CN1125350A - 用于稠油热采铀氢锆双区压水堆 - Google Patents

用于稠油热采铀氢锆双区压水堆 Download PDF

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张育曼
冯元琨
杨启述
施永长
厉日竹
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    • Y02E30/30—Nuclear fission reactors

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Abstract

一种用于稠油热采具有铀氢锆“点燃区”的双区压水堆，其特征是具有含浓缩铀的铀氢锆细棒元件的“点燃区”和天然二氧化铀棒状元件的“再生区”的双区稠密水栅堆芯。本发明具有固有安全性，体积小，重量轻，热功率大。在稠油热采时，安置在地面下，既经济又安全。

Description

用于稠油热采铀氢锆双区压水堆
本发明属于核反应堆在稠油热采方面的利用。
用于稠油热采，具有铀氢锆(燃料—慢化剂)元件“点燃区”的双区压水堆在已有技术文献中未见报导，中国专利CN 1064170A“脉冲堆”为铀氢锆粗棒元件的池式实验堆；中国核动力研究院1994年8月在《核动力工程》第15卷第4期发表了“固有安全一体化UZrHx动力堆1NSURE—100初步研究”，报导了一种整个堆芯利用含高加浓铀的铀氢锆细棒元件的动力反应堆，上述二种全铀氢锆元件反应堆均不能为稠油热采提供温度、压力足够高的蒸汽，此外上述二种反应堆高加浓铀燃料初装载量大，燃料费用高。
本发明的目的在于提供一种具有安全性，能经济地提供用于稠油热采的高温，高压蒸汽的小型压水堆。
本发明的要点是反应堆的堆芯具有点燃区和再生区，点燃区的细棒元件由同位素浓缩度为10-20％的浓缩铀的铀氢锆芯体及不锈钢包壳组成，上述棒状元件呈三角形稠密排列，元件间隙为1-1.5毫米，再生区为天然二氧化铀、锆—4包壳棒状燃料元件，呈三角形排列的稠密水栅，栅元内慢化剂水与燃料芯体体积之比为0.50-0.83。反应堆一回路设备(包括点燃区和再生区的堆芯)“一体化”布置在不锈钢压力壳内，压力壳直径为1-1.5米，高度4-6米，二回路直流蒸汽发生器内产生131-169大气压，330℃—350℃，干度大于80％的水蒸汽。在稠油热采时，本发明安装在油田地面下的有辐射屏蔽层的深水池内，燃耗寿期超过2年，燃料卸出后，压力容器连同内部设备可整体由拖车移到他处，装料后继续使用。
本发明所述的点燃区燃料元件呈三角形紧密排列，燃料元件间隙为1-1.5毫米，运行初态，点燃区内慢化剂(氢)和铀-235核密度之比小，中子能谱变“硬”，接近于中能中子堆能谱范围，无限倍增因子大。和普通水栅相比，堆芯内不锈钢结构材料(包括燃料元件包壳)及水对反应性影响较小，运行期间随着铀-235燃耗，中子能谱变“软”，堆芯具有能谱转移性质，以致堆芯燃耗寿期长，而为补偿燃耗的后备反应性较小，只需利用固体可燃毒物饵(Er)或钆(Gd)即可控制，无需像核电站压水堆还需要采用可溶硼来控制这部分反应性。尤其重要的是，由于热态运行时最大后备反应性小，有可能依靠燃料的瞬发负反应性效应补偿因事故而释放的(热态)后备反应性，从而消除反应性事故造成的堆芯熔化的可能性。
本发明所述的再生区为天然二氧化铀、锆-4包壳细棒元件、呈三角形紧密排列的稠密水栅“再生区”。栅元内水和燃料芯体体积比为0.65-0.83，这种稠密水栅中，铀-238的快中子裂变因子高，因而具有“高转化比(大于0.8)”，增加了燃耗寿期。再生区总功率视两个区设计参数而异，运行期间再生区处于“次临界”，依靠由小体积“点燃区”泄漏进来的大量中子，维持其相对稳定功率，其功率占堆总功率比例可大于50％，因而既充分利用了天然铀燃料，又有助于点燃区加浓铀燃料的燃耗的加深。明显地降低了燃料成本。由于铀核的非弹性散射对大于1兆电子伏特快中子有较强的慢化作用，有利于降低不锈钢压力壳的快中子和伽玛射线的积分辐照，对保证压力容器和整个装置小型化的实现起了重要作用。在压力壳内壁和铀水栅外边界之间设置有六组硼钢片状控制棒，在其插入时进一步降低压力壳受到的辐照。轻水冷却剂采取“双流程”，先后通过“再生区”、“点燃区”。运行压力149～190大气压，堆总出口水温340～360℃，直流蒸汽发生器二回路内产生131～169大气压，330～350℃，干度大于80％的水蒸汽。一回路采取“一体化”布置，全功率自然循环，自保压，采用水力步进驱动控制棒系统，设有非能动余热排出及注硼系统。
