CN110289109A - 液态氯化盐冷却的类似蜂窝煤型燃料组件及采用该组件的堆芯 - Google Patents

液态氯化盐冷却的类似蜂窝煤型燃料组件及采用该组件的堆芯 Download PDF

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Abstract

一种液态氯化盐冷却的类似蜂窝煤型燃料组件及采用该组件的堆芯，燃料组件采用类似蜂窝煤型的结构，冷却剂采用液态NaCl‑KCl‑MgCl2三相氯化盐混合物，燃料采用富集度19.75％或16.0％的U3Si2，燃料组件由上下贯通并横向连通的冷却剂通道管及内部的冷却剂、燃料区、上下反射层、上部空腔和上下封头构成；反射层组件(屏蔽层组件)采用类似蜂窝煤型的结构，由上下贯通的冷却剂管道管及内部的冷却剂、钛反射体(含天然富集度10B的B4C屏蔽体)和上下封头构成；控制组件以及安全组件采用由含天然富集度10B的B4C作为吸收体的棒束型结构；本发明提出的堆芯设计方案可在不换料条件下满功率运行10年，堆芯体积重量满足车载或船舶运输限制要求，可用于偏远地区供电或供热。

Description

液态氯化盐冷却的类似蜂窝煤型燃料组件及采用该组件的 堆芯
技术领域
本发明属于核反应堆工程技术领域，具体涉及一种液态氯化盐冷却的类似蜂窝煤型燃料组件及采用该组件的小型反应堆堆芯。
背景技术
小型模块化反应堆(SMRs)具有非常大的市场潜力，预计到2035年，SMRs的市场规模将达到约65-85GWe。液态NaCl-KCl-MgCl2三相氯化盐作为一种新型的冷却剂，具有以下的优点：透明、熔点相对较低(396℃)、沸点高(约1400℃)、密度较低、粘性较低、比热容高、辐照条件下稳定、与反应堆材料相容性好、中子慢化作用弱、热膨胀系数低、化学惰性高。采用NaCl-KCl-MgCl2液态三相氯化盐作为冷却剂，用于SMRs设计，有利于实现紧凑、轻质反应堆的设计，便于实现SMRs的运输、安全运行和部署。
发明内容
本发明提供了一种液态氯化盐冷却的类似蜂窝煤型燃料组件及采用该组件的小型反应堆堆芯，堆芯额定热功率40MW，在不换料下可满功率运行10年，可通过车载或船舶运输。
为了实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：
一种液态氯化盐冷却的类似蜂窝煤型燃料组件，燃料组件结构包括燃料组件盒8，燃料组件盒8内上下贯通并横向连通的、呈三角形栅格排布的燃料冷却剂通道管束9及内部的燃料冷却剂5，燃料冷却剂通道管束9通过在其上开通孔使得燃料冷却剂5横向连通；燃料组件盒8内、燃料冷却剂通道管9外侧的部分由底部到顶部包括：燃料下封头7、燃料下反射层6、燃料区4、燃料组件气腔3、燃料上反射层2和燃料上封头1；所述燃料冷却剂5采用液态NaCl-KCl-MgCl2三相氯化盐混合物。
所述燃料冷却剂通道管束9的数目为37根。
所述燃料区4采用富集度为19.75％或16.0％的U3Si2作为燃料；所述燃料上反射层2和燃料下反射层6的材料采用钛；所述燃料上封头1、燃料下封头7、燃料组件盒8和燃料冷却剂通道管束9的材料采用哈氏合金。
一种液态氯化盐冷却的小型反应堆堆芯，堆芯布置了内区燃料组件12、外区燃料组件13、控制组件10、安全组件11、反射层组件14以及屏蔽层组件15；所述内区燃料组件12和外区燃料组件13采用所述的液态氯化盐冷却的类似蜂窝煤型燃料组件，内区燃料组件12采用富集度16.0％的U3Si2作为燃料、外区燃料组件13采用富集度19.75％的U3Si2作为燃料，通过分区布置展平堆芯径向功率分布；所述堆芯按三角形栅格布置各类组件，堆芯中心第1圈至第4圈共布置31个内区燃料组件12；第3圈对称、均匀相间布置3个控制组件10和3个安全组件11；第5圈至第7圈布置54个外区燃料组件13；第5圈对称、均匀相间布置12个控制组件10；第7圈至第8圈布置42个反射层组件14；第8圈至第9圈布置48个屏蔽层组件15；所述堆芯内放置的各种组件之间留有堆芯冷却剂间隙，所述堆芯冷却剂采用液态NaCl-KCl-MgCl2三相氯化盐混合物。
