CN111508621A

CN111508621A - 堆芯

Info

Publication number: CN111508621A
Application number: CN202010347988.4A
Authority: CN
Inventors: 刘兴民; 吴晓春; 柯国土; 郭春秋; 孙征; 宋仕钊; 胡彬和; 李龙; 邹佳讯; 岳芷廷; 李杨柳; 张焱; 尹皓; 孙微
Original assignee: China Institute of Atomic of Energy
Current assignee: China Institute of Atomic of Energy
Priority date: 2020-04-28
Filing date: 2020-04-28
Publication date: 2020-08-07
Anticipated expiration: 2040-04-28
Also published as: CN111508621B

Abstract

本发明的实施例提供一种堆芯，包括堆芯栅格，设置成包括彼此连接的多个单元栅格；中子源组件，设置在所述单元栅格中，提供中子以启动所述堆芯的裂变反应；燃料组件，设置在所述单元栅格中，包括：第一燃料组件，提供燃料并控制所述裂变反应速率；第二燃料组件，提供燃料并补偿所述堆芯的剩余反应性；第三燃料组件，提供燃料，其中，在所述堆芯栅格中位置相邻的多个所述第一燃料组件设置成一个控制束，并且每个所述控制束周围均设置有多个所述第二燃料组件。根据本发明实施例的堆芯具有结构简单、安全性高、适合船用的特点。

Description

堆芯

技术领域

本发明的实施例涉及核反应堆技术领域，特别是涉及一种堆芯。

背景技术

轻水反应堆是一种安全性较高、可以模块化安装的反应堆，在一些沿海地区中，还可以考虑将轻水反应堆应用于船上，从而使得反应堆可以移动，适用于实现各种不同的功能。但是受限于现有堆芯的结构，仍没有能够商业化使用的船用轻水反应堆。

现有的堆芯，其控制系统多采用控制棒、中子毒物棒等固体控制系统与液态中子毒物构成的化学控制系统结合，来完成反应性的控制，这种应用液态中子毒物的堆芯在运行过程中，特别是海上运行过程中，可能会因为意外事故导致液态中子毒物被稀释，从而带来风险。另一方面，现有的堆芯结构较为复杂，难以应用在商业化的轻水反应堆中，复杂的堆芯结构也导致的相应的轻水反应堆的结构较为复杂，难以选择合适的船只来进行装载。

发明内容

为了克服上述现有技术中的不足，本发明的目的是提供一种结构简单、安全性高、适合船用的堆芯。

根据本发明的实施例提供一种堆芯，包括堆芯栅格，设置成包括彼此连接的多个单元栅格；中子源组件，设置在所述单元栅格中，提供中子以启动所述堆芯的裂变反应；燃料组件，设置在所述单元栅格中，包括：第一燃料组件，提供燃料并控制所述裂变反应速率；第二燃料组件，提供燃料并补偿所述堆芯的剩余反应性；第三燃料组件，提供燃料，其中，在所述堆芯栅格中位置相邻的多个所述第一燃料组件设置成一个控制束，并且每个所述控制束周围均设置有多个所述第二燃料组件。

根据本发明的实施例，每个所述燃料组件设置成包括：第一管体，设置成具有圆柱形的管腔；第二管体，设置成具有圆柱形的管腔，设置在所述第一管体的管腔中并与所述第一管体同心；多个燃料件，设置在所述第一管体的管腔中，并设置成环绕所述第二管体，其中所述第一燃料组件的所述第二管体管腔中设置有吸收件，所述吸收件设置成能够沿着所述第二管体的轴向运动，吸收中子以控制裂变反应速率；所述第二燃料组件的所述第二管体管腔中设置有补偿件，补偿所述堆芯的剩余反应性；所述第三燃料组件的所述第二管体管腔空置。

根据本发明的实施例，所述吸收件的轴向长度设置成小于所述燃料件的轴向长度。

根据本发明的实施例，所述每个燃料组件还包括沿轴向设置在所述第一管体管腔中的多个限位件，用于保持所述燃料件的间距。

根据本发明的实施例，所述燃料组件设置成具有相同的燃料富集度。

根据本发明的实施例，所述单元栅格设置成六角形。

根据本发明的实施例，所述控制束设置成具有：由6个所述第一燃料组件组成的第一构型，其所在的多个所述单元栅格连接成大致空心六角状；以及由7个所述第一燃料组件组成的第二构型，其所在的多个所述单元栅格连接成大致实心六角状。

根据本发明的实施例，以一个控制束的直径为单位，所述堆芯栅格划分为多个区域，包括中心区、与中心区同心的多个环状区，以及边缘区，其中，每一个区域中的所述控制束设置成具有相同的构型，并且，每两个相邻的区域中的所述控制束设置成分别具有第一构型和第二构型。

