CN113674875B - 一种快谱反应堆堆芯设计方法及堆芯结构 - Google Patents

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Abstract

本发明属于核反应堆设计技术领域，涉及一种快谱反应堆堆芯设计方法及堆芯结构。本发明方法包括如下步骤：步骤1选择毒物材料抑制因中子慢化引入的正反应性；步骤2选择毒物材料的堆内布置方式。本发明结构包括涂有毒物材料的燃料棒，具体包括燃料棒毒物涂层、燃料包壳、气隙、燃料芯块、燃料中孔，燃料芯块位于燃料包壳内部，燃料芯块与燃料包壳之间留有气隙，燃料包壳的中心位置开有燃料中孔，燃料包壳的外部涂有燃料棒毒物涂层。本发明有效控制发生蒸汽发生器传热管破裂事故后的正反应性引入幅度，提高快谱反应堆的安全性。

Description

一种快谱反应堆堆芯设计方法及堆芯结构
技术领域
本发明属于核反应堆设计技术领域，涉及一种快谱反应堆堆芯设计方法及堆芯结构，具体涉及一种可抑制蒸汽发生器传热管破裂事故正反应性引入的快谱反应堆堆芯设计方法及堆芯结构。
背景技术
快谱反应堆冷却剂具有中子慢化作用弱、热传导性强、化学性质稳定等特性，使得快谱反应堆具备优良的中子物理、热工水力、系统安全性质，并入选国际主流核能界认可的“第四代”先进核能系统。
与传统压水堆不同，快谱反应堆的一次侧压力远小于二次侧压力。当发生蒸汽发生器传热管破裂事故时，蒸汽会由二次侧向一次侧喷射，进入一次侧的蒸汽可能会被冷却剂夹带进入堆芯。进入堆芯的蒸汽会增强堆芯内的中子慢化，引入正反应性，导致反应堆堆芯功率剧增，从而出现堆芯熔化的风险。因此，非常有必要对快谱反应堆的堆芯设计方法进行研究，使得反应堆在发生蒸汽发生器传热管破裂事故时，具备抑制正反应性引入的能力，从而进一步提高快谱反应堆的安全性。为此，本专利提出一种可抑制蒸汽发生器传热管破裂事故正反应性引入的快谱反应堆堆芯设计方法。
通过国内外专利查新发现，目前国内外并无和本发明一致或内容十分类似的专利。
发明内容
本发明的目的在于：
本发明的目的在于针对快谱反应堆，提出一种可抑制蒸汽发生器传热管破裂事故正反应性引入堆芯设计方法，有效控制发生蒸汽发生器传热管破裂事故后的正反应性引入幅度，提高快谱反应堆的安全性。
本发明采用的技术方案：
一种快谱反应堆堆芯设计方法，包括如下步骤：
步骤1选择毒物材料抑制因中子慢化引入的正反应性；步骤2选择毒物材料的堆内布置方式。
所述步骤1中，选择热群吸收截面大于快群吸收截面的毒物材料，抑制蒸汽发生器传热管破裂事故增强堆芯中子慢化所引入的正反应性。
所述毒物材料为含10B、113Cd、143Nd、149Sm、151Eu、155Gd、157Gd、159Tb、161Dy、164Dy、165Ho、167Er、169Tm、176Lu、177Hf、181Ta、Re、191Ir的化合物。
所述步骤2中，选择如下四种方式或四种方式的任意结合进行毒物材料的堆内布置：设置毒物棒，将毒物材料制作成为棒状元件取代部分燃料棒，布置在燃料组件中；设置燃料棒毒物涂层，在燃料棒包壳外均匀涂抹一层毒物材料；设置堆芯毒物包覆层，在堆芯活性区围板内层均匀涂抹一层毒物材料；设置均匀混合毒物的燃料棒，将一定量的毒物材料与燃料均匀混合制作成混杂毒物的燃料元件。
一种快谱反应堆堆芯设计方法的堆芯结构，包括燃料棒和毒物棒，在由燃料棒构成的正六边形燃料组件中，在燃料组件六个顶点处设置六根毒物棒替换燃料棒。
所述毒物棒径向尺寸与燃料棒一致。
包括涂有毒物材料的燃料棒，具体包括燃料棒毒物涂层、燃料包壳、气隙、燃料芯块、燃料中孔，燃料芯块位于燃料包壳内部，燃料芯块与燃料包壳之间留有气隙，燃料包壳的中心位置开有燃料中孔，燃料包壳的外部涂有燃料棒毒物涂层。
包括围板、堆芯毒物包覆层、冷却剂、堆芯活性区，围板内层均匀涂抹堆芯毒物包覆层，围板的内部设有堆芯活性区，围板与堆芯活性区之间填充冷却剂。
包括燃料包壳、气隙、燃料芯块、燃料中孔、均匀混合毒物燃料芯块，均匀混合毒物燃料芯块与燃料包壳之间留有气隙，均匀混合毒物燃料芯块的中心位置开有燃料中孔。
所述毒物燃料为Gd2O3。本发明的有益效果：
该方法通过选择热群吸收截面大于快群吸收截面的毒物材料，并通过设置毒物棒、设置燃料棒毒物涂层、设置堆芯毒物包覆层、设置均匀混合毒物的燃料棒等四种方式或四种方式的任意结合进行毒物材料的布置，增加了快谱反应堆发生蒸汽发生器传热管破裂事故后的中子吸收，引入的负反应性可抑制因事故增强中子慢化而带来的正反应性。本发明的方法可有效抑制蒸汽发生器传热管破裂事故引入的正反应性，提高快谱反应堆的安全性。
附图说明
图1为毒物棒布置示意图，即在燃料组件中均匀布置一定数量的由毒物材料制作的毒物棒。
图2为燃料棒毒物涂层布置示意图，即在燃料棒外均匀涂抹一层毒物材料。
图3为堆芯毒物包覆层示意图，即在堆芯活性区围板内均匀涂抹一层毒物材料。
图4为均匀混合毒物的燃料棒示意图，即将一定量的毒物材料与燃料材料均匀混合制作成混杂毒物的燃料棒。
图中：1-燃料棒、2-毒物棒、3-燃料棒毒物涂层、4-燃料包壳、5-气隙、6-燃料芯块、7-燃料中孔、8-围板、9-堆芯毒物包覆层、10-冷却剂、11-堆芯活性区、12-均匀混合毒物燃料芯块。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。
为达到上述发明目的，本发明提出一种快谱反应堆堆芯设计方法，包括如下步骤：
步骤(1)选择毒物材料抑制因中子慢化引入的正反应性
通过选择热群吸收截面大于快群吸收截面的毒物材料(含10B、113Cd、143Nd、149Sm、151Eu、155Gd、157Gd、159Tb、161Dy、164Dy、165Ho、167Er、169Tm、176Lu、177Hf、181Ta、Re、191Ir的化合物)，抑制蒸汽发生器传热管破裂事故增强堆芯中子慢化所引入的正反应性。反应堆正常运行时由于堆芯能谱为快谱，毒物材料的中子吸收能力小，毒物材料对反应堆反应性影响较小；而当发生蒸汽发生器传热管破裂事故后因中子慢化而使堆芯能谱软化时，毒物材料的中子吸收能力增大，从而可以引入较大的负反应性以抑制因中子慢化而带来的正反应性。
步骤(2)选择毒物材料的堆内布置方式
通过选择如下四种方式或四种方式的任意结合进行毒物材料的堆内布置，可实现相应的可抑制蒸汽发生器传热管破裂事故正反应性引入的快谱反应堆堆芯设计：设置毒物棒，将毒物材料制作成为棒状元件取代部分燃料棒，布置在燃料组件中；设置燃料棒毒物涂层，在燃料棒包壳外均匀涂抹一层毒物材料；设置堆芯毒物包覆层，在堆芯活性区围板内层均匀涂抹一层毒物材料；设置均匀混合毒物的燃料棒，将一定量的毒物材料与燃料均匀混合制作成混杂毒物的燃料元件。
对于采用铅铋合金作为冷却剂的一快谱反应堆，当发生蒸汽发生器传热管破裂事故后，假设堆芯内的铅铋完全被蒸汽取代，因增强中子慢化而引入的正反应性达1988pcm。本发明提供了一种快谱反应堆堆芯设计方法及堆芯结构。
实施例1：
如图1所示在燃料组件边角处设置6根采用Gd2O3作为毒物材料的毒物棒，毒物棒径向尺寸与燃料棒一致，当发生蒸汽发生器传热管破裂事故后，假设堆芯内的铅铋完全被蒸汽取代，引入的反应性为354.5pcm。使用毒物棒的堆芯比原堆芯在发生蒸汽发生器传热管破裂事故后，正反应性引入减少1633.5pcm，大幅提高了堆芯的安全性。
实施例2：
如图2所示在燃料棒外均匀涂抹0.1mm厚的Gd2O3涂层，当发生蒸汽发生器传热管破裂事故后，假设堆芯内的铅铋完全被蒸汽取代，引入的反应性为-2794.8pcm。使用燃料棒毒物涂层的堆芯比原堆芯在发生蒸汽发生器传热管破裂事故后，正反应性引入减少4782.8pcm，大幅提高了堆芯的安全性。
实施例3：
如图3所示在堆芯活性区围板内层均匀涂抹0.5mm厚的Gd2O3，当发生蒸汽发生器传热管破裂事故后，假设堆芯内的铅铋完全被蒸汽取代，引入的反应性为-1734.6pcm。使用堆芯毒物包覆层的堆芯比原堆芯在发生蒸汽发生器传热管破裂事故后，正反应性引入减少3722.6pcm，大幅提高了堆芯的安全性。
实施例4：
如图4所示设置均匀混合毒物的燃料棒，其中Gd2O3所占质量分数为1.5％，当发生蒸汽发生器传热管破裂事故后，假设堆芯内的铅铋完全被蒸汽取代，引入的反应性为536.8pcm。使用均匀混合毒物的燃料棒的堆芯比原堆芯在发生蒸汽发生器传热管破裂事故后，正反应性引入减少1451.2pcm，大幅提高了堆芯的安全性。

