CN109559835A - 一种六角形加速器驱动次临界反应堆燃料组件及其设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种六角形加速器驱动次临界反应堆燃料组件及其设计方法，该组件包括底座，呈六角形，顶面排列有若干供燃料棒安装的底座单元；一个底座单元位于底座的中心，其余底座单元围绕位于中心底座单元一周呈圆环状阵列，相邻底座单元之间间距相等；外壳，包括六棱柱状套筒，横截面与底座的形状相适配，且底部安装在底座上；内套，包括六棱柱状套筒，位于外壳内并与外壳之间具有间隙，且内套底部也安装在底座上；若干燃料棒，每根燃料棒均包括一筒状包壳和位于包壳内由燃料制成的芯棒，每个包壳的底部均安装在一个底座单元上，燃料棒的数量与底座单元的数量相同。用于解决中子性能不高的问题，获得经济性和中子性能双高的技术效果。

Description

一种六角形加速器驱动次临界反应堆燃料组件及其设计方法
技术领域
本发明涉及核工程技术领域，尤其是一种六角形加速器驱动次临界反应堆燃料组件及其设计方法。
背景技术
随着我国经济的快速增长，能源需求尤其是核能需求急剧增加，带动了我国压水堆核电站装机容量的快速增长，核废料的积累量由此快速增加，核废料处理问题，尤其是乏燃料中次錒系核素的处理问题一直是世界性的难题。为解决该难题，国际上提出了先进闭式燃料循环即分离-嬗变(PT)战略，其中，加速器驱动次临界系统(Accelerator DrivenSub-critical System，ADS)是嬗变核废料、产出能量的理想装置，具有良好的资源、环境等效益，美国、欧盟、日本、俄罗斯、韩国以及我国都对之开展了中长期路线规划和前期基础研究。
燃料组件作为反应堆的核心部件，在公开号为CN 201310011086.3的中国专利文献中，中国科学院合肥物质科学研究院公开了一种液态重金属冷却反应堆用燃料组件及固定方法，具体就液态重金属冷却反应堆用开展了燃料组件的结构和固定方法设计，通过采用圆形套管和管脚定位架的方法克服液态重金属冷却剂的浮力；在公开号为CN201310195644.3的中国专利文献中，中国科学院合肥物质科学研究院公开了一种液态重金属冷却反应堆燃料组件，具体针对燃料系统和用于固定燃料组件的配重系统开展了结构设计；在公开号为CN 201510067562.2的中国专利文献中，中国科学院合肥物质科学研究院公开了一种铅合金冷却剂零功率反应堆燃料组件，具体针对组件外壳、固态铅合金片和燃料元件棒进行了结构设计。
上述这些已公开的技术以及国际上ADS反应堆的相关燃料组件均未对燃料组件的燃料棒的棒数开展设计分析工作。在各项约束指标既定的情况下，现有的燃料组件因燃料棒的数量不佳从而导致中子的性能以及燃料组件的经济性均不高。
发明内容
本发明提供一种六角形加速器驱动次临界反应堆燃料组件及其设计方法，用于克服现有技术中燃料组件的中子性能不高等缺陷，根据反应堆物理原理设计约束指标，以确定加速器驱动次临界反应堆燃料组件的最佳燃料棒棒数，获得经济性和中子性能双高的技术效果。
为实现上述目的，本发明提出一种六角形加速器驱动次临界反应堆燃料组件设计方法，包括：
步骤1，根据燃料棒布置方式获得燃料棒数N为：
其中，n为燃料棒阵列的层数；
步骤2，ADS堆芯的无限中子增殖系数k∞为常数，且随着燃料棒阵列的层数递增而逐渐增加，ADS的有效中子增殖系数keff趋于0.98时，根据反应堆物理原理，则有：
k∞>1 (2)
步骤3，在单位质量燃料的中子倍增性能表征参数FM取值最大时，获得燃料棒阵列的层数n，其中FM为：
m为燃料组件中单根燃料棒的质量。
为实现上述目的，本发明还提出一种六角形加速器驱动次临界反应堆燃料组件，至少包括：