根据本发明的实施例，所述中子源组件以及所述第三燃料组件设置在所述堆芯栅格的边缘区。

根据本发明的实施例，除中心区外，每个区域中的所述控制束划分成多个控制组，其中，每个所述控制组包括以所述堆芯栅格的中心为对称中心，呈1/3对称分布的3个所述控制束。

根据本发明的实施例，位于同一个控制组中的3个所述控制束，其所包括的全部第一燃料组件的全部吸收件设置成同步运动。

根据本发明的实施例，所述中子源组件包括：第一中子源组件，用于所述堆芯的首次启动；第二中子源组件，用于所述堆芯换料后的启动。

根据本发明的实施例，所述第一中子源组件与所述第二中子源组件分别以中心对称的形式设置在所述堆芯栅格中。

根据本发明实施例的堆芯，使用高比例分布的第一燃料组件和第二燃料组件完成了堆芯的反应性控制，并进一步展平了堆芯的功率分布、延长了堆芯的寿期，同时还通过设置控制束、控制组等，简化了堆芯的结构，使得根据本发明实施例的堆芯结构简单、安全性高、适合船用。

附图说明

图1为根据本发明实施例的堆芯栅格示意图；

图2为根据本发明实施例的燃料组件示意图；

图3为根据本发明实施例的限位件原理图；

图4为根据本发明实施例的第一构型控制束示意图；

图5为根据本发明实施例的第二构型控制束示意图；

图6为根据本发明实施例的堆芯栅格分区示意图；

图7为根据本发明实施例的堆芯各组件排列示意图；

图8为根据本发明实施例的控制组示意图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的实施例进行详细地说明。另外，在下面的详细描述中，为便于解释，阐述了许多具体的细节以提供对本披露实施例的全面理解。然而明显地，一个或多个实施例在没有这些具体细节的情况下也可以被实施。

根据本发明的实施例提供一种堆芯，包括：堆芯栅格100，设置成包括彼此连接的多个单元栅格110，图1中示出了单元栅格110设置成六角形时所组成的蜂窝状堆芯栅格100，在一些实施方式中，单元栅格也可以设置成例如正方形；中子源组件200，设置在单元栅格110中，用于堆芯裂变反应的启动；燃料组件300，设置在单元栅格110中，包括：第一燃料组件310，提供燃料的同时还可吸收裂变反应产生的中子，从而控制裂变反应的速度，上述功能可以通过在第一燃料组件310中设置中子吸收材料制成的部件来实现；第二燃料组件320，提供燃料的同时还可用于补偿堆芯的剩余反应性，保证反应堆具有负的慢化剂温度系数，并且控制功率峰值以使得堆芯内各个位置的燃料组件300功率分布更加平均，上述功能可以通过在第二燃料组件310中设置由中子毒物材料制成的部件来实现；第三燃料组件330，其未设置特殊的功能部件，起到提供燃料的作用。

堆芯栅格100中的每一个单元栅格110中均设置有一个燃料组件300或中子源组件200，在堆芯栅格100中位置相邻的多个第一燃料组件310组成一个控制束400，每个控制束400的周围均设置有多个第二燃料组件320，通过第一燃料组件310与第二燃料组件320的配合完成了堆芯的反应性控制，从而使得根据本发明实施例的堆芯无需设置液体控制系统(例如，硼溶液)，避免了由于硼溶液在海洋环境中被稀释所带来的风险，适合作为船用反应堆的堆芯。同时，相应的反应堆无需设置用于添加、稀释液体中子毒物的附加设备，使得应用本发明实施例的堆芯的船用反应堆结构得到简化。

根据本发明实施例的燃料组件300采用套管型结构，图2示出了燃料组件300的截面示意图，包括：第一管体303，设置成具有圆柱形的管腔；第二管体304，设置成具有圆柱形的管腔，设置在所述第一管体303的管腔中并与所述第一管体303同心；多个燃料件305，设置在所述第一管体303的管腔中，并设置成环绕所述第二管体304。不同类型的燃料组件300，其第二管体304中设置有不同的部件，其中，第一燃料组件310的第二管体303的管腔中设置有吸收件301，用于吸收中子以控制裂变反应速率；第二燃料组件320的所述第二管体303的管腔中设置有补偿件302，用于补偿堆芯的剩余反应性；第三燃料组件330的第二管体303的管腔空置。这种带外盒的闭式设计方式对燃料件305起到了较好的保护，能够适应燃料的搬运以及在海上的使用。另外，这种套管型结构的燃料组件300，能够设置成在堆芯的各个燃料组件300之间分配不同的冷却剂、慢化剂流量，从而提高反应堆整体功率输出能力。进一步，吸收件301设置为可以沿着第二管体304的轴向运动，从而通过相应的反应堆中的驱动机构等，可以改变吸收件301插入裂变反应活性区的位置，实现控制裂变反应速率，并在需要时进行停堆、紧急停堆等操作。

