CN108122621A - 一种反应堆运行功率负反馈控制系统 - Google Patents
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Abstract
本发明属于核反应控制技术领域，涉及一种反应堆运行功率负反馈控制系统。所述的负反馈控制系统置于反应堆内，包括反馈控制段，所述的反馈控制段包括外壁，在外壁内侧自上而下设置的上膨胀气腔、内膨胀气腔、吸收体液管、吸收体液池，以及充入气体、吸收体、冷却剂、热冷却剂。利用本发明的反应堆运行功率负反馈控制系统，能够使反应堆在一定的运行功率区间内稳定运行。
Description
技术领域
本发明属于核反应控制技术领域，涉及一种反应堆运行功率负反馈控制系统。
背景技术
反应性控制是实现反应堆安全的一个重要方面。若在功率运行区间，适当提高反应堆的负反馈系数，可以提高反应堆的自稳定特性，降低反应堆控制要求，在一定程度上增加反应堆的固有安全性。
常规钠冷快堆功率运行阶段弯曲反应性外的其他反应性，由组件与堆芯设计基本确定，且随温度在较大范围内接近线性变化。若实现特性功率阶段反应性反馈引入，则可在不增加补偿棒价值要求的情况下，提高反应堆的自稳特性。通过燃料垫块设计，可以使弯曲反应性在一定程度上达到上述效果。
通过液体、气体、固体等膨胀的方式，将吸收体引入堆芯，可实现特定阶段反馈加强，此方面有一定的设计。例如，根据M Kambe,H Tsunoda,K Nakajima,T Iwamura.RAPID-Land RAPID operator-free fast reactors combined with a thermoelectric powerconversion system,Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers,2004的报道，日本RAPID-L月球堆的设计利用位于堆芯上部的液态锂与气体膨胀腔，利用堆芯出口温度，设计了三种不同的反馈组件。
又如，根据Donny Hartanto,Inhyung Kim,Chihyung Kim,Yonghee Kim.An LEU-loaded long-life innovative sodium-cooled fast reactor with noval and passivesafety devices.Annals of Nuclaer Energy,2016的报道，韩国iSFR长寿命创新反应堆设计，利用位于堆芯上部长达9m的膨胀棒，当堆芯出口温度升高时，膨胀棒下插，从而引入负反应性。
再如，根据Janne Wallenius,Staffan Qvist.Fast reactor research inSwedeen.49th meeting of IAEA TWG_FR,2016的报道，瑞对小型铅铋冷SEALER反应堆将膨胀管放入燃料组件中，利用出口处液体的膨胀，向堆芯引入液态吸收体，从而控制反应性。
上述各种设计中，iSFR与RAPID-L设计采用液体与固体膨胀的设计，由于膨胀系数较低，都存在装置尺寸较大，占用堆内空间较多的缺点，会对堆本体的设计带来一定影响；SEALER设计能够引入的吸收体数目较少，引入负反馈较低。
发明内容
本发明的目的是提供一种反应堆运行功率负反馈控制系统，以能够使反应堆在一定的运行功率区间内稳定运行。
为实现此目的，在基础的实施方案中，本发明提供一种反应堆运行功率负反馈控制系统，所述的负反馈控制系统置于反应堆内，包括反馈控制段，所述的反馈控制段包括外壁，在外壁内侧自上而下设置的上膨胀气腔、内膨胀气腔、吸收体液管、吸收体液池，以及充入气体、吸收体、冷却剂、热冷却剂，
