拟同样排列结构的堆芯核物理，且实现燃料组件的快速拆卸和灵活组装，从而实现多种堆芯结构的简易模拟和开展更多验证试验。
本发明采取以下技术方案：
(1)一种铅合金冷却剂零功率反应堆燃料组件，燃料组件为正六角形规格，燃料组件内燃料元件呈正三角形排列，燃料组件内包含固态的铅合金。
(2)燃料组件由组件外壳、固态铅合金片和燃料元件棒三部分组成；组件外壳由外套管、下底座、上封头三部分组成；固态铅合金片包括两种，一种为含贯穿孔的固态铅合金片，为外部正六角形柱体内部蜂窝煤状结构，所有的贯穿孔大小一致且横截面为圆形，相邻贯穿孔之间按正三角形排列，另一种为正六角形柱体实心固态铅合金片；燃料元件棒为圆柱形短棒。
(3)燃料组件中心由含贯穿孔的固态铅合金片堆叠形成，燃料元件棒安装在各贯穿孔中；含贯穿孔的固态铅合金片上下两端堆叠实心固态铅合金片，上端的实心固态铅合金片与上封头连接，下端的实心固态铅合金片与下底座连接；含贯穿孔的固态铅合金片、燃料元件棒、实心固态铅合金片、上封头、下底座封装在六角形的外套管中，上封头、下底座与外套管进行连接，外套管上下两端有中心孔，上封头、下底座的突起部位通过中心孔穿出。
(4)燃料组件的外套管为空心正六角形柱状，由沿垂直方向剖开的两个完全对称的部件组成，每个对称部件上下两端分别与上封头、下底座连接。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)现有铅合金冷却剂零功率堆燃料组件均为方形或片状，组件内燃料元件棒也没有按照正三角形分布进行排列，在验证铅合金冷却剂零功率堆中子物理时，不能准确模拟燃料元件按正三角形分布排列的堆芯内中子分布规律，本发明解决了该技术问题，组件内各燃料元件呈正三角形排列，可以更准确模拟同样排列结构的堆芯核物理。
(2)现有铅合金冷却剂零功率堆燃料组件的外套管采用整体结构，拆卸和安装较为复杂，本发明通过采用沿垂直方向剖开的两个完全对称的部件组成外套管，并使每个对称部件上下两端分别与上封头、下底座连接，实现了组件的简易拆卸和安装，并仍满足组件抽插吊装所需要的结构力学要求，从而实现多种堆芯结构的简易模拟和开展更多验证试验。
(3)铅合金密度和粘度大、硬度小、熔点低，因此铅合金片加工较为困难，本发明方案对含贯穿孔的固态铅合金片、实心固态铅合金片的厚度要求很灵活，因此降低了铅合金片的加工难度。
附图说明
图1为燃料组件结构示意图；
图2为外套管两个对称部件的上下两端示意图；
图3为含贯穿孔的固态铅合金片示意图。
具体实施方式
如图1所示，本发明燃料组件包括组件外壳、固态铅合金片和燃料元件棒1；组件外壳由外套管2、下底座3和上封头4组成；外套管2为空心正六角形柱状；固态铅合金片包括两种，一种为含贯穿孔的固态铅合金片5，为外部正六角形柱体内部蜂窝煤状结构，所有的贯穿孔大小一致且横截面为圆形，相邻贯穿孔之间按正三角形排列，另一种为正六角形柱体实心固态铅合金片6；燃料元件棒1为圆柱形短棒。本发明燃料组件各组成部件之间的连接和位置关系为：燃料组件中心由固态铅合金片5堆叠形成，燃料元件棒1安装在固态铅合金片5各贯穿孔中；固态铅合金片5上下两端堆叠实心固态铅合金片6，上端的实心固态铅合金片6与上封头4连接，下端的实心固态铅合金片6与下底座3连接；固态铅合金片5、燃料元件棒1、实心固态铅合金片6、上封头4、下底座3封装在六角形的外套管2中；上封头4、下底座3与外套管2上下两端进行连接，外套管2上下两端有中心孔，上封头4、下底座3的突起部位通过中心孔穿出。