所述反射层组件14采用类似蜂窝煤型的结构，由反射层组件盒16-1、上下贯通的反射层冷却剂管道19-1及内部的反射层冷却剂18-1、钛反射体17-1、反射层上封头20-1和反射层下封头21-1构成，钛反射体17-1填充于反射层冷却剂管道外、反射层组件盒16-1内的空间内，反射层上封头20-1和反射层下封头21-1分别设置在钛反射体17-1顶部和底部；屏蔽层组件15采用与反射层组件14相同的结构，由屏蔽层组件盒16-2、上下贯通的屏蔽层冷却剂管道19-2及内部的屏蔽层冷却剂18-2、含天然富集度10B的B4C屏蔽体17-2、屏蔽层上封头20-2和屏蔽层下封头21-2构成。
所述反射层冷却剂管道19-1和屏蔽层冷却剂管道19-2的数目为19根。
所述控制组件10以及安全组件11采用由含天然富集度10B的B4C作为吸收体的棒束型结构；控制组件10和安全组件11结构相同，材料成分相同；控制组件10和安全组件11内均包含组件盒22，均布在组件盒22内的七根吸收体棒24及吸收体棒包壳25，填充于吸收体棒包壳25外、组件盒22内空间中的冷却剂23；吸收体棒24从底部到顶部的结构包括：下反射层29、B4C吸收体24、气腔28和上反射层27，控制组件10和安全组件11的顶部和底部分别设置上封头26和下封头30。
所述吸收体棒24的数目为7根。
所述堆芯常压运行，所述堆芯冷却剂额定进口温度496℃，冷却剂额定出口温度为596℃。
本发明和现有技术相比，具有如下优点：
1、本发明采用液态NaCl-KCl-MgCl2三相氯化盐混合物作为冷却剂，具有介质透明、密度低、沸点高、耐辐照、化学惰性高等优点，相比传统液态金属冷却反应堆，介质透明的特点便于反应堆的监管和维护；密度低的特点使得反应堆的重量较低、便于运输；化学惰性高和耐辐照的特点使其反应堆设计具有良好的安全性，可简化反应堆安全设施，降低成本。
2、本发明采用类似蜂窝煤型的燃料组件，冷却剂通道上下贯通并横向连通，取消了传统的组件定位格架和定位绕丝，使得组件的燃料体积占比提高，降低冷却剂含量，同时冷却剂通道间保持横向连通，避免局部冷却剂通道堵塞导致局部燃料温度过高，防止发生冷却剂管道熔化甚至燃料熔化事故。
3、堆芯燃料区布置两种燃料富集度不同的燃料组件，可有效展平堆芯径向功率分布。
4、反射层采用密度低、抗腐蚀能力强、随中子能谱变硬而中子反照率降低的金属钛，可显著降低冷却剂正空泡反应性。
5、在堆芯整个寿期，冷却剂温度始终低于850℃，对冷却剂通道管和结构材料的腐蚀作用较弱，燃料中心最高温度低于1400℃，包壳和结构材料的快中子注量低于3.3E+23n/cm2。
本发明通过采用液态NaCl-KCl-MgCl2三相氯化盐混合物作为冷却剂，显著降低反应堆的重量，使其便于通过车载或船舶运输，在不换料的条件下，堆芯可满功率运行10年。
附图说明
图1是蜂窝煤型组件空隙部分轴向分层示意图。
图2是图1沿A-A处横截面示意图。
图3是图1沿B-B处横截面示意图。
图4是堆芯横截面示意图。
图5是反射层组件横截面示意图。
图6是反射层组件空隙部分轴向分层示意图。
图7是屏蔽层组件横截面示意图。
图8是屏蔽层组件空隙部分轴向分层示意图。
图9是控制组件横截面示意图。
图10是控制组件活性区高度横截面示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明结构进行详细说明。
如图1所示，本发明一种液态氯化盐冷却的类似蜂窝煤型燃料组件，燃料组件结构包括燃料组件盒8，燃料组件盒8内上下贯通并横向连通的、呈三角形栅格排布的燃料冷却剂通道管束9及内部的燃料冷却剂5，燃料冷却剂通道管束9通过在其上开通孔使得燃料冷却剂5横向连通；燃料组件盒8内、燃料冷却剂通道管9外侧的部分由底部到顶部包括：燃料下封头7、燃料下反射层6、燃料区4、燃料组件气腔3、燃料上反射层2和燃料上封头1；燃料上下封头高度均为5cm，燃料下反射层高度为20cm，燃料组件活性区高度为70cm，燃料组件气腔3高度为60cm，燃料上反射层2高度为10cm。
