CN109545397A - 一种纳冷快堆堆芯结构 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种纳冷快堆堆芯结构，该堆芯结构的横切面为一正六边形结构，包括多个控制组件、多个燃料组件、多个增殖组件、多个反射层组件和多个屏蔽层组件；所述多个反射层组件形成一反射层，所述反射层内形成一腔体，所述腔体内设置有多个控制组件、多个燃料组件和多个增殖组件；所述多个增殖组件自所述堆芯结构的中心由内向外依次形成第一类环形结构、第二类环形结构和第三类环形结构，所述第一类环形结构的环内、所述第一类环形结构和第二类环形结构之间以及所述第二类环形结构和第三类环形结构之间设置所述控制组件和燃料组件；所述多个屏蔽层组件形成一屏蔽层，所述屏蔽层设置于所述反射层外表面上。本发明能够提高堆芯增殖性能和经济性。

Description

一种纳冷快堆堆芯结构
技术领域
本发明涉及核电技术领域，具体涉及一种纳冷快堆堆芯结构。
背景技术
快中子堆是第四代核能系统中的主要堆型，其堆芯平均中子能量比传统热中子裂变占主导的压水堆高百万倍以上，同时，快中子引发裂变反应产生的中子数更多。富余的中子既可以增殖核燃料，提高铀资源的利用率；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。因此，发展快中子堆是解决核能可持续发展瓶颈问题的重要途径。
快堆由于能谱较硬，一般都具有较正的钠空泡系数。为了反应堆的安全性，希望堆芯能够设计堆芯的钠空泡系数为负值；此外堆芯几何形状能够提供足够大的负反馈；快中子反应堆在正常运行和非正常运行状态下都会发生堆芯几何的变形，堆芯设计能够限制这些变形引入的对于金属燃料尤为明显的反应性。
开发建造任何堆型，保证核安全是关键。对于核电站反应堆或研究用的反应堆，最重要的安全目标是保证核电站的工作人员、公众和环境免受放射性的伤害。为达到这个目标，需用另外两个安全目标来保证：一是任何情况下能够停堆，二是任何情况下能够导出堆芯和燃料的余热。为了实现这三个目标，要用三个层次的安全措施保证。其一，设计堆型应选择有固有安全特征或称本征安全特征的堆型；其二设计尽量用非能动安全系统；其三是装备冗余、可靠的主动安全系统。在安全的基础上，设计合理的反应堆堆型，发挥堆芯最大增殖性能，追求更高的经济性。
发明内容
本发明提供一种纳冷快堆堆芯结构，以发挥堆芯最大增殖性能，追求更高的经济性。
为了解决上述技术问题，本发明实施例提供一种纳冷快堆堆芯结构，该堆芯结构的横切面为一正六边形结构，包括多个控制组件、多个燃料组件、多个增殖组件、多个反射层组件和多个屏蔽层组件；所述多个反射层组件形成一反射层，所述反射层内形成一腔体，所述腔体内设置有多个控制组件、多个燃料组件和多个增殖组件；所述多个增殖组件自所述堆芯结构的中心由内向外依次形成第一类环形结构、第二类环形结构和第三类环形结构，所述第一类环形结构的环内、所述第一类环形结构和第二类环形结构之间以及所述第二类环形结构和第三类环形结构之间设置所述控制组件和燃料组件；所述多个屏蔽层组件形成一屏蔽层，所述屏蔽层设置于所述反射层外表面上。
其中，所述第一类环形结构和第三类环形结构为非封闭类环形结构，所述第二类环形结构为封闭环形结构。
其中，所述多个控制组件包括一个第一控制组件、多个第二控制组件和多个第三控制组件；所述第一控制组件设置于所述堆芯结构的中心，所述多个第二控制组件均匀设置于所述所述第二类环形结构的内侧面上，所述多个第三控制组件均匀设置于所述第二类环形结构的外侧面上。
其中，在所述横切面中，所述第二类环形结构、所述反射层和所述屏蔽层的整体均为一正六边形。
其中，所述控制组件、燃料组件、增殖组件、反射层组件和屏蔽层组件均具有相同大小的正六棱柱套管。