底座，呈六角形，顶面排列有若干供燃料棒安装的底座单元；所述底座单元的大小和形状相同，其中一个所述底座单元位于所述底座的中心，其余的所述底座单元围绕位于所述底座中心的底座单元一周呈圆环状阵列，相邻的所述底座单元之间的间距均相等；
外壳，包括六棱柱状套筒，横截面与所述底座的形状相适配，且底部安装在所述底座上；
内套，包括六棱柱状套筒，位于所述外壳内并与所述外壳之间具有间隙，且所述内套的底部也安装在所述底座上；
若干燃料棒，每根所述燃料棒均包括一筒状包壳和位于所述包壳内由燃料制成的芯棒，每个所述包壳的底部均安装在一个所述底座单元上，所述燃料棒的数量与所述底座单元的数量相同，且根据所述的六角形加速器驱动次临界反应堆燃料组件设计方法获得。
与现有技术相比，本发明能够产生以下技术效果：
本发明提供的六角形加速器驱动次临界反应堆燃料组件及其设计方法，通过以中子增殖能力为指标，在保证组件较高中子增殖性能的同时提高单位质量燃料的中子增殖性能，提高燃料组件的经济性。
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示出的结构获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的六角形加速器驱动次临界反应堆燃料组件的主视图；
图2是图1的横截面示意图。
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
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的一部分实施例，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。
需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其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至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接，还可以是物理连接或无线通信连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
本发明提出一种六角形加速器驱动次临界反应堆燃料组件及其设计方法。
实施例一
本发明提供一种六角形加速器驱动次临界反应堆燃料组件设计方法，包括以下步骤：
步骤1，根据燃料棒布置方式获得燃料棒数N为：
其中，n为燃料棒阵列的层数；
对于ADS而言，其堆芯设计目前多采用三角形布置，该布置可使堆芯结构紧凑。由此，其燃料组件为六角形形式。鉴于六角形燃料组件特殊的结构形式，且不考虑外源和控制棒，则单一六角形燃料组件所含燃料棒数参见公式(1)。
优选地，在所述步骤1之前还包括：
步骤10，燃料棒采用三角形方式布置。燃料组件内部燃料棒的布置结构紧凑，燃料组件整体体积和自重较小。
优选地，所述步骤10具体包括：
步骤101，参见图2，将所述燃料组件从中心向外，依次划分为活性区1、组件壁区2和组件间隙区3；
步骤102，在活性区中，将一根燃料棒4布置在组件中心，其余燃料棒以此为中心向周围按三角形排列，且相邻的燃料棒4彼此间距保持一致。
优选地，所述步骤102包括：
步骤102a，在活性区1内，以活性区1中心点P为中心构建第中心正六边形区10；
步骤102b，以中心正六边形区10的边为顶边在中心正六边形区10的周围构建第一层正六边形区11；
步骤102c，以第一层正六边形区11的边为顶边在所述第一层正六边形区11的周围构建第二层正六边形12；
步骤102d，重复步骤102c，直到完成设计的燃料棒阵列的层数；
步骤102e，每个正六边形区内安装一根燃料棒4，其燃料棒4的中心与正六边形区的中心重合。
