CN113674878A - 一种铅基快堆氧化铅反射层组件及铅铋快谱堆堆芯布置 - Google Patents

一种铅基快堆氧化铅反射层组件及铅铋快谱堆堆芯布置 Download PDF

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Abstract

本发明属于核反应堆设计技术领域，具体涉及一种铅基快堆氧化铅反射层组件及铅铋快谱堆堆芯布置，包括：组件盒和设置在组件盒内部的若干个包壳、氧化铅和冷却剂；所述包壳全部沿组件盒轴向方向放置，且在组件盒的截面方向均匀布置，其中一个包壳的截面圆心与组件盒的截面圆心重合，即该包壳与组件盒同心同轴布置，其余包壳均匀分布在组件盒内，且所有相邻包壳的截面圆心之间的距离全部相等。本发明设计的反射层组件布置在堆芯燃料区域外后，大量溢出堆芯的中子将被反射回堆芯，可以大幅降低中子泄漏，提高堆芯的中子利用率，从而延长铅基快堆的运行周期，提高铅基快堆的经济性。

Description

一种铅基快堆氧化铅反射层组件及铅铋快谱堆堆芯布置
技术领域
本发明属于核反应堆设计技术领域，具体涉及一种铅基快堆氧化铅反射层组件及铅铋快谱堆堆芯布置。
背景技术
铅基快谱反应堆采用铅或铅铋合金作为冷却剂，铅或铅铋合金具有中子慢化作用弱、热传导性强、化学性质稳定等特性，使得铅基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。
与压水堆相比，快堆中子泄漏率较高，为减少泄漏，提高反应堆的运行周期，一般会在堆芯燃料区域周围布置大量的径向反射层组件，径向反射层组件能够将溢出堆芯或径向转换区的中子反射回堆芯或转换区，以提高中子利用率和增殖比，同时还能对伽马射线和中子起到一定的屏蔽作用，降低中子和伽马辐照对反应堆设备的不良影响。目前，快堆的中子反射层组件多采用不锈钢作为反射材料。该类型组件中子反射能力一般，对中子利用率的提升有限。
因此，需要设计一种性能更好，能够大幅提高反应堆运行周期的反射层组件，以改善上述现有中子反射层组件的不足。
发明内容
本发明针对现有技术中，提出一种铅基快堆氧化铅反射层组件，用于解决采用现有快堆中子反射层组件采用不锈钢作为反射材料，导致组件中子反射能力一般，对中子利用率提升有限的技术问题。
本发明的技术方案：
一种铅基快堆的氧化铅反射层组件，包括：组件盒和设置在组件盒内部的若干个包壳、氧化铅和冷却剂；所述包壳全部沿组件盒轴向方向放置，且在组件盒的截面方向均匀布置，其中一个包壳的截面圆心与组件盒的截面圆心重合，即该包壳与组件盒同心同轴布置，其余包壳均匀分布在组件盒内，且所有相邻包壳的截面圆心之间的距离全部相等。
所述氧化铅设置在包壳内部，由包壳和包壳内部的氧化铅共同组成反射体棒；包壳的外壁与组件盒内壁之间的间隙全部为冷却剂。
所述氧化铅设置在包壳的外壁与组件盒内壁之间的间隙，所述包壳内部为冷却剂。
所述组件盒整体为六棱柱管状结构，组件盒的材质为不锈钢。
所述的包壳的数量为7个、19个、37个，且相邻三个包壳的截面圆心距离成等边三角形布置。
所述的包壳的长度与组件盒3的长度相同，即所有包壳贯穿整个组件盒的长度方向。
所述的冷却剂为铅或铅铋合金。
一种铅铋快谱堆堆芯布置，堆芯活性区外围布置所述如上中任意其一所述的铅基快堆的氧化铅反射层组件；堆芯活性区中心设置有一个控制棒组件，围绕堆芯活性区中心的这一控制棒组件由内至外按照截面六边形结构分两层依次均匀布置富集度由低到高的六边形燃料组件，其余控制棒组件均匀布置在其中一种富集度的燃料组件之中。
堆芯活性区共布置114个六边形燃料组件，包括：由内至外分别按照截面六边形分两层均匀布置的富集度为15.5％的燃料组件、富集度为17.5％的燃料组件、富集度为19.5％的燃料组件；
