CN105590658A - 一种利用中子管驱动的次临界微型反应堆 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用中子管驱动的次临界微型反应堆，它由燃料棒、中子管、冷却剂、包壳管、反射层、屏蔽层等成份构成。将中子管作为次临界微堆运行的中子源，均匀、分散布置在次临界堆芯内，从设计上主动展平了堆芯中子通量密度分布。堆芯内每根中子管单位时间内输出的中子量连续可调，使得反应堆内各处功率连续可调，实现堆芯各处输出功率的主动控制。事故工况下，可根据需要随时切断中子管电源，完成停堆，杜绝严重事故的发生。以上优点，使得反应堆具有很高的安全性和经济性，对反应堆几何尺寸的微型化和机动性的提高也有着极其重要的意义。

Description

一种利用中子管驱动的次临界微型反应堆

技术领域

本发明属于反应堆堆芯设计领域，具体涉及一种利用中子管驱动的次临界微型反应堆。

背景技术

次临界反应堆的安全性与临界反应堆相比有着独特的优势。次临界反应堆可以通过切断外源系统与次临界反应堆之间的关联而实现停堆。目前，次临界反应堆运行采用的主流外中子源产生方式有以下两种：(1)由质子加速器产生高能质子束流去轰击靶材料，经过(p，2n)反应或(p，n)反应产生高能散裂中子，以此作为次临界堆的外中子源；(2)利用聚变反应产生的高能中子作为次临界堆的中子源。以上两种驱动方式均具有外加装置几何尺寸大、堆芯输出功率较高、反应性控制复杂等特点，对于要求功率输出较低的反应堆(如微型反应堆)，以及对机动性、可操作性、几何尺寸小型化要求较高的反应堆，以上两种驱动方式均是不合适的。将中子管应用于次临界微型反应堆作为反应堆的驱动中子源即可很好的解决上述矛盾。

中子管实质上是一种微型的粒子加速器，它由离子源、加速系统、靶、气压调节系统组成。如今的中子管多采用自成靶技术，工作时由离子源将氘氚电离，产生的氘氚离子经过加速聚焦系统加速打到靶上，与之前沉积在靶上的氘氚反应，产生14.1MeV或2.24MeV的高能中子，反应式如下：

$H_1^2+H_1^3\→H_2^{4}e+n_0^1+17.586\left(MeV\right)$

$H_1^2+H_1^2\→H_2^{3}e+n_0^1+3.266\left(MeV\right)$

目前，市面上主流商品中子管中子产额一般在1×10⁷n/sec-1×10¹⁰n/sec量级。但实际上已实现的技术远不止如此，美国的劳伦斯伯利克里国家实验室已实现了中子产额1×10¹⁴n/sec量级的突破，平均使用寿命更是超过了4000小时。德国EADS公司也在进行产额＞1.6×10⁸n/sec的中子管的实验，于2001年已经取得了使用寿命超过10000小时的记录。

我国的第一座微型反应堆原型堆于1984年在中国原子能科学研究院建成并投入营运。1986年后，先后在国内的深圳大学、山东省地矿局中心实验室和上海测试研究所建造了三座商用微堆。在国外通过双边合作和IAEA以及受援国三边合作，先后在巴基斯坦、伊朗、加纳、叙利亚和尼日利亚建成并投入运营五座商用微堆。现今微型反应堆的中子通量密度水平多在1×10¹¹n/cm²·sec-1×10¹³n/cm²·sec量级，低于中子管所能提供的中子通量密度极限值，依靠现有技术，通过合理布置，将中子管应用于微型反应堆，作为微型反应堆的驱动中子源是完全可行的。

发明内容

本发明目的在于：针对目前次临界反应堆内中子通量密度空间分布不均匀的问题，以及反应堆内堆芯各处反应性控制及功率输出控制的问题，本发明旨在提供一种既能展平堆内各处中子通量密度空间分布又能实时对堆芯各处反应性、输出功率进行主动控制的一种次临界微型反应堆，所设计的反应堆同时具有几何尺寸小，机动性高等特点。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种利用中子管驱动的次临界微型反应堆，包括：圆柱形燃料棒、堆芯边界六边形反射层、圆柱形中子管中子源、液态冷却剂、圆柱形棒包壳管和堆芯区域外六边形屏蔽层；堆芯区域外六边形屏蔽层将上述五种结构包含在其中；堆芯边界六边形反射层外表面与堆芯区域外六边形屏蔽层紧密相连，内表面为液态冷却剂的限定边界；圆柱形棒包壳管紧密排布在堆芯边界六边形反射层内，包含在堆芯边界六边形反射层内的圆柱形棒包壳管的外部空间由液态冷却剂填充；圆柱形中子管中子源插放于圆柱形棒包壳管内，在整个堆芯边界六边形反射层内均匀、分散分布；圆柱形燃料棒填充除圆柱形中子管中子源填充的圆柱形棒包壳管外的其他圆柱形棒包壳管。

其中，所述的圆柱形中子管中子源是靠外界电源驱动的D-D中子管、D-T中子管或DTT混合中子管；所述圆柱形中子管中子源强度为1×10⁷n/sec-1×10¹⁴n/sec；所述微型反应堆堆内中子通量密度水平在1×10¹¹n/cm²·sec-1×10¹³n/cm²·sec量级。

本发明与现有技术相比的技术效果为：

(1)、中子管是将离子源、加速器、靶、气压调节系统全部真空密封在一支玻璃、陶瓷或不锈钢材料的管内，从而构成的一种结构紧凑的电真空器件。中子管实质上是一种小型加速器。它由外接电源驱动离子源产生氘离子，后离子经加速器加速轰击到氘靶、氚靶或氘氚混合靶上，发生核反应，产生能量为14MeV的快中子。与常规中子源相比，中子管中子源具有能谱单色性好；单位时间内中子产出量稳定；单位时间内中子产出量在一定范围内连续可调；切断电源即可停止中子产出等显著优势。其次，中子管几何尺寸小，市面上主流商业中子管管径在之间，设计上可直接利用反应堆堆芯内现成孔道，简化堆芯设计，实现反应堆几何尺寸小型化。

(2)、目前，次临界反应堆多由布置于堆芯中心的单一中子源驱动，堆芯剖面上的中子通量密度分布可近似用高斯分布来表示。微型次临界反应堆内中子通量密度水平在1×10¹¹n/cm²·sec-1×10¹³n/cm²·sec量级，而中子管中子源的强度为1×10⁷n/sec-1×10¹⁴n/sec量级。将圆柱形中子管中子源合理设计，均匀、分散布置在堆芯内，如图1所示，用分布在堆芯各处的中子管所提供的中子通量密度来合成整个堆芯正常运行所需的中子通量密度分布位形，从而达到利用均匀、分散布置的圆柱形中子管中子源替代单一常规中子源的效果。

(3)、由于均匀、分散布置中子管驱动次临界微型反应堆运行的设计，能够克服以往堆芯内中子通量密度分布不均匀，堆芯特定区域反应性、输出功率难以调节等问题，在实际应用中采用此设计，可以带来的好处有：展平中子通量密度分布提高堆芯功率输出、简化反应堆堆芯设计(减少甚至取消控制棒)、节省核燃料降低造价、调节堆芯特定区域反应性(功率输出)、事故工况下及时完成停堆等，具有极佳的经济性和安全性。

附图说明

图1为圆柱形中子管中子源在堆芯中均匀、分散布置方式及标注图。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施方式进一步说明本发明。

如图1所示，本发明包括：圆柱形燃料棒1、堆芯边界六边形反射层2、圆柱形中子管中子源3、液态冷却剂4、圆柱形棒包壳管5、堆芯区域外六边形屏蔽层6。圆柱形中子管中子源采用均匀、分散式布置，对圆柱形中子管中子源的具体数目以及圆柱形中子管中子源布置的具体位置不作限定。

反应堆启动时，无需添加其它外源，所有圆柱形中子管中子源同时启动，在短时间内即可获得反应堆正常运行时所需的中子通量密度位形，与常规次临界反应堆启动相比，具有快速形成全堆芯中子通量密度位形达到反应堆运行稳态的优势。

反应堆正常运行时，可根据实际情况需要，单独调节堆内各处圆柱形中子管中子源单位时间内输出的中子量，使得整个堆芯的中子通量密度位形变化趋于平缓，即主动展平堆内中子通量密度分布，使得堆芯输出功率提高，同等功率水平下堆芯体积减小，节省核燃料，提高经济性，对反应堆几何尺寸上的微型化也有着重要的意义。

当堆芯内部分区域受到来自内部或外界的扰动，使得部分区域反应性发生变化时，可调节距离所讨论处最近的一根或几根中子管的中子输出量，来中和扰动所带来的反应性变化，达到稳定堆芯功率输出的目的。换句话说，调节圆柱形中子管中子源单位时间内中子输出量即可完成反应堆控制，因此，我们可减少堆内控制棒的数目甚至不使用控制棒，这是本发明的一大优势。

事故工况下，当发生难以控制的堆芯事故时，可及时切断圆柱形中子管中子源供电，即停止向反应堆堆芯输送中子，完成停堆，避免事故进一步恶化，使得反应堆具有很高的安全性。

显然本领域的技术人员可以对本发明进行各种修改和变型而不脱离本发明的精神和范围。但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围。如此，假若对本发明的这些修改和变型在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，则本发明也意图包含这些修改和变型。

Claims (2)

1.一种利用中子管驱动的次临界微型反应堆，其特征在于：包括圆柱形燃料棒(1)、堆芯边界六边形反射层(2)、圆柱形中子管中子源(3)、液态冷却剂(4)、圆柱形棒包壳管(5)和堆芯区域外六边形屏蔽层(6)；堆芯区域外六边形屏蔽层(6)将上述五种结构包含在其中；堆芯边界六边形反射层(2)外表面与堆芯区域外六边形屏蔽层(6)紧密相连，内表面为液态冷却剂(4)的限定边界；圆柱形棒包壳管(5)紧密排布在堆芯边界六边形反射层(2)内，包含在堆芯边界六边形反射层(2)内的圆柱形棒包壳管(5)的外部空间由液态冷却剂(4)填充；圆柱形中子管中子源(3)插放于圆柱形棒包壳管(5)内，在整个堆芯边界六边形反射层(2)内均匀、分散分布；圆柱形燃料棒(1)填充除圆柱形中子管中子源(3)填充的圆柱形棒包壳管(5)外的其他圆柱形棒包壳管(5)。

2.根据权利要求1所述的一种利用中子管驱动的次临界微型反应堆，其特征在于：所述的圆柱形中子管中子源(3)是靠外界电源驱动的D-D中子管、D-T中子管或DTT混合中子管；所述圆柱形中子管中子源(3)强度为1×10⁷n/sec-1×10¹⁴n/sec；所述微型反应堆堆内中子通量密度水平在1×10¹¹n/cm²·sec-1×10¹³n/cm²·sec量级。