CN113270206A - 冷却剂通道密集排布的小型棱柱式环形气冷微堆堆芯系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种冷却剂通道密集排布的小型棱柱式环形气冷微堆堆芯系统，包括燃料组件、控制棒组件和反射层；所述燃料组件包括燃料棒通道和冷却剂通道；每个燃料棒通道周围布置有冷却剂通道以降低燃料最高温度；所述反射层包括上反射层、下反射层、侧反射层和内反射层；所述内反射层设置在堆芯中心以避免堆芯中心温度过高；所述燃料组件围绕所述内反射层设置；所述控制棒组件包括被燃料组件围绕的紧急冷停堆棒和布置在所述侧反射层的调节控制棒。本发明的有益效果是：本发明通过冷却剂通道均匀密集排布，增强对燃料组件的冷却能力；布置的内反射层，有利于降低堆芯最高温度，提高堆芯温升裕量，进而提高堆芯安全性。
Description
技术领域
本发明属于核反应堆工程技术领域，具体涉及冷却剂通道密集排布的小型棱柱式环形气冷微堆堆芯系统。
背景技术
经济的迅速发展提高了能源的需求，但是传统的煤炭等化石燃料会带来严重的环境问题，这促使我国不断进行清洁能源的探索和开发，不断对现有的能源结构进行优化，降低化石燃料在能源中的比例。在各种类型的新能源中，核能有着清洁、高能量密度、几乎不排放温室气体、燃料运输压力低等优势。进入21世纪的近些年中，核能得到不断的发展，成为我国改善能源结构的重要选项，也不断在能源发展战略中得到进一步加强。截止2018年9月底，我国44座反应堆已达到40.7GWe的净装机容量，占全球核电装机容量的10％，同时我国也是在建核电站最多的国家。
棱柱式气冷微堆具有和高温气冷堆一样优越的固有安全性，同属于第四代先进核能系统。该堆型采用的陶瓷燃料颗粒可以有效防止裂变产物的释放；采用的石墨堆芯热容大，温度瞬态缓慢，可以承受很高的温度，应急操作时间裕量大；堆芯功率密度小，且具有很强的温度负反馈，在事故条件下，即使没有任何应急措施，也可以依靠温度负反馈停堆。模块化的设计，可以简化核电厂的系统，降低生产成本，提高部件的制造质量，也可以减少人员操作，降低事故发生的风险。小型化的设计，可以使得堆芯的功率和功率密度进一步降低，提高该堆芯的安全性。但另一方面，由于堆芯出口温度一般都达到750℃或以上，堆芯内燃料、石墨等结构温度往往很高，这不仅影响堆芯固有安全性的实现，还影响着控制棒包壳等堆内构件功能的实现。
有鉴于此，特提出本发明。
发明内容
针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的是提供冷却剂通道密集排布的小型棱柱式环形气冷微堆堆芯系统，该方案能够有效降低堆芯最高温度，提高堆芯温升裕量，进而提高堆芯安全性。
本发明的技术方案为：
一种冷却剂通道密集排布的小型棱柱式环形气冷微堆堆芯系统，包括燃料组件、控制棒组件和反射层；所述燃料组件呈六棱柱形状，包括相间规则布置的燃料棒通道和冷却剂通道；每个燃料棒通道周围均匀对称布置有6个冷却剂通道以降低燃料最高温度；所述反射层包括上反射层、下反射层、侧反射层和内反射层；所述上反射层、下反射层和侧反射层包覆堆芯；所述内反射层设置在堆芯中心以避免堆芯中心温度过高；所述燃料组件围绕所述内反射层设置；所述控制棒组件包括被燃料组件围绕的紧急冷停堆棒和布置在所述侧反射层的调节控制棒。
进一步地，上述的冷却剂通道密集排布的小型棱柱式环形气冷微堆堆芯系统，所述燃料组件在径向分区布置、在轴向分层布置；控制棒组件在堆芯活性区布置有6组，在侧反射层布置有9组；冷却剂是单相惰性气体氦气。
进一步地，上述的冷却剂通道密集排布的小型棱柱式环形气冷微堆堆芯系统，布置在径向最内侧的燃料组件还布置有可燃毒物棒；所述可燃毒物采用分离型毒物布置方式。
