CN109545411A - 一种核反应堆的堆芯 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种核反应堆的堆芯，包括燃料棒、控制棒和模块安装装置，模块安装装置能够实现多个燃料棒、多个控制棒与核反应堆的模块化装卸，模块安装装置包括：用于容置燃料棒和控制棒的容置结构；位于容置结构的底部，并与容置结构连接的底座，燃料棒的底端和控制棒的底端连接在底座上；位于容置结构的顶部，并与容置结构连接的顶盖，燃料棒的顶端和控制棒的顶端连接在顶盖上，并且顶盖能够与核反应堆的容器连接。上述的核反应堆的堆芯，通过模块安装装置的一次安装操作就能够实现多个燃料棒和控制棒的安装，令装料速度显著增加，提升了装卸效率，并且使用体积更小的顶盖、底座和容置结构，令堆芯的结构得到了简化。

Description

一种核反应堆的堆芯

技术领域

本发明涉及核反应堆技术领域，特别涉及一种核反应堆的堆芯。

背景技术

小型模块化核反应堆以其安全性能高、运行灵活、适应性强、用途广等优势，逐渐受到各国的广泛关注。小型模块化核反应堆中的小型铅基反应堆是一种具有固有安全性、采用液态铅基合金作为冷却剂的超小型可移动式先进核能系统。相对于传统大型核反应堆，小型铅基反应堆采用模块化设计和建造，可以在建造厂进行模块化组装，大大缩短建设周期，有效降低建设成本。

小型铅基反应堆在建造时要求反应堆的体积尽可能小，但是，目前的小型铅基反应堆的堆芯都是由燃料组件、堆内构件、堆芯围筒等结构构成，此种结构的堆芯不仅结构较为复杂、体积较大，而且堆内装卸换料的操作较为繁琐，影响了小型铅基反应堆的工作效果。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种核反应堆的堆芯，其能够实现模块化装卸，提升了装卸效率，且结构更为简单、体积小，有利于小型铅基反应堆工作效果的提升。

为了达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种核反应堆的堆芯，包括燃料棒、控制棒和模块安装装置，所述模块安装装置能够实现多个所述燃料棒、多个所述控制棒与所述核反应堆的模块化装卸，所述模块安装装置包括：

用于容置所述燃料棒和所述控制棒的容置结构；

位于所述容置结构的底部，并与所述容置结构连接的底座，所述燃料棒的底端和所述控制棒的底端连接在所述底座上；

位于所述容置结构的顶部，并与所述容置结构连接的顶盖，所述燃料棒的顶端和所述控制棒的顶端连接在所述顶盖上，并且所述顶盖能够与所述核反应堆的容器连接。

优选的，上述核反应堆的堆芯中，所述燃料棒包括：

与所述顶盖连接的顶端连接段；

与所述底座连接的底端连接段；

位于所述顶端连接段和所述底端连接段之间的中间活性段。

优选的，上述核反应堆的堆芯中，所述顶盖的顶壁上开设有安装孔，所述顶端连接段穿过所述安装孔，并通过顶端连接机构与所述安装孔的配合实现与所述顶盖的连接。

优选的，上述核反应堆的堆芯中，所述顶端连接机构包括：

设置在所述顶端连接段上，并能够沿所述燃料棒的径向伸缩的卡块；

优选的，上述核反应堆的堆芯中，所述底座上设置有凹槽结构，所述底端连接段伸入到所述凹槽结构中，并通过底端连接机构与所述凹槽结构的配合实现与所述底座的连接。

优选的，上述核反应堆的堆芯中，所述底端连接机构包括：

设置在所述底端连接段上，并凸出所述底端连接段侧壁的凸块；

开设在所述凹槽结构的侧壁上，允许所述凸块随所述底端连接段进入到所述凹槽结构中的滑槽；

开设在所述凹槽结构的侧壁上，与所述滑槽连通，并能够阻挡所述凸块从所述凹槽结构中脱出的卡槽；

连接在所述凹槽结构的底壁上，能够向所述凹槽结构的开口方向对所述底端连接段施加弹力的弹簧。

优选的，上述核反应堆的堆芯中，其特征在于，所述容置结构包括：

与所述顶盖和所述底座连接的圆筒状外壳；

设置在所述外壳的内腔中，并与所述外壳的轴线平行的多个圆管，每个所述圆管能够容纳一个所述燃料棒或一个所述控制棒；

设置在所述外壳的内腔中，并位于所述圆管顶部的顶部孔板，所述顶部孔板与全部所述圆管的顶部开口密封连接，且所述顶部孔板上开设有多个通孔，所述通孔与所述圆管的顶部开口一对一连通；

