CN109712724B - 一种双堆芯零功率装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种双堆芯零功率装置，包括：水堆，包括第一燃料元件、第一堆芯、第一控制棒系统及水回路系统，第一堆芯为池式结构，与第一控制棒系统及水回路系统连接，第一燃料元件用于第一堆芯内的核燃料，第一控制棒系统用于控制第一堆芯进行零功率实验，水回路系统用于为第一堆芯供应去离子水；铅堆，包括第一燃料元件、第二燃料元件、第二堆芯、第二控制棒系统及安全块系统，第二堆芯与第二控制棒系统及安全块系统连接，第一燃料元件及第二燃料元件用于第二堆芯内的核燃料，第二控制棒系统和安全块系统用于控制第二堆芯进行零功率实验。该装置具有固有安全性、堆芯装载灵活可变性、操作便利、稳定可靠、测量准确、重复性好等特点。

Description

一种双堆芯零功率装置

技术领域

本发明涉及核辐射领域，尤其涉及一种双堆芯零功率装置。

背景技术

加速器驱动的次临界系统(ADS嬗变系统)是利用加速器产生的高能离子轰击散裂靶产生高通量、高能量中子驱动次临界堆芯运行，达到嬗变长寿命高放核废料成为短寿命低放核废料，同时减小体积的目的，对于解决“核废料安全处置”问题具有重要意义，目前国际上尚未有ADS嬗变系统工程化应用的先例。ADS零功率装置是开展ADS嬗变系统工程化研究的前提基础，将为高功率ADS工程建设获取大量自主的ADS堆物理与堆靶耦合特性的关键实验数据。

ADS反应堆的核心由散裂靶和金属冷却反应堆堆芯耦合构成，是具有强外源的次临界系统，堆芯内的中子分布呈强各向异性，而且散裂靶是非稳态、强非均匀的。尽管人们对临界反应堆的物理特性与反应性影响已经取得了深入的认识，建立了完善的计算分析手段和测量方法。但对于ADS这种时空上非均匀、方向上强各向异性、高能中子场的靶与堆耦合系统，临界反应堆物理理论是否适用，堆物理计算模型是否合理，计算程序与核数据是否可靠，反应性监测手段是否有效等，都需要实验验证数据的检验。尤其是散裂靶的结构、材料、大小、产额、能谱等特性直接影响着与之耦合在一起的反应堆的性能，关系到中子输运模型、热工水力模型、反应性反馈模型的耦合建立。因此，ADS反应堆的设计方法、程序和数据库以及靶对反应堆的影响和耦合特性的验证实验是亟需首先开展的，以建立能适应ADS中子强各向异性、冷却剂铅铋合金的散裂反应、大尺寸堆芯等复杂环境的散裂靶设计方法，并保证方法的高精度、高效率。

发明内容

(一)要解决的技术问题

针对现有的技术问题，本发明提出一种双堆芯零功率装置，用于解决ADS系统中临界反应堆物理理论是否适用，堆物理计算模型是否合理，计算程序与核数据是否可靠，反应性监测手段是否有效等问题

(二)技术方案

本发明提出一种双堆芯零功率装置，包括：水堆，包括第一燃料元件1、第一堆芯、第一控制棒系统及水回路系统，其中，第一堆芯为池式结构，用于进行零功率实验，分别与第一控制棒系统及水回路系统连接，第一燃料元件位于第一堆芯内部，用作核燃料，第一控制棒系统用于控制第一堆芯进行零功率实验，水回路系统用于为第一堆芯供应去离子水，作为零功率实验的反射层；铅堆，包括第一燃料元件1、第二燃料元件21、第二堆芯、第二控制棒系统及安全块系统，其中，第二堆芯用于进行零功率实验，分别与第二控制棒系统及安全块系统，第一燃料元件及第二燃料元件第二堆芯内，用作核燃料，第二控制棒系统用于控制第二堆芯进行零功率实验，安全块系统用于对零功率实验进行停堆；其中，水堆与铅堆相互独立运行，开展零功率实验。

