CN108231218A - 一种用于核电宝和其它反应堆的非能动停堆保护系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可用于核电宝或其它反应堆的非能动停堆保护系统，所述非能动停堆保护系统是在小型核电源装置核电宝或其它反应堆的堆芯布置一种在特定温度下可以熔化的反射层，超过限定温度后反射层自动熔化。熔化后的反射层材料通过排出通道流出堆芯，从而失去慢化作用，引入负反应性，实现非能动停堆的目的。其中，反射层流出通道可以是下栅板附近可打开的隔板，由温度开关控制。实施本发明的一种核电宝或其它反应堆的非能动停堆保护系统，可使反应堆在事故发生堆芯温度异常升高的情况下不依赖于人员操作，自动为堆芯引入足量负反应性，确保反应堆能够非能动安全停堆。

Description

一种用于核电宝和其它反应堆的非能动停堆保护系统

技术领域

本发明涉及小型核电源装置，尤其涉及核电宝和非能动停堆保护系统。

背景技术

国际原子能机构(IAEA)将“小型”核电机组定义为300MWe以下的机组，其开发运用已经有几十年的历史。近年来，为了满足工业的电力负荷需求，满足那些远离主电网的偏远地区用电需求，国际原子能机构启动了小型反应堆的开发计划。在第四代国际论坛GIF提出的第四代核能系统概念中至少有一半属于中小型反应堆。

小型反应堆燃料周期长，无需进行厂内换料，能够为实现燃料供应、国家能源安全以及核不扩散的承诺提供保障。中科院核能安全技术研究所采用铅基反应堆核心技术设计的只有集装箱大小的迷你型核电源装置“核电宝”，满足了海岛海洋平台、偏远地区分布式供电需求。

对一般的反应堆，保护系统是由所有电器件、机械器件和线路组成的产生保护信号的系统。它在需要时可以触发停堆系统，以保证发生预计运行事件时，核电厂的主要参数不超过规定的限制。反应堆事故停堆线路的用途是紧急停闭反应堆，它能切断控制棒组传动机构电路电源，使得停堆棒组靠重力作用落入堆芯。

常规的能动停堆系统由运行人员根据事故的判断停堆，即通过操作员的动作可以实现对反应堆的控制，达到异常或者紧急事故工况下的停堆目的。然而，这些能动的方式依赖于外在动力或者人工操作，不能完全排除系统故障或者人员错误操作的可能性。

为了确保反应堆的安全性，国际上进行了对非能动停堆系统的研究。例如，利用软磁在达到居里温度后会失去磁性的特点，设计了在高温下可以非能动停堆的保护装置。而小型核电源装置作为较新的研究方向，堆的规模小，堆芯的体积热释率小，其固有安全性设计不低于国际先进的三代核电技术要求。研究小型核电源装置非能动理念，以及能动结合非能动理念对提升其安全特性是非常有帮助的。

发明内容

本发明的目的在于提供一种在小型反应堆上能够实现的非能动停堆保护系统，通过在特定温度下能够自动引入足量的负反应性，保证堆芯始终处于反应性可控的状态，避免依靠人力操作可能有的失误，确保小型反应堆的固有安全性。

本发明的目的还在于提供一种具有上述非能动停堆保护系统的核电宝。

为此，本发明一方面提供了一种非能动停堆保护系统，由特定温度触发停堆保护，其中，所述堆芯内部布置有在特定温度下能够熔化的反射层，所述堆芯设有可供反射层材料流出的排出通道，其中，当堆芯温度升高至特定温度以上时，反射层自动熔化，熔化后的反射层材料通过排出通道流出堆芯，以实现非能动停堆。

进一步地，上述反射层包括多个反射层组件，各所述反射层组件包括包壳和在能够在特定温度下融化的反射层材料。

进一步地，上述反射层组件包括不锈钢包壳和由不锈钢包壳包围着的反射层材料。

进一步地，上述反射层材料为铅、铅合金、或低熔点铍合金。

进一步地，上述排出通道设置在下栅板上，由温度开关控制其启闭，当堆芯温度异常升高，反射层材料熔化时，控制下栅板开合的温度开关也被触发，形成所述排出通道。

进一步地，上述堆芯设有多组燃料组件并且配有相应的控制棒，所述多组燃料组件周围布置反射层组件，每个燃料组件内设有多个燃料元件，各所述燃料元件采用单独的冷却剂流道。

进一步地，上述每根燃料元件中心位置为燃料棒，由燃料包壳包裹；燃料棒外围是冷却剂，由燃料包壳和冷却剂管道包裹，形成冷却剂能够自下而上流动的通道，所述燃料元件在活性段的径向上分布有慢化剂，其中，慢化剂、冷却剂及燃料棒组成一个栅元，若干燃料元件以正三角形式均匀分布于燃料组件中。