所述的外壁的夹层被上下隔开，上部的夹层用于通入所述的热冷却剂，下部的夹层形成冷却剂通道，用于通入所述的冷却剂，所述的冷却剂从所述的冷却剂通道流过后经所述的外壁的外侧上开有的冷却剂出口流出所述的夹层；
所述的上膨胀气腔和所述的内膨胀气腔内分别充有所述的充入气体；
所述的内膨胀气腔通过所述的吸收体液管与所述的吸收体液池连接；
所述的内膨胀气腔与所述的外壁的内侧之间留有缝隙通道，以允许所述的上膨胀气腔内的所述的充入气体与所述的缝隙通道内的气体及所述的吸收体液池上方的气体依次连通；
所述的上膨胀气腔的设置位置位于反应堆燃料组件出口上端；
所述的内膨胀气腔的设置位置使反应堆活性区上端面高度位于其最下端与最上端的高度之间；
所述的吸收体液管的设置位置使反应堆活性区下端面高度位于其最下端与最上端的高度之间；
所述的吸收体装盛于所述的吸收体液池中。
在一种优选的实施方案中，本发明提供一种反应堆运行功率负反馈控制系统，其中所述的外壁的横截面外侧为六角形，内侧为圆形；所述的外壁的外尺寸与燃料组件相同。
在一种更加优选的实施方案中，本发明提供一种反应堆运行功率负反馈控制系统，其中所述的六角形的对边距为50-150mm。
在一种优选的实施方案中，本发明提供一种反应堆运行功率负反馈控制系统，其中所述的冷却剂和所述的热冷却剂为液态金属或合金，选自钠、铅、铅铋合金等。
在一种优选的实施方案中，本发明提供一种反应堆运行功率负反馈控制系统，其中所述的冷却剂的流量为0.01-2kg/s，对应的所述的冷却剂通道的宽度为2-15mm。
在一种优选的实施方案中，本发明提供一种反应堆运行功率负反馈控制系统，其中所述的上膨胀气腔的体积为2-10L，所述的上膨胀气腔内温度因堆芯出口冷却剂搅混与反应堆冷却剂出口温度相同；所述的内膨胀气腔的体积为1-5L，所述的内膨胀气腔内温度因冷却剂冷却与反应堆冷却剂入口温度相同。
在一种优选的实施方案中，本发明提供一种反应堆运行功率负反馈控制系统，其中所述的充入气体为氦气。
在一种优选的实施方案中，本发明提供一种反应堆运行功率负反馈控制系统，其中所述的上膨胀气腔与所述的内膨胀气腔中充入气体的初始压力为1-5Mpa。
在一种优选的实施方案中，本发明提供一种反应堆运行功率负反馈控制系统，其中所述的吸收体液管的内径为10-30mm。
在一种优选的实施方案中，本发明提供一种反应堆运行功率负反馈控制系统，其中所述的吸收体为6Li吸收体。
本发明的有益效果在于，利用本发明的反应堆运行功率负反馈控制系统，能够使反应堆在一定的运行功率区间内稳定运行(例如80-120％额定功率)。
本发明通过一种增强功率运行区间反应堆负反馈特性的组件设计，利用上膨胀气腔与内膨胀气腔两个气腔的温度的不同，可以实现在特定运行阶段(接近额定功率到超过额定功率)引入较大负反应性，从而增强反应堆的负反馈特性的目的。此外，通过吸收体燃耗中产生的氦气，还可以在一定程度上补偿堆芯的燃耗反应性损失，从而实现降低反应堆补偿棒价值的目的。
附图说明
图1为示例性的本发明的反应堆运行功率负反馈控制系统的正视图。
图2为图1的示例性的本发明的反应堆运行功率负反馈控制系统的反馈控制段的轴向剖视图。
图3自左向右分别为图2沿A-A线、B-B线的剖视图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式作出进一步的说明。
示例性的本发明的反应堆运行功率负反馈控制系统如图1-3所示，其置于反应堆内，自上而下包括依次连接的操作头段101、反馈控制段102、管脚段103(操作头段101和管脚段103与现有钠冷快堆组件设计的大小形状和作用相同)。其中反馈控制段102包括上膨胀气腔1、内膨胀气腔2、吸收体液管3、吸收体液池4、外壁内套筒5、外壁外套筒6、狭缝通道7、充入气体8、吸收体9、冷却剂通道10、冷却剂出口11、热冷却剂入口12、冷却剂(为液态金属钠，图中未示出)、热冷却剂(为热的液态金属钠，图中未示出)。
