CN113270207B - 一种短寿期气冷微堆性能优化结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种短寿期气冷微堆性能优化结构，包括燃料堆芯；所述燃料堆芯上设置有含钆可燃毒物棒；所述含钆可燃毒物棒不含硼元素。本发明的有益效果是：本发明提供的适用于短寿期气冷微堆的性能优化结构，通过在燃料组件中设置含钆可燃毒物棒的方式，解决了B4C毒物对于小功率、短寿期的气冷微堆而言，10B的中子吸收截面太小，造成很大的反应性惩罚的问题，可以有效控制短寿期气冷微堆的堆芯剩余反应性，不会在寿期末产生反应性惩罚，保证堆芯仅依靠温度负反馈便可实现自动停堆，保证堆芯固有安全性的实现。同时，该优化结构采用含钆可燃毒物棒的形式，避免将含钆毒物布置在陶瓷包壳的燃料核中带来的极大地提高燃料制造的工艺要求的问题。
Description
技术领域
本发明属于核工业领域，具体涉及一种短寿期气冷微堆性能优化结构。
背景技术
气冷微堆是一种小型模块化棱柱式高温气冷堆，具有“固有安全、智能、灵活、简约”的设计特点，是属于第四代核能系统的先进堆型。气冷微堆的堆芯燃料采用高温陶瓷微封装燃料，该燃料使用的是弥散在碳化硅基质的TRISO包覆型燃料，这种燃料结构形成了一道几乎不能渗透的核素释放屏障，避免了裂变产物等放射性泄漏和燃料被侵蚀的风险。堆芯冷却剂使用的是单相惰性气体氦气，冷却剂状态和反应性之间不存在耦合关系，也不会与包壳、燃料、结构材料等发生化学反应和能量反应。石墨既是中子慢化剂，也是堆芯结构材料和反射层材料。石墨堆芯热容大，可以容纳很大的热量，温度瞬态缓慢，且可以承受很高的温度。另外，石墨堆芯使得整个堆芯的功率密度较低，堆芯安全性得到进一步提高。因此，气冷微堆有着优越的固有安全性和技术成熟性，在偏远地区供电、海底充电、海岛供电、航天航空等领域具有很大的发展潜力和广阔的应用市场。
可燃毒物是气冷微堆反应性控制的重要手段，合适的可燃毒物布置，不仅可以有效控制堆芯剩余反应性，减少控制棒组的数量需求，简化反应堆结构，还不会在寿期末造成较大的反应性惩罚，避免堆芯寿期缩短，同时，可燃毒物的布置也是气冷微堆固有安全性实现的重要保障，保证堆芯在事故条件下仅依靠温度负反馈实现自动停堆。
高温气冷堆中，常用的可燃毒物是B4C，但是对于小功率、短寿期的气冷微堆而言，10B的中子吸收截面太小，会造成很大的反应性惩罚，并不适用。
一般在压水堆中，钆作为可燃毒物，主要以Gd2O3粉末常与UO2燃料混合烧结成燃料芯块的整体型毒物形式应用。
但是，气冷微堆的燃料采用的是包覆燃料颗粒弥散在碳化硅基体中的形式，包覆燃料颗粒的UO2燃料核尺寸只有几百微米，如果将Gd2O3毒物布置在燃料核中将极大地提高燃料制造的工艺要求，还可能会影响燃料性能，这并不合适。
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一种短寿期气冷微堆性能优化结构，该方案能够不会对气冷微堆的燃料造成不利影响，还可以有效控制堆芯剩余反应性，保证堆芯固有安全性的实现。
本发明的技术方案为：
一种短寿期气冷微堆性能优化结构，包括燃料堆芯；所述燃料堆芯上设置有分离式含钆可燃毒物棒；所述分离式含钆可燃毒物棒不含硼元素。
进一步地，上述的短寿期气冷微堆性能优化结构，所述分离式含钆可燃毒物棒包括吸收体材料和基体材料，所述吸收体材料中包含钆元素。
进一步地，上述的短寿期气冷微堆性能优化结构，所述钆元素占可燃毒物棒材料总质量的0.1%~99.9%。
进一步地，上述的短寿期气冷微堆性能优化结构，所述钆元素以钆单质或钆合金或钆化合物的形式存在。
