CN111554414A - 堆芯 - Google Patents

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Abstract

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;燃料组件,设置在所述单元栅格中,提供裂变反应的燃料;控制部件,设置在所述单元栅格中,控制裂变反应的反应性;反射组件,设置在所述单元栅格中,反射裂变反应产生的中子以增加所述堆芯的中子注量率;以及生产组件,设置在所述单元栅格中,接受中子照射并产生放射性同位素,并且所述堆芯设置成至少包括两种用于产生不同放射性同位素的所述生产组件。根据本发明实施例的堆芯具有结构简单、生产同位素种类多、效率高的特点。

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
同位素生产是核反应堆的重要用途之一,使用核反应堆进行同位素生产,需要堆芯单位功率所获得的最大热中子注量率高,并且有效中子利用空间大。
现有技术中,通常使用CARR堆(中国先进研究堆)进行同位素的生产,但CARR堆的堆芯为了研究需求,在设置同位素生产孔道的同时还设置了多种孔道来引出中子束进行不同的实验,导致堆芯结构较为复杂,同位素生产效率较低,并且能够生产的同位素种类较少。
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、能够生产多种同位素并且生产效率高的堆芯。
根据本发明实施例的一个方面,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;燃料组件,设置在所述单元栅格中,提供裂变反应的燃料;控制部件,设置在所述单元栅格中,控制裂变反应的反应性;反射组件,设置在所述单元栅格中,反射裂变反应产生的中子以增加所述堆芯的中子注量率;以及生产组件,设置在所述单元栅格中,接受中子照射并产生放射性同位素,并且所述堆芯设置成至少包括两种用于产生不同放射性同位素的所述生产组件。
根据本发明的实施例,至少部分所述生产组件在所述堆芯栅格中的位置设置成位于至少部分所述反射组件的外侧。
根据本发明的实施例,所述堆芯还包括:分析组件,设置在所述单元栅格中,用于进行中子活化分析。
根据本发明的实施例,所述堆芯还包括:检测组件,设置在所述单元栅格中,对所述生产组件进行检测。
根据本发明的实施例,所述燃料组件设置成包括多个板状的燃料件。
根据本发明的实施例,所述控制部件包括:吸收组件,设置在所述单元栅格中并设置成能够沿着所述堆芯的轴向运动,吸收中子以控制所述裂变反应的速率;安全组件,设置在所述单元栅格中并设置成能够沿着所述堆芯的轴向运动,在预定情况下停止所述裂变反应以保护所述堆芯;补偿组件,设置在所述单元栅格中,设置成向所述堆芯栅格注射液态中子毒物以补偿所述堆芯的剩余反应性。
根据本发明的实施例,所述吸收组件包括:吸收体,吸收裂变反应产生的中子;燃料体,设置在所述吸收体下方,提供裂变反应的燃料。
根据本发明的实施例,所述燃料体设置成包括多个板状的燃料件。
根据本发明实施例的另一个方面,提供一种池式反应堆,包括:堆芯容器;所述堆芯,设置在所述堆芯容器中;水池,容纳所述堆芯容器;驱动系统,驱动所述堆芯的所述控制部件;冷却系统,对所述堆芯的冷却剂进行循环和冷却。
根据本发明的实施例,所述池式反应堆还包括:至少一个辐照模块,设置在所述堆芯容器外侧,利用所述堆芯产生的中子进行辐照。
根据本发明的实施例,所述池式反应堆还包括:管体,设置在所述堆芯容器的侧壁并设置成与所述补偿组件流体连通,向所述补偿组件注射液态中子毒物。
根据本发明的实施例,所述驱动系统包括:第一驱动装置,驱动所述吸收组件沿所述堆芯的轴向运动;第二驱动装置,驱动所述安全组件沿所述堆芯的轴向运动,并且所述第一驱动装置与所述第二驱动装置设置成使用不同的驱动方式。
根据本发明的实施例,所述第二驱动装置设置在所述堆芯容器的侧壁,并且设置成使用水力驱动。
根据本发明的实施例的堆芯结构简单,生产组件与反射组件的布置灵活,能够生产多种同位素并且生产效率高。
附图说明
图1为根据本发明实施例的堆芯部分组件排列示意图;
图2为根据本发明实施例的堆芯示意图;
图3为根据本发明实施例的燃料组件径向截面示意图;
图4为根据本发明实施例的吸收组件示意图;
图5为根据本发明实施例的池式反应堆部分结构示意图。