进一步地，上述的冷却剂通道密集排布的小型棱柱式环形气冷微堆堆芯系统，所述燃料组件中心还有用于装卸料的抓手孔。
进一步地，上述的冷却剂通道密集排布的小型棱柱式环形气冷微堆堆芯系统，所述燃料棒通道下方布置有石墨盲端、上方布置有端塞。
进一步地，上述的冷却剂通道密集排布的小型棱柱式环形气冷微堆堆芯系统，部分燃料棒上下方分别布置有定位销钉。
进一步地，上述的冷却剂通道密集排布的小型棱柱式环形气冷微堆堆芯系统，燃料棒呈圆柱形，每根燃料棒包含多个燃料芯块；定位销钉所在位置的燃料棒包含的燃料芯块数量少于其他位置的燃料棒。
进一步地，上述的冷却剂通道密集排布的小型棱柱式环形气冷微堆堆芯系统，所述燃料芯块为多个陶瓷燃料颗粒弥散在石墨或陶瓷基体中而形成。
进一步地，上述的冷却剂通道密集排布的小型棱柱式环形气冷微堆堆芯系统，所述陶瓷燃料颗粒包括燃料核芯和多层包覆层；燃料核芯材料包括UO2、UCO和UN中的一种或多种混合；所述包覆层包括石墨、SiC和ZrC中的一种或多种混合。
进一步地，上述的冷却剂通道密集排布的小型棱柱式环形气冷微堆堆芯系统，所述紧急冷停堆棒围绕所述内反射层均匀布置在堆芯活性区，所述调节控制棒均匀布置在所述侧反射层。
进一步地，上述的冷却剂通道密集排布的小型棱柱式环形气冷微堆堆芯系统，控制棒组件呈管状，包括吸收体和包壳；吸收体呈圆环形状，所述包壳从圆环内部和外部将所述吸收体包覆。
进一步地，上述的冷却剂通道密集排布的小型棱柱式环形气冷微堆堆芯系统，吸收体材料包括B4C，包壳材料包括不锈钢。
本发明的有益效果是：
1、本发明通过冷却剂通道均匀密集排布，增强对燃料组件的冷却能力；布置的内反射层，有利于降低堆芯最高温度，提高堆芯温升裕量，进而提高堆芯安全性；
2、通过考虑抓手孔道、定位销钉等结构，堆芯系统在工程上更具可行性。
3、燃料组件采用的燃料类型是陶瓷燃料颗粒，可有效防止裂变产物释放，避免燃料受到侵蚀；所采用的冷却剂是单相惰性气体氦气；而石墨既是中子慢化剂，也是堆芯结构材料和反射层材料，具有热容大、耐高温、热导率高、慢化比高、热中子吸收截面小等优点；事故工况下，即使控制棒完全弹出，堆芯也能仅依靠温度负反馈实现自动热停堆。
附图说明
图1为本发明冷却剂通道密集排布的小型棱柱式环形气冷微堆堆芯系统的堆芯布置径向剖面图。
图2为本发明的气冷微堆堆芯布置轴向剖面图。
图3为本发明中无可燃毒物的燃料组件的结构示意图。
图4为本发明中带有可燃毒物棒的燃料组件的结构示意图。
图5为本发明气冷微堆管状控制棒径向结构图。
图6为本发明气冷微堆燃耗特性曲线图。
图7为本发明气冷微堆基于组件平均功率进行归一化的控制棒提出时零燃耗堆芯组件功率分布图。
上述附图中：1、燃料组件；2、控制棒组件；3、侧反射层；4、内反射层；5、上反射层；6、下反射层；101、燃料棒；102、端塞；103、盲端；104、冷却剂通道；105、抓手孔；106、定位销钉；107、可燃毒物棒；201、吸收体；202、包壳。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例进行介绍：
本发明提供了一种冷却剂通道密集排布的小型棱柱式环形气冷微堆堆芯系统，包括燃料组件1、控制棒组件2和反射层；所述燃料组件1呈六棱柱形状，包括相间规则布置的燃料棒通道和冷却剂通道104；每个燃料棒通道周围均匀对称布置有6个冷却剂通道104以降低燃料最高温度；所述反射层包括上反射层5、下反射层6、侧反射层3和内反射层4；所述上反射层5、下反射层6和侧反射层3包覆堆芯；所述内反射层4设置在堆芯中心以避免堆芯中心温度过高；所述燃料组件1围绕所述内反射层4设置；所述控制棒组件2包括被燃料组件围绕的紧急冷停堆棒和布置在所述侧反射层的调节控制棒。作为堆芯结构材料和反射层材料的石墨同时也是中子慢化剂，具有热容大、耐高温、热导率高、慢化比高、热中子吸收截面小等优点。