采用上述的方法对燃料棒4进行布置，计算过程简单，计算量相对较小，容易获得燃料棒的布置位置，并且计算的准确性较高，满足燃料棒之间等间距的要求。
步骤2，ADS堆芯的无限中子增殖系数k∞为常数，且随着燃料棒阵列的层数递增而逐渐增加，ADS的有效中子增殖系数keff趋于0.98时，根据反应堆物理原理，则k∞满足：
k∞>1 (2)
所设计的燃料组件除燃料棒数外，其燃料芯棒参数、包壳材料、冷却剂、组件壁参数等均一致。表1列出了含不同燃料棒数的燃料组件。
表1不同燃料棒数的燃料组件
燃料组件阵列层数n 燃料棒数N k<sub>∞</sub>
1 7 0.78
2 19 0.90
3 37 0.97
4 61 1.02
5 91 1.05
6 127 1.07
7 169 1.09
8 217 1.10
9 271 1.11
步骤3，在单位质量燃料的中子倍增性能表征参数FM取值最大时，获得燃料棒阵列的层数n，其中FM为：
m为燃料组件中单根燃料棒的质量。
表2列出了六角形燃料组件的设计需要满足的条件。
表2六角形燃料组件的设计条件
表3列出了不同燃料组件的中子增殖性能。
表3六角形燃料组件的计算结果
组件燃料棒数 k<sub>∞</sub> FM
7 0.78 6.21E-04
19 0.90 2.66E-04
37 0.97 1.47E-04
61 1.02 9.34E-05
91 1.05 6.45E-05
127 1.07 4.72E-05
169 1.09 3.61E-05
217 1.10 2.84E-05
271 1.11 2.30E-05
根据六角形燃料组件的设计原则，从表3可以得出：燃料棒数目>37的燃料组件k∞>1，即满足第一条件；在这些燃料组件中，燃料棒数目61的燃料组件单位质量燃料的中子倍增性能最高，即满足第二条件。即根据本设计方法，在燃料棒阵列的层数n<10时，燃料棒数量N＝61的燃料组件为优化组件。
由上述结论，本发明所涉及的一种六角形加速器驱动次临界反应堆燃料组件的设计方法为：首先确定以该燃料组件所组成的堆芯的无限中子增殖系数k∞，选取k∞>1的燃料组件；在此基础上，以为指标选取单位质量燃料的中子倍增性能最高的燃料棒数目61的燃料组件为设计优化组件。
实施例二
请参照图1、图2，本发明提供一种六角形加速器驱动次临界反应堆燃料组件，包括:
底座100，呈六角形，顶面排列有若干供燃料棒4安装的底座单元；所述底座单元的大小和形状相同，其中一个所述底座单元位于所述底座的中心P，其余的所述底座单元围绕位于所述底座中心的底座单元一周呈圆环状阵列，相邻的所述底座单元之间的间距均相等；
外壳200，包括六棱柱状套筒，横截面与所述底座100的形状相适配，且底部安装在所述底座上；
内套(组件壁区2)，包括六棱柱状套筒，位于所述外壳200内并与所述外壳200之间具有间隙(组件间隙区3)，且所述内套的底部也安装在所述底座100上；
若干燃料棒4，每根所述燃料棒4均包括一筒状包壳6和位于所述包壳6内由燃料制成的芯棒5，每个所述包壳6的底部均安装在一个所述底座单元上，所述燃料棒4的数量与所述底座单元的数量相同，且根据任意实施例所述的六角形加速器驱动次临界反应堆燃料组件设计方法获得。
在本发明中，参见图2，燃料组件设计为六角形形状，相关布置为：从其中心向外，依次为活性区1、组件壁区2和组件间隙区3，活性区1中，一根燃料棒4布置在组件中心，其余燃料棒以之为心按三角形排列，相互之间以液态铅铋重金属冷却剂7间隔，间距一致。芯棒5使用MA和Pu作为燃料；组件壁区2采用T91钢作为结构材料；组件间隙区3采用液态铅铋作为冷却剂。
优选地，所述外壳的横截面、内套的横截面均呈正六边形，所述燃料棒数量为61根。无限中子增殖系数和单位质量燃料的中子倍增性能最佳，六角形加速器驱动次临界反应堆燃料组件设计燃料棒数目设计更合理，经济性和中子性能更高，具有理论上和经济上的优势。