其中，所述燃料组件的正六棱柱套管内设置多个燃料棒，且任意相邻的两个燃料棒之间的上方或下方位置设置一个燃料棒以形成正三角形布置。
其中，所述燃料棒具有一包壳，所述燃料棒的包壳内由上至下依次设置第一反射层、燃料空腔、燃料层和第二反射层，所述燃料层开设有中孔，所述燃料空腔和所述中孔内填充有氦气，所述中孔和包壳之间设置燃料，所述燃料为U-Pu-Zr金属燃料。
其中，所述增殖组件的正六棱柱套管内设置多个增殖棒，且任意相邻的两个增殖棒之间的上方或下方位置设置一个增殖棒以形成正三角形布置。
其中，所述增殖棒具有一包壳，所述增殖棒的包壳内由上至下依次设置第一反射层、增殖空腔、增殖层和第二反射层，所述增值空腔填充有氦气，所述增殖层设置贫铀材料。
其中，所述反射层组件的正六棱柱套管内设置多个由316L不锈钢材料制成的反射棒，所述屏蔽层组件的套管内设置多个由碳化硼（B4C）材料制成的屏蔽棒。
本发明实施例具有以下有益效果：
本发明实施例提供一种纳冷快堆堆芯结构，具有更甚燃耗、抗辐照能力强、力学性能好的金属核燃料材料，燃料棒设置中孔结构，有效处理金属燃料膨胀；燃料棒设置上部气腔，有效处理裂变气体；采用六棱柱组件套管结构，合理的堆芯布置方案。其燃料组件与增殖组件类环形相间布置，有效展平堆芯组件相对功率分布，增强堆芯增殖性能，设计堆芯功率分布均匀、分批倒料、初始反应性低易于实现控制、高的增殖比，负的钠空泡系数，具有非能动安全特性。其他未详述的有益效果将在下文中进一步说明。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例中纳冷快堆堆芯结构示意图。
图2为本发明实施例中一视角的燃料组件结构示意图。
图3为本发明实施例中另一视角的燃料组件结构示意图。
图4为本发明实施例中一视角的增殖组件结构示意图。
图5为本发明实施例中另一视角的增殖组件结构示意图。
图6为本发明实施例中一视角的反射层组件结构示意图。
图7为本发明实施例中另一视角的反射层组件结构示意图。
图8为本发明实施例中一视角的屏蔽层组件结构示意图。
图9为本发明实施例中另一视角的屏蔽层组件结构示意图。
附图标记：
1-控制组件，11-第一控制组件，12-第二控制组件，13-第三控制组件，2-燃料组件，21-燃料棒，211-第一反射层，212-燃料空腔，213-燃料层，214-第二反射层，215-中孔，3-增殖组件，31-增殖棒，311-第三反射层，312-增殖空腔，313-增殖层，314-第四反射层，4-反射层组件，41-反射棒，5-屏蔽层组件，51-屏蔽棒。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，本发明实施例提供一种纳冷快堆堆芯结构，该堆芯结构的横切面为一正六边形结构，包括多个控制组件、多个燃料组件、多个增殖组件、多个反射层组件和多个屏蔽层组件；多少个中止，停堆、所述多个反射层组件形成一反射层，所述反射层内形成一腔体，所述腔体内设置有多个控制组件、多个燃料组件和多个增殖组件；所述多个增殖组件自所述堆芯结构的中心由内向外，根据堆芯径向功率峰分布相间类环形布置对应数量的增值组件，从而形成了第一类环形结构、第二类环形结构和第三类环形结构，以防止堆芯的功率峰功率过大，所述第一类环形结构的环内、所述第一类环形结构和第二类环形结构之间以及所述第二类环形结构和第三类环形结构之间设置所述控制组件和燃料组件；所述多个屏蔽层组件形成一屏蔽层，所述屏蔽层设置于所述反射层外表面上。
需说明的是，所述控制组件、燃料组件、增殖组件、反射层组件和屏蔽层组件为纳冷快堆堆芯结构的常规组成部分，本实施例主要是对其结构组合排布进行改进，因此对于控制组件、燃料组件、增殖组件、反射层组件和屏蔽层组件的功能作用不再赘述。