如图2所示，外套管2由沿垂直方向剖开的两个完全对称的部件组成，每个部件上下两端有螺栓孔，用于和上封头4、下底座3连接。
如图3所示，固态铅合金片5为外部正六角形柱体内部蜂窝煤状结构，所有的贯穿孔大小一致且横截面为圆形，相邻贯穿孔之间按正三角形排列。
实施实例1：
按照上述说明设计研制了标准燃料组件，燃料元件棒1为薄壁不锈钢管封装的二氧化铀烧结陶瓷体，数量为148根；固态铅合金片5和实心固态铅合金片6主成分原子比Pb:Bi＝45:55，固态铅合金片5为外部正六角形内部蜂窝煤结构，每块固态铅合金片5中含37个贯穿孔；组件外套管2为正六角形，由两个完全对称的部件组成。
组件组装过程如下：
(1)将组件外套管2的一个部件水平放置在组装台上，并在其下端装入下底座3；
(2)装入实心固态铅合金片6，使实心固态铅合金片6与下底座3紧密接触；
(3)装入含贯穿孔的固态铅合金片5，使其整齐堆叠排列并与实心固态铅合金片6紧密接触；
(4)将148根燃料元件棒1分4层插入含贯穿孔的固态铅合金片5，含贯穿孔的固态铅合金片5整体上下两端与安装好的燃料元件棒1上下两端齐平；
(5)再次装入实心固态铅合金片6，使实心固态铅合金片6与含贯穿孔的固态铅合金片5紧密接触；
(6)装入上封头4，使上封头4与再次装入的实心固态铅合金片6紧密接触；
(7)安装组件外套管2的另一个部件，通过螺栓将组件外套管2与下底座3、上封头4连接后形成整体部件。
对组装后的组件进行抽插和吊装测试，组件结构稳定，可满足实验要求。
以上所述，仅为本发明部分具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本领域的人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种铅合金冷却剂零功率反应堆燃料组件，其特征在于：所述燃料组件由组件外壳、固态铅合金片和燃料元件棒(1)组成；所述组件外壳由外套管(2)、下底座(3)和上封头(4)组成；所述燃料组件中心由固态铅合金片(5)堆叠形成，燃料元件棒(1)安装在各贯穿孔中；固态铅合金片(5)上下两端堆叠实心固态铅合金片(6)，上端的实心固态铅合金片(6)与上封头(4)连接，下端的实心固态铅合金片(6)与下底座(3)连接；固态铅合金片(5)、燃料元件棒(1)、实心固态铅合金片(6)、上封头(4)、下底座(3)封装在六角形的外套管(2)中，上封头(4)、下底座(3)与外套管(2)进行连接，外套管(2)上下两端有中心孔，上封头(4)、下底座(3)的突起部位通过中心孔穿出；
所述外套管(2)为空心正六角形柱状，由沿垂直方向剖开的两个完全对称的部件组成，每个对称部件上下两端分别与上封头(4)、下底座(3)连接。
2.根据权利要求1所述的铅合金冷却剂零功率反应堆燃料组件，其特征在于：所述固态铅合金片包括两种，一种为含贯穿孔的固态铅合金片(5)，为外部正六角形柱体内部蜂窝煤状结构，所有的贯穿孔大小一致且横截面为圆形，相邻贯穿孔之间按正三角形排列，另一种为正六角形柱体实心固态铅合金片(6)。
3.根据权利要求1所述的铅合金冷却剂零功率反应堆燃料组件，其特征在于：所述燃料元件棒(1)为圆柱形短棒。
4.根据权利要求1所述的铅合金冷却剂零功率反应堆燃料组件，其特征在于：所述燃料组件为正六角形规格，燃料组件内燃料元件呈正三角形排列。
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