外壁内套筒5与外壁外套筒6形成外壁，其中外壁内套筒5的横截面为圆形(圆形直径为106mm)，外壁外套筒6的横截面为正六角形(正六角形的对边距为120mm)。外壁外套筒6的外形尺寸与燃料组件相同。在外壁内套筒5内侧自上而下设置上膨胀气腔1、内膨胀气腔2、吸收体液管3、吸收体液池4。
外壁内套筒5与外壁外套筒6之间的夹层被上下隔开，上部的夹层用于通过外壁外套筒6的外侧上开有的热冷却剂入口12通入热冷却剂，下部的夹层形成冷却剂通道10，用于通入冷却剂。冷却剂以0.8kg/s的流量(对应计算得到的冷却剂通道10的宽度为5mm，为最小间隙)从冷却剂通道10自下而上流过后经其最上部外壁外套筒6的外侧上开有的冷却剂出口11流出夹层。
上膨胀气腔1和内膨胀气腔2的体积分别为6000cm3和4000cm3，，高度分别为72cm与55cm。上膨胀气腔1与内膨胀气腔2中均充入室温压力为3MPa的充入气体8(为氦气)。上膨胀气腔1的设置位置位于反应堆燃料组件出口上端面13上方；内膨胀气腔2的设置位置使反应堆活性区上端面14高度位于其最下端与最上端的高度之间。内膨胀气腔2尽可能多的与冷却剂接触，以增加传热。
内膨胀气腔2通过吸收体液管3与吸收体液池4连接。
内膨胀气腔2与外壁内套筒5的内侧之间留有缝隙通道7，以允许上膨胀气腔1内的充入气体8与缝隙通道7内的气体及吸收体液池4上方的气体依次连通。
吸收体液管3的内径为20mm，其设置位置使反应堆活性区下端面15高度位于其最下端与最上端的高度之间；
吸收体9(为6Li吸收体)装盛于吸收体液池4中，用于通过发生(n,d)反应，吸收中子，向堆内引入负反应性。
上述示例性的本发明的反应堆运行功率负反馈控制系统可将反应堆运行功率平稳控制在80-120％额定功率(80-120％FP)之间，原理如下。
反应堆运行功率负反馈控制系统的核心为双气腔的气体膨胀反应性反馈组件(GERFA，Gas Expansion Reactivity Feedback Assembly)，该组件可以分为冷态-接近额定功率、接近额定功率-超额定功率两个工作阶段，其中示例性的以80％额定功率作为接近额定功率，120％额定功率作为超额定功率的最大功率。通过上膨胀气腔1和内膨胀气腔2合适的气压设计，可以达到下面状态：
1)在冷态时，上膨胀气腔1内温度与内膨胀气腔2内温度相同，吸收体9液面基本与吸收体液池4中液面齐平。
2)在冷态-80％额定功率阶段，上膨胀气腔1内温度不断升高，气腔内充入气体8膨胀，使吸收体9液面不断上升。当达到80％额定功率时，反应堆堆芯冷却剂入口温度为额定温度，反应堆温升为额定温升的80％，内膨胀气腔2温度为反应堆堆芯冷却剂入口温度，上膨胀气腔1为反应堆堆芯冷却剂出口温度，吸收体9液面升至反应堆活性区下端面15处。在冷态-80％额定功率阶段，由于吸收体9高度较低，基本不引入负反应性。
3)在80％额定功率-120％额定功率阶段，上膨胀气腔1内温度继续不断升高，使吸收体9液面继续上升，6Li进入堆芯活性区高度。由于6Li的(n,d)反应截面较大，引入一定的负反应性。在110％额定功率-120％额定功率阶段(即最大容许功率)时，反应堆堆芯冷却剂入口温度为额定温度，反应堆温升比例与功率比例相同，此时吸收体9液面位于反应堆活性区上端面14位置。
4)上述过程中，由于吸收体9的6Li的(n,d)反应过程中不断产生氦气，这些氦气在内膨胀气腔2中不断积累，又可以驱动吸收体9的液面下降，从而引入正反应性，可以在一定程度上补偿燃耗反应性损失。经过恰当的气压设计，可以使得反应堆装载运行末期满功率状态吸收体9液面下降到反应堆活性区下端面15位置。
通过上述示例性的本发明的反应堆运行功率负反馈控制系统，可以获得如下有益效果：