如图2和图3所示，采用液态NaCl-KCl-MgCl2三相氯化盐混合物作为燃料冷却剂5；冷却剂通道由上下贯通并横向连通、呈三角形栅格排布的燃料冷却剂通道管束9构成；燃料冷却剂通道管束9为37根；燃料组件的中心距为12cm；燃料组件间的间隙厚度为0.4cm；燃料组件盒8厚度为0.3cm；冷却剂管道外直径为0.95cm；冷却剂管道厚度为0.035cm；冷却剂管道栅距为1.76cm。
作为本发明的优选实施方式，燃料区4采用富集度为16.0％或19.75％的U3Si2。
作为本发明的优选实施方式，燃料上反射层2和燃料下反射层6材料采用金属钛，燃料上封头1和燃料下封头7以及燃料冷却剂通道管束9的材料采用哈氏合金。
如图4所示，一种液态氯化盐冷却的小型反应堆堆芯，堆芯布置了内区燃料组件12、外区燃料组件13、控制组件10、安全组件11、反射层组件14以及屏蔽层组件15；所述内区燃料组件12和外区燃料组件13即采用所述的液态氯化盐冷却的类似蜂窝煤型燃料组件，内区燃料组件12采用富集度16.0％的U3Si2作为燃料、外区燃料组件13采用富集度19.75％的U3Si2作为燃料，通过分区布置展平堆芯径向功率分布；所述堆芯按三角形栅格布置各类组件，堆芯中心第1圈至第4圈共布置31个内区燃料组件12；第3圈对称、均匀相间布置3个控制组件10和3个安全组件11；第5圈至第7圈布置54个外区燃料组件13；第5圈对称、均匀相间布置12个控制组件10；第7圈至第8圈布置42个反射层组件14；第8圈至第9圈布置48个屏蔽层组件15。
如图5和图6所示，反射层组件14采用类似蜂窝煤型的结构，由反射层组件盒16-1、上下贯通的反射层冷却剂管道19-1及内部的反射层冷却剂18-1、钛反射体17-1、反射层上封头20-1和反射层下封头21-1构成，钛反射体17-1填充于反射层冷却剂管道外、反射层组件盒16-1内的空间内，反射层上封头20-1和反射层下封头21-1分别设置在钛反射体17-1顶部和底部；反射层上封头20-1和反射层下封头21-1高度均为5cm，钛反射体17-1高度为60cm；反射层冷却剂管道19-1外直径为0.868cm，反射层冷却剂管道19-1栅距为2.464cm，反射层冷却剂管道19-1厚度为0.035cm，反射层冷却剂管道19-1为19根。
如图7和图8所示，屏蔽层组件15采用与反射层组件14相同的结构，由屏蔽层组件盒16-2、上下贯通的屏蔽层冷却剂管道19-2及内部的屏蔽层冷却剂18-2、含天然富集度10B的B4C屏蔽体17-2、屏蔽层上封头20-2和屏蔽层下封头21-2构成；屏蔽层上封头20-2和屏蔽层下封头21-2高度均为5cm，含天然富集度10B的B4C屏蔽体17-2高度为60cm；屏蔽层冷却剂管道19-2外直径为0.868cm，屏蔽层冷却剂管道19-2栅距为2.464cm，屏蔽层冷却剂管道19-2厚度为0.035cm，屏蔽层冷却剂管道19-2为19根。
如图9和图10所示，所述控制组件10以及安全组件11采用由含天然富集度10B的B4C作为吸收体的棒束型结构；控制组件10和安全组件11结构相同，材料成分相同；控制组件10和安全组件11内均包含组件盒22，均布在组件盒22内的七根吸收体棒24及吸收体棒包壳25，填充于吸收体棒包壳25外、组件盒22内空间中的冷却剂23；吸收体棒24从底部到顶部的结构包括：下反射层29、B4C吸收体24、气腔28和上反射层27，控制组件10和安全组件11的顶部和底部分别设置上封头26和下封头30；上下封头高度均为5cm，下反射层29高度为20cm，B4C吸收体24高度为70cm，气腔28高度为60cm，上反射层27高度为10cm；控制组件中心距为12cm；吸收体棒24外直径为1.267cm，吸收体棒包壳25厚度为0.035cm，吸收体棒24数目为7根，吸收体棒24气隙厚度为0.052cm。
本发明一种液态氯化盐冷却的小型反应堆堆芯，堆芯额定热功率40MW，在不换料下可满功率运行10年，可通过车载或船舶运输。堆芯采用液态氯化盐冷却的类似蜂窝煤型燃料组件，堆芯径向分两区布置两种燃料组件，堆芯在运行寿期内满足热工限值，该堆芯具有堆芯体积小、重量轻、可实现车载、长寿命、安全性高的特点。

