CN112037937A - 一种小型快中子反应堆栅格式控制鼓装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种小型快中子反应堆栅格式控制鼓装置，包括由内至外依次套装于堆芯外围的内反射层、栅格式控制鼓和外反射层，以及用于驱动栅格式控制鼓的驱动电机；内反射层为筒形栅格状，且位置固定；外反射层为完整的筒形，且位置固定；栅格式控制鼓为筒形栅格状，能在驱动电机的驱动下转动一定角度，以调节吸收栅格与内反射层的反射栅格之间的重叠面积，改变反射回堆芯的泄露中子数量，从而实现对反应性的控制。本发明装置占据的轴向空间小，符合小型化设计需求；吸收栅格没有轴向位移，不会造成堆芯轴向功率分布不均；吸收栅格以堆芯中轴呈中心对称，对由径向温度梯度导致的材料膨胀适应性好，不易因形变卡死。

Description

一种小型快中子反应堆栅格式控制鼓装置

技术领域

本发明涉及核反应堆反应性控制技术领域，具体涉及一种适用于小型快中子反应堆反应性控制的栅格式控制鼓装置。

背景技术

小型化、模块化是当前反应堆技术发展的一个新趋势。小型快中子反应堆具有功率密度高、热效率高、具备增殖能力、可实现嬗变、应用场景灵活等多种优势，具有广阔的发展前景。

反应性控制设计的主要任务，是采用各种切实有效的控制方式，在确保安全的前提下，控制反应堆的剩余反应性，使堆芯功率分布平坦，能够应对外界负荷变化引起的变化，并在事故时能迅速安全停堆。从反应性控制的原理出发，主要有四种改变反应性的方式：一、改变堆内中子的吸收，例如引入控制棒或可溶性毒物；二、改变中子慢化性能，多指重水-轻水混合反应堆中，通过调节重水与轻水的比例，来改变反应堆内中子能谱，从而改变反应性；三、改变燃料的含量，在用燃料作控制棒或作控制棒跟随体的情况下，当移动控制棒时，除了改变反应堆内中子吸收之外，还改变反应堆内燃料含量，从而改变反应性；四、改变中子泄露，利用移动反射层的方法，改变反应堆内中子泄漏量，从而改变反应性。

目前世界主流堆型为压水堆，其常用的反应性控制装置为控制棒及其驱动机构，并不完全适配于小型快中子反应堆。举例来说：控制棒及其驱动机构通常需要较大轴向空间，不易于堆的小型化集成；通过控制棒插入堆芯的深浅控制反应性，对径向功率分布的均匀性有不利影响；金属冷却剂不透明，若部件掉落堆芯，将难以寻找，造成不可预估的后果(参见文殊堆停堆事故)；快堆能谱硬，通常选用液态金属作为冷却剂，为防止金属氧化同时保证传热性能，需冷却剂维持较高纯净度，不宜采用化学物添加系统进行反应性控制。

对于小型快中子反应堆，其中子能量高，堆芯体积小，中子泄露份额较大。通过改变吸收体与反射层相对位置的方法，可以有效调整中子的泄漏率，进而控制反应性。中国专利CN210182076U，一种远距离传动控制反应堆反应性装置，公开了一种反应堆的控制鼓，由中子吸收材料和中子反射材料组成，通过转动堆芯外围的控制鼓的转角，改变中子反射材料和中子吸收材料相对于堆芯的位置，从而调节反应堆的反应性。控制鼓上的中子吸收材料朝向堆芯的位置时为抑制反应堆核燃料持续裂变状态；控制鼓上的中子反射材料朝向堆芯的位置时为促进反应堆核燃料持续裂变状态。该专利的缺点在于：1)由于金属堆温度较高，反射层沿径向存在较大温度梯度，因此柱状控制鼓不同位置的热膨胀程度不同，当柱状控制鼓调节反应性时需沿自身中心轴转动，很可能因形变而卡死，导致装置失效，后果十分严重；2)柱状控制鼓为提高可引入的反应性份额，往往需要增大控制鼓直径，导致反应性控制装置整体需要的径向空间过大，不利于装置小型化；3)每台柱状控制鼓均需要配置一台电机，不利于装置小型化。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于针对上述现有技术存在的不足，提供一种小型快中子反应堆栅格式控制鼓装置，它针对小型快中子反应堆的特点，利用改变中子泄漏率的工作原理，采用驱动电机驱动吸收栅格转动，从而实现反应性控制。