进一步地，上述燃料组件依靠下部管脚固定在反应堆内，上端利用支撑杆与燃料组件盖板相连，所述燃料组件盖板依靠反应堆顶盖，将燃料组件压紧在堆芯下栅板上，实现燃料组件的固定。

进一步地，上述堆芯下栅板的隔板可以设置为多段，每一段设置一个开关可以打开，用以提高排出熔化状态反射层材料的速率。

根据本发明的另一方面，提供了一种核电宝，包括根据上面所描述的非能动停堆保护系统。

本发明利用特定的反射层材料在特定温度下可以熔化的性质，使得核电宝和其它反应堆发生事故堆芯温度升高时，反射层材料能够自动熔化。针对已经熔化的反射层材料，堆芯温度达到事先设定阈值时温度开关可自动控制栅板打开，将反射层材料排出堆芯。当堆芯失去反射层时，反应性快速降低，使得堆芯的反应性处于安全的状态。本系统可以不依赖人工操作就能在特定的温度下完成非能动停堆，保证堆芯的安全可靠。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是本发明实施例堆芯布置的截面结构示意图；

图2是本发明实施例燃料组件活性段的截面示意图；以及

图3是本发明实施例反射层布置的剖面结构示意图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

本发明提供了一种核电宝和其它反应堆的非能动停堆保护系统，所述非能动停堆保护系统是在小型核电源装置核电宝的堆芯布置一种在特定温度下可以熔化的反射层，超过限定温度后反射层自动熔化。熔化后的反射层材料通过排出通道流出堆芯，从而失去慢化作用，引入负反应性，实现非能动停堆的目的。其中，发射层流出通道可以是可打开的下栅板，由温度开关控制。实施本非能动停堆保护系统，可使反应堆在事故发生堆芯温度异常升高的情况下不依赖于人员操作，自动为堆芯引入足量负反应性，确保反应堆能够非能动安全停堆。

如图1所示的实施例堆芯布置的截面结构示意图，在堆芯本体1内，设有多组燃料组件2，配有相应的控制棒1a，周围布置反射层组件3。

具体的小型堆设计时，堆芯本体1的形状并不限定于实施例，其内部能够承载小型核电源装置核电宝的紧急停堆保护系统的各部件，实现特定温度下紧急停堆功能即可。

其中，燃料组件的固定方式并不限定，其可以依靠下部管脚固定在反应堆内，上端利用支撑杆与燃料组件盖板相连，燃料组件盖板依靠反应堆顶盖，将燃料组件压紧在堆芯下栅板上，实现燃料组件的固定。

如图2所示的实施例燃料组件活性段的截面示意图，每盒燃料组件2内有7个燃料元件4，成正三角形排列；燃料元件4中心位置为燃料棒4a，由燃料包壳包裹；燃料元件4外围是冷却剂4b，由燃料包壳和冷却剂管道包裹，形成冷却剂可以自下而上进行流动的通道；燃料组件1在活性段的径向上分布有慢化剂4c，每根燃料元件4采用单独的流道。慢化剂4c、冷却剂4b及燃料棒4a组成一个栅元，以正三角形式均匀分布于燃料组件2中。

具体的小型堆设计时，燃料组件2的形状并不限定于实施例，其内部能够承载小型核电源装置的紧急停堆保护系统的各部件，实现特定温度下紧急停堆功能即可。

如图3所示的实施例堆芯布置的侧面结构示意图，反射层组件3包含了反射层材料3a。堆芯本体1上下部设计了上支撑板5a、下支撑板5b，且上下支撑板与冷却剂管道进行密封焊接。反射层组件3两端分别需要固定在堆芯本体1内。反射层组件3上端连结上栅板6a，最终连结固定在上支撑板5a；反射层组件3下端连结下栅板6b，最终连结固定在下支撑板5b。在下栅板6b上，与慢化层材料3a接触的位置设置隔板8，设计成可以打开的模式。

