CN113270210B - 一种低铀装量的轻量化热管堆堆芯结构 - Google Patents

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Abstract

一种低铀装量的轻量化热管堆堆芯结构，堆芯由燃料区、保温层、固定式反射层、滑动反射层、安全棒、内壳体、应急余热排出通道以及外壳体组成；燃料区由基体、上轴向反射层、下轴向反射层及布置在其中的热管、燃料棒和慢化棒组成；其中，燃料棒和慢化棒围绕热管呈方形栅阵排布；燃料棒采用低浓UN燃料芯块和钼包壳，慢化棒采用氢化钇慢化棒芯和钼管壁，基体采用碳化硅材料，上轴向反射层和下轴向反射层采用氧化铍材料；该结构采用了多种轻质量的慢化材料，能有效软化热管堆的能谱，减少堆芯中铀燃料的装载和堆芯重量，提高热管堆的经济性。

Description

一种低铀装量的轻量化热管堆堆芯结构
技术领域
本发明属于核反应堆工程技术领域，具体涉及一种低铀装量的轻量化热管堆堆芯结构。
背景技术
热管冷却反应堆采用热管非能动方式导出堆芯热量。相比于液体或气体冷却反应堆，采用固态整体堆芯的热管冷却反应堆无流动系统也无需流体相关辅助系统，节省了泵阀的设计和相关的管路、腔室的设计，具有结构紧凑、运行压力低、静默运行等优势。同时，由于热管传热是非能动的，且各个热管独立运行，当单根或数根热管失效时，堆芯热量仍可从周围的热管导出，堆芯具有良好的固有安全性。
基于热管堆的优点，其在深空探测与推进、陆基核电源、深海潜航探索、偏远地区供电等领域具有很大的应用前景。当前，热管堆的设计以快堆居多，其结构紧凑，设计相对简单，但由于快中子的裂变截面小、泄漏强，导致中子经济性差，堆芯需要装载大量的高浓缩铀，不利于系统经济性和核不扩散。另一方面，鉴于热管运行温度高，一般采用难熔合金作为基体，基体重量大，不利于轻量化和灵活部署。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供了一种低铀装量的轻量化热管堆堆芯结构，通过合理的材料选择和堆芯布置，可以减少堆芯中铀燃料的装载量，降低堆芯的重量。
为了实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：
一种低铀装量的轻量化热管堆堆芯结构，堆芯径向由燃料区1、保温层2、固定式反射层3、滑动反射层4、安全棒5、内壳体6、应急余热排出通道7、外壳体8组成；所述燃料区1设置在堆芯中央，燃料区1外包覆保温层2，保温层2外部为固定式反射层3，固定式反射层3中设置的滑动反射层4和安全棒5沿燃料区1外周圈间隔布置，固定式反射层3外周圈包覆内壳体6，内壳体6外周圈为应急余热排出通道7，应急余热排出通道7外周圈包覆外壳体8；所述燃料区1中，燃料棒9、慢化棒10围绕热管11呈方形栅阵排布，并布置在基体12内；所述燃料棒9从内向外依次由燃料芯块13、气隙14、包壳15组成；所述燃料芯块13的材料为低浓UN燃料。
所述低浓UN燃料为富集度为19.75％的UN燃料。
所述滑动反射层4为长方体结构，分布在燃料区1四个侧面，燃料区1的四角缩进，安全棒5为圆周状分布在燃料区1四角。
所述慢化棒10布置在方形栅阵的四角。
所述慢化棒10由慢化棒芯16及包覆在慢化棒芯16外周圈的管壁17组成；所述慢化棒芯16的材料为氢化钇。
所述基体12的材料为碳化硅。
所述基体12上部为上轴向反射层18，下部为下轴向反射层19；所述上轴向反射层18和下轴向反射层19材料为氧化铍。
所述燃料芯块13上部为燃料上反射层20，下部为燃料下反射层21；所述燃料上反射层20和燃料下反射层21材料为氧化铍。
本发明和现有技术相比，具有如下优点：
1、本发明采用的堆芯方案中，燃料采用富集度为19.75％的UN燃料，浓度低，铀燃料装载量小，有利于防止核扩散。
2、本发明采用的堆芯方案中，设计了专门的慢化棒，其中，慢化棒芯的材料为氢化钇，其含氢密度高、中子吸收截面小、高温环境热稳定性好，可以适当的软化中子能谱，在减少铀燃料装载量上具有显著的作用。
3、本发明采用的堆芯方案中，采用了碳化硅作为基体材料，可有效慢化燃料区内的中子，同时碳化硅密度小，重量轻，相比于金属或合金材料的基体，在减少堆芯重量方面具有一定的优势。
4、本发明采用的堆芯方案中，上轴向反射层和下轴向反射层采用氧化铍，其具有核性能良好、密度小、热导率高的优点，可有效降低堆芯的中子能量，减少堆芯重量。
附图说明
图1是本发明低铀装量的轻量化热管堆堆芯结构的横截面示意图。
图2是燃料区的横截面示意图。
图3是图2位于A区域中结构的横截面示意图。
图4是图3沿B-B处轴向示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明结构进行详细说明。
如图1所示，一种低铀装量的轻量化热管堆堆芯结构，堆芯径向由燃料区1、保温层2、固定式反射层3、滑动反射层4、安全棒5、内壳体6、应急余热排出通道7和外壳体8组成。所述燃料区1设置在堆芯中央，燃料区1外包覆保温层2，保温层2外部为固定式反射层3，固定式反射层3中设置的滑动反射层4和安全棒5沿燃料区1外周圈间隔布置，固定式反射层3外周圈包覆内壳体6，内壳体6外周圈为应急余热排出通道7，应急余热排出通道7外周圈包覆外壳体8。滑动反射层4为长方体结构，分布在燃料区1四个侧面，燃料区1的四角缩进，安全棒5为圆周状分布在燃料区1四角。
如图2所示，所述燃料区1中，燃料棒9、慢化棒10围绕热管11呈方形栅阵排布，并布置在基体12内。
如图2所示，所述燃料棒9的数目为392根，慢化棒10的数目为88根；相邻的燃料棒9、慢化棒10的棒间距为15mm；热管11采用钠作为工质，数目为109根，外径为25mm；优选基体12的材料为碳化硅，可有效慢化燃料区内的中子，减少堆芯中基体的重量。
如图3所示，所述燃料棒9从内向外依次由燃料芯块13、气隙14、包壳15组成；优选燃料芯块13的材料为低浓UN燃料，富集度为19.75％，外径为12.7mm；气隙14的材料为氦气，厚度为0.15mm；包壳15的材料为钼金属，厚度为0.5mm。
如图3所示，所述慢化棒10从内向外依次由慢化棒芯16、管壁17组成；优选慢化棒芯16的材料为氢化钇，外径为13mm；管壁17的材料为钼金属，厚度为0.5mm；慢化棒的使用可以降低中子能量，减少堆芯中铀燃料的装载。
如图4所示，所述基体12上部为上轴向反射层18，下部为下轴向反射层19；优选上轴向反射层18和下轴向反射层19材料为氧化铍；基体12高度为100mm，上轴向反射层18和下轴向反射层19高度均为15mm。
如图4所示，所述燃料芯块13上部为燃料上反射层20，下部为燃料下反射层21；优选燃料上反射层20和燃料下反射层21材料为氧化铍；燃料芯块13高度为100mm，燃料上反射层20和燃料下反射层21高度均为15mm。

