CN113270208A - 一种模块化横置棱柱式气冷微堆堆芯系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种模块化横置棱柱式气冷微堆堆芯系统，包括燃料组件、转鼓控制棒、吸收体球、反射层；所述反射层包覆由所述燃料组件构成的堆芯；转鼓控制棒布置在侧反射层；所述堆芯设置有中心石墨带；吸收体球通道布置在所述中心石墨带中；所述燃料组件设置有相间规则布置的燃料棒通道、冷却剂通道和氧化铍棒以增强慢化。本发明的有益效果是：采用陶瓷微封装燃料，避免燃料受到侵蚀；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；具备仅依靠温度负反馈自动热停堆的固有安全性；转鼓控制棒和吸收体球不仅可以有效控制反应性，保证堆芯安全，还可以节约空间，使堆芯系统及反应堆可以布置在常用的集装箱中，便于运输。
Description
技术领域
本发明属于核反应堆工程技术领域，具体涉及一种模块化横置棱柱式气冷微堆堆芯系统。
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。
目前，国内外已有的高温气冷堆设计都是基于固定式不移动的堆芯。堆芯各部件需要通过前期在工厂的加工制造，经过分开运输到达应用现场。而大量的燃料组件、反射层、控制棒等部件，在现场也需要经过长时间的安装调试，才能达到正常运行状态，很难满足特殊应用情景下的集装箱运输、简便组装、快速部署的要求。
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模块化横置棱柱式气冷微堆堆芯系统，该方案堆芯具有优越的固有安全性，能够简化核系统设计和应急设计，便于缩小堆芯系统体积，便于运输。
本发明的技术方案为：
一种模块化横置棱柱式气冷微堆堆芯系统，包括燃料组件、转鼓控制棒、吸收体球、反射层；所述反射层包覆由所述燃料组件构成的堆芯；转鼓控制棒布置在侧反射层；所述堆芯设置有中心石墨带；吸收体球通道布置在所述中心石墨带中；
所述燃料组件设置有相间规则布置的燃料棒通道、冷却剂通道和氧化铍棒以增强慢化。
进一步地，上述的模块化横置棱柱式气冷微堆堆芯系统，所述燃料组件在径向分区、在轴向分层布置以提高结构稳定性和抗震能力。
进一步地，上述的模块化横置棱柱式气冷微堆堆芯系统，可燃毒物采用分离型布置方式；冷却剂是单相惰性气体氦气；所述燃料组件是方形石墨燃料组件。
进一步地，上述的模块化横置棱柱式气冷微堆堆芯系统，靠近中心石墨带燃料组件中燃料棒的数量比远离中心石墨带燃料组件中燃料棒的数量少。
进一步地，上述的模块化横置棱柱式气冷微堆堆芯系统，燃料棒呈圆柱形，每根燃料棒包含多个燃料芯块。
进一步地，上述的模块化横置棱柱式气冷微堆堆芯系统，燃料芯块由多个包覆燃料颗粒弥散在石墨或陶瓷基体中形成。
进一步地，上述的模块化横置棱柱式气冷微堆堆芯系统，所述燃料颗粒包括燃料核芯和多层包覆层。
进一步地，上述的模块化横置棱柱式气冷微堆堆芯系统，所述燃料核芯材料包括UO2、UCO和UN中的一种或几种；包覆层材料包括石墨、SiC和ZrC中的一种或几种。
进一步地，上述的模块化横置棱柱式气冷微堆堆芯系统，布置在靠近中心石墨带的燃料组件中还布置有可燃毒物棒。
进一步地，上述的模块化横置棱柱式气冷微堆堆芯系统，吸收体材料包括B4C；包壳材料包括不锈钢。
进一步地，上述的模块化横置棱柱式气冷微堆堆芯系统，转鼓控制棒的吸收体呈部分圆环形状。
进一步地，上述的模块化横置棱柱式气冷微堆堆芯系统，反射层包括前反射层、后反射层和侧反射层，反射层材料包括石墨或BeO。
本发明的有益效果是：
本发明的技术方案堆芯由方形燃料组件组成，所采用的燃料类型是陶瓷微封装燃料，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；而包括石墨、BeO在内的中子慢化剂，同时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；堆芯在事故工况下具备仅依靠温度负反馈实现自动热停堆的固有安全性；转鼓控制棒和吸收体球不仅可以有效控制反应性，保证堆芯安全，还可以节约空间，使堆芯系统及反应堆可以布置在常用的集装箱中，便于运输。
附图说明
图1为本发明一种模块化横置棱柱式气冷微堆堆芯系统中含可燃毒物棒的燃料组件的径向布置图。
图2为本发明吸收体球通道所在位置的堆芯径向布置图。
图3为本发明中心石墨带所在位置的堆芯径向布置图。
图4为本发明中沿中心石墨带的轴向剖面示意图。
图5为本发明气冷微堆燃耗特性曲线图。
图6为本发明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、转鼓控制棒；3、侧反射层；4、吸收体球通道；5、中心石墨带；101、燃料棒；102、冷却剂通道；103、可燃毒物棒；104、氧化铍棒。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例进行介绍：