本发明通过冷却剂通道均匀密集排布，增强对燃料组件的冷却能力；布置的内反射层，有利于降低堆芯最高温度，提高堆芯温升裕量，进而提高堆芯安全性
图1和图2所示为热功率5MW，目标寿期2年的冷却剂通道密集排布的小型棱柱式环形气冷微堆堆芯系统的布置图，该实施例中，所述燃料组件在径向分区布置、在轴向分层布置；控制棒组件在堆芯活性区布置有6组，在侧反射层布置有9组；冷却剂是单相惰性气体氦气。所述的堆芯活性区，是指由燃料组件所构成的堆芯所在的活性区域。本发明通过对于不同位置的燃料组件富集度的分区布置，可以优化堆芯功率分布。
图1中，燃料组件在径向分4区、轴向分3层布置，全堆共有90个燃料组件，燃料组件的尺寸、结构基本相同。根据燃料组件径向位置不同，径向4区从内向外的编号为zone1～zone4，轴向3层从上向下编号为layer1～layer3。整个堆芯轴向高度2.50m，径向直径2.28m。
图3为本发明实施例中无可燃毒物的燃料组件示意图，该类型的组件布置在堆芯径向zone2～zone4区域，共72个。堆芯所使用的燃料是由富集度8.5％的UO2燃料核和四层包层结构组成的陶瓷燃料颗粒，燃料颗粒的直径大约几百微米；数量众多的燃料颗粒弥散在以SiC为基体的燃料芯块中，芯块直径2.54cm，高度3.2cm；18或16个燃料芯块在轴向上叠加成为燃料棒；燃料棒放置在燃料棒通道中，其周围均匀密集排布有6个直径0.8cm的冷却剂通道。一个燃料组件的对边距为24cm，高度65.5cm，包括18根燃料棒和54个冷却剂通道。
布置在径向最内侧的燃料组件1还布置有可燃毒物棒107；所述可燃毒物采用分离型毒物布置方式。通过调整可燃毒物和控制棒的布置，可以实现反应性的有效控制。
所述燃料组件中心还有用于装卸料的抓手孔105。所述燃料棒通道下方布置有石墨盲端103、上方布置有端塞102。为了便于燃料棒101的定位，部分燃料棒101上下方分别布置有定位销钉106；本实施例中，3根燃料棒的上下方有定位销钉，每个定位销钉占据2个燃料芯块的位置。通过考虑抓手孔道、定位销钉等结构，堆芯系统在工程上更具可行性。所述燃料棒101呈圆柱形，每根燃料棒包含多个燃料芯块；定位销钉106所在位置的燃料棒包含的燃料芯块数量少于其他位置的燃料棒。
上述的燃料芯块为多个陶瓷燃料颗粒弥散在石墨或陶瓷基体中而形成。所述陶瓷燃料颗粒包括燃料核芯和多层包覆层；燃料核芯材料包括UO2、UCO和UN中的一种或多种混合；所述包覆层包括石墨、SiC和ZrC中的一种或多种混合。陶瓷燃料颗粒可有效防止裂变产物释放，避免燃料受到侵蚀。
如图5所示，控制棒组件呈管状，包括吸收体201和包壳202；吸收体201呈圆环形状，所述包壳202从圆环内部和外部将所述吸收体包覆。冷却剂分别在控制棒内环和控制棒与通道之间的间隙流过，保证控制棒温度不超过包壳材料温度限值。吸收体材料包括B4C，包壳材料包括不锈钢，优选为A800H耐高温钢。
所述紧急冷停堆棒围绕所述内反射层均匀布置在堆芯活性区，所述调节控制棒均匀布置在所述侧反射层，分为两套独立的控制棒系统。位于堆芯活性区靠外位置的冷停堆控制棒一共6组，该组控制棒可以在任何工况下单独实现堆芯冷停堆，并在堆芯功率运行时一直处于提出堆芯的状态。位于侧反射层靠近活性区位置的调节控制棒一共9组，该组控制棒可以在任何工况下单独实现堆芯热停堆，并在堆芯功率运行时调节堆芯状态。按照对称性，9组控制棒可以分为3个子组，分别为燃耗控制棒、功率/温度调节棒、控制轴向功率偏移的AO棒。
本实施例的技术方案在堆芯入口温度514℃，出口温度750℃时，由CFD热工程序计算得到，堆内所有燃料棒的最高温度约990℃，远低于正常运行工况下燃料温度限值1250℃。