在一些实施方式中，吸收件301的轴向长度设置成略短于燃料件305的长度，即，当吸收件301完全插入第二管体304后，其下端略高于裂变反应活性区的下端，使得堆芯在轴向上的功率分布较为平均，并且吸收件301在进行控制时的动作效率得到提高。

在一些实施方式中，如图3所示，燃料组件300还包括沿轴向设置在第一管体303的管腔中的多个限位件306，用于保持燃料件305的间距，防止海上运行过程中由于晃动导致燃料件305的位置发生改变，提高堆芯的安全性。限位件306可以有多种实施方式，图3示出了限位件306的工作原理，即固定在第一管体303和/或第二管体304上(图中未示出)，并设置有能够容许燃料件305通过的开口，从而实现保持多个燃料件305之间的间距，具体的实施例中限位件可以采取格架、栅格、特制的定位板等。

进一步，在一些实施方式中，堆芯中所有的燃料组件300设置成具有相同的燃料富集度，使得堆芯在进行装料时的操作更为简单，减小装错料的几率。在一些实施方式中，堆芯采用整体换料的燃料管理方式，在堆芯寿期末更换全部的燃料组件300，从而简化堆芯的换料过程。

根据本发明实施例的堆芯中，相邻的多个第一燃料组件310组成一个控制束400，控制束400设置成具有两种不同的构型，以六角形的单元栅格110为例，图4示出了第一构型的控制束400在堆芯栅格100中的排列方式，第一构型的控制束400包括6个第一燃料组件310，其所在的多个单元栅格110连接成大致空心六角状。图5示出了第二构型的控制束400在堆芯栅格100中的排列方式，第二构型的控制束400包括7个第一燃料组件310，其所在的多个单元栅格110连接成大致实心六角状。进一步地，每个控制束400中所有第一燃料组件310的吸收件301设置成由一个驱动机构进行驱动，从而简化了使用该堆芯的反应堆的结构。

第一构型的控制束400与第二构型的控制束400以一定规律排列在堆芯栅格100中，具体而言，根据本发明实施例的堆芯，其堆芯栅格100以一个控制束400的直径为单位划分成多个区域，参照图6，包括中心区、多个与中心区同心的环状区，以及边缘区。参照图7，每个区域中的所有控制束400都具有相同的构型，并且，第一构型与第二构型的所述控制束400间隔分布在各个区域，即每两个相邻的区域内分别设置有不同构型的控制束400，例如在图7示出的实施方式中，中心区设置第一构型的控制束400，则靠近中心区的一个环状区设置第二构型的控制束400。

在一些实施方式中，中心区和环状区中除了控制束400以外的单元栅格110全部设置第二燃料组件320，即，中心区和环状区只设置第一燃料组件310和第二燃料组件320，将第三燃料组件330与中子源组件200设置在边缘区，从而进一步提高第一燃料组件310与第二燃料组件320的分布比例，使堆芯的功率分布更加平均。

在一些实施方式中，根据第一燃料组件310控制顺序的不同，除了中心区的1个控制束400以外，将其余每个区域中的控制束400划分成多个控制组，每个控制组包含3个控制束400，每组中的3个控制束400以中心区为对称中心呈1/3对称，图8示出了一个控制组在堆芯中的排列方式示意图，1/3对称是指以中心区的中心(即，堆芯栅格100的中心)为旋转中心，将该控制组旋转120度后，其所在的位置与原位置重合。

进一步，每个控制组中的控制束400设置成同步控制，即，位于一个控制组中的3个控制棒束，其所包括的全部第一燃料组件310中的吸收件301，在沿第二管体304轴向运动时的位置是同步的，也就是说在对堆芯的反应性进行控制时，是以控制组为控制单位进行的，这样的设计进一步简化了堆芯控制系统的结构。

需要注意的是，为了便于解释第一燃料组件310以及控制束400的排列方式，对堆芯栅格100进行了分区并使用了“第一构型”、“第二构型”的描述，然而显然地，这种分区和描述仅用于解释相应组件的排列方式，并不用于对堆芯中各部件的具体结构、外形、装载方式等进行限定。