本发明为解决上述提出的技术问题所采用的技术方案为：

一种小型快中子反应堆栅格式控制鼓装置，包括由内至外依次套装于堆芯外围的内反射层、栅格式控制鼓和外反射层，以及用于驱动所述栅格式控制鼓的驱动电机；所述内反射层为筒形栅格状，且位置固定；所述外反射层为完整的筒形，且位置固定；所述栅格式控制鼓为筒形栅格状，能在所述驱动电机的驱动下转动一定角度，以调节吸收栅格与内反射层的反射栅格之间的重叠面积，改变反射回堆芯的泄露中子数量，从而实现对反应性的控制。

上述方案中，所述栅格式控制鼓的吸收栅格由上、下两端的环形结构固定，环形结构的外侧边缘设有齿结构；所述控制鼓装置还包括与所述齿结构适配的蜗杆，所述蜗杆一端与所述齿结构啮合，另一端与所述驱动电机的输出轴连接。

上述方案中，所述栅格式控制鼓的环形结构外侧设置两个对称的齿结构，相应的，所述控制鼓装置包括两套呈中心对称设置的蜗杆和驱动电机。

上述方案中，在所述驱动电机的作用下，栅格式控制鼓的吸收栅格与内反射层的反射栅格在完全重合状态及完全错开状态之间转换。

上述方案中，所述内反射层与外反射层的材质包括氧化铍，所述栅格式控制鼓的材质包括B₄C。

上述方案中，所述内反射层用金属包壳封装，栅格间隙中空；所述栅格式控制鼓用金属包壳封装，栅格间隙中空，吸收体栅格两端固定在环形结构上；所述外反射层用金属包壳封装。

本发明专利提出的小型快中子反应堆栅格式控制鼓装置，具有栅格状内反射层和栅格状吸收层，通过电机驱动蜗杆转动栅格式吸收层，调节其与栅格式反射层之间的重叠面积，改变反射回堆芯的泄露中子数量，从而实现对反应性的控制。

本发明的有益效果在于：

1、本发明栅格式控制鼓装置主要由特殊设计的反射层和吸收栅格嵌套组成，在小型快堆堆芯外，第一层布置一定厚度的栅格状氧化铍反射层，第二层布置一层栅格状B₄C吸收体层，第三层内布置一定厚度的完整氧化铍反射层，其中，栅格状氧化铍反射层可在电机的驱动下实现围绕堆芯中轴的转动动作，当两层栅格重合面积增大时，中子泄漏率减小，引入正反应性；重合面积减小时，中子泄漏率增大，引入负反应性，从而实现反应性控制。

2、本发明装置占据的轴向空间小，符合小型化设计需求；

3、吸收栅格没有轴向位移，不会造成堆芯轴向功率分布不均；

4、吸收栅格以堆芯中轴呈中心对称，对由径向温度梯度导致的材料膨胀适应性好，不易因形变卡死。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明小型快中子反应堆栅格式控制鼓装置的整体结构示意图；

图2是图1所示栅格式控制鼓装置的栅格式控制鼓及其驱动装置的结构示意图。

图中：10、内反射层；20、栅格式控制鼓；21、齿结构；30、外反射层；40、驱动电机；50、蜗杆；200、堆芯。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。

如图1所示，为本发明提供的一种小型快中子反应堆栅格式控制鼓装置，由围绕堆芯布置的内反射层、栅格式控制鼓、外反射层、驱动驱动电机和蜗杆。堆芯外围第一层是内反射层，为筒形栅格状，且位置固定，无法转动，反射层主要材料为BeO，由耐辐照的金属包壳封装，栅格间隙中空；中间一层是栅格式控制鼓，为筒形栅格状，可在驱动电机的驱动下转动一定角度，栅格式控制鼓的主要材料为高¹⁰B富集度B₄C，由耐辐照的金属包壳封装，栅格间隙中空；最外层是外反射层，为完整的筒形，位置固定，无法转动，外反射层主要材料为BeO，由耐辐照的金属包壳封装。

如图2所示，栅格式控制鼓的吸收栅格由上、下两端的环形结构固定，环形结构的外侧边缘设有一段齿轮的齿结构，通过蜗杆与驱动电机连接。为使栅格式控制鼓转动的更加稳定可靠，栅格式控制鼓的环形结构外侧设置两个对称的齿结构，相应的，控制鼓装置包括两套呈中心对称设置的蜗杆和驱动电机。

