CN110706829B - 一种径向功率展平的一体化紧凑型堆芯 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种径向功率展平的一体化紧凑型堆芯，包括：一体化燃料、冷却剂流道单元和反射层，反射层同轴包裹在一体化燃料外周，一体化燃料为一体成型的柱形燃料，用于裂变输出功率，反射层用于将一体化燃料泄漏出来的中子反射回一体化燃料；一体化燃料上开设内部充满冷却剂的冷却剂流道单元，包括位于一体化燃料中心的中心冷却剂流道以及以中心冷却剂流道为中心沿一体化燃料径向分布的两层以上冷却剂流道组，每层冷却剂流道组呈正多边形分布，从中心向外层沿径向截取单位面积的一体化燃料中的冷却剂逐渐减小；中心冷却剂流道沿一体化燃料的轴向，外层冷却剂流道与一体化燃料的轴向平行；其中，冷却剂用于带走一体化燃料裂变产生的热量。

Description

一种径向功率展平的一体化紧凑型堆芯
技术领域
本发明涉及核反应堆堆芯设计技术领域，具体涉及一种径向功率展平的一体化紧凑型堆芯。
背景技术
由于反应堆堆芯中心区域的中子通量密度较高，堆芯边缘区域的中子通量密度较低，使得堆芯中心区域产生的热量多，边缘区域产生的热量少，导致堆芯的功率分布不均匀，功率峰因子很大，限制了反应堆的整体输出功率，影响了反应堆的安全性和经济性，因此需要对反应堆进行功率展平。
如图1所示，现有技术中能够实现功率展平的反应堆堆芯由燃料组件3及冷却剂1等组成，每个燃料组件3由多根燃料棒2等间距呈矩形阵列排布，燃料棒2由实心的燃料芯块包覆在包壳中。燃料组件3通过反应堆堆芯下部支撑结构固定在反应堆压力容器4内。反应堆运行时，冷却剂1从燃料棒2包壳的外表面流过，将燃料芯块产生的热量带出堆芯。为了克服功率分布的不均匀，通常采用两种方式进行功率展平：第一种方式为调整各个区域的燃料富集度，即在反应堆堆芯中心区域布置燃料富集度较低的燃料组件3，在反应堆堆芯外围区域布置燃料富集度较高的燃料组件3；第二种方式为在反应堆堆芯中心区域布置可燃毒物，通过这两种方式中的一种以上，从而使反应堆堆芯的中子通量密度分布趋于平缓，降低功率峰因子。
现有技术中这种燃料棒堆芯存在的问题是：燃料棒包壳等占用堆芯的份额较大，不利于减小堆芯尺寸，影响反应堆的小型化和轻量化。同时，燃料分区布置和可燃毒物设计，增加了反应堆设计和制造的复杂性以及制造成本。而空间核动力等特殊应用场景对反应堆堆芯的体积和重量有严格的要求，更适合一体化燃料设计。
通过燃料一体化设计，可以减少冷却剂和结构材料的份额，提高核燃料的份额，有利于堆芯小型化，但仍需要进行功率展平。由于采用了一体化燃料方案，而非现有技术中离散化的燃料棒，现有技术中通过调整燃料富集度或者布置可燃毒物等功率展平方法不适用，需要寻求新的功率展平方法。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种径向功率展平的一体化紧凑型堆芯，结构简单、成本低，通过冷却剂的非均匀排布，能够保证堆芯内功率展平效果好、布局紧凑，有利于反应堆堆芯的小型化和轻量化。
本发明的技术方案为：一种径向功率展平的一体化紧凑型堆芯，包括：一体化燃料、冷却剂流道单元和反射层，所述反射层同轴包裹在一体化燃料外周，所述一体化燃料为一体成型的柱形燃料，用于裂变产生热量，从而输出功率，所述反射层用于将一体化燃料泄漏出来的中子反射回一体化燃料；
所述一体化燃料上开设内部充满冷却剂的冷却剂流道单元，所述冷却剂流道单元包括位于所述一体化燃料中心的中心冷却剂流道以及以中心冷却剂流道为中心沿一体化燃料径向分布的两层以上冷却剂流道组，每层冷却剂流道组包括三个以上呈正多边形分布的外层冷却剂流道，从中心向外层沿径向截取单位面积的一体化燃料中的冷却剂逐渐减小；所述中心冷却剂流道沿一体化燃料的轴向，外层冷却剂流道与一体化燃料的轴向平行。
作为一种优选方案，每层所述冷却剂流道组为相同的正多边形，所述中心冷却剂流道和外层冷却剂流道均采用圆管状通道，同一层冷却剂流道组中的外层冷却剂流道的内径相等，中心冷却剂流道与其相邻层冷却剂流道组之间以及相邻两层冷却剂流道组之间间距相等；所述中心冷却剂流道的内径最大，外层冷却剂流道的内径从中心向外递减。
作为一种优选方案，每层所述冷却剂流道组为相同的正多边形，所述中心冷却剂流道和外层冷却剂流道均采用圆管状通道且内径均相同；
中心冷却剂流道和冷却剂流道组在一体化燃料上从中心向外层沿径向间距逐层增加。
作为一种优选方案，所述一体化燃料包括以下易裂变同位素中的一种以上：233U、235U、239Pu和241Pu。
作为一种优选方案，所述中心冷却剂流道和外层冷却剂流道内的冷却剂为水或液态金属或气体。
有益效果：
(1)本发明的径向功率展平的一体化紧凑型堆芯，通过冷却剂的非均匀排布，间接改变燃料和冷却剂的份额分布，一方面降低堆芯中心区域的产热能力，同时提高堆芯边缘区域的产热能力，另一方面提高堆芯中心区域的传热能力，能够实现功率展平效果好、布局紧凑，有利于反应堆堆芯的小型化和轻量化，提高反应堆的安全性和经济性。
附图说明
图1为现有技术中的反应堆堆芯示意图。
图2为本发明中非等直径的冷却剂流道等距离排布的堆芯示意图。
图3为本发明中等直径的冷却剂流道非等距排布的堆芯示意图。
其中，1-冷却剂，2-燃料棒，3-燃料组件，4-反应堆压力容器，5-一体化燃料，6-冷却剂流道单元，7-反射层
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
实施例1：
本实施例提供了一种径向功率展平的一体化紧凑型堆芯，结构简单、成本低，通过冷却剂的非均匀排布，能够保证堆芯内功率展平效果好、布局紧凑，有利于反应堆的小型化和轻量化。
如图2和3所示，该堆芯包括：一体化燃料5、冷却剂流道单元6和反射层7，反射层7同轴包裹在一体化燃料5外周，一体化燃料5为一体成型的柱形燃料，用于裂变产生热量，从而输出功率，其裂变后堆芯中心的功率最大，沿其径向从中心向外层功率逐渐减小；反射层7用于将一体化燃料5泄漏出来的中子反射回一体化燃料5；一体化燃料5上开设内部充满冷却剂的轴向的冷却剂流道单元6(冷却剂流道单元6的轴向与一体化燃料5的轴向平行)，包括位于一体化燃料5中心的中心冷却剂流道以及以中心冷却剂流道为中心的沿径向分布的两层以上冷却剂流道组，每层冷却剂流道组包括三个以上呈正多边形分布的外层冷却剂流道，所有外层冷却剂流道沿其所在层的冷却剂流道组的周向等间距均布置，从中心向外层沿径向截取的单位面积的一体化燃料5中的冷却剂逐渐减小，使其与一体化燃料5从中心向外层径向功率逐渐减小相对应；
其中，每层冷却剂流道组为相同的正多边形(如每层冷却剂流道组均为正六边形)，冷却剂用于带走一体化燃料5裂变产生的热量，冷却剂从中心向外层沿径向逐渐减少的分布方式用于实现堆芯内径向功率展平，实现堆芯功率的均匀分布，增加堆芯的平均功率密度，实现堆芯的紧凑性。
实施例2：
在实施例1的基础上，如图2所示，中心冷却剂流道和外层冷却剂流道均采用圆管状通道，一体化燃料5中心的中心冷却剂流道的内径最大，从中心冷却剂流道到最外层的冷却剂流道组，外层冷却剂流道的内径逐层减小，中心冷却剂流道与其相邻层冷却剂流道组之间以及相邻两层冷却剂流道组之间等距离分布，同一层冷却剂流道组中所有外层冷却剂流道的内径相等。
实施例3：
在实施例1的基础上，如图3所示，中心冷却剂流道和外层冷却剂流道均采用圆管状通道，一体化燃料5上的中心冷却剂流道和所有外层冷却剂流道的内径均相同，中心冷却剂流道和两层以上冷却剂流道组在一体化燃料5上，从中心向外层径向间距逐层增加。
实施例4：
在实施例1或2或3的基础上，一体化燃料5包括但不限于以下易裂变同位素中的一种以上：233U、235U、239Pu或241Pu。
实施例5：
在实施例1或2或3或4的基础上，冷却剂包括但不限于水或液态金属或气体等。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。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 (5)