其中，富集度为15.5％的燃料组件为18个、富集度为17.5％的燃料组件为36个、富集度为19.5％的燃料组件为60个。
所述的铅基快堆氧化铅反射层组件为90个，分两层均匀布置在堆芯活性区外围；所述的控制棒组件的数量为7个，其中一个控制棒组件布置在堆芯活性区中心，其余6个控制棒组件布置在所述的富集度为17.5％的燃料组件8的第一层六边形的相邻两边重合位置。
所述的富集度为15.5％的燃料组件为18个，全部以堆芯活性区中心的一个控制棒组件为中心，分两层、呈六边形均匀布置，第一层共布置6个，第二层共布置12个；所述的富集度为17.5％的燃料组件为36个，分两层、呈六边形布置在上述18个富集度为15.5％的燃料组件外围，其中第一层在每边中部布置2个、共布置12个富集度为17.5％的燃料组件，且在第一层中每相邻两边重合位置布置一个控制棒组件，这样第一层共布置6个控制棒组件；第二层均匀布置共24个富集度为17.5％的燃料组件；所述的富集度为19.5％的燃料组件为60个，分两层布置在富集度为17.5％的燃料组件外围，其中第一层共均匀布置30个，第二层每边均匀布置5个、共30个；在第二层每相邻两边重合位置布置一个反射层组件。
在堆芯活性区外围布置所述铅基快堆氧化铅反射层组件；堆芯活性区内共布置有54个六边形燃料组件，包括由内至外分别按照截面六边形分两层均匀布置的18个富集度为15％的燃料组件、36个富集度为19％的燃料组件；
所述的铅基快堆氧化铅反射层组件数量为68，分两层均匀布置在堆芯活性区外围；
所述的控制棒组件的数量为7个，其中一个控制棒组件6布置在堆芯活性区中心，其余6个控制棒组件布置在所述的富集度为19％的燃料组件10的第一层六边形的相邻两边重合位置。
所述的富集度为15％的燃料组件为18个，全部以堆芯活性区中心一个控制棒组件为中心，分两层、呈六边形均匀布置，第一层共布置6个富集度为15.5％的燃料组件，第二层共布置12个富集度为15.5％的燃料组件；
所述的富集度为19％的燃料组件为36个，分两层、呈六边形布置在上述18个富集度为15％的燃料组件外围，其中第一层在每边中部布置2个、共布置12个富集度为19％的燃料组件，且在第一层中每相邻两边重合位置布置一个控制棒组件，这样第一层富集度为19％的燃料组件里共布置6个控制棒组件；第二层均匀布置共24个富集度为19％的燃料组件。
在堆芯活性区外围布置所述铅基快堆氧化铅反射层组件；堆芯活性区内共布置有54个六边形燃料组件，包括由内至外分别按照截面六边形分两层均匀布置的18个富集度为15％的燃料组件、36个富集度为19％的燃料组件；
所述的铅基快堆氧化铅反射层组件数量为68，分两层均匀布置在堆芯活性区外围；
所述的控制棒组件的数量为7，其中一个布置在堆芯活性区中心，另外6个布置在所述的富集度为19％的燃料组件的第一层六边形的相邻两边重合位置。
所述的控制棒组件内共包含37根控制棒吸收体，控制棒吸收材料为B4C。
所述的包壳厚度0.8mm，所述的组件盒厚度为2mm。
所述的燃料组件均含169根圆柱形燃料元件棒。
所述的燃料材料为UO2，所述的燃料元件棒直径为12mm，活性段高度为900mm。
本发明的有益效果：
本发明设计的反应层组件主要针对采用铅或铅铋合金作为冷却剂的铅基快谱反应堆，将该类型反射层组件布置在堆芯燃料区域外后，大量溢出堆芯的中子将被反射回堆芯，可以大幅降低中子泄漏，提高堆芯的中子利用率，从而延长铅基快堆的运行周期，提高铅基快堆的经济性。
与采用氧化铅材料的反射层组件相比，本发明在提升反应堆运行周期的同时，还可以避免堆芯能谱软化带来的功率畸变问题，使堆芯具有更优的安全特性。
附图说明