具体而言，本实施例堆芯结构总高度为240cm，等效直径为253.3cm,其中活性区高度为90cm，等效直径为137.5cm；所述燃料组件与所述增殖组件类环形相间布置，有效展平堆芯组件相对功率分布，增强堆芯增殖性能。
在一些实施例中，参阅图1，所述第一类环形结构和第三类环形结构为非封闭类环形结构，所述第二类环形结构为封闭环形结构。
在一些实施例中，参阅图1，所述多个控制组件包括一个第一控制组件、多个第二控制组件和多个第三控制组件；所述第一控制组件设置于所述堆芯结构的中心，所述多个第二控制组件均匀设置于所述所述第二类环形结构的内侧面上，所述多个第三控制组件均匀设置于所述第二类环形结构的外侧面上。
具体而言，一个示例中，所述第二控制组件为三个，所述三个第二控制组件中心的连线形成一个正三角形，所述第一控制组件位于该正三角形的中心位置，所述第三控制组件为六个，所述六个第二控制组件中心的连线形成一个正六边形，所述正三角形位于所述正六边形中，所述第一控制组件位于该正六边形的中心位置。
在一些实施例中，如图1所示的所述横切面中，所述第二类环形结构、所述反射层和所述屏蔽层的整体均为一正六边形。
在一些实施例中，所述控制组件、燃料组件、增殖组件、反射层组件和屏蔽层组件均具有相同大小的正六棱柱套管。
如图2所示，在一些实施例中，所述燃料组件的正六棱柱套管内设置多个燃料棒，且任意相邻的两个燃料棒之间的上方或下方位置设置一个燃料棒以形成正三角形布置。
其中，每个燃料组件排布169根燃料棒，棒间距为0.9mm，相对于传统压水堆中的正方形排布，三角形排列冷却剂体积是正方形的70%，三角形布置可以获得更大的燃料份额，有利于提高体积比功率，以得到更硬的能谱。所述燃料棒外半径为3.4mm，中孔半径为1.7mm。
如图3所示，在一些实施例中，所述燃料棒具有一包壳，所述包壳内由上至下依次设置第一反射层、燃料空腔、燃料层和第二反射层，所述燃料层开设有中孔，所述燃料空腔和所述中孔内填充有氦气，所述中孔和包壳之间设置燃料。
其中，所述燃料为高密度的U-Pu-Zr金属合金，该燃料具有能谱硬、导热性好的特点，不仅可以增加堆芯增殖性能，而且还可以提高燃料的装载量。
其中，所述燃料空腔填充氦气可以有效处理裂变气体，所述中孔内填充有氦气可以有效处理金属燃料膨胀的情况。
在一更具体的示例中，所述第一反射层和第二反射层高度为30cm，燃料空腔和燃料层的高度均为90cm。
如图4所示，在一些实施例中，所述增殖组件的正六棱柱套管内设置多个增殖棒，且任意相邻的两个增殖棒之间的上方或下方位置设置一个增殖棒以形成正三角形布置。所述多个增殖棒的排列与燃料棒相同，采用正三角形排列，可以获得更大的增殖材料份额，可以获得更大的增殖材料占比。所述增殖棒与燃料棒结构相比，没有了中孔结构，增加了增殖组件中贫铀的含量，与燃料棒外径大小一致。
如图5所示，在一些实施例中，本实施例以贫铀为主要材料构成增殖组件，U-238向Pu-239的转换不仅在堆芯内发生，而且可以在堆芯周围的转换区内发生。所述增殖棒具有一包壳，该包壳内由上至下依次设置第三反射层、增殖空腔、增殖层和第四反射层，所述增值空腔填充有氦气，所述增殖层设置贫铀材料。其中，增殖棒的包壳依旧采用和燃料棒包壳一致的D9钢材料。
其中，在一更具体的示例中，第三反射层和第四反射层的高度为均30cm，增殖层高度为130cm，增殖空腔高度为50cm，所有结构包裹在包壳内。
如图6-7所示，在一些实施例中，所述反射层组件的正六棱柱套管内设置多个由316L不锈钢材料制成的反射棒。
其中，在一更具体的示例中，一个反射层组件包括91个反射棒，每一反射棒的棒径为5.46mm，反射层组件轴向无其他结构，高度为240cm，且316L不锈钢材料具有良好的高温特性和抗肿胀性能与钠冷却剂的相容性好,而且价格也较低。