如图2-4所示，本发明公开了一种模块化横置棱柱式气冷微堆堆芯系统，包括燃料组件1、转鼓控制棒2、吸收体球、反射层；所述反射层包覆由所述燃料组件1构成的堆芯；转鼓控制棒2布置在侧反射层3；所述堆芯设置有中心石墨带5；吸收体球通道4布置在所述中心石墨带5中。
本实施例中，燃料组件在径向分区、在轴向分9层布置。为便于描述，以堆芯中心为原点，x代表轴向，y和z代表径向，堆芯径向布置有28个完整燃料组件，其中位于(1,1)(1,-1)(-1,1)(-1，-1)四个位置的燃料组件内各布置有4根直径1cm、吸收体材料为钆的可燃毒物棒；位于y＝0的径向直径上，布置有7组不完整燃料组件，包括14根燃料棒、8个氧化铍棒和6个冷却剂通道。整个堆芯轴向长度3.4m，径向直径2.1m。
堆芯中心y＝0位置布置有宽度8.4cm的中心石墨带，石墨带沿轴向x方向分布有5个半径3.9cm的吸收体球通道。堆芯侧反射层内布置有8组控制鼓，吸收体是内径12.5cm，外径14.5cm的三分之一圆环。转鼓控制棒用于补偿温度变化、氙钐毒、燃耗等引起的反应性变化、热停堆等；吸收体球是在转鼓控制棒实现热停堆后，进一步将堆芯冷停堆，也可以单独实现堆芯冷停堆。
靠近中心石墨带燃料组件中燃料棒的数量比远离中心石墨带燃料组件中燃料棒的数量少。
如图1所示，燃料组件1设置有相间规则布置的燃料棒通道、冷却剂通道102和氧化铍棒104以增强慢化。其中，布置在靠近中心石墨带5的燃料组件1中还布置有可燃毒物棒103。可燃毒物采用分离型布置方式；冷却剂是单相惰性气体氦气；所述燃料组件1是方形石墨燃料组件。每个燃料组件1的边长为21cm，高度31cm，包括24根燃料棒、9个冷却剂通道；若布置有可燃毒物棒，则燃料组件内有12根直径1cm的氧化铍棒；若未布置可燃毒物棒，则燃料组件内有16根氧化铍棒。
燃料棒101呈圆柱形，每根燃料棒包含多个燃料芯块，优选为8个燃料芯块在轴向上叠加。燃料芯块由多个包覆燃料颗粒弥散在石墨或陶瓷基体中形成。所述燃料颗粒的结构包括燃料核芯和多层包覆层，优选为富集度8.5％的UO2燃料核芯和四层包覆层结构的包覆燃料颗粒，燃料颗粒的直径大约几百微米；所述燃料核芯材料包括UO2、UCO和UN中的一种或几种；包覆层材料包括石墨、SiC和ZrC中的一种或几种。如此，燃料芯块采用微封装，能够有效防止裂变产物的释放。
吸收体(包括吸收体球和转鼓控制棒上的吸收体)材料包括B4C；包壳材料包括不锈钢。所述转鼓控制棒上的吸收体呈部分圆环形状。
反射层包括前反射层、后反射层和侧反射层3。本实施例中，反射层材料包括石墨或BeO。
本发明的技术方案堆芯由方形燃料组件组成，所采用的燃料类型是陶瓷微封装燃料，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；而包括石墨、BeO在内的中子慢化剂，同时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；堆芯在事故工况下具备仅依靠温度负反馈实现自动热停堆的固有安全性；转鼓控制棒和吸收体球不仅可以有效控制反应性，保证堆芯安全，还可以节约空间，使堆芯系统及反应堆可以布置在常用的集装箱中，便于运输。
本实施例中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，也可以仅依靠温度负反馈自动热停堆，从物理上避免堆芯熔化和放射性物质释放的可能性。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。
以下以石墨作为堆芯和反射层材料、以B4C作为吸收体材料、钆作为可燃毒物材料为例，本发明的效果如下：本发明提出的模块化横置棱柱式气冷微堆堆芯系统，设计寿期1年，设计功率5MW；寿期内，控制棒提出时，径向功率峰因子约1.25，轴向功率分布呈余弦函数形式，轴向功率峰因子在1.29左右；堆芯具有两套独立的停堆棒组，可以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﹣5pcm/K以上，巨大的温升裕量保证了在事故条件下，即使转鼓控制棒和吸收体球通道完全不可用，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。该模块化横置棱柱式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。堆芯系统径向尺寸较小，转鼓控制棒和吸收体球辅助系统所占空间较小，可以布置在集装箱内，便于运输，具有较大的市场潜力。
本发明提出的模块化横置棱柱式气冷微堆堆芯系统，通过合理的堆芯燃料设计、调节堆芯尺寸和燃料富集度等参数，可以实现该堆型不同功率不同寿期的设计；通过提高燃料富集度，可以进一步减小堆芯尺寸；通过不同位置燃料组件富集度的分区布置，可以优化堆芯功率分布；通过可燃毒物和控制棒布置的调整，可以实现反应性的有效控制；该模块化横置棱柱式气冷微堆堆芯系统具有优越的设计灵活性和环境适用性。