Claims (7)

1.一种低铀装量的轻量化热管堆堆芯结构，其特征在于：堆芯径向由燃料区(1)、保温层(2)、固定式反射层(3)、滑动反射层(4)、安全棒(5)、内壳体(6)、应急余热排出通道(7)、外壳体(8)组成；所述燃料区(1)设置在堆芯中央，燃料区(1)外包覆保温层(2)，保温层(2)外部为固定式反射层(3)，固定式反射层(3)中设置的滑动反射层(4)和安全棒(5)沿燃料区(1)外周圈间隔布置，固定式反射层(3)外周圈包覆内壳体(6)，内壳体(6)外周圈为应急余热排出通道(7)，应急余热排出通道(7)外周圈包覆外壳体(8)；所述燃料区(1)中，燃料棒(9)、慢化棒(10)围绕热管(11)呈方形栅阵排布，并布置在基体(12)内；
所述燃料棒(9)从内向外依次由燃料芯块(13)、气隙(14)、包壳(15)组成；所述燃料芯块(13)的材料为低浓UN燃料，所述低浓UN燃料为富集度为19.75％的UN燃料。
2.根据权利要求1所述的一种低铀装量的轻量化热管堆堆芯结构，其特征在于：所述滑动反射层(4)为长方体结构，分布在燃料区(1)四个侧面，燃料区(1)的四角缩进，安全棒(5)为圆周状分布在燃料区(1)四角。
3.根据权利要求1所述的一种低铀装量的轻量化热管堆堆芯结构，其特征在于：所述慢化棒(10)布置在方形栅阵的四角。
4.根据权利要求1所述的一种低铀装量的轻量化热管堆堆芯结构，其特征在于：所述慢化棒(10)由慢化棒芯(16)及包覆在慢化棒芯(16)外周圈的管壁(17)组成；所述慢化棒芯(16)的材料为氢化钇。
5.根据权利要求1所述的一种低铀装量的轻量化热管堆堆芯结构，其特征在于：所述基体(12)的材料为碳化硅。
6.根据权利要求1所述的一种低铀装量的轻量化热管堆堆芯结构，其特征在于：所述基体(12)上部为上轴向反射层(18)，下部为下轴向反射层(19)；所述上轴向反射层(18)和下轴向反射层(19)材料为氧化铍。
7.根据权利要求1所述的一种低铀装量的轻量化热管堆堆芯结构，其特征在于：所述燃料芯块(13)上部为燃料上反射层(20)，下部为燃料下反射层(21)；所述燃料上反射层(20)和燃料下反射层(21)材料为氧化铍。
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