Claims (8)

1.一种快谱反应堆堆芯设计方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤(1)选择毒物材料抑制因中子慢化引入的正反应性；
所述步骤(1)中，选择热群吸收截面大于快群吸收截面的毒物材料，抑制蒸汽发生器传热管破裂事故产生的，增强堆芯中子慢化所引入的正反应性；
步骤(2)选择毒物材料的堆内布置方式；
所述步骤(2)中，选择如下四种方式或四种方式的任意结合进行毒物材料的堆内布置：设置毒物棒，将毒物材料制作成为棒状元件取代部分燃料棒，布置在燃料组件中；设置燃料棒毒物涂层，在燃料棒包壳外均匀涂抹一层毒物材料；设置堆芯毒物包覆层，在堆芯活性区围板内层均匀涂抹一层毒物材料；设置均匀混合毒物的燃料棒，将一定量的毒物材料与燃料均匀混合制作成混杂毒物的燃料元件。
2.根据权利要求1所述的一种快谱反应堆堆芯设计方法，其特征在于：所述毒物材料为含10B、113Cd、143Nd、149Sm、151Eu、155Gd、157Gd、159Tb、161Dy、164Dy、165Ho、167Er、169Tm、176Lu、177Hf、181Ta、Re、191Ir的化合物。
3.根据权利要求1所述的一种快谱反应堆堆芯设计方法的堆芯结构，其特征在于：包括燃料棒(1)和毒物棒(2)，在由燃料棒(1)构成的正六边形燃料组件中，在燃料组件六个顶点处设置六根毒物棒(2)替换燃料棒(1)。
4.根据权利要求3所述的一种快谱反应堆堆芯设计方法的堆芯结构，其特征在于：所述毒物棒(2)径向尺寸与燃料棒(1)一致。
5.根据权利要求1所述的一种快谱反应堆堆芯设计方法的堆芯结构，其特征在于：包括涂有毒物材料的燃料棒(1)，具体包括燃料棒毒物涂层(3)、燃料包壳(4)、气隙(5)、燃料芯块(6)、燃料中孔(7)，燃料芯块(6)位于燃料包壳(4)内部，燃料芯块(6)与燃料包壳(4)之间留有气隙(5)，燃料包壳(4)的中心位置开有燃料中孔(7)，燃料包壳(4)的外部涂有燃料棒毒物涂层(3)。
6.根据权利要求1所述的一种快谱反应堆堆芯设计方法的堆芯结构，其特征在于：包括围板(8)、堆芯毒物包覆层(9)、冷却剂(10)、堆芯活性区(11)，围板(8)内层均匀涂抹堆芯毒物包覆层(9)，围板(8)的内部设有堆芯活性区(11)，围板(8)与堆芯活性区(11)之间填充冷却剂(10)。
7.根据权利要求1所述的一种快谱反应堆堆芯设计方法的堆芯结构，其特征在于：包括燃料包壳(4)、气隙(5)、燃料芯块(6)、燃料中孔(7)、均匀混合毒物燃料芯块(12)，均匀混合毒物燃料芯块(12)与燃料包壳(4)之间留有气隙(5)，均匀混合毒物燃料芯块(12)的中心位置开有燃料中孔(7)。
8.根据权利要求3-7任意一项所述的一种快谱反应堆堆芯设计方法的堆芯结构，其特征在于：所述毒物材料为Gd2O3。
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