可选地，第一堆芯包括堆芯容器2、堆芯围座3、下栅格板4、上栅格板5、顶盖6及中子源区7；其中，堆芯围座3、下栅格板4、上栅格板5及中子源区7位于堆芯容器2内部，下栅格板4、上栅格板5通过至少三根连接杆8连接后固定在堆芯围座3上，第一燃料元件两端分别固定在下栅格板4和上栅格板5上，顶盖6位于堆芯容器2上。

可选地，第二堆芯包括中子源区22、金属铍23、铅24、聚乙烯25、堆芯支撑板26及石墨反射层27；其中，中子源区22、金属铍23、铅24、聚乙烯25位于堆芯支撑板26上，聚乙烯25位于铅24的外围和金属铍23的外围，金属铍23位于铅24的正上方，石墨反射层27位于聚乙烯25外围。

可选地，第一控制棒系统至少包括两套第一安全棒系统及至少两套第一调节棒系统，第二控制棒系统至少包括两套第二安全棒系统及至少两套第二调节棒系统。

可选地，第一安全棒系统包括第一安全棒12及第一安全棒驱动机构10，第二安全棒系统包括第二安全棒30及第二安全棒驱动机构31，第一安全棒驱动结机构10驱动第一安全棒12落至第一堆芯，停止水堆进行的零功率实验；第二安全棒驱动结机构31驱动第二安全棒30落至第二堆芯，停止铅堆进行的零功率实验。

可选地，第一调节棒系统包括第一调节棒13及第一调节棒驱动机构11，第二调节棒系统包括第二调节棒32及第二调节棒驱动机构33，第一调节棒驱动机构11用于驱动第一调节棒13对水堆进行的零功率实验进行调节，第二调节棒驱动机构33用于驱动第二调节棒32对铅堆进行的零功率实验进行调节。

可选地，第一安全棒12快速落至第一堆芯的时间及第二安全棒30快速落至第二堆芯的时间小于1s。

可选地，第一燃料元件1为圆柱状，其富集度为3％至20％，直径为4mm至12mm，长度为400mm-780mm。

可选地，第二燃料元件21为圆柱状，其富集度为20％至90％，直径为9mm至16mm，长度为400mm-780mm。

可选地，安全块系统由安全块34和安全块驱动机构35组成，安全块驱动机构35用于在零功率实验异常情况下，驱动安全块34快速落至第二堆芯，停止铅堆的零功率实验。

(三)有益效果

本发明提出一种双堆芯零功率装置，该装置堆芯结构紧凑、具有固有安全性、堆芯装载灵活可变性、操作便利、稳定可靠、测量准确、重复性好等特点。堆内构件结构复杂，材料多种，在“双堆芯”上能够开展多项零功率物理实验，包括燃料元件的反应性价值、控制棒价值、反射层的反应性价值、k_eff与k_s测量、不同外源的中子能谱测量和中子通量分布测量、瞬发中子衰减常数、相对核反应率测量，中子吸收体的反应性价值、不同次临界度下的停堆动态特性、正负反应性引入的动态行为特性、靶区的反应性价值等。获得了大批有价值的物理实验数据，填补了铅基快中子系列临界实验数据的空白。