为分析模块化横置棱柱式气冷微堆的堆芯物理特性，本发明利用通用的蒙卡程序对假定堆芯温度1200K的气冷微堆进行建模分析。
气冷微堆的燃耗特性计算结果如图5所示，5MW热功率下，堆芯寿期约435EFPD，满足1年寿期的设计目标。寿期内，堆芯最大keff为1.01494，最小为1.00410，剩余反应性变化幅度为1074pcm。
气冷微堆的堆芯功率分布如图6所示，这是零燃耗、控制棒完全提出堆芯时，基于组件平均功率进行归一化的四分之一堆芯内组件功率分布情况。径向上，功率分布相对均匀，径向功率峰因子约1.25；轴向上，功率分布呈余弦函数分布，轴向功率峰因子为1.29；全堆组件功率因子最大为1.61，最小为0.53。
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)堆芯热停堆依靠的是转鼓控制棒，假设热停堆时堆芯温度700K，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，转鼓控制棒至少可以提供﹣2117pcm的热停堆的停堆深度，完全满足﹣1000pcm的停堆深度要求。
(2)堆芯紧急停堆、冷停堆依靠的是吸收体球，假设冷停堆时堆芯温度300K，在考虑价值最大的一个吸收体球通道不可用、吸收体球价值不确定性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，在转鼓控制棒实现热停堆的基础上，吸收体球至少可以提供﹣10281pcm的冷停堆的停堆深度，完全满足﹣1000pcm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。假设所有转鼓控制棒和吸收体球通道不可用，寿期内，堆芯最大keff＝1.01494，剩余反应性为+1483pcm；而堆芯总温度反应性系数在为﹣5pcm/K～﹣10pcm/K之间，堆芯温度从假设的1200K上升至1500K(约1227℃)便可以实现自动停堆；该温度远低于堆芯燃料温度限值(1600℃左右)。因此，该模块化横置棱柱式气冷微堆，即使在事故条件下，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。
堆芯径向直径2.1m，转鼓控制棒和吸收体球所需辅助系统占用空间小，可以放置在边长2.5m的常用集装箱内，便于堆芯运输，灵活使用，市场潜力大。
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)
1.一种模块化横置棱柱式气冷微堆堆芯系统，其特征在于，包括燃料组件、转鼓控制棒、吸收体球、反射层；所述反射层包覆由所述燃料组件构成的堆芯；转鼓控制棒布置在侧反射层；所述堆芯设置有中心石墨带；吸收体球通道布置在所述中心石墨带中；
所述燃料组件设置有相间规则布置的燃料棒通道、冷却剂通道和氧化铍棒以增强慢化。
2.如权利要求1所述的模块化横置棱柱式气冷微堆堆芯系统，其特征在于，所述燃料组件在径向分区、在轴向分层布置以提高结构稳定性和抗震能力。
3.如权利要求2所述的模块化横置棱柱式气冷微堆堆芯系统，其特征在于，可燃毒物采用分离型布置方式；冷却剂是单相惰性气体氦气；所述燃料组件是方形石墨燃料组件。
4.如权利要求1-3任一所述的模块化横置棱柱式气冷微堆堆芯系统，其特征在于，靠近中心石墨带燃料组件中燃料棒的数量比远离中心石墨带燃料组件中燃料棒的数量少。
5.如权利要求4所述的模块化横置棱柱式气冷微堆堆芯系统，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。
6.如权利要求5所述的模块化横置棱柱式气冷微堆堆芯系统，其特征在于，燃料芯块由多个包覆燃料颗粒弥散在石墨或陶瓷基体中形成。
7.如权利要求6所述的模块化横置棱柱式气冷微堆堆芯系统，其特征在于，所述燃料颗粒包括燃料核芯和多层包覆层。
8.如权利要求7所述的模块化横置棱柱式气冷微堆堆芯系统，其特征在于，所述燃料核芯材料包括UO2、UCO和UN中的一种或几种；包覆层材料包括石墨、SiC和ZrC中的一种或几种。
9.如权利要求4所述的模块化横置棱柱式气冷微堆堆芯系统，其特征在于，布置在靠近中心石墨带的燃料组件中还布置有可燃毒物棒。
10.如权利要求1-4任一所述的模块化横置棱柱式气冷微堆堆芯系统，其特征在于，吸收体材料包括B4C；包壳材料包括不锈钢。
11.如权利要求1-4任一所述的模块化横置棱柱式气冷微堆堆芯系统，其特征在于，转鼓控制棒的吸收体呈部分圆环形状。
12.如权利要求1-4任一所述的模块化横置棱柱式气冷微堆堆芯系统，其特征在于，反射层包括前反射层、后反射层和侧反射层，反射层材料包括石墨或BeO。
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