1)在不大量增加需补偿反应性的情况下，使得反应堆功率运行区间的负反馈效应增强，有利于反应堆的自稳定特性。以10MW热功率、15盒燃料组件小型钠冷快堆为例，一盒双气腔的气体膨胀反应性反馈组件可以使堆芯满功率状态的负反馈特性由5pcm/1％FP提高到25pcm/1％FP，效果显著。
2)可以在一定程度上补偿燃耗反应性损失。以10MW热功率、15盒燃料组件小型钠冷快堆为例，一盒双气腔的气体膨胀反应性反馈组件可以使燃耗反应性损失降低10％-20％。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若对本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其同等技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。上述实施例或实施方式只是对本发明的举例说明，本发明也可以以其它的特定方式或其它的特定形式实施，而不偏离本发明的要旨或本质特征。因此，描述的实施方式从任何方面来看均应视为说明性而非限定性的。本发明的范围应由附加的权利要求说明，任何与权利要求的意图和范围等效的变化也应包含在本发明的范围内。
Claims (10)
1.一种反应堆运行功率负反馈控制系统，其特征在于，所述的负反馈控制系统置于反应堆内，包括反馈控制段，所述的反馈控制段包括外壁，在外壁内侧自上而下设置的上膨胀气腔、内膨胀气腔、吸收体液管、吸收体液池，以及充入气体、吸收体、冷却剂、热冷却剂，
所述的外壁的夹层被上下隔开，上部的夹层用于通入所述的热冷却剂，下部的夹层形成冷却剂通道，用于通入所述的冷却剂，所述的冷却剂从所述的冷却剂通道流过后经所述的外壁的外侧上开有的冷却剂出口流出所述的夹层；
所述的上膨胀气腔和所述的内膨胀气腔内分别充有所述的充入气体；
所述的内膨胀气腔通过所述的吸收体液管与所述的吸收体液池连接；
所述的内膨胀气腔与所述的外壁的内侧之间留有缝隙通道，以允许所述的上膨胀气腔内的所述的充入气体与所述的缝隙通道内的气体及所述的吸收体液池上方的气体依次连通；
所述的上膨胀气腔的设置位置位于反应堆燃料组件出口上端；
所述的内膨胀气腔的设置位置使反应堆活性区上端面高度位于其最下端与最上端的高度之间；
所述的吸收体液管的设置位置使反应堆活性区下端面高度位于其最下端与最上端的高度之间；
所述的吸收体装盛于所述的吸收体液池中。
2.根据权利要求1所述的反馈控制系统，其特征在于：所述的外壁的横截面外侧为六角形，内侧为圆形；所述的外壁的外尺寸与燃料组件相同。
3.根据权利要求2所述的反馈控制系统，其特征在于：所述的六角形的对边距为50-150mm。
4.根据权利要求1所述的反馈控制系统，其特征在于：所述的冷却剂和所述的热冷却剂为液态金属或合金。
5.根据权利要求1所述的反馈控制系统，其特征在于：所述的冷却剂的流量为0.01-2kg/s，对应的所述的冷却剂通道的宽度为2-15mm。
6.根据权利要求1所述的反馈控制系统，其特征在于：所述的上膨胀气腔的体积为2-10L，所述的上膨胀气腔内温度与所述的冷却剂出口温度相同；所述的内膨胀气腔的体积为1-5L，所述的内膨胀气腔内温度与所述的冷却剂入口温度相同。
7.根据权利要求1所述的反馈控制系统，其特征在于，所述的充入气体为氦气。
8.根据权利要求1所述的反馈控制系统，其特征在于：所述的上膨胀气腔与所述的内膨胀气腔中充入气体的初始压力为1-5Mpa。
9.根据权利要求1所述的反馈控制系统，其特征在于：所述的吸收体液管的内径为10-30mm。
10.根据权利要求1所述的反馈控制系统，其特征在于：所述的吸收体为6Li吸收体。
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