CN105244067A - 一种高密度和大中子吸收截面的反应堆屏蔽层组件 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种高密度和大中子吸收截面的反应堆屏蔽层组件，它包括操作头、外套管、中子屏蔽块、连接杆、下管脚共5部分。本发明通过采用金属铪、钨等密度高、中子吸收截面大的材料作为中子吸收屏蔽材料，使得所述屏蔽层组件在液态重金属冷却剂反应堆中受到的浮力小于自身重力，从而易于安装、固定和更换，并具有固有安全性。本发明适用于冷却剂密度较大的液态重金属冷却剂反应堆。

Description

一种高密度和大中子吸收截面的反应堆屏蔽层组件

技术领域

本发明涉及一种高密度和大中子吸收截面的反应堆屏蔽层组件，适用于冷却剂密度较大的反应堆，属于核工程领域。

背景技术

液态重金属冷却剂反应堆，是俄罗斯首先开发并成功应用于核潜艇的一种快中子堆型，由于其固有安全特性，在2002年日本东京召开的第四代核反应堆国际研讨会上，被推荐为六种主要第四代核电站概念堆系统之一。加速器驱动次临界系统是一种理想的核废料嬗变装置，液态重金属冷却剂由于具有良好的中子学特性、安全特性和传热能力，是目前加速器驱动次临界反应堆冷却剂的主要候选材料。可以预见，液态重金属冷却剂反应堆在未来商业快堆核电站、ADS系统中必将作为反应堆冷却剂被广泛应用。

液态重金属冷却剂具有密度很大的特点，因此完全浸没在冷却剂中的部件会受到非常大的浮力，对这些部件的安装固定和更换产生重要影响。

液态重金属冷却剂反应堆还具有中子能谱硬的特点，高能量的中子具有好的嬗变核废料能力，但对反应堆容器和堆内部件的耐辐照性能提出了很高要求，特别是一些无法或难于更换的部件，如堆容器、热交换器、液态重金属泵等，为了保护这些部件并减少对二回路冷却剂的中子活化，需要设计专门的屏蔽层组件用于吸收堆芯反射层泄露的中子。

传统快中子堆屏蔽层组件的设计，通常选择碳化硼作为中子吸收材料，利用¹⁰B对中子的强烈吸收作用对中子进行吸收屏蔽。碳化硼具有中子俘获截面高，吸收能谱宽，没有二次辐射污染，价格低廉等优点，但碳化硼芯块密度偏低，由碳化硼芯块和不锈钢结构材料组成的屏蔽层组件，平均密度小于液态重金属冷却剂，使得这种屏蔽层组件在液态重金属冷却剂反应堆中应用时，屏蔽层组件所受到的浮力大于自身重力，给屏蔽层组件的安装、固定和更换带来技术难题，也给反应堆安全带来不确定因素。

发明内容

本发明技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种液态重金属冷却剂反应堆屏蔽层组件，这种屏蔽层组件在液态重金属冷却剂反应堆中受到的浮力小于自身重力，屏蔽层组件的安装、固定和更换相对简单，同时具有固有安全性，降低了事故工况下屏蔽层组件脱离堆芯栅板的风险。

本发明技术解决方案：一种液态重金属冷却剂反应堆屏蔽层组件，其包括：操作头、外套管、中子屏蔽块、连接杆、下管脚共5部分；屏蔽层组件上端为操作头，下端为下管脚，操作头和下管脚通过外套管进行连接；外套管为正六角形空心柱体，中心为连接杆，连接杆与操作头和下管脚固定连接；外套管和连接杆之间排列中子屏蔽块；中子屏蔽块与下管脚固定连接，中子屏蔽块外壁面含有垫块；中子屏蔽块之间、外套管和中子屏蔽块之间、连接杆和中子屏蔽块之间均有垫块进行径向固定。