附图说明

图1是本发明实施例的双堆芯零功率装置的水堆堆芯结构示意图。

图2是本发明实施例的双堆芯零功率装置的铅堆堆芯结构示意图。

【附图标记】

1-第一燃料元件

2-堆芯容器

3-堆芯围座

4-下栅格板

5-上栅格板

6-顶盖

7-第一中子源区

8-连接杆

9-底板

10-第一安全棒驱动机构

11-第一调节棒驱动机构

12-第一安全棒

13-第一调节棒

14-第一操作平台

15-水泵

16-进水管

17-排水管

18-电磁阀

19-储水箱

20-第一支撑立柱

21-第二燃料元件

22-第二中子源区

23-金属铍

24-铅

25-聚乙烯

26-堆芯支撑板

27-石墨反射层

28-顶板

29-第二操作平台

30-第二安全棒

31-第二安全棒驱动机构

32-第二调节棒

33-第二调节棒驱动机构

34-安全块

35-安全块驱动机构

36-第二支撑立柱

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

本发明提出一种双堆芯零功率装置。针对ADS特有的重金属散裂靶与次临界反应堆的耦合特性，以及靶和缓冲区对反应堆的影响，进行验证实验研究，检验靶的设计方法、程序和数据库，以及靶对堆的影响和耦合特性。以原有重水零功率堆为基础，进行针对性的技术改造，在实验装置堆芯增加靶和缓冲区结构，在实验装置内部设置专门的中子源区，利用多种中子源模拟ADS散裂源，设计构建快谱的以铅为工作介质的铅堆堆芯，使其具备ADS散裂靶原理验证实验的要求。针对ADS的安全控制特点，设计与改造实验装置的安全控制保护系统与核测量设备。完成靶与堆耦合的物理特性实验研究，完成靶与缓冲区结构、材料、大小等对堆的反应性影响效应实验研究。针对ADS运行特点，掌握反应性监督与测量方法与技术，并建立相应的系统与设备，完成相关特性参数的测量实验。通过对实验数据的综合分析与评价，达到实验验证散裂靶与缓冲区设计方法、计算数值模型、计算程序、关键核数据等适用性与有效性的目的。

图1是本发明实施例的双堆芯零功率装置的水堆堆芯结构示意图，图2是本发明实施例的双堆芯零功率装置的铅堆堆芯结构示意图。如图1-2所示，该双堆芯零功率装置包括水堆和铅堆。

水堆，包括第一燃料元件1、堆芯、第一控制棒系统、水回路系统等。

第一燃料元件1为圆柱状，采用富集度3％至20％的燃料元件，直径为4mm至12mm，长度为400mm-780mm，优选地，采用富集度20％的燃料元件作为核燃料，外直径7mm，总长639mm。

堆芯，总体采用池式布置，由堆芯容器2、堆芯围座3、下栅格板4、上栅格板5、顶盖6、中子源区7等结构部分组成。上栅格板5和下栅格板4通过至少三根(四根)连接杆8连接在一起，经过调整后固定在堆芯围座上3，堆芯围座3与底板9焊接牢固。第一燃料元件1穿过上栅格5，插入到下栅格板4的定位孔内，上栅格板5起导向作用，下栅格板4起支撑第一燃料元件1的作用。堆芯容器2整体固定在第一操作平台14上，第一操作平台14与反应堆大厅地面采用第一支撑立柱20进行固定。

第一控制棒系统，包括两套结构和功能完全相同的第一安全棒系统和两套结构和功能完全相同的两套第一调节棒系统，第一安全棒系统是水堆的安全停堆部件，能够在出现异常情况下实现快速停堆的功能，并且要求快速落棒时间小于1s；第一调节棒系统用于调节反应性。第一安全棒系统包括第一安全棒12和第一安全棒驱动机构10，第一调节棒系统包括第一调节棒13和第一调节棒驱动机构11。第一安全棒驱动机构10和第一调节棒驱动机构11均匀布置在顶盖6上，第一安全棒12和第一调节棒13能在其驱动机构的带动下，做进出堆芯的上下运动。

水回路系统用于实现在开展实验研究前，向堆芯容器2内定量加入去离子水，作为反射层用，同时，水回路系统作为辅助停堆措施，要求具有断电排水功能，能够在系统意外断电时，实现快速排水的功能。水回路系统由水泵15、进水管16、排水管17、电磁阀18、储水箱19等组成。实验前，通过开启水泵15，将储存在储水箱19内的去离子水，沿着进水管16注入到堆芯容器2里；实验结束后，打开布置在第二操作平台14下面的电磁阀18，将堆芯容器2内的去离子水沿着排水管17，排放至布置在地面的储水箱19中。

铅堆，包括第一燃料元件1、第二燃料元件21、第二堆芯、第二控制棒系统及安全块系统。

第二燃料元件21为圆柱状，采用富集度20％至90％的燃料元件，直径为9mm至16mm，长度为400mm-780mm，优选地，采用富集度90％的燃料元件作为核燃料，外直径10mm，总长630mm。