本发明的优点在于具有良好的固有安全性，发生堆芯熔化概率低，热功率在5-20兆瓦；初投资小，和燃油锅炉相比产生蒸汽的成本低；系统简单、体积小、重量轻，可移动；在稠油热采时安置在地面下有屏蔽的深水池内。本发明在调整参数，配以必要相关设备后，可用于高效率发电以及提供多种用途(包括供热、海水淡化，致冷和生产氚等)，其乏燃料可用以建造(伽玛射线)辐照装置。
图1为本发明一回路在压力壳内布置的C-C纵剖面示意图。
下面结合附图进行详细描述：不锈钢压力壳1高度为4-6米，外直径1-1.5米，压力壳上腔有足够体积的空间，利用蒸汽和加充的氮气实施自稳压，不锈钢的“点燃区”筒体2把压力壳内空间分为内、外两区。直流蒸汽发生器3布置在“外区”上半部环形空间里，悬挂在压力壳壁上，其底部距离在“外区”下半部的“再生区”4的顶部1米左右。“再生区”由天然(二氧化)铀芯体，锆-4包壳的棒状元件，按三角形紧密排列成的稠密水栅组成，其组体座落在堆芯下支承板8上，(二氧化)铀棒芯体直径0.843-2.0厘米，锆-4包壳厚度为0.6-0.7毫米，再生区内紧贴“点燃区”筒体处(水温较低)安装六个Y字形控制棒5，棒内含碳化硼吸收体，外有不锈钢包壳。“点燃区”筒体上、中段为其导向组件提供横向定位，在压力壳内壁和再生区组体之间间隙中再安装六个硼钢片状控制棒7，既作调节控制棒，又能在其插入时减少压力壳的辐照。堆芯“点燃区”6在筒体内区，座落在和筒体下端固结的下支承板上，点燃区内有含可燃毒物铒或钆的高加浓油(浓缩度为10-20％)铀氢锆细棒元件，其芯体直径12.8毫米，外有φ13.7×0.4毫米不锈钢包壳，其上焊有不锈钢定位丝(直径1-1.5毫米)。元件棒呈三角形紧密排列，形成稠密水栅，为方便卸装和临界安全，点燃区由几个组件组成。冷却水通过双区堆芯，形成双流程：冷却水从直流蒸汽发生器一回路出口处，向下流入“再生区”，在下腔改变流向，流入“点燃区”，由下而上，出堆芯后延“点燃区”套筒向上，进入直流蒸汽发生器上部内侧面入口。直流蒸汽发生器二回路出口蒸汽压力为131～169大气压，蒸汽温度330～345℃，干度大于80％。
附图说明：
图1本发明一回路在压力壳内布置的C-C纵剖面示意图。
图中1.不锈钢压力壳2.不锈钢点燃区筒体3.直流蒸汽发生器
4.再生区5.碳化硼控制棒  6.点燃区
7.硼钢片状控制棒组件    8.堆芯下支承板
图2为压力壳上段A-A横剖面。
图3为压力壳下段B-B横剖面。

Claims (2)

1、一种用于稠油热采具有铀氢锆“点燃区”的双区压水堆，其中包括压力壳，具有“点燃区”和“再生区”的双区堆芯，直流蒸汽发生器，堆芯筒体，支承，控制棒，测量仪表，其特征在于上述“点燃区”采用含有同位素浓缩度为10-20％浓缩铀的铀氢锆芯体及不锈钢包壳细棒元件，上述棒状元件呈三角形稠密排列，元件间隙为1—1.5毫米，上述“再生区”为天然二氧化铀、锆-4包壳棒状燃料元件呈三角形排列的稠密水栅，栅元内慢化剂水与燃料元件芯体体积之比为0.5—0.83。
2、按照权利要求1所述的双区压水堆，其特征在于供稠油热采输出的水蒸汽压力为131-169大气压，温度为330～350℃，干度大于80％。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102915775A (zh) * 2011-05-16 2013-02-06 巴布科克和威尔科克斯核能股份有限公司 稳压器折流板和使用该种折流板的压水反应堆(pwr)

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SE01 Entry into force of request for substantive examination
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PB01 Publication
C01 Deemed withdrawal of patent application (patent law 1993)
WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication