CN105405476B - 一种能够实现增殖和焚烧功能转换的快中子反应堆 - Google Patents

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Abstract

一种能够实现增殖和焚烧功能转换的快中子反应堆，堆芯设计方案兼顾增殖和焚烧两种功能，通过换料方案实现增殖和焚烧相互转换，该反应堆不改变反应堆容器大小以及堆内控制系统，仅通过组件更换和排布实现转换比在增殖或者焚烧范围内较大范围的调节，并且能够通过换料方案实现增殖和焚烧的功能转换；反应堆具有结构简单，转换比调节范围广，功能适应性强，经济性好的特点。

Description

一种能够实现增殖和焚烧功能转换的快中子反应堆
技术领域
本发明属于核反应堆工程技术领域，具体涉及一种能够根据需求实现增殖和焚烧功能转换的快中子反应堆。
背景技术
快中子反应堆的中子平均能量比传统的压水堆(热堆)高百万倍，高能中子引起裂变反应产生的裂变中子更多，不仅可以维持链式裂变反应，而且多余的中子能够被可转化材料(如铀-238)吸收生成新的易裂变核素钚(钚-239)，即在消耗核燃料的同时也在增殖核燃料，大大提高了资源的利用率；另一方面，多余中子同样可以被长寿命的次锕系元素(MAs)吸收产生裂变或转化为其他核素，即通过焚烧降低MAs长期存放给环境带来的压力甚至变废为宝。
但是，尽管快堆可以实现功能上增殖核燃料和焚烧核废料，但就传统的快堆设计而言，通常将反应堆设计为单一的转换比，只用于增殖或只用于焚烧。另一方面，快堆建设投资巨大，运行和维护成本也高于现有压水堆。因此，为了使快堆的发展契合核电发展形势的变化，目前国际上已经开展了转换比可调的快堆方案设计研究。其中，主要包括以下两种方案：
A.美国的阿贡实验室提出的转换比可调的先进焚烧堆方案
B.西安交通大学提出的转换比可调的增殖堆方案
A、B两种方案都能够在固定的堆芯内实现一定范围内的转换比调节。A方案针对0、0.25、0.50、0.75及1.0五种转换比，分别设计了不同的燃料组件及控制系统来满足需求，其中不同的控制组件设计增加了在各个转换比之间调节的难度，同时方案设计中也没有提出各个转换比之间的调节方案；B方案则使用相同的燃料组件及相同的控制系统设计了转换比分别为1.1、1.2、1.3和1.4的四种堆芯方案，同时提出了转换比1.1和1.4之间的相互调节方案。
上述方案中的快堆设计，都仅限于增殖或者焚烧，未能实现两种功能的相互转换，工程应用上具有局限性，而另建一座反应堆所需的花费是相当巨大的。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出了一种能够实现增殖和焚烧功能转换的快中子反应堆，具有控制系统简单，转换比调节范围广，功能适应性强，经济性好等特点。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种能够实现增殖和焚烧功能转换的快中子反应堆，包含增殖功能堆芯和焚烧功能堆芯两种组件布置方式，能够通过换料方案实现增殖功能和焚烧功能相互转换；所述增殖功能堆芯由内向外布置有增殖组件3、低富集度增殖燃料组件1-1、增殖组件3、中富集度增殖燃料组件1-2、增殖组件3、高富集度增殖燃料组件1-3、增殖组件3、反射层组件5和屏蔽层组件6；所述焚烧功能堆芯由内向外布置有低富集度焚烧燃料组件2-1、中富集度焚烧燃料组件2-2、高富集度焚烧燃料组件2-3、反射层组件5和屏蔽层组件6；此外，所述增殖功能堆芯和焚烧功能堆芯的第五圈、第七圈和第九圈均分别布置有十二根，六根和十二根控制组件4；所述低富集度增殖燃料组件1-1、中富集度增殖燃料组件1-2和高富集度增殖燃料组件1-3形成增殖燃料组件1；所述低富集度焚烧燃料组件2-1、中富集度焚烧燃料组件2-2和高富集度焚烧燃料组件2-3形成焚烧燃料组件2；
所述换料方案为分两步，第一步：按照最终焚烧功能堆芯中低富集度焚烧燃料组件2-1、中富集度焚烧燃料组件2-2和高富集度焚烧燃料组件2-3的布置，使用焚烧燃料组件2替换增殖功能堆芯内的增殖组件3和部分增殖燃料组件1，最外圈的增殖组件2根据堆芯总体反应性选择使用焚烧燃料组件2或者反射层组件5替换，所述换料方案应该保证堆芯反应性不超过控制组件4的控制范围，以及堆内组件功率满足运行要求；第二步：使用焚烧功能堆芯内的焚烧燃料组件2替换增殖功能堆芯内剩余的增殖燃料组件1，这样使转换比从增殖减小到焚烧范围内；整个转换过程中保持堆内组件的总数不变；控制组件4在任意的转换比下都保持相同的位置和数量。
所述增殖功能堆芯，改变增殖组件3的数量，同时改变增殖燃料组件1的布置以保证堆芯安全正常运行，能够实现不同转换比下的增殖。
所述焚烧功能堆芯，改变所述焚烧燃料组件2中不同的超铀元素质量分数，同时改变焚烧燃料组件2的布置以保证堆芯安全正常运行，能够实现不同转换比下的焚烧。
不同转换比下调节所述反射层组件5的数量，以保证堆芯中组件总数不变。
本发明和现有技术相比，具有以下优点：
1、能够实现增殖和焚烧两种功能以及两者之间的相互转换，使反应堆能够满足不同的工业发展需求，提高了快堆的经济性。
2、在增殖和焚烧范围内采取相同位置、相同数量的控制组件，简化了堆芯结构，能够通过换料方案的设计实现转换比调节。
附图说明
图1是实现增殖到焚烧功能转换的示意图。
图2是实现增殖功能的堆芯布置示意图。
图3是实现焚烧功能的堆芯布置示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明一种能够实现增殖和焚烧功能转换的快中子反应堆，包含增殖功能堆芯和焚烧功能堆芯两种组件布置方式，能够通过换料方案实现增殖功能和焚烧功能相互转换。
如图2所示，所述增殖功能堆芯由内向外布置有增殖组件3、低富集度增殖燃料组件1-1、增殖组件3、中富集度增殖燃料组件1-2、增殖组件3、高富集度增殖燃料组件1-3、增殖组件3、反射层组件5和屏蔽层组件6，基于此布置，可以通过调节增殖组件3的数量来实现不同转换比下的增殖。所述低富集度增殖燃料组件1-1、中富集度增殖燃料组件1-2和高富集度增殖燃料组件1-3形成增殖燃料组件1，所述增殖功能堆芯的第五圈、第七圈和第九圈分别布置有十二根，六根和十二根控制组件4。
如图3所示，所述焚烧功能堆芯由内向外布置有低富集度焚烧燃料组件2-1、中富集度焚烧燃料组件2-2、高富集度焚烧燃料组件2-3、反射层组件5和屏蔽层组件6，基于此布置，可以通过调节超铀元素的质量分数来实现不同转换比下的焚烧。所述焚烧功能堆芯的第五圈、第七圈和第九圈分别布置有十二根，六根和十二根控制组件4。所述低富集度焚烧燃料组件2-1、中富集度焚烧燃料组件2-2和高富集度焚烧燃料组件2-3形成焚烧燃料组件2。
如图1所示，为能够实现增殖到焚烧功能转换的转换方案示意图，方案中功能的调节通过相应的换料方案实现，换料过程大体分为两步，第一步：按照最终焚烧功能堆芯中低富集度焚烧燃料组件2-1、中富集度焚烧燃料组件2-2和高富集度焚烧燃料组件2-3的布置，使用焚烧燃料组件2替换增殖功能堆芯内的增殖组件3和部分增殖燃料组件1，最外圈的增殖组件2根据堆芯总体反应性可选择使用焚烧燃料组件2或者反射层组件5替换，所述换料方案应该保证堆芯反应性不超过控制组件4的控制范围，以及堆内组件功率满足运行要求；第二步使用焚烧燃料组件2替换堆内剩余的增殖燃料组件1，这样就可以使转换比从增殖减小到焚烧范围内。整个转换过程中保持堆内组件的总数不变。控制组件4在任意的转换比下都保持相同的位置和数量。
增殖燃料组件1和焚烧燃料组件2都采用富集度分区的方式来展平堆芯功率分布。在增殖范围内，还可以使用增殖组件3的来展平功率。控制组件4的控制能力根据整个转换比变化范围内的控制需求来确定。并且在转换比变化范围内，保证控制组件4的数量和位置不变。