第二堆芯由第二中子源区22、金属铍23、铅24、聚乙烯25、堆芯支撑板26、石墨反射层27等组成。其中，第二中子源区22是外直径65mm，壁厚5mm的不锈钢筒，位于铅堆正中心位置，用于放置实验样品及散裂靶等。金属铍23的外直径211mm，高191.5mm，上面开有能插入第二燃料元件21的通孔，用于作铅堆的上反射层。铅24是外直径400mm，高428.5mm，上面开有能插入第一燃料元件1和第二燃料元件21的通孔。聚乙烯25位于铅25的外围和金属铍23的外围，作慢化剂用。金属铍23位于铅24的正上方。第二中子源区22、金属铍23、铅24、聚乙烯25组合后，坐落在堆芯支撑板26上。聚乙烯25的外围是石墨反射层27，固定在第二操作平台29上。第二操作平台29与反应堆大厅地面采用多根第二支撑立柱36进行固定。

第二控制棒系统，包括两套结构和功能完全相同的第二安全棒系统和两套结构和功能完全相同的两套第二调节棒系统，第二安全棒系统是铅堆的安全停堆部件，能够在出现异常情况下实现快速停堆的功能，并且要求快速落棒时间小于1s；第二调节棒系统用于调节反应性。第二安全棒系统包括第二安全棒30和第二安全棒驱动机构31，第二调节棒系统包括第二调节棒32和第二调节棒驱动机构33。第二安全棒驱动机构31和第二调节棒驱动机构33均匀布置在顶板28上，第二安全棒30和第二调节棒32能在其驱动机构的带动下，做进出堆芯的上下运动。

为确保该装置的运行安全，采用多种控制手段，安全块系统也作为铅堆的停堆部件，位于堆芯支撑板26的正下方，由可活动的安全块34和安全块驱动机构35组成。当系统遇到意外断电或实验装置出现异常情况下，安全块34能够在1秒钟内快速掉出铅堆堆芯，实现停堆，从而保证实验装置的安全。

“双堆芯”(水堆和铅堆)一次性布置好，但不同时开展实验，通过切换控制台上的“水堆/铅堆”功能按钮完成两个堆芯的控制保护系统切换。两个堆芯不能同时运行。

在水堆上开展实验时，选中控制台上的“水堆”按钮。把中子源打入堆芯的第一中子源区7，通过开启水泵15把储水箱19里的水加入到堆芯容器)里，通过液位计控制水位高度。两根第一安全棒用于保障事故发生时能够安全停堆，两根第一调节棒用于调节反应性。实验结束时，通过开启电磁阀18，把堆芯容器2里的水排放至储水箱19里。根据开展实验的要求，在堆芯容器2内可装载不同数量的第一燃料元件1。

在铅堆上开展实验时，选中控制台上的“铅堆”按钮，把中子源打入堆芯的第二中子源区22，根据开展实验要求，在堆芯内装载不同数量的第一燃料元件1和第二燃料元件21。

其中，第一安全棒12及第二安全棒30与第一调节棒13及第二调节棒32，在实验过程中的行程不一样，且结构也不一样。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种双堆芯零功率装置，其特征在于，包括：

水堆，包括第一燃料元件(1)、第一堆芯、第一控制棒系统及水回路系统，其中，所述第一堆芯为池式结构，用于进行零功率实验，分别与所述第一控制棒系统及水回路系统连接，所述第一燃料元件位于所述第一堆芯内部，用作核燃料，所述第一控制棒系统用于控制所述第一堆芯进行零功率实验，所述水回路系统用于为所述第一堆芯供应去离子水，作为所述第一堆芯开展零功率实验的反射层；

铅堆，包括第一燃料元件(1)、第二燃料元件(21)、第二堆芯、第二控制棒系统及安全块系统，其中，所述第二堆芯用于进行零功率实验，分别与所述第二控制棒系统及安全块系统连接，所述第一燃料元件及第二燃料元件位于所述第二堆芯内，用作核燃料，所述第二控制棒系统用于控制所述第二堆芯进行零功率实验，所述安全块系统用于对所述第二堆芯开展零功率实验时进行停堆；