中子屏蔽块为外形和尺寸相同的柱体，由上端塞、外壳、压紧弹簧、金属块、下端塞和垫块组成；外壳上端与上端塞连接，外壳下端与下端塞连接，外壳、上端塞、下端塞构成一个封闭整体；压紧弹簧和金属块位于外壳内部，压紧弹簧上端与上端塞连接，压紧弹簧下端与金属块上端连接，金属块下端与下端塞连接；垫块位于外壳外表面。

连接杆为正六角形柱体，以连接杆为中心，对称和紧密排列的中子屏蔽块为6块。

中子屏蔽块、上端塞、金属块、下端塞均为横截面为等腰梯形的柱状结构，等腰梯形底角为60°。

中子屏蔽块内金属块为金属铪、钨或其它高密度大中子吸收截面材料。

屏蔽层组件的平均密度大于10g/cm³。

操作头用于屏蔽层组件的安装和更换，通过与反应堆换料机构配合实现屏蔽层组件抽插吊装功能。

外套管的主要作用是保证屏蔽层组件的几何形状。

连接杆的作用是保证组件的结构稳定性和反射中子。

下管脚的作用是引导冷却剂流入屏蔽层组件，同时与堆芯栅板配合实现屏蔽层组件在堆芯的定位。

中子屏蔽块的作用是吸收屏蔽中子，实现这一功能主要通过中子屏蔽块内的金属铪、钨或其它密度高于金属铪、快中子吸收截面大于金属钨的材料。

垫块的作用是径向定位中子屏蔽块，维持稳定的冷却剂通道。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)屏蔽层组件密度高，在液态重金属冷却剂反应堆中受到的浮力小于自身重力，降低了屏蔽层组件安装、固定和更换的技术难度，同时具有固有安全性。

(2)屏蔽层组件结构可以避免各方向的入射中子不经屏蔽吸收直接穿过组件。

(3)连接杆设计提高了屏蔽层组件的结构稳定性。

(4)与常见快堆屏蔽层组件采用的六角形外套管与屏蔽元件棒组合结构比较，采用六角形外套管与棱柱结构的中子屏蔽块组合结构，可以减少空隙提高屏蔽层组件内金属块材料的体积份额。

(5)对于采用金属铪作为中子吸收材料的屏蔽层组件，金属铪经辐照后生成新的同位素时，中子俘获面积变化很小，其物理价值损失也较少，屏蔽层组件寿命更长。

(6)对于采用金属铪作为中子吸收材料的屏蔽层组件，金属铪具有优良的加工性能和耐腐蚀性能。

附图说明

图1为本发明的屏蔽层组件结构示意图。

图2为本发明的中子屏蔽块结构示意图。

图3为本发明的屏蔽层组件横截面结构示意图。

具体实施方式

如图1、图2所示，本发明的屏蔽层组件包括：操作头1、外套管2、中子屏蔽块3、连接杆4、下管脚5共5部分；屏蔽层组件上端为操作头1，下端为下管脚5，操作头1和下管脚5通过外套管2进行连接；外套管2为正六角形空心柱体，中心为连接杆4，连接杆4与操作头1和下管脚5固定连接；外套管2和连接杆4之间排列中子屏蔽块3；中子屏蔽块3与下管脚5固定连接，中子屏蔽块3外壁面含有垫块10；中子屏蔽块3之间、外套管2和中子屏蔽块3之间、连接杆4和中子屏蔽块3之间均有垫块10进行径向固定。

中子屏蔽块3由上端塞11、外壳6、压紧弹簧9、金属块7、下端塞8和垫块10组成；外壳6上端与上端塞11连接，外壳6下端与下端塞8连接，外壳6、上端塞11、下端塞8构成一个封闭整体；压紧弹簧9和金属块7位于外壳6内部，压紧弹簧9上端与上端塞11连接，压紧弹簧9下端与金属块7上端连接，金属块7下端与下端塞8连接；垫块10与外壳6外表面连接。

如图3所示，屏蔽层组件的连接杆4为正六角形柱体，连接杆4的6个侧面分别与正六角形外套管2的6个侧面平行；连接杆4与六角形外套管2中间，对称和紧密排列6块中子屏蔽块3；中子屏蔽块3为棱柱结构，横截面为等腰梯形，等腰梯形的底角为60°；中子屏蔽块3的结构件包括上端塞11、金属块7、下端塞8同样为棱柱结构，横截面为等腰梯形，等腰梯形的底角为60°。