1.一种径向功率展平的一体化紧凑型堆芯，其特征在于，包括：一体化燃料(5)、冷却剂流道单元(6)和反射层(7)，所述一体化燃料(5)为一体成型的柱形燃料，用于裂变产生热量，从而输出功率，所述反射层(7)同轴包裹在一体化燃料(5)外周，所述反射层(7)用于将一体化燃料(5)泄漏出来的中子反射回一体化燃料(5)；
所述一体化燃料(5)中开设内部充满冷却剂的冷却剂流道单元(6)，所述冷却剂流道单元(6)包括位于所述一体化燃料(5)中心的中心冷却剂流道以及以中心冷却剂流道为中心沿一体化燃料(5)径向分布的两层以上冷却剂流道组，每层冷却剂流道组包括三个以上呈正多边形分布的外层冷却剂流道，从中心向外层沿径向截取单位面积的一体化燃料(5)中的冷却剂逐渐减小；所述中心冷却剂流道沿一体化燃料(5)的轴向，外层冷却剂流道与一体化燃料的轴向平行。
2.如权利要求1所述的径向功率展平的一体化紧凑型堆芯，其特征在于，每层所述冷却剂流道组为相同的正多边形，所述中心冷却剂流道和外层冷却剂流道均采用圆管状通道，同一层冷却剂流道组中的外层冷却剂流道的内径相等，中心冷却剂流道与其相邻层冷却剂流道组之间以及相邻两层冷却剂流道组之间间距相等；所述中心冷却剂流道的内径最大，外层冷却剂流道的内径从中心向外递减。
3.如权利要求1所述的径向功率展平的一体化紧凑型堆芯，其特征在于，每层所述冷却剂流道组为相同的正多边形，所述中心冷却剂流道和外层冷却剂流道均采用圆管状通道且内径均相同；
中心冷却剂流道和冷却剂流道组在一体化燃料(5)上从中心向外层沿径向间距逐层增加。
4.如权利要求1或2或3所述的径向功率展平的一体化紧凑型堆芯，其特征在于，所述一体化燃料(5)包括以下易裂变同位素中的一种以上：233U、235U、239Pu和241Pu。
5.如权利要求1或2或3所述的径向功率展平的一体化紧凑型堆芯，其特征在于，所述中心冷却剂流道和外层冷却剂流道内的冷却剂为水或液态金属或气体。
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