为分析冷却剂通道密集排布的小型棱柱式环形气冷微堆堆芯系统的堆芯物理特性，本发明利用通用的蒙卡程序对堆芯平均温度为1000K的气冷微堆进行建模计算分析。
图6是堆芯燃耗特性曲线图。5MW热功率下，堆芯寿期约700EFPD，考虑90％功率因子，满足2年寿期的设计目标。可燃毒物的布置既有效减小了堆芯剩余反应性，也没有造成反应性惩罚，没有影响堆芯寿期。
图7是零燃耗、控制棒提出堆芯时，基于组件平均功率进行归一化的组件功率分布情况。径向上，功率分布相对均匀，径向功率峰因子约1.14；轴向上，功率分布呈余弦函数分布，轴向功率峰因子为1.26；全堆组件功率因子最大为1.38，最小为0.73。
气冷微堆的固有安全性在物理方面主要体现在堆芯运行和停堆方面。
(1)堆芯紧急冷停堆依靠的位于堆芯活性区的6组冷停堆棒。设定冷停堆时堆芯温度300K，在考虑卡棒原则、棒价值不确定性10％(即乘数因子为0.9)、温度降低引起的正反应性不确定性10％(即乘数因子1.1)时，计算得到：5根冷停堆棒价值为﹣19265pcm；温度降低而引起的反应性为+7933pcm；由图6可知寿期内最大keff为1.02637，最大剩余反应性为+2603pcm。因此，冷停堆棒至少可以提供﹣6009pcm的停堆深度，完全满足﹣1000pcm的冷停堆的停堆深度要求。
(2)堆芯热停堆依靠的是位于侧反射层的9组调节棒。设定热停堆时堆芯温度500K，在考虑卡棒原则、棒价值不确定性10％(即乘数因子为0.9)、温度降低引起的正反应性不确定性10％(即乘数因子1.1)时，计算得到：8根调节棒价值为﹣9719pcm；温度降低而引起的反应性为+4519pcm；寿期内堆芯最大剩余反应性为+2603pcm。因此，调节棒至少可以提供﹣1173pcm的停堆深度，完全满足﹣1000pcm的热停堆的停堆深度要求。
(3)气冷微堆最大的固有安全性体现在事故条件下，没有任何应急措施，堆芯仅依靠温度负反馈实现停堆。假设所有控制棒完全弹出，寿期内，堆芯最大keff＝1.02637，最大剩余反应性为+2603pcm；而在不同温度下、不同燃耗点下堆芯总温度反应性系数至少为﹣6pcm/K；堆芯平均温度从的1000K上升至1434K便可以实现自动停堆，若假定堆芯温度梯度不变，此时堆芯燃料棒最高温度也从990℃上升至1424℃，远低于燃料颗粒温度限值1600℃。因此，该冷却剂通道密集排布的小型棱柱式环形气冷微堆堆芯系统在事故条件下，即使没有任何应急措施，仅依靠温度负反馈也可以实现自动停堆，从物理上排除了堆芯熔化和放射性物质释放的可能性。
(4)在ATWS失冷事故中，控制棒往往不会全部弹出堆芯，而仍然维持在临界棒位，此时，由于温度负反馈，堆芯温度稍有上升即可实现自动停堆。由于失去冷却剂，堆芯平均温度会逐渐上升并维持在稍高的温度水平，该温度水平与堆芯自身热辐射、自然对流等非能动余热排出的能力相关。由于停堆，堆芯功率急剧下降，而石墨材料导热能力好，正常运行时较大的温度梯度在事故条件下反而得到展平，堆芯燃料最大温度首先急剧下降，之后缓慢上升并维持在稍高的温度水平，并远远低于事故条件下燃料温度限值。
本发明提出的冷却剂通道密集排布的小型棱柱式环形气冷微堆堆芯系统，通过合理的燃料设计、调节堆芯尺寸和燃料富集度，可以实现该堆型不同功率不同寿期的设计。寿期初，控制棒提出时，燃料组件的径向功率峰因子约1.14，轴向功率分布呈余弦函数形式，轴向功率峰因子在1.26左右。堆芯具有两套独立的停堆棒组，可以分别实现冷停堆和热停堆。堆芯具有较强的温度负反馈，温度负反应性系数至少达到﹣6pcm/K以上，巨大的温升裕量保证了在事故条件下，即使反射层内的调节棒和堆芯活性区内的冷停堆棒完全弹出，且没有任何应急措施，仅依靠温度负反馈也可以实现自动停堆。该冷却剂通道密集排布的小型棱柱式环形气冷微堆堆芯系统具有良好的堆芯物理特性和优越的固有安全性。