中子源组件200用于堆芯的启动，具体而言，是用于提高堆芯启动时的中子注量率水平，中子源组件200又分为第一中子源组件210和第二中子源组件220，其中，第一中子源组件210通常设置成以Cf或Po-Be作为发射中子的材料，用于堆芯的首次启动，第二中子源组件220通常设置成以Sb-Be作为发射中子的材料，用于堆芯换料后的重新启动。根据本发明实施例的堆芯中，参照图7，第一中子源组件210与第二中子源组件220均设置在堆芯的边缘区域，并且，第一中子源组件210与第二中子源组件220分别以堆芯栅格100的中心为对称中心，呈对称分布，即，每一个中子源组件200都存在与之呈中心对称的另一个中子源组件200，从而使得堆芯在启动过程中的中子分布更加均匀，提高堆芯启动的效率与安全性。

根据本发明实施例的堆芯，使用第一燃料组件310和第二燃料组件320完成了堆芯的反应性控制，使得堆芯无需液体控制系统，简化了堆芯的结构的同时减少了堆芯在海上使用过程中可能会出现的风险，还使用了设置控制束400、同步控制的控制组等技术方案进一步简化堆芯以及相应的船用反应堆的结构，使得根据本发明实施例的堆芯适合海上运行。

下面结合本发明一个具体的实施例对上述实施例涉及到的技术方案进行说明。

再次参照图1，具体的实施例提供一种船用的轻水反应堆堆芯，堆芯栅格100中共有283个六角形的单元栅格110，其中的277个单元栅格110中设置有燃料组件300，6个单元栅格110中设置有中子源组件200。

具体的实施例中，参照图2，燃料组件300的第一管体303的管腔中环绕第二管体304设置有两圈燃料件305，其中内圈12根，外圈18根，每圈中的多个燃料件305在周向上平均分布。进一步，燃料件305包括：设置成管状的壳体、设置在壳体中的燃料芯块、填充在壳体与燃料芯块之间的氦气、以及设置在壳体两端的密封件。具体的实施例中燃料件305的壳体设置为Zr-4合金制成，燃料芯块的总长度设置为140cm。

吸收件301设置成采用铪作为中子吸收材料，进一步，吸收件301设置成具有环状横截面的空心棒状结构，其内、外径分别为1.4cm、2.1cm，总长为130cm，略短于燃料芯块的长度，从而当吸收体完全插入第二管体304时，其下端会高出堆芯活性区的下端10cm，使得堆芯轴向功率分布更加均匀，且吸收件301的动作效率得到提高。

补偿件302采用环状的中子毒物，具体而言，采用B4C-Zr-2吸收体，设置在Zr-4合金制成的套管型包壳中。进一步，补偿件302设置在第一管体303中的位置与燃料件305齐平，即，与堆芯的活性区齐平。

进一步，具体的实施例中，堆芯中所有的燃料组件300设置成具有相同的燃料富集度，并且在换料时更换全部的燃料组件300，从而简化了堆芯的换料、装料过程，避免出现装料错误。

参照图3，燃料组件300还包括设置在第一管体303和第二管体304之间的多个限位件306，具体的实施例中在燃料组件的轴向共设置有6个限位件306，来保证海上运行过程中燃料件305之间的相对位置不会发生改变。

参照图4至图6，具体的实施例中，控制束400设置成具有如图4所示的第一构型和由图5所示的第二构型，堆芯栅格100以一个控制束400的直径为单位，分为中心区、与中心区同心的2个环状区，以及边缘区。参照图7，具体的实施例中堆芯共计设置有25束控制束400，其中，中心区设置有1个第一构型的控制束400，在靠近中心区的环状区中，设置有6个第二构型的控制束400，在靠近边缘区的环状区中设置有12个第一构型的控制束400，在堆芯的边缘区中，设置有6个第二构型的控制棒束400。

进一步，在中心区与2个环状区中，除了设置有控制束400的单元栅格110外，其余所有的单元栅格110均设置第二燃料组件320，从而通过这种高比例分布的第一燃料组件310和第二燃料组件320来在不使用液体控制系统的情况下完成堆芯的反应性控制，适应海上运行环境，并进一步的展平堆芯的功率分布、延长堆芯的运行周期，使得堆芯能够以100MW的热功率运行500EFPD，具有良好的实用性和经济性。

堆芯栅格100的边缘区除了控制棒束400外，还设置有第一中子源组件210，第二中子源组件220，第三燃料组件330以及少量第二燃料组件320。其中第一中子源组件210共计2个，以中心对称的方式设置，第二中子源组件220共计4个，以两两分别呈中心对称的方式设置。