如图8-9所示，在一些实施例中，所述屏蔽层组件的套管内设置多个由碳化硼（B4C）材料制成的屏蔽棒。
其中，在一更具体的示例中，一个屏蔽层组件包括91个屏蔽棒，屏蔽层组件轴向无其他结构，高度为240cm。
本发明实施例提供了一种革新型具有极致安全特性的钠冷快堆堆芯结构，其堆芯的热功率为600MW，堆芯初始Keff为1.01788，堆芯寿期可达1900Day，为了得到负值的钠空泡系数，采用小棒径燃料棒结构，为提高堆芯增殖性能，堆芯燃料区域由内向外布置了增殖组件。堆芯功率分布均匀，径向组件功率峰因子低，最大线功率密度低，初始反应性低，堆芯安全性高，堆芯中子能谱硬，增殖比高，具有负的钠空泡系数，堆芯具有非能动安全特性，经济性好。
本发明中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (10)

1.一种纳冷快堆堆芯结构，其特征在于，该堆芯结构的横切面为一正六边形结构，包括多个控制组件、多个燃料组件、多个增殖组件、多个反射层组件和多个屏蔽层组件；所述多个反射层组件形成一反射层，所述反射层内形成一腔体，所述腔体内设置有多个控制组件、多个燃料组件和多个增殖组件；所述多个增殖组件自所述堆芯结构的中心由内向外依次形成第一类环形结构、第二类环形结构和第三类环形结构，所述第一类环形结构的环内、所述第一类环形结构和第二类环形结构之间以及所述第二类环形结构和第三类环形结构之间设置所述控制组件和燃料组件；所述多个屏蔽层组件形成一屏蔽层，所述屏蔽层设置于所述反射层外表面上。
2.如权利要求1所述的纳冷快堆堆芯结构，其特征在于，所述第一类环形结构和第三类环形结构为非封闭类环形结构，所述第二类环形结构为封闭环形结构。
3.如权利要求2所述的纳冷快堆堆芯结构，其特征在于，所述多个控制组件包括一个第一控制组件、多个第二控制组件和多个第三控制组件；所述第一控制组件设置于所述堆芯结构的中心，所述多个第二控制组件均匀设置于所述所述第二类环形结构的内侧面上，所述多个第三控制组件均匀设置于所述第二类环形结构的外侧面上。
4.如权利要求2所述的纳冷快堆堆芯结构，其特征在于，在所述横切面中，所述第二类环形结构、所述反射层和所述屏蔽层的整体均为一正六边形。
5.如权利要求1所述的纳冷快堆堆芯结构，其特征在于，所述控制组件、燃料组件、增殖组件、反射层组件和屏蔽层组件均具有相同大小的正六棱柱套管。
6.如权利要求5所述的纳冷快堆堆芯结构，其特征在于，所述燃料组件的正六棱柱套管内设置多个燃料棒，且任意相邻的两个燃料棒之间的上方或下方位置设置一个燃料棒以形成正三角形布置。
7.如权利要求6所述的纳冷快堆堆芯结构，其特征在于，所述燃料棒具有一包壳，所述燃料棒的包壳内由上至下依次设置第一反射层、燃料空腔、燃料层和第二反射层，所述燃料层开设有中孔，所述燃料空腔和所述中孔内填充有氦气，所述中孔和包壳之间设置燃料，所述燃料为U-Pu-Zr金属燃料。
8.如权利要求5所述的纳冷快堆堆芯结构，其特征在于，所述增殖组件的正六棱柱套管内设置多个增殖棒，且任意相邻的两个增殖棒之间的上方或下方位置设置一个增殖棒以形成正三角形布置。
9.如权利要求8所述的纳冷快堆堆芯结构，其特征在于，所述增殖棒具有一包壳，所述增殖棒的包壳内由上至下依次设置第一反射层、增殖空腔、增殖层和第二反射层，所述增值空腔填充有氦气，所述增殖层设置贫铀材料。
10.如权利要求5所述的纳冷快堆堆芯结构，其特征在于，所述反射层组件的正六棱柱套管内设置多个由316L不锈钢材料制成的反射棒，所述屏蔽层组件的套管内设置多个由碳化硼（B4C）材料制成的屏蔽棒。
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