设置在所述外壳的内腔中，并位于所述圆管底部的底部孔板，所述底部孔板与全部所述圆管的底部开口密封连接，且所述底部孔板上开设有多个通孔，所述通孔与所述圆管的底部开口一对一连通。

优选的，上述核反应堆的堆芯中，所述外壳、所述圆管、所述顶部孔板和所述底部孔板围成的密闭腔室中填充有慢化剂。

优选的，上述核反应堆的堆芯中，所述慢化剂为金属铍、石墨、氢化锆、氢化钇中的一种或多种的组合，并且所述慢化剂的填充高度大于所述燃料棒的中间活性段的长度。

本发明提供的核反应堆的堆芯，在进行装料时，可以先将多个燃料棒和控制棒安装到模块安装装置上，然后再将模块安装装置装入到核反应堆的容器中，从而通过一次安装操作就能够实现多个燃料棒和控制棒的安装，即实现了多个燃料棒和多个控制棒向核反应堆中的模块化装卸，令装料速度显著增加，提升了装卸效率，并且使用体积更小的顶盖、底座和容置结构取代现有的燃料组件、堆内构件、堆芯围筒等结构，令堆芯的结构得到了简化，有利于小型铅基反应堆工作效果的提升。

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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的核反应堆的堆芯的结构示意图；

图2为燃料棒与底端连接机构配合的结构示意图；

图3为顶盖的结构示意图；

图4为图3中顶盖上通孔的放大图；

图5为容置结构的结构示意图。

在图1-图5中：

1-燃料棒，2-控制棒，3-容置结构，4-底座，5-顶盖，6-安装孔，7-卡块，8-凹槽结构，9-凸块，10-滑槽，11-卡槽，12-弹簧；

101-顶端连接段，102-底端连接段，103-中间活性段，301-外壳，302-圆管，303-顶部孔板，304-底部孔板，305-通孔。

具体实施方式

本发明提供了一种核反应堆的堆芯，其能够实现模块化装卸，提升了装卸效率，且结构更为简单、体积小，有利于小型铅基反应堆工作效果的提升。

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做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-图5所示，本发明实施例提供的核反应堆的堆芯，主要用于小型模块化液态铅基合金冷却反应堆，并主要包括多个燃料棒1、多个控制棒2和模块安装装置，此模块安装装置用于燃料棒1和控制棒2的模块化装卸，该模块化装卸指的是通过对模块安装装置在核反应堆容器中进行一次安装或一次拆卸，就可以同时实现多个燃料棒1和多个控制棒2的安装或拆卸。模块安装装置主要包括容置结构3、底座4和顶盖5，其中，容置结构3用于容置燃料棒1和控制棒2，底座4位于容置结构3的底部，并与容置结构3连接，用于对容置结构3进行支撑，并且燃料棒1的底端和控制棒2的底端连接在底座4上，顶盖5位于容置结构3的顶部，并与容置结构3连接，燃料棒1的顶端和控制棒2的顶端连接在顶盖5上，并且顶盖5能够与核反应堆的容器连接，优选的，顶盖5上开设有螺栓孔，穿过该螺栓孔的螺栓能够与核反应堆容器盖体上的法兰连接，从而实现整个模块安装装置在核反应堆容器中的安装。还优选的，容置结构3、底座4和顶盖5通过焊接的方式连接。具体在进行操作时，可以在核反应堆外，先将控制棒2和部分燃料棒1预装在模块安装装置上，以保持次临界状态，待燃料棒1装载到一定数量后，再将模块安装装置(即堆芯)放置到核反应堆的容器中，并与容器的盖体相连，从而将模块安装装置整体安装至核反应堆中，之后再安装剩余燃料棒1，直到达到核反应堆临界。这种装料过程在保证反应性(控制棒2主要用于控制堆芯的反应性)足够安全的前提下，加快了核反应堆的装料速度，同时令堆芯的结构也得到了简化。

在上述结构中，优选燃料棒1包括：与顶盖5连接的顶端连接段101；与底座4连接的底端连接段102；位于顶端连接段101和底端连接段102之间的中间活性段103，如图2所示。此种结构的燃料棒1在满足核反应堆工作要求的前提下，还能够通过顶端连接段101和底端连接段102分别与底座4和顶盖5更好的连接，令本实施例提供的堆芯的工作效果和工作性能更加突出。

顶盖5的顶壁上开设有安装孔6，顶端连接段101穿过安装孔6，并通过顶端连接机构与安装孔6的配合实现与所述顶盖5的连接，如图1-图4所示。燃料棒1和控制棒2的顶端与顶盖5的连接方式可以有多种选择，本实施例中优选轴孔配合的连接方式，能够进一步提高连接稳定性，同时也便于对轴、孔等结构进行加工。具体的，安装孔6为呈矩阵分布的多个，每个燃料棒1或控制棒2能够伸入到一个安装孔6中以与安装孔6实现配合。

进一步的，如图1和图2所示，优选顶端连接机构包括：设置在顶端连接段101上，沿燃料棒1的径向卡块7。当顶端连接段101伸入到安装孔6中以后，设置在顶端连接段101上的卡块7，能够与安装孔6的侧壁抵接，从而实现燃料棒1的径向固定。优选的，为了提高连接效果，令卡块7为围绕顶端连接段101周向分布的多个，更加优选的，令卡块7为三个，且相邻卡块7之间的间隔角度为120度。

具体的，如图2所示，底座4上设置有凹槽结构8，底端连接段102伸入到凹槽结构8中，并通过底端连接机构与凹槽结构8的配合实现与底座4的连接。底端连接机构包括：设置在底端连接段102上，并凸出底端连接段102侧壁的凸块9；开设在凹槽结构8的侧壁上，允许凸块9随底端连接段102进入到凹槽结构8中的滑槽10；开设在凹槽结构8的侧壁上，与滑槽10连通，并能够阻挡凸块9从凹槽结构8中脱出的卡槽11；连接在凹槽结构8的底壁上，能够向凹槽结构8的开口方向对底端连接段102施加弹力的弹簧12。采用此种结构，当燃料棒1的底端连接段102需要伸入到凹槽结构8中时，令凸块9与滑槽10对正，并随着燃料棒1向凹槽结构8中的伸入，令凸块9在滑槽10中滑动，直至底端连接段102的端部压缩弹簧12，此时凸块9滑动至滑槽10的底端，然后周向旋转燃料棒1，使得凸块9能够从滑槽10中转动至卡槽11中，之后燃料棒1在弹簧12的弹力作用下具有上移趋势，而卡槽11对凸块9形成阻挡，从而通过弹簧12和卡槽11的配合将凸块9卡紧在卡槽11中，进而实现燃料棒1底端与底座4的连接。堆芯在入堆前，燃料棒1的底端连接段102在弹簧12的压紧力作用下，固定在卡槽11中，当堆芯安装到核反应堆的容器中后，燃料棒1依靠铅基冷却剂产生的浮力，固定在卡槽11中，以确保燃料棒1轴向固定的可靠性。这种固定方式既保证每个燃料棒1的有效固定，又能够保证每个燃料棒1的独立操作，可以实现燃料棒1的逐一安装，从而更有利于核反应堆的首次装料过程中的反应性控制。进一步优选的，凸块9为两个，并关于燃料棒1的轴线对称设置。

具体的，凸块9、滑槽10和卡槽11均为多个，并且凸块9、滑槽10和卡槽11一对一设置。

如图5所示，本实施例中的容置结构3优选包括：与顶盖5和底座4连接的圆筒状外壳301；设置在外壳301的内腔中，并与外壳301的轴线平行的多个圆管302，每个圆管302能够容纳一个燃料棒1或一个控制棒2；设置在外壳301的内腔中，并位于圆管302顶部的顶部孔板303，顶部孔板303与全部圆管302的顶部开口的边缘密封连接，且顶部孔板303上开设有多个通孔305，此通孔305与圆管302的顶部开口一对一连通，以使燃料棒1或控制棒2能够插入到圆管302中；设置在外壳301的内腔中，并位于圆管302底部的底部孔板304，底部孔板304与全部圆管302的底部开口的边缘密封连接，且底部孔板304上开设有多个通孔305，通孔305与圆管302的底部开口一对一连通，以使燃料棒1或控制棒2能够插入到凹槽结构8中。在此结构中，外壳301为整个模块安装装置的部分壳体，圆管302用于容置燃料棒1，主要是用于容置燃料棒1的中间活性段103，多个圆管302成矩阵式排布，而顶部孔板303和底部孔板304在起到支撑圆管302作用的同时，还与外壳301的内壁、圆管302的外壁围成密闭的腔室。圆管302还可按照其他特定的排布方式进行布置，例如以三角形、圆形等方式进行布置。

此外，外壳301、圆管302、顶部孔板303和底部孔板304围成的密闭腔室中填充有慢化剂。该慢化剂优选为金属铍、石墨、氢化锆、氢化钇中的一种或多种的组合，并且慢化剂的填充高度大于燃料棒1的中间活性段103的长度。具体的，外壳301、圆管302、顶部孔板303和底部孔板304采用TIG焊接的方式形成密闭空间。在核反应堆装卸料时，通过模块安装装置能够在打开盖体时一次性将模块化的堆芯提出，实现模块化换料；燃料棒1的固定方式解决了燃料棒1的固定问题，同时还可单独操作每个燃料棒1，有利于控制首次装料的临界安全；堆芯的流量分配可以通过调整圆管302的内径实现；密闭空间内部填充的氢化锆慢化剂，可以有效降低中子能量，提高核反应堆的反应性，降低燃料装料量，实现了堆芯的小型化。

综上，实施例提供的核反应堆的堆芯，具有以下优点：

采用模块化的堆芯设计，取消了燃料组件、堆内构件、围筒等结构，极大地简化了堆芯的结构设计，并且可以实现核反应堆堆芯的模块化装卸。

采用顶端连接机构和底端连接机构相配合的固定方式，既可保证每个燃料棒1的单独固定，又可实现每个燃料棒1的逐一安装，有利于确保核反应堆首次装料的安全性。

采用模块化的堆芯设计，可在保证反应性足够安全的前提下，加快核反应堆的装料速度。

本说明书中对各部分结构采用递进的方式描述，每个部分的结构重点说明的都是与现有结构的不同之处，堆芯的整体及部分结构可通过组合上述多个部分的结构而得到。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (9)

1.一种核反应堆的堆芯，其特征在于，包括燃料棒、控制棒和模块安装装置，所述模块安装装置能够实现多个所述燃料棒、多个所述控制棒与所述核反应堆的模块化装卸，所述模块安装装置包括：

用于容置所述燃料棒和所述控制棒的容置结构；

位于所述容置结构的底部，并与所述容置结构连接的底座，所述燃料棒的底端和所述控制棒的底端连接在所述底座上；

位于所述容置结构的顶部，并与所述容置结构连接的顶盖，所述燃料棒的顶端和所述控制棒的顶端连接在所述顶盖上，并且所述顶盖能够与所述核反应堆的容器连接。

2.根据权利要求1所述的核反应堆的堆芯，其特征在于，所述燃料棒包括：

与所述顶盖连接的顶端连接段；

与所述底座连接的底端连接段；

位于所述顶端连接段和所述底端连接段之间的中间活性段。

3.根据权利要求2所述的核反应堆的堆芯，其特征在于，所述顶盖的顶壁上开设有安装孔，所述顶端连接段穿过所述安装孔，并通过顶端连接机构与所述安装孔的配合实现与所述顶盖的连接。

4.根据权利要求3所述的核反应堆的堆芯，其特征在于，所述顶端连接机构包括：

设置在所述顶端连接段上，并能够沿所述燃料棒的径向伸缩的卡块。

5.根据权利要求2所述的核反应堆的堆芯，其特征在于，所述底座上设置有凹槽结构，所述底端连接段伸入到所述凹槽结构中，并通过底端连接机构与所述凹槽结构的配合实现与所述底座的连接。

6.根据权利要求5所述的核反应堆的堆芯，其特征在于，所述底端连接机构包括：

设置在所述底端连接段上，并凸出所述底端连接段侧壁的凸块；

开设在所述凹槽结构的侧壁上，允许所述凸块随所述底端连接段进入到所述凹槽结构中的滑槽；

开设在所述凹槽结构的侧壁上，与所述滑槽连通，并能够阻挡所述凸块从所述凹槽结构中脱出的卡槽；

连接在所述凹槽结构的底壁上，能够向所述凹槽结构的开口方向对所述底端连接段施加弹力的弹簧。

7.根据权利要求1-6中任意一项所述的核反应堆的堆芯，其特征在于，所述容置结构包括：

与所述顶盖和所述底座连接的圆筒状外壳；

设置在所述外壳的内腔中，并与所述外壳的轴线平行的多个圆管，每个所述圆管能够容纳一个所述燃料棒或一个所述控制棒；

设置在所述外壳的内腔中，并位于所述圆管顶部的顶部孔板，所述顶部孔板与全部所述圆管的顶部开口密封连接，且所述顶部孔板上开设有多个通孔，所述通孔与所述圆管的顶部开口一对一连通；

设置在所述外壳的内腔中，并位于所述圆管底部的底部孔板，所述底部孔板与全部所述圆管的底部开口密封连接，且所述底部孔板上开设有多个通孔，所述通孔与所述圆管的底部开口一对一连通。

8.根据权利要求7所述的核反应堆的堆芯，其特征在于，所述外壳、所述圆管、所述顶部孔板和所述底部孔板围成的密闭腔室中填充有慢化剂。

9.根据权利要求8所述的核反应堆的堆芯，其特征在于，所述慢化剂为金属铍、石墨、氢化锆、氢化钇中的一种或多种的组合，并且所述慢化剂的填充高度大于所述燃料棒的中间活性段的长度。