Claims (4)

1.一种能够实现增殖和焚烧功能转换的快中子反应堆，其特征在于：包含增殖功能堆芯和焚烧功能堆芯两种组件布置方式，能够通过换料方案实现增殖功能和焚烧功能相互转换；所述增殖功能堆芯由内向外布置有增殖组件(3)、低富集度增殖燃料组件(1-1)、增殖组件(3)、中富集度增殖燃料组件(1-2)、增殖组件(3)、高富集度增殖燃料组件(1-3)、增殖组件(3)、反射层组件(5)和屏蔽层组件(6)；所述焚烧功能堆芯由内向外布置有低富集度焚烧燃料组件(2-1)、中富集度焚烧燃料组件(2-2)、高富集度焚烧燃料组件(2-3)、反射层组件(5)和屏蔽层组件(6)，此外，所述增殖功能堆芯和焚烧功能堆芯的第五圈、第七圈和第九圈均分别布置有十二根，六根和十二根控制组件(4)；所述低富集度增殖燃料组件(1-1)、中富集度增殖燃料组件(1-2)和高富集度增殖燃料组件(1-3)形成增殖燃料组件(1)；所述低富集度焚烧燃料组件(2-1)、中富集度焚烧燃料组件(2-2)和高富集度焚烧燃料组件(2-3)形成焚烧燃料组件(2)；
所述换料方案为分两步，第一步：按照最终焚烧功能堆芯中低富集度焚烧燃料组件(2-1)、中富集度焚烧燃料组件(2-2)和高富集度焚烧燃料组件(2-3)的布置，使用焚烧燃料组件(2)替换增殖功能堆芯内的增殖组件(3)和部分增殖燃料组件(1)，最外圈的增殖组件(3)根据堆芯总体反应性选择使用焚烧燃料组件(2)或者反射层组件(5)替换，所述换料方案应该保证堆芯反应性不超过控制组件(4)的控制范围，以及堆内组件功率满足运行要求；第二步：使用焚烧功能堆芯内的焚烧燃料组件(2)替换增殖功能堆芯内剩余的增殖燃料组件(1)，这样使转换比从增殖减小到焚烧范围内；整个转换过程中保持堆内组件的总数不变；控制组件(4)在任意的转换比下都保持相同的位置和数量。
2.根据权利要求1所述的一种能够实现增殖和焚烧功能转换的快中子反应堆，其特征在于：所述增殖功能堆芯，改变增殖组件(3)的数量，同时改变增殖燃料组件(1)的布置以保证堆芯安全正常运行，能够实现不同转换比下的增殖。
3.根据权利要求1所述的一种能够实现增殖和焚烧功能转换的快中子反应堆，其特征在于：所述焚烧功能堆芯，改变所述焚烧燃料组件(2)中不同的超铀元素质量分数，同时改变焚烧燃料组件(2)的布置以保证堆芯安全正常运行，能够实现不同转换比下的焚烧。
4.根据权利要求1所述的一种能够实现增殖和焚烧功能转换的快中子反应堆，其特征在于：不同转换比下调节所述反射层组件(5)的数量，以保证堆芯中组件总数不变。
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