为了进一步简化堆芯以及相应的船用反应堆的结构，堆芯中的控制束400以控制组的方式进行控制，具体而言，除了中心区的1个控制束400外，其它每个区域中的控制束400都分为多个控制组，参照图8，每个控制组包括3个以堆芯栅格100的中心为对称中心呈1/3对称分布的控制束400。布置在中心区的1个控制束400单独为一组，则整个堆芯中共有8个控制组。

位于同一控制组中的控制束400在进行控制的时候使用同步控制的方式，即，这些控制束400所包含的全部第一燃料组件310的吸收体301是同步运动的，从而以这种方式简化了堆芯的控制方式，同时也简化了相应的船用反应堆中的控制系统的结构。

以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。

Claims

1.一种堆芯，包括：

堆芯栅格(100)，设置成包括彼此连接的多个单元栅格(110)；

中子源组件(200)，设置在所述单元栅格(110)中，提供中子以启动所述堆芯的裂变反应；

燃料组件(300)，设置在所述单元栅格(110)中，包括：

第一燃料组件(310)，提供燃料并控制所述裂变反应速率；

第二燃料组件(320)，提供燃料并补偿所述堆芯的剩余反应性；

第三燃料组件(330)，提供燃料，其中，

在所述堆芯栅格(100)中位置相邻的多个所述第一燃料组件(310)设置成一个控制束(400)，并且

每个所述控制束(400)周围均设置有多个所述第二燃料组件(320)。

2.根据权利要求1所述的堆芯，其特征在于，每个所述燃料组件(300)设置成包括：

第一管体(303)，设置成具有圆柱形的管腔；

第二管体(304)，设置成具有圆柱形的管腔，设置在所述第一管体(303)的管腔中并与所述第一管体(303)同心；

多个燃料件(305)，设置在所述第一管体(303)的管腔中，并设置成环绕所述第二管体(304)，其中

所述第一燃料组件(310)的所述第二管体(303)管腔中设置有吸收件(301)，所述吸收件(301)设置成能够沿着所述第二管体(303)的轴向运动，吸收中子以控制裂变反应速率；

所述第二燃料组件(320)的所述第二管体(303)管腔中设置有补偿件(302)，补偿所述堆芯的剩余反应性；

所述第三燃料组件(330)的所述第二管体(303)管腔空置。

3.根据权利要求2所述的堆芯，其特征在于，所述吸收件(301)的轴向长度设置成小于所述燃料件(305)的轴向长度。

4.根据权利要求2所述的堆芯，其特征在于，所述每个燃料组件(300)还包括沿轴向设置在所述第一管体(303)管腔中的多个限位件(306)，用于保持所述燃料件(305)的间距。

5.根据权利要求1所述的堆芯，其特征在于，所述燃料组件(300)设置成具有相同的燃料富集度。

6.根据权利要求1所述的堆芯，其特征在于，所述单元栅格(110)设置成六角形。

7.根据权利要求6所述的堆芯，其特征在于，所述控制束(400)设置成具有：

由6个所述第一燃料组件(310)组成的第一构型，其所在的多个所述单元栅格(110)连接成大致空心六角状；以及

由7个所述第一燃料组件(310)组成的第二构型，其所在的多个所述单元栅格(110)连接成大致实心六角状。

8.根据权利要求7所述的堆芯，其特征在于，以一个所述控制束(400)的直径为单位，所述堆芯栅格(100)划分为多个区域，包括中心区、与中心区同心的多个环状区，以及边缘区，其中，

每一个区域中的所述控制束(400)设置成具有相同的构型，并且，

每两个相邻的区域中的所述控制束(400)设置成分别具有第一构型和第二构型。

9.根据权利要求8所述的堆芯，其特征在于，所述中子源组件(200)以及所述第三燃料组件(330)设置在所述堆芯栅格(100)的边缘区。

10.根据权利要求9所述的堆芯，其特征在于，除中心区外，每个区域中的所述控制束(400)划分成多个控制组，其中，

每个所述控制组包括以所述堆芯栅格(100)的中心为对称中心，呈1/3对称分布的3个所述控制束(400)。

11.根据权利要求10所述的堆芯，其特征在于，位于同一个控制组中的3个所述控制束(400)，其所包括的全部第一燃料组件(310)的全部吸收件(301)设置成同步运动。

12.根据权利要求1所述的堆芯，其特征在于，所述中子源组件(200)包括：

第一中子源组件(210)，用于所述堆芯的首次启动；

第二中子源组件(220)，用于所述堆芯换料后的启动。

13.根据权利要求12所述的堆芯，其特征在于，所述第一中子源组件(210)与所述第二中子源组件(220)分别以中心对称的形式设置在所述堆芯栅格(100)中。