Claims (9)

1.一种液态氯化盐冷却的类似蜂窝煤型燃料组件，特征在于：燃料组件结构包括燃料组件盒(8)，燃料组件盒(8)内上下贯通并横向连通的、呈三角形栅格排布的燃料冷却剂通道管束(9)及内部的燃料冷却剂(5)，燃料冷却剂通道管束(9)通过在其上开通孔使得燃料冷却剂(5)横向连通；燃料组件盒(8)内、燃料冷却剂通道管(9)外侧的部分由底部到顶部包括：燃料下封头(7)、燃料下反射层(6)、燃料区(4)、燃料组件气腔(3)、燃料上反射层(2)和燃料上封头(1)；
所述燃料冷却剂(5)采用液态NaCl-KCl-MgCl2三相氯化盐混合物。
2.根据权利要求1所述的液态氯化盐冷却的类似蜂窝煤型燃料组件，其特征在于：所述燃料冷却剂通道管束(9)的数目为37根。
3.根据权利要求1所述的液态氯化盐冷却的类似蜂窝煤型燃料组件，其特征在于：所述燃料区(4)采用富集度为19.75％或16.0％的U3Si2作为燃料；所述燃料上反射层(2)和燃料下反射层(6)的材料采用钛；所述燃料上封头(1)、燃料下封头(7)、燃料组件盒(8)和燃料冷却剂通道管束(9)的材料采用哈氏合金。
4.一种液态氯化盐冷却的小型反应堆堆芯，其特征在于：堆芯布置了内区燃料组件(12)、外区燃料组件(13)、控制组件(10)、安全组件(11)、反射层组件(14)以及屏蔽层组件(15)；其特征在于，所述内区燃料组件(12)和外区燃料组件(13)即采用权利要求1所述的液态氯化盐冷却的类似蜂窝煤型燃料组件，内区燃料组件(12)采用富集度16.0％的U3Si2作为燃料、外区燃料组件(13)采用富集度19.75％的U3Si2作为燃料，通过分区布置展平堆芯径向功率分布；所述堆芯按三角形栅格布置各类组件，堆芯中心第1圈至第4圈共布置31个内区燃料组件(12)；第3圈对称、均匀相间布置3个控制组件(10)和3个安全组件(11)；第5圈至第7圈布置54个外区燃料组件(13)；第5圈对称、均匀相间布置12个控制组件(10)；第7圈至第8圈布置42个反射层组件(14)；第8圈至第9圈布置48个屏蔽层组件(15)；所述堆芯内放置的各种组件之间留有堆芯冷却剂间隙，所述堆芯冷却剂采用液态NaCl-KCl-MgCl2三相氯化盐混合物。
5.根据权利要求4所述的一种液态氯化盐冷却的小型反应堆堆芯，其特征在于：反射层组件(14)采用类似蜂窝煤型的结构，由反射层组件盒(16-1)、上下贯通的反射层冷却剂管道(19-1)及内部的反射层冷却剂(18-1)、钛反射体(17-1)、反射层上封头(20-1)和反射层下封头(21-1)构成，钛反射体(17-1)填充于反射层冷却剂管道外、反射层组件盒(16-1)内的空间内，反射层上封头(20-1)和反射层下封头(21-1)分别设置在钛反射体(17-1)顶部和底部；屏蔽层组件(15)采用与反射层组件(14)相同的结构，由屏蔽层组件盒(16-2)、上下贯通的屏蔽层冷却剂管道(19-2)及内部的屏蔽层冷却剂(18-2)、含天然富集度10B的B4C屏蔽体(17-2)、屏蔽层上封头(20-2)和屏蔽层下封头(21-2)构成。
6.根据权利要求5所述的一种液态氯化盐冷却的小型反应堆堆芯，其特征在于：所述反射层冷却剂管道(19-1)和屏蔽层冷却剂管道(19-2)的数目为19根。
7.根据权利要求4所述的一种液态氯化盐冷却的小型反应堆堆芯，其特征在于：控制组件(10)以及安全组件(11)采用由含天然富集度10B的B4C作为吸收体的棒束型结构；控制组件(10)和安全组件(11)结构相同，材料成分相同；控制组件(10)和安全组件(11)内均包含组件盒(22)，均布在组件盒(22)内的七根吸收体棒(24)及吸收体棒包壳(25)，填充于吸收体棒包壳(25)外、组件盒(22)内空间中的冷却剂(23)；吸收体棒(24)从底部到顶部的结构包括：下反射层(29)、B4C吸收体(24)、气腔(28)和上反射层(27)，控制组件(10)和安全组件(11)的顶部和底部分别设置上封头(26)和下封头(30)。
8.根据权利要求7所述的一种液态氯化盐冷却的小型反应堆堆芯，其特征在于：所述吸收体棒(24)的数目为7根。
9.根据权利要求4所述的一种液态氯化盐冷却的小型反应堆堆芯，其特征在于：所述堆芯常压运行，所述堆芯冷却剂额定进口温度496℃，冷却剂额定出口温度为596℃。
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