其中，在特定温度下熔化的反射层材料可以选择铅与铅合金、低熔点铍合金等，但不限于上述材料。

在正常工况下，隔板8处于闭合状态；当温度达到特定阈值，隔板8处于打开状态，其中隔板8的打开、闭合操作由温度开关7进行控制，事先设置好使得开关7打开的温度阈值。该温度开关7优选为由热敏材料制作的开关，开关7可以控制隔板8开闭状态，事先可以调节使开关7生效的阈值温度。

在本实施例中在特定温度熔化的反射层材料3a可以选择铅与铅合金、低熔点铍合金等。如此设置，可以使得在特定温度下，隔板8打开形成通道，让反射层材料3a流出，从而降低反应性，保证堆芯安全。

具体的核电宝设计时，隔板8可以打开并形成通道的位置并不限定，主要能满足反射层材料3a可以快速排出堆芯的要求即可。一个打开通道的优选的位置是，与反射层组件3位置对应的下栅板6b附近如隔板8的位置，这样可以让反射层材料第一时间流出堆芯，可以使得停堆保护作用达到最大化，为堆芯引入足够的负反应性。

优选地，堆芯下栅板可以在多段设置隔板，每一隔板设置一个相应的控制开关，用以提高排出熔化状态反射层材料的速率。

本发明利用在特定温度下的特定的反射层材料可以熔化的性质，当反应堆堆芯温度异常升高超过温度开关设置的阈值时，堆芯下栅板附近的隔板自动打开形成通道，使得反射层材料排出堆芯，快速降低堆内的反应性，实现非能动紧急停堆的目的。作为一种在特定温度下的核电宝非能动停堆系统，当采用不同的反射层材料和不同的控制反射层材料的通道时，该系统可以运用于核电宝等不同的小型核电源装置，甚至可以被运用于大型核电站的停堆保护系统。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种非能动停堆保护系统，其特征在于，由特定温度触发停堆保护，其中，堆芯内部布置有在特定温度下能够熔化的反射层，所述堆芯设有可供反射层材料流出的排出通道，其中，当堆芯温度升高至特定温度以上时，反射层自动熔化，熔化后的反射层材料通过排出通道流出堆芯，以实现非能动停堆。

2.根据权利要求1所述的非能动停堆保护系统，其特征在于，所述反射层包括多个反射层组件，各所述反射层组件包括包壳和在能够在特定温度下融化的反射层材料。

3.根据权利要求2所述的非能动停堆保护系统，其特征在于，所述反射层组件包括不锈钢包壳和由不锈钢包壳包围着的反射层材料。

4.根据权利要求2或3所述的非能动停堆保护系统，其特征在于，所述反射层材料为铅、铅合金、或低熔点铍合金。

5.根据权利要求1或2所述的非能动停堆保护系统，其特征在于，所述排出通道设置在下栅板附近的隔板上，由温度开关控制其启闭，当堆芯温度异常升高，反射层材料熔化时，控制隔板开合的温度开关也被触发，形成所述排出通道。

6.根据权利要求1所述的非能动停堆保护系统，其特征在于，所述堆芯设有多组燃料组件并且配有相应的控制棒，所述多组燃料组件周围布置反射层组件，每个燃料组件内设有多个燃料元件，各所述燃料元件采用单独的冷却剂流道。

7.根据权利要求6所述的非能动停堆保护系统，其特征在于，每根燃料元件中心位置为燃料棒，由燃料包壳包裹；燃料棒外围是冷却剂，由燃料包壳和冷却剂管道包裹，形成冷却剂能够自下而上流动的通道，所述燃料元件在活性段的径向上分布有慢化剂，其中，慢化剂、冷却剂及燃料棒组成一个栅元，若干燃料元件以正三角形式均匀分布于燃料组件中。

8.根据权利要求6所述的非能动停堆保护系统，其特征在于，所述燃料组件依靠下部管脚固定在反应堆内，上端利用支撑杆与燃料组件盖板相连，所述燃料组件盖板依靠反应堆顶盖，将燃料组件压紧在堆芯下栅板上，实现燃料组件的固定。

9.根据权利要求6所述的非能动停堆保护系统，其特征在于，堆芯下栅板的隔板设置为多段，每一段设置一个开关打开，用以提高排出熔化状态反射层材料的速率。

10.一种核电宝，其特征在于，包括根据权利要求1至9中任一项所述的非能动停堆保护系统。