本发明的小型快中子反应堆栅格式控制鼓装置，当吸收栅格与第一层反射栅格完全错开时(重合率0％)，中子从堆芯泄露后，部分进入反射栅格后被反射回堆芯，部分穿过反射栅格的间隙进入吸收栅格被吸收，此时中子泄漏率最高；当吸收栅格与第一层反射栅格完全重合时(重合率100％)，中子从堆芯泄露后，部分进入反射栅格后被反射回堆芯，部分穿过两层栅格的间隙进入第三层反射层，后被反射回堆芯，此时中子泄漏率最低。通过驱动电机驱动吸收栅格转动，当两层栅格重合面积增大时，中子泄漏率减小，引入正反应性；重合面积减小时，中子泄漏率增大，引入负反应性。

实施反应性控制时，假定栅格式控制鼓与内反射层栅格重叠率为100％时夹角为0，电机驱动蜗杆转动1圈，栅格式控制鼓围绕堆芯中轴转动θ，使吸收栅格与内反射层栅格的重叠面积减小，引入一定量反应性。通过控制蜗杆转动圈数，可实现对反应性的分布精细控制。

以下介绍两种典型的应用场景：

1)正常运行工况下，作为功率调节装置使用

设置吸收栅格与内反射栅格初始重合率为50％。正常运行工况下，电机驱动栅格式控制鼓转动θ度，若增大吸收体与反射体的重合率，则引入正反应性，功率升高；若减小吸收体与反射体的重合率，则引入负反应性，功率降低。

2)作为整个循环周期的反应性补偿装置使用

循环寿期初堆芯剩余反应性最大，此时设置吸收栅格与内反射栅重合率为0％，中和剩余反应性的能力最强。随着堆芯燃耗的加深，剩余反应性减少，电机随之逐步驱动栅格式控制鼓转动，增大吸收体与反射体的重合率，降低中和剩余反应性的能力，以维持反应堆临界。

本发明提出了一种适用于小型快中子反应堆的栅格式控制鼓装置，通过驱动电机控制特殊布置的栅格式控制鼓，最终影响中子的泄漏率，以实现对反应性的控制。该装置较控制棒装置更利于堆芯功率的轴向均匀分布，对空间高度要求低，可操作性更强，更加适配小型快堆。

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (6)

1.一种小型快中子反应堆栅格式控制鼓装置，其特征在于，包括由内至外依次套装于堆芯外围的内反射层、栅格式控制鼓和外反射层，以及用于驱动所述栅格式控制鼓的驱动电机；所述内反射层为筒形栅格状，且位置固定；所述外反射层为完整的筒形，且位置固定；所述栅格式控制鼓为筒形栅格状，能在所述驱动电机的驱动下转动一定角度，以调节吸收栅格与内反射层的反射栅格之间的重叠面积，改变反射回堆芯的泄露中子数量，从而实现对反应性的控制。

2.根据权利要求1所述的小型快中子反应堆栅格式控制鼓装置，其特征在于，所述栅格式控制鼓的吸收栅格由上、下两端的环形结构固定，环形结构的外侧边缘设有齿结构；所述控制鼓装置还包括与所述齿结构适配的蜗杆，所述蜗杆一端与所述齿结构啮合，另一端与所述驱动电机的输出轴连接。

3.根据权利要求2所述的小型快中子反应堆栅格式控制鼓装置，其特征在于，所述栅格式控制鼓的环形结构外侧设置两个对称的齿结构，相应的，所述控制鼓装置包括两套呈中心对称设置的蜗杆和驱动电机。

4.根据权利要求1所述的小型快中子反应堆栅格式控制鼓装置，其特征在于，在所述驱动电机的作用下，栅格式控制鼓的吸收栅格与内反射层的反射栅格在完全重合状态及完全错开状态之间转换。

5.根据权利要求1所述的小型快中子反应堆栅格式控制鼓装置，其特征在于，所述内反射层与外反射层的材质包括氧化铍，所述栅格式控制鼓的材质包括B₄C。

6.根据权利要求1所述的小型快中子反应堆栅格式控制鼓装置，其特征在于，所述内反射层用金属包壳封装，栅格间隙中空；所述栅格式控制鼓用金属包壳封装，栅格间隙中空，吸收体栅格两端固定在环形结构上；所述外反射层用金属包壳封装。

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