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,参照图1,包括:堆芯栅格10,设置成包括彼此连接的多个单元栅格11,图1中示出了一种正方形单元栅格11以7×11的方式彼此连接形成的堆芯栅格10,可以理解的是,根据实际情况,单元栅格11的数量、排列方式甚至形状均可以改变;燃料组件20,设置在所述单元栅格11中,提供裂变反应的燃料;控制部件30,设置在所述单元栅格11中,控制裂变反应的反应性,控制部件可以是例如中子毒物、中子吸收体等;反射组件40,设置在所述单元栅格11中,反射裂变反应产生的中子以增加所述堆芯的中子注量率,优选地,根据本发明实施例的反射组件40设置成铍块,其结构较为简单,并且能够根据需求灵活地设置在位于不同位置的单元栅格11中,从而能够进一步地控制堆芯中的中子注量率的分布;生产组件50,设置在所述单元栅格11中,接受中子照射并产生放射性同位素,并且所述堆芯设置成至少包括两种用于产生不同放射性同位素的所述生产组件50,生产组件50通常设置成同位素生产靶件,显然地,用于生产不同种类的同位素的生产组件50可以拥有不同的结构、尺寸、外形等,生产组件50可以通过例如吊装等方式安装在堆芯栅格11中,并且能够在一批生产组件50完成生产后通过相同的方式来拆卸和重新安装,实现连续生产。
图1中示出了一种燃料组件20、控制部件30、反射组件40和生产组件50在堆芯中的排列方式示意图,其中,反射组件40和生产组件50并未完全示出,不同种类的同位素生产所需要的中子注量率也有所不同,为了满足实际生产的需要,生产组件50与反射组件40可以灵活的更换位置,例如,将堆芯中至少部分生产组件50设置在至少部分反射组件40的外侧,用于进行中子注量率要求较小的同位素的生产,可以理解的是,在一些情况下,燃料组件20也可以灵活地与反射组件40交换位置,以满足不同的中子注量率要求。
在一些实施方式中,参照图2,堆芯的单元栅格11中还设置有分析组件60,用于进行中子活化分析,在一些实施方式中,堆芯的单元栅格11中还设置有检测组件70,用于对生产组件50进行检测,分析组件60和/或检测组件70的设置能够对堆芯的同位素生产过程进行监测,使得堆芯的生产质量和效率得到了提高,同时,在一些情况下,分析组件60也可以用于对其他元素进行分析。
在一些实施方式中,燃料组件20采用板状的燃料组件,图3示出了板状燃料组件的径向截面示意图,板状燃料组件包括多个板状的燃料件21,其单位体积燃料所对应的传热面积大、输出功率高,并且结构简单、稳定性好、便于拆卸。
在一些实施方式中,堆芯的控制部件30包括:吸收组件31,设置在单元栅格中,吸收组件通常由中子吸收材料制成,并且设置成能够沿着堆芯的轴向运动,从而通过控制吸收组件插入到反应堆活性区的深度能够控制裂变反应的速率。安全组件32,设置在单元栅格中,安全组件32也有中子吸收材料制成并且设置成能够沿着堆芯的轴向运动,在反应堆正常运行过程中,安全组件32保持在反应堆活性区之外,在预定情况下,例如发生安全事故时,安全组件32可以依靠重力等迅速插入反应堆的活性区,吸收大量的中子以停止裂变反应,保护堆芯。补偿组件33,设置在堆芯栅格中,用于补偿堆芯的剩余反应性,根据本发明实施例的堆芯,其补偿组件33设置成向堆芯注入液态中子毒物,例如硼溶液。
进一步的,在一些实施方式中,参照图4,吸收组件31设置成包括由中子吸收材料制成的吸收体34和提供燃料的燃料体35,燃料体35设置在吸收体34的下方,从而在满足反应堆的控制需求的同时,展平堆芯内的功率分布,获得更高的中子注量率和燃料利用率。在一些实施方式中,燃料体35也设置成与燃料组件20类似的包括多个板状的燃料件21的结构。
根据本发明的实施例还提供一种用于同位素生产的池式反应堆,参照图5,包括堆芯容器200,用于容纳堆芯100,水池300,用于容纳堆芯容器200,并提供池水作为反应堆的冷却剂和慢化剂。驱动系统400,用于驱动堆芯100的控制部件30,例如,驱动吸收组件31和/或安全组件32沿着堆芯的轴向运动。冷却系统500,对堆芯100的冷却剂进行循环和冷却,在一些实施方式中,冷却系统500可以设置成包括换热装置和冷却塔,冷却剂自堆芯流出后经过换热装置,将热量传递给冷却塔所在的二回路后返回水池中,即堆芯热量最终由冷却塔吸收。
在一些实施方式中,池式反应堆还包括设置在堆芯容器200外侧的辐照模块600,尽管堆芯设置有反射组件40,堆芯容器200也有一定的屏蔽作用,但是辐照模块600依然可以受到一定量的中子的照射,可以用来进行辐照生产,例如,进行单晶硅的生产,从而使得堆芯裂变反应产生的中子得到更加充分的利用。