优选地，所述底座上设置有网格状格栅，每个所述网格(相当于一个正六边形区)呈正六边形，每个所述网格内设置一个所述底座单元；所有相邻的所述燃料棒中心点之间连线，形成以等边三角形为单元的网状结构；每根芯棒均采用MA和Pu作为燃料，且燃料参数均一致。计算过程简单，计算量相对较小，容易获得燃料棒布置的准确位置，并且计算的准确性较高，满足燃料棒之间等间距的要求。
优选地，在轴向上，参见图1，为了防止芯棒5射线泄露，每根所述燃料棒中，所述芯棒位于所述包壳的中间位置，每根所述燃料棒4还包括：
屏蔽件，包括两段由屏蔽材料制成的屏蔽棒9，两段所述屏蔽棒9分别位于所述包壳6内的两端位置；屏蔽棒9使用碳化硼作为屏蔽材料；
反射件，包括两段由反射材料制成的反射棒8，两段所述反射棒8分别位于所述包壳6内屏蔽棒9与芯棒5之间。反射棒8采用液态铅铋和不锈钢作为反射材料。
优选地，所述外壳200由金属材料制成，所述内套、包壳6及反射棒8材质均采用T91钢，所述屏蔽棒9采用碳化硼材质，所述外壳200与内套之间的间隙以及包壳6之间均填充有液态铅铋作为冷却剂。T91钢辐照性能良好，工业应用广泛；碳化硼屏蔽吸收性能优良；液体铅铋热工、中子学性能良好，适宜作为ADS及四代铅冷快堆冷却剂。
下面结合实例对本发明的技术方案作进一步解释。
如图1、图2所示，一种以k∞>1和为双指标的六角形加速器驱动次临界反应堆燃料组件，从其中心向外依次为活性区1、组件壁区2和组件间隙区3。组件栅距15.4cm，组件壁厚0.6cm，组件间隙厚0.8cm，组件总高度260cm。
活性区1：发生裂变反应释放能量区域，形状为六角形，栅距13.4cm，轴向高度100cm，位于组件内部，共包含61根燃料棒，每根燃料棒参数均一致。
组件壁区2：采用T91钢作为材料，壁厚0.6cm，轴向高度260cm。
组件间隙区3：厚度0.8cm，高度260cm，主体材料为液态铅铋。
燃料棒4：包括燃料芯块5和燃料棒包壳6，半径0.385cm，轴向高度100cm。
燃料芯块5：半径0.285cm，轴向高度100cm，采用MA和Pu作为燃料，每根燃料棒所含燃料芯块参数均一致。
燃料棒包壳6：外径0.385cm，内径0.285cm，包壳厚度0.1cm，轴向高度260cm，采用T91钢作为材料，每根燃料棒所含燃料棒包壳参数均一致。
液态铅铋重金属冷却剂7：位于组件内部每根燃料棒之间，燃料棒相互间距为1cm，轴向高度260cm，其中填充冷却剂，材料采用液态铅铋。
反射棒8：位于组件内部每根燃料棒的燃料芯块上、下两端，半径0.385cm，厚度上、下各40cm，反射主体材料为T91不锈钢。
屏蔽棒9：位于组件内部反射棒8的上、下两外端，半径0.385cm，厚度上、下各40cm，屏蔽棒9的上、下两端屏蔽主体材料为碳化硼。
在本发明提供的一种六角形加速器驱动次临界反应堆燃料组件的设计方法，燃料组件数目采用k∞>1和k∞/N/m为指标进行优化，得到一个高中子倍增性能的六角形加速器驱动次临界反应堆燃料组件。相比于国际上的其他六角形加速器驱动次临界反应堆燃料组件设计(均为对组件结构进行设计，不涉及采用数学方法对组件的燃料棒数目进行设计)，本发明采用数学方法，根据反应堆物理，以无限中子增殖系数和单位质量燃料的中子倍增性能为双指标所设计优化的六角形加速器驱动次临界反应堆燃料组件设计燃料棒数目设计更合理，经济性和中子性能更高，具有理论上和经济上的优势。
以上所述仅为本发明的优选的实施例而已，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)

1.一种六角形加速器驱动次临界反应堆燃料组件设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，根据燃料棒布置方式获得燃料棒数N为：
其中，n为燃料棒阵列的层数；