其中，所述水堆与所述铅堆相互独立，通过切换控制台上的功能按钮完成两个堆芯的控制保护系统切换；

所述第一堆芯包括堆芯容器(2)，所述堆芯容器(2)整体固定在第一操作平台(14)上，所述第一操作平台(14)与反应堆大厅地面采用第一支撑立柱(20)进行固定；

所述水回路系统包括：水泵(15)、进水管(16)、排水管(17)、电磁阀(18)、储水箱(19)，所述水泵(15)、所述电磁阀(18)、所述储水箱(19)设于所述第一操作平台(14)下方；

所述水回路系统设置为：在系统意外断电时进行排水；

所述第二堆芯固定在第二操作平台(29)上，所述第二操作平台(29)与反应堆大厅地面采用第二支撑立柱(36)进行固定；

所述安全块系统部分设置在所述第二操作平台(29)下方，所述安全块系统由可活动的安全块(34)和安全块驱动机构(35)组成，所述安全块驱动机构(35)用于驱动所述可活动的安全块(34)掉出所述第二堆芯以实现停堆，所述可活动的安全块(34)还设置为，在系统意外断电或实验装置出现异常情况下，快速掉出所述第二堆芯以实现紧急停堆。

2.根据权利要求1所述的双堆芯零功率装置，其特征在于，所述第一堆芯还包括堆芯围座(3)、下栅格板(4)、上栅格板(5)、顶盖(6)及中子源区(7)；

其中，所述堆芯围座(3)、下栅格板(4)、上栅格板(5)及中子源区(7)位于所述堆芯容器(2)内部，所述下栅格板(4)、上栅格板(5)通过至少三根连接杆(8)连接后固定在所述堆芯围座(3)上，所述第一燃料元件穿过上栅格板(5)后固定在所述下栅格板(4)上，所述顶盖(6)位于所述堆芯容器(2)上。

3.根据权利要求1所述的双堆芯零功率装置，其特征在于，所述第二堆芯包括中子源区(22)、金属铍(23)、铅(24)、聚乙烯(25)、堆芯支撑板(26)及石墨反射层(27)；

其中，所述中子源区(22)、金属铍(23)、铅(24)、聚乙烯(25)位于所述堆芯支撑板(26)上，所述聚乙烯(25)位于所述铅(24)的外围和金属铍(23)的外围，所述金属铍(23)位于所述铅(24)的正上方，所述石墨反射层(27)位于所述聚乙烯(25)外围。

4.根据权利要求1所述的双堆芯零功率装置，其特征在于，所述第一控制棒系统包括至少两套第一安全棒系统及至少两套第一调节棒系统，所述第二控制棒系统包括至少两套第二安全棒系统及至少两套第二调节棒系统。

5.根据权利要求4所述的双堆芯零功率装置，其特征在于，所述第一安全棒系统包括第一安全棒(12)及第一安全棒驱动机构(10)，所述第二安全棒系统包括第二安全棒(30)及第二安全棒驱动机构(31)；

所述第一安全棒驱动结机构(10)驱动所述第一安全棒(12)落至所述第一堆芯，停止所述水堆进行的零功率实验；所述第二安全棒驱动结机构(31)驱动所述第二安全棒(30)落至所述第二堆芯，停止所述铅堆进行的零功率实验。

6.根据权利要求4所述的双堆芯零功率装置，其特征在于，所述第一调节棒系统包括第一调节棒(13)及第一调节棒驱动机构(11)，所述第二调节棒系统包括第二调节棒(32)及第二调节棒驱动机构(33)；

所述第一调节棒驱动机构(11)用于驱动所述第一调节棒(13)对所述水堆的反应性进行调节，所述第二调节棒驱动机构(33)用于驱动所述第二调节棒(32)对所述铅堆的反应性进行调节。

7.根据权利要求5所述的双堆芯零功率装置，其特征在于，所述第一安全棒(12)落至所述第一堆芯的时间及所述第二安全棒(30)落至所述第二堆芯的时间均小于1s。

8.根据权利要求1所述的双堆芯零功率装置，其特征在于，所述第一燃料元件(1)为圆柱状，其富集度为3％至20％，直径为4mm至12mm，长度为400mm-780mm。

9.根据权利要求1所述的双堆芯零功率装置，其特征在于，所述第二燃料元件(21)为圆柱状，其富集度为20％至90％，直径为9mm至16mm，长度为400mm-780mm。

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