进一步,堆芯容器200还设置有与补偿组件33流体连通的管体700,管体700沿着堆芯容器200的侧壁延伸至补偿组件33处,不会经过堆芯的活性区上方,从而不会干扰堆芯的装换料、生产组件50的安装和拆卸等操作,使得同位素生产操作更加便捷。
在一些实施方式中,池式反应堆的驱动系统包括用于驱动吸收组件31的第一驱动装置410和用于驱动安全组件32的第二驱动装置420,并且第一驱动装置410和第二驱动装置420设置成使用不同的驱动方式,例如分别使用水力、磁力、牵引机构等驱动方式,避免因为某些故障导致第一驱动装置410和第二驱动装置420同时失效。
进一步地,在一些实施方式中,第二驱动装置420设置成使用水力驱动并且设置在所述堆芯容器200的侧壁,具体而言,设置成包括水力驱动缸、补水箱和导管,水力驱动缸和导管通过法兰固定在堆芯容器200的侧壁上,避开了堆芯活性区的上方,不会干扰反应堆的换料、生产组件50的安装拆卸等,补水箱将水经由导管泵入水力驱动缸中,形成水压将安全组件32保持在堆芯活性区之外,在遇到紧急事故时,停止泵水,安全组件32会在自身重力的作用下迅速插入堆芯的活性区,完成紧急停堆。在一些实施方式中,同样为了不干扰堆芯换料和生产组件50的安装拆卸,第一驱动装置410可以设置成使用磁力驱动并且设置在堆芯活性区的下方。
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。
具体的实施例中,参照图2,单元栅格11设置成方形,堆芯栅格10包括以7×11矩形阵列连接的77个单元栅格11。堆芯中设置有21个板状的燃料组件20、6个吸收组件31、2个安全组件32、2个补偿组件33。
进一步,堆芯中吸收组件31、安全组件32所使用的的中子吸收材料为镉,补偿组件33使用的液态中子毒物为硼酸。堆芯中所有的控制部件30的反应性总价值为35.8%Δk/k,其中吸收组件31的价值为29.19%Δk/k,当所有控制手段均投入时,即所有的控制部件30均动作时,反应堆的停堆深度为19.14%Δk/k,当仅有吸收组件31动作时,停堆深度为12.53%Δk/k。当考虑卡棒准则时,即,最大价值的一个吸收组件31卡在反应堆活性区之外时,反应堆的停堆深度达到5.29%Δk/k。当仅有安全组件32动作时,停堆深度为3.42%Δk/k。以上满足堆芯的安全性要求。
具体的实施例中,堆芯共设置有12个用于生产Mo-99的生产组件50,2个用于生产其他同位素的生产组件50,2个分析组件60以及1个检测组件70,其中,用于生产其他同位素的生产组件50设置在位于堆芯中央处的单元栅格11中,在平衡堆芯、无吸收组件31的状态下,其所在位置的热中子注量率为3.217×1014n/cm2/s,分析组件60所在的位置中,最大热中子注量率为1.481×1014n/cm2/s,最小热中子注量率为6.102×1013n/cm2/s。
堆芯的反射组件40设置成铍块,共设置有29个反射组件40作为堆芯的反射层,反射组件40能够灵活地设置在不同位置的单元栅格11中,并且根据生产的需要,反射组件40能够灵活地与生产组件50更换位置。
参照图5,具体实施例的堆芯设置在堆芯容器200中,堆芯容器200的侧壁上还设置有用于向补偿组件33注射硼酸的管道700以及用于驱动安全组件32的第二驱动装置420,管道700和第二驱动装置420均绕过了堆芯活性区的上方,第一驱动装置410设置在堆芯活性区的下方(图中未示出)从而不会干扰反应堆换料、生产组件50的安装、拆卸等操作。
在堆芯容器200的两侧还设置有辐照模块700,具体的实施例中辐照模块700用于进行单晶硅的生产,单晶硅生产对中子注量率的要求较低,其所在的位置最大热中子注量率为1.360×1014n/cm2/s。
具体的实施例中堆芯容器200设置在水池300中(图中未示出),水池底部标高为-2.0M,提供轻水作为反应堆的冷却剂和慢化剂,具体的实施例中堆芯100的冷却剂流量为553kg/s,进口温度为45℃,出口温度位54.6℃。
具体的实施例中池式反应堆还包括对冷却剂进行冷却的冷却系统500(图中未示出),具体的实施例中冷却系统500包括两个回路,在一回路中,堆芯100的冷却剂流出堆芯100后进入换热装置进行热量传递,然后返回水池300中,二回路包括一个冷却塔,换热装置将堆芯100产生的热量传递到二回路,最终被二回路中的冷却塔吸收。