按照上述说明设计研制了屏蔽层组件，除压紧弹簧9采用302不锈钢、金属块7采用金属铪材料外，其余材料均为316不锈钢，屏蔽层组件的平均密度为10.8g/cm³，高于液态铅铋合金500℃下的平均密度10g/cm³。由于屏蔽层组件的外形结构与反应堆燃料组件的外形结构须保持一致，屏蔽层组件的外套管2为正六角形，为便于在外套管2和连接杆4中间间隙填充中子屏蔽块3，外套管2内填充中子屏蔽块3的数量为6块。中子屏蔽块3内金属块7为天然金属铪，金属铪的作用是吸收屏蔽中子，金属铪密度为13.2g/cm³，热中子吸收截面为115靶恩，对于能量高达200keV的快中子，金属铪的中子吸收截面仍大于0.23靶恩。

屏蔽层组件组装过程如下：

(1)将外壳与下端塞焊接，依次装入金属铪块、压紧弹簧，焊接上端塞，在外壳表面焊接金属垫块，制成中子屏蔽块；

(2)将连接杆插入下管脚，焊接固定；

(3)将中子屏蔽块插入下管脚，焊接固定；

(4)用六角形外套管套装中子屏蔽块，将六角形外套管与下管脚进行焊接；

(5)焊接六角形外套管与操作头；

(6)焊接连接杆与操作头，得到屏蔽层组件产品。

本发明未详细阐述部分属于本领域公知技术。

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 (7)

1.一种高密度和大中子吸收截面的反应堆屏蔽层组件，其特征在于包括：操作头、外套管、中子屏蔽块、连接杆和下管脚；屏蔽层组件上端为操作头，下端为下管脚，操作头和下管脚通过外套管进行连接；外套管为正六角形空心柱体，中心为连接杆，连接杆与操作头和下管脚固定连接；外套管和连接杆之间排列中子屏蔽块；中子屏蔽块与下管脚固定连接，中子屏蔽块外壁面含有垫块；中子屏蔽块之间、外套管和中子屏蔽块之间、连接杆和中子屏蔽块之间均有垫块进行径向固定。

2.根据权利要求1所述的一种高密度和大中子吸收截面的反应堆屏蔽层组件，其特征在于：所述中子屏蔽块为外形和尺寸相同的柱体，由上端塞、外壳、压紧弹簧、金属块、下端塞和垫块组成；外壳上端与上端塞连接，外壳下端与下端塞连接，外壳、上端塞、下端塞构成一个封闭整体；压紧弹簧和金属块位于外壳内部，压紧弹簧上端与上端塞连接，压紧弹簧下端与金属块上端连接，金属块下端与下端塞连接；垫块位于外壳外表面。

3.根据权利要求2所述的一种高密度和大中子吸收截面的反应堆屏蔽层组件，其特征在于：所述中子屏蔽块内的金属块的材料为金属铪、钨或其它高密度和大中子吸收截面材料。

4.根据权利要求1所述的一种高密度和大中子吸收截面的反应堆屏蔽层组件，其特征在于：所述屏蔽层组件的平均密度大于10g/cm³。

5.根据权利要求2所述的一种高密度和大中子吸收截面的反应堆屏蔽层组件，其特征在于：所述连接杆为正六角形柱体，以连接杆为中心，对称和紧密排列的中子屏蔽块为6块。

6.根据权利要求2所述的一种高密度和大中子吸收截面的反应堆屏蔽层组件，其特征在于：所述上端塞、金属块、下端塞均为横截面为等腰梯形的柱状结构，等腰梯形底角为60°。

7.根据权利要求1所述的一种高密度和大中子吸收截面的反应堆屏蔽层组件，其特征在于：所述外套管为正六角形空心柱体，中心为正六角形柱体的连接杆。