进一步地，上述的短寿期气冷微堆性能优化结构，所述基体材料为石墨、氧化铝、氧化锆、氧化镁、碳化硅、碳化锆和碳化钛中的一种或多种混合。
进一步地，上述的短寿期气冷微堆性能优化结构，所述分离式含钆可燃毒物棒外设置有包壳管，所述包壳管材质为石墨或锆合金或不锈钢。
进一步地，上述的短寿期气冷微堆性能优化结构，所述燃料堆芯的燃料组件为六棱柱形，每个燃料组件在周向均匀设置多个分离式含钆可燃毒物棒。
进一步地，上述的短寿期气冷微堆性能优化结构，每个燃料组件设置有3个分离式含钆可燃毒物棒。
本发明的有益效果是：
本发明提供的适用于短寿期气冷微堆的性能优化结构，通过在燃料组件中设置分离式含钆可燃毒物棒的方式，解决了B4C毒物对于小功率、短寿期的气冷微堆而言，10B的中子吸收截面太小，造成很大的反应性惩罚的问题，可以有效控制短寿期气冷微堆的堆芯剩余反应性，不会在寿期末产生反应性惩罚，保证堆芯仅依靠温度负反馈便可实现自动停堆，保证堆芯固有安全性的实现。
同时，该优化结构采用分离式含钆可燃毒物棒的形式，避免将含钆毒物布置在陶瓷包壳的燃料核中带来的极大地提高燃料制造的工艺要求的问题。
附图说明
图1为一种短寿期气冷微堆的布置示意图。
图2为本发明一种短寿期气冷微堆性能优化结构的布置示意图。
图3为本发明中含钆可燃毒物棒的结构示意图。
图4为布置含钆可燃毒物棒时堆芯燃耗特性曲线图。
图5为本发明燃料温度反应性系数变化曲线图。
图6为本发明堆芯石墨温度反应性系数变化曲线图。
图7为本发明反射层石墨温度反应性系数变化曲线图。
上述附图中：1、燃料组件；2、控制棒组件；3、侧反射层；4、燃料棒；5、冷却剂流道；6、可燃毒物棒；7、包壳管。
实施方式
下面结合附图对本发明的实施例进行介绍：
如图1是一种热功率5MW、寿期1年的短寿期气冷微堆堆芯，堆芯主要由燃料组件1、控制棒组件2和反射层组成3。燃料组件1根据位置不同，在径向分为4个区域，分别为zone1~zone4；在轴向上分为6层，从上向下分别为layer1~layer6。
此种气冷微堆不同于现有的高温气冷堆和压水堆。
在以往的高温气冷堆中，常用的可燃毒物是B4C，但是此种可燃毒物对于小功率、短寿期的气冷微堆而言，10B的中子吸收截面太小，会造成很大的反应性惩罚，并不适用。
而在一般在压水堆中，钆作为可燃毒物，主要以Gd2O3粉末常与UO2燃料混合烧结成燃料芯块的整体型毒物形式应用。但是，对于如图1中所示的短寿期气冷微堆中，燃料采用的是包覆燃料颗粒弥散在碳化硅基体中的形式，包覆燃料颗粒的UO2燃料核尺寸只有几百微米，如果将Gd2O3毒物布置在燃料核中将极大地提高燃料制造的工艺要求，还可能会影响燃料性能，因此，这种形式也不合适短寿期气冷微堆。
本发明的技术方案是针对短寿期气冷微堆堆芯进行的性能优化结构。如图2所示，本发明提供的短寿期气冷微堆性能优化结构，包括燃料堆芯；所述燃料堆芯上设置有分离式含钆可燃毒物棒；所述分离式含钆可燃毒物棒不含硼元素。图2中的燃料堆芯包括多个燃料组件1和控制棒组件2；堆芯外围被侧反射层3包覆，部分控制棒组件2设置在所述侧反射层3。燃料堆芯的燃料组件1为六棱柱形，每个燃料组件1在周向均匀设置多个分离式含钆可燃毒物棒6。燃料组件1中，燃料棒4和冷却剂流道5间隔布置。图2中，分离式含钆可燃毒物棒6布置在短寿期气冷微堆径向zone 1区域燃料组件的边缘位置，每个燃料组件布置3根毒物棒。