在本说明书的描述中,参考术语“一个实施方式”、“某些实施方式”、“示意性实施方式”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合所述实施方式或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施方式或示例中。在本说明书中,对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施方式或示例。而且,描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施方式或示例中以合适的方式结合。
此外,术语“第一”、“第二”仅用于描述目的,而不能理解为指示或暗示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。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施方式,可以理解的是,上述实施方式是示例性的,不能理解为对本发明的限制,本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施方式进行变化、修改、替换和变型。

Claims (13)

1.一种堆芯,包括:
堆芯栅格(10),设置成包括彼此连接的多个单元栅格(11);
燃料组件(20),设置在所述单元栅格(11)中,提供裂变反应的燃料;
控制部件(30),设置在所述单元栅格(11)中,控制裂变反应的反应性;
反射组件(40),设置在所述单元栅格(11)中,反射裂变反应产生的中子以增加所述堆芯的中子注量率;以及
生产组件(50),设置在所述单元栅格(11)中,接受中子照射并产生放射性同位素,并且
所述堆芯设置成至少包括两种用于产生不同放射性同位素的所述生产组件(50)。
2.根据权利要求1所述的堆芯,其特征在于,至少部分所述生产组件(50)在所述堆芯栅格(10)中的位置设置成位于至少部分所述反射组件(40)的外侧。
3.根据权利要求1所述的堆芯,其特征在于,所述堆芯还包括:
分析组件(60),设置在所述单元栅格(11)中,用于进行中子活化分析。
4.根据权利要求1所述的堆芯,其特征在于,所述堆芯还包括:
检测组件(70),设置在所述单元栅格(11)中,对所述生产组件(50)进行检测。
5.根据权利要求1所述的堆芯,其特征在于,所述燃料组件(20)设置成包括多个板状的燃料件(21)。
6.根据权利要求1所述的堆芯,其特征在于,所述控制部件(30)包括:
吸收组件(31),设置在所述单元栅格(11)中并设置成能够沿着所述堆芯的轴向运动,吸收中子以控制所述裂变反应的速率;
安全组件(32),设置在所述单元栅格(11)中并设置成能够沿着所述堆芯的轴向运动,在预定情况下停止所述裂变反应以保护所述堆芯;
补偿组件(33),设置在所述单元栅格(11)中,设置成向所述堆芯栅格(10)注射液态中子毒物以补偿所述堆芯的剩余反应性。
7.根据权利要求6所述的堆芯,其特征在于,所述吸收组件(31)包括:
吸收体(34),吸收裂变反应产生的中子;
燃料体(35),设置在所述吸收体(34)下方,提供裂变反应的燃料。
8.根据权利要求6所述的堆芯,其特征在于,所述燃料体(35)设置成包括多个板状的燃料件(21)。
9.一种池式反应堆,包括:
堆芯容器(200);
权利要求1至7中任意一项所述的堆芯(100),设置在所述堆芯容器(200)中;
水池(300),容纳所述堆芯容器(200);
驱动系统(400),驱动所述堆芯(100)的所述控制部件(30);
冷却系统(500),对所述堆芯(100)的冷却剂进行循环和冷却。
10.根据权利要求9所述的池式反应堆,其特征在于,所述池式反应堆还包括:
至少一个辐照模块(600),设置在所述堆芯容器(200)外侧,利用所述堆芯(100)产生的中子进行辐照。
11.根据权利要求9所述的池式反应堆,其特征在于,所述池式反应堆还包括:
管体(700),设置在所述堆芯容器(200)的侧壁并设置成与所述补偿组件(33)流体连通,向所述补偿组件(33)注射液态中子毒物。
12.根据权利要求9所述的池式反应堆,其特征在于,所述驱动系统(400)包括:
第一驱动装置(410),驱动所述吸收组件(31)沿所述堆芯(100)的轴向运动;
第二驱动装置(420),驱动所述安全组件(32)沿所述堆芯(100)的轴向运动,并且
所述第一驱动装置(410)与所述第二驱动装置(420)设置成使用不同的驱动方式。
13.根据权利要求12所述的池式反应堆,其特征在于,所述第二驱动装置(420)设置在所述堆芯容器(200)的侧壁,并且
设置成使用水力驱动。
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