均匀密集排布的冷却剂通道和布置的内反射层，有利于降低堆芯燃料最高温度，提高温升裕量，进而提高堆芯安全性。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若对本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其同等技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。上述实施方式只是对本发明的举例说明，本发明也可以以其它的特定方式或其它的特定形式实施，而不偏离本发明的要旨或本质特征。因此，描述的实施方式从任何方面来看均应视为说明性而非限定性的。本发明的范围应由附加的权利要求说明，任何与权利要求的意图和范围等效的变化也应包含在本发明的范围内。
Claims (12)
1.冷却剂通道密集排布的小型棱柱式环形气冷微堆堆芯系统，其特征在于，包括燃料组件、控制棒组件和反射层；所述燃料组件呈六棱柱形状，包括相间规则布置的燃料棒通道和冷却剂通道；每个燃料棒通道周围均匀布置有冷却剂通道以降低燃料最高温度；所述反射层包括上反射层、下反射层、侧反射层和内反射层；所述上反射层、下反射层和侧反射层包覆堆芯；所述内反射层设置在堆芯中心以避免堆芯中心温度过高；所述燃料组件围绕所述内反射层设置；所述控制棒组件包括被燃料组件围绕的紧急冷停堆棒和布置在所述侧反射层的调节控制棒。
2.如权利要求1所述的冷却剂通道密集排布的小型棱柱式环形气冷微堆堆芯系统，其特征在于，所述燃料组件在径向分区布置、在轴向分层布置；控制棒组件在堆芯活性区布置有6组，在侧反射层布置有9组；冷却剂是单相惰性气体氦气。
3.如权利要求2所述的冷却剂通道密集排布的小型棱柱式环形气冷微堆堆芯系统，其特征在于，布置在径向最内侧的燃料组件还布置有可燃毒物棒；所述可燃毒物采用分离型毒物布置方式。
4.如权利要求1所述的冷却剂通道密集排布的小型棱柱式环形气冷微堆堆芯系统，其特征在于，所述燃料组件中心还有用于装卸料的抓手孔。
5.如权利要求1所述的冷却剂通道密集排布的小型棱柱式环形气冷微堆堆芯系统，其特征在于，所述燃料棒通道下方布置有石墨盲端、上方布置有端塞。
6.如权利要求5所述的冷却剂通道密集排布的小型棱柱式环形气冷微堆堆芯系统，其特征在于，部分燃料棒上下方分别布置有定位销钉。
7.如权利要求6所述的冷却剂通道密集排布的小型棱柱式环形气冷微堆堆芯系统，其特征在于，燃料棒呈圆柱形，每根燃料棒包含多个燃料芯块；定位销钉所在位置的燃料棒包含的燃料芯块数量少于其他位置的燃料棒。
8.如权利要求6所述的冷却剂通道密集排布的小型棱柱式环形气冷微堆堆芯系统，其特征在于，所述燃料芯块为多个陶瓷燃料颗粒弥散在石墨或陶瓷基体中而形成。
9.如权利要求8所述的冷却剂通道密集排布的小型棱柱式环形气冷微堆堆芯系统，其特征在于，所述陶瓷燃料颗粒包括燃料核芯和多层包覆层；燃料核芯材料包括UO2、UCO和UN中的一种或多种混合；所述包覆层包括石墨、SiC和ZrC中的一种或多种混合。
10.如权利要求1-9任一所述的冷却剂通道密集排布的小型棱柱式环形气冷微堆堆芯系统，其特征在于，所述紧急冷停堆棒围绕所述内反射层均匀布置在堆芯活性区，所述调节控制棒均匀布置在所述侧反射层。
11.如权利要求10所述的冷却剂通道密集排布的小型棱柱式环形气冷微堆堆芯系统，其特征在于，控制棒组件呈管状，包括吸收体和包壳；吸收体呈圆环形状，所述包壳从圆环内部和外部将所述吸收体包覆。
12.如权利要求11所述的冷却剂通道密集排布的小型棱柱式环形气冷微堆堆芯系统，其特征在于，吸收体材料包括B4C，包壳材料包括不锈钢。
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