步骤2，ADS堆芯的无限中子增殖系数k∞为常数，且随着燃料棒阵列的层数递增而逐渐增加，ADS的有效中子增殖系数keff趋于0.98时，根据反应堆物理原理，则有：
k∞>1 (2)
步骤3，在单位质量燃料的中子倍增性能表征参数FM取值最大时，获得燃料棒阵列的层数n，其中FM为：
m为燃料组件中单根燃料棒的质量。
2.根据权利要求1所述的六角形加速器驱动次临界反应堆燃料组件设计方法，其特征在于，在燃料棒阵列的层数n<10时，燃料棒数量N＝61。
3.根据权利要求1或2所述的六角形加速器驱动次临界反应堆燃料组件设计方法，其特征在于，在所述步骤1之前还包括：
步骤10，燃料棒采用三角形排列方式布置。
4.根据权利要求3所述的六角形加速器驱动次临界反应堆燃料组件设计方法，其特征在于，所述步骤10具体包括：
步骤101，将所述燃料组件从中心向外，依次划分为活性区、组件壁区和组件间隙区；
步骤102，在活性区中，将一根燃料棒布置在组件中心，其余燃料棒以此为中心向周围按三角形排列，且相邻的燃料棒彼此间距保持一致。
5.根据权利要求4所述的六角形加速器驱动次临界反应堆燃料组件设计方法，其特征在于，所述步骤102包括：
步骤102a，在活性区内，以活性区中心点为中心构建正六边形区；
步骤102b，以所述正六边形区的边为顶边在该正六边形区的周围构建第一层正六边形区；
步骤102c，以第一层正六边形区的边为顶边在所述第一层正六边形区的周围构建第二层正六边形；
步骤102d，重复步骤102c，直到完成设计的燃料棒阵列的层数；
步骤102e，每个正六边形区内安装一根燃料棒，其燃料棒的中心与正六边形区的中心重合。
6.一种六角形加速器驱动次临界反应堆燃料组件，其特征在于，至少包括：
底座，呈六角形，顶面排列有若干供燃料棒安装的底座单元；所述底座单元的大小和形状相同，其中一个所述底座单元位于所述底座的中心，其余的所述底座单元围绕位于所述底座中心的底座单元一周呈圆环状阵列，相邻的所述底座单元之间的间距均相等；
外壳，包括六棱柱状套筒，横截面与所述底座的形状相适配，且底部安装在所述底座上；
内套，包括六棱柱状套筒，位于所述外壳内并与所述外壳之间具有间隙，且所述内套的底部也安装在所述底座上；
若干燃料棒，每根所述燃料棒均包括一筒状包壳和位于所述包壳内由燃料制成的芯棒，每个所述包壳的底部均安装在一个所述底座单元上，所述燃料棒的数量与所述底座单元的数量相同，且根据权利要求1～5任一项所述的六角形加速器驱动次临界反应堆燃料组件设计方法获得。
7.根据权利要求1所述的六角形加速器驱动次临界反应堆燃料组件，其特征在于，所述外壳的横截面、内套的横截面均呈正六边形，所述燃料棒数量为61根。
8.根据权利要求7所述的六角形加速器驱动次临界反应堆燃料组件，其特征在于，所述底座上设置有网格状格栅，每个所述网格呈正六边形，每个所述网格内设置一个所述底座单元；
所有相邻的所述燃料棒中心点之间连线，形成以等边三角形为单元的网状结构；
每根芯棒均采用MA和Pu作为燃料，且燃料参数均一致。
9.根据权利要求6所述的六角形加速器驱动次临界反应堆燃料组件，其特征在于，每根所述燃料棒中，所述芯棒位于所述包壳的中间位置，每根所述燃料棒还包括：
屏蔽件，包括两段由屏蔽材料制成的屏蔽棒，两段所述屏蔽棒分别位于所述包壳内的两端位置；
反射件，包括两段由反射材料制成的反射棒，两段所述反射棒分别位于所述包壳内屏蔽棒与芯棒之间。
10.根据权利要求6～9任一项所述的六角形加速器驱动次临界反应堆燃料组件，其特征在于，所述外壳由金属材料制成，所述内套、包壳及反射棒材质均采用T91钢，所述屏蔽棒采用碳化硼材质，所述外壳与内套之间的间隙以及包壳之间均填充有液态铅铋作为冷却剂。
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