本发明提供的适用于短寿期气冷微堆的性能优化结构，通过在燃料组件中设置分离式含钆可燃毒物棒的方式，解决了B4C毒物对于小功率、短寿期的气冷微堆而言，10B的中子吸收截面太小，造成很大的反应性惩罚的问题，可以有效控制短寿期气冷微堆的堆芯剩余反应性，不会在寿期末产生反应性惩罚，保证堆芯仅依靠温度负反馈便可实现自动停堆，保证堆芯固有安全性的实现。同时，该优化结构采用分离式含钆可燃毒物棒的形式，避免将含钆毒物布置在陶瓷包壳的燃料核中带来的极大地提高燃料制造的工艺要求的问题。
所述分离式含钆可燃毒物棒6的包括吸收体材料和基体材料，吸收体材料中包含钆元素，钆元素占可燃毒物棒材料总质量的0.1%~99.9%。作为本发明的不同实施例，钆元素可以以钆单质或钆合金或钆化合物的形式存在，基体材料可以选择石墨、氧化铝、氧化锆、氧化镁、碳化硅、碳化锆和碳化钛中的一种或多种混合。在图3所示的实施例中，分离式含钆可燃毒物棒6是由Gd2O3与石墨材料组成的实心棒，其中钆元素质量占比0.87%，棒的半径为0.5cm，长度为30cm；棒体外设置有包壳管7，所述包壳管7材质可以为石墨或锆合金或不锈钢，在本实施例中，包壳管是由石墨材料组成的环形薄层，厚度为0.2cm。
图4是布置含钆可燃毒物棒时堆芯燃耗特性曲线图。可以看出，含钆可燃毒物棒的布置，可以有效控制堆芯的剩余反应性，在寿期末毒物消耗完，几乎不产生反应性惩罚。1年寿期内，堆芯最大keff为1.02557，最小为1.01219，即堆芯剩余反应性在1212pcm~2525pcm之间波动。根据图5~7堆芯反应性系数变化曲线可知，燃料温度系数在﹣2.5pcm/K~﹣6pcm/K之间，堆芯石墨温度系数在﹣3pcm/K~﹣6pcm/K之间；反射层石墨温度系数是个较小的正值，在0~1pcm/K之间；因此，总温度系数在﹣5.5pcm/K~﹣10pcm/K之间。堆芯在正常运行时，堆芯温度在750℃左右，事故条件下，仅依靠温度负反馈，温度上升500℃便可引入﹣2750pcm，实现自动停堆，而此时堆芯温度也远远低于温度限值1600℃，从而保证堆芯和燃料的完整性。因此，分离式含钆可燃毒物棒的布置保证了短寿期气冷微堆堆芯固有安全性的实现。
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 (8)
1.一种短寿期气冷微堆性能优化结构，所述寿期为1年，其特征在于，包括燃料堆芯；所述燃料堆芯上设置有分离式含钆可燃毒物棒；所述分离式含钆可燃毒物棒不含硼元素。
2.如权利要求1所述的短寿期气冷微堆性能优化结构，其特征在于，所述分离式含钆可燃毒物棒包括吸收体材料和基体材料，所述吸收体材料中包含钆元素。
3.如权利要求2所述的短寿期气冷微堆性能优化结构，其特征在于，所述钆元素占可燃毒物棒材料总质量的0.1%~99.9%。
4.如权利要求1所述的短寿期气冷微堆性能优化结构，其特征在于，所述钆元素以钆单质或钆合金或钆化合物的形式存在。
5.如权利要求2所述的短寿期气冷微堆性能优化结构，其特征在于，所述基体材料为石墨、氧化铝、氧化锆、氧化镁、碳化硅、碳化锆和碳化钛中的一种或多种混合。
6.如权利要求1-5任一所述的短寿期气冷微堆性能优化结构，其特征在于，所述分离式含钆可燃毒物棒外设置有包壳管，所述包壳管材质为石墨或锆合金或不锈钢。
7.如权利要求1-5任一所述的短寿期气冷微堆性能优化结构，其特征在于，所述燃料堆芯的燃料组件为六棱柱形，每个燃料组件在周向均匀设置多个分离式含钆可燃毒物棒。
8.如权利要求7所述的短寿期气冷微堆性能优化结构，其特征在于，每个燃料组件设置有3个分离式含钆可燃毒物棒。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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