图1为本发明所述的7棒氧化铅反射层组件的横截面图；
图2为本发明所述的7棒氧化铅反射层组件的纵剖面图；
图3为本发明所述的19孔氧化铅反射层组件的横截面图；
图4为本发明所述的19孔氧化铅反射层组件的纵剖面图；
图5为本发明所述的150MW铅铋快谱堆堆芯示意图。
图6为本发明所述的75MW铅铋快谱堆堆芯示意图。
其中：1-包壳、2-氧化铅、3-组件盒、4-冷却剂、5-反射层组件、6-控制棒组件、7-富集度为19.5％的燃料组件、8-富集度为17.5％的燃料组件、9-富集度为15.5％的燃料组件、10-富集度为19％的燃料组件、11-富集度为15％的燃料组件
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的一种铅基快堆氧化铅反射层组件及铅铋快谱堆堆芯布置进行详细说明。
实施例1：
如图1和图2所示的7根反射体棒结构，组件盒3为截面为六边形的柱状结构即六棱柱管状结构，组件盒3内部沿着轴向方向放置圆筒形的包壳1，包壳1内为氧化铅2，组件盒3和包壳1之间的空隙全部为冷却剂4；
包壳1和内部的氧化铅2共同组成反射体棒，包壳1为圆筒形，因此形成圆柱形的反射体孔道，本实施例中反射体棒为7个，按照截面圆心的位置，均匀分布在六边形截面内。其中，中间的反射体棒截面圆心与六边形截面圆心重合，剩余6个反射体棒均匀分布在中心反射体棒的外部一周，且所有相邻反射体棒截面圆心之间的距离全部相等。
上述的冷却剂4为铅或铅铋合金；
反射体棒的数量还可以为19个、37个等，只要数量满足按照相邻三个反射体棒截面圆心成等边三角形布置即可。
组件盒3材料为不锈钢。
实施例2、
不同于实施例1，氧化铅2、冷却剂4和包壳1在组件盒3还有另外一种布置方式。
如图3和图4所示，组件盒3同样为截面为六边形的柱状结构即六棱柱管状结构，圆筒形包壳1沿着轴向方向放置与组件盒3内部，且包壳1的数量满足上述所有三个相邻的包壳1截面圆心之间的距离全部相等的规律，中心处的包壳1截面圆心与组件盒3截面圆心重合，包壳1的数量为7个、19个、37个等。
不同的是，包壳1内部为冷却剂4流通通道，包壳1和组件盒3之间的空隙为氧化铅2；
本实施例中包壳1的数量为19，因此氧化铅反射层组件横截面为19孔，孔内为冷却剂4流道。
包壳1的长度与组件盒3的长度相同，即所有包壳1贯穿整个组件盒3的长度方向。
如图5所示，展示了一个热态满功率为150MW的铅铋快谱堆芯布置；
堆芯活性区内共布置有114个六边形燃料组件，包括富集度为19.5％的燃料组件7、富集度为17.5％的燃料组件8、富集度为15.5％的燃料组件9；
其中富集度为15.5％的燃料组件9为18个，全部以一个控制棒组件6为中心，分两层、呈六边形均匀布置，第一层共布置6个，第二层共布置12个；
富集度为17.5％的燃料组件8为36个，分两层、呈六边形布置在上述18个富集度为15.5％的燃料组件9外围，其中第一层在每边中部布置2个、共布置12个富集度为17.5％的燃料组件8，且在第一层中每相邻两边重合位置布置一个控制棒组件6，这样第一层共布置6个控制棒组件6；第二层均匀布置共24个富集度为17.5％的燃料组件8；
富集度为19.5％的燃料组件7为60个，分两层布置在富集度为17.5％的燃料组件8外围，其中第一层共均匀布置30个，第二层每边均匀布置5个、共30个；在第二层每相邻两边重合位置布置一个氧化铅反射层组件5；
剩余所有的反射层组件5分两层均匀布置在最外侧；
所有反射层组件5的数量为90，控制棒组件6的数量为7；
本实施例中，堆芯采用三种235U富集度组件，对应富集度分别为15.5％、17.5％、19.5％。所有燃料组件从内向外依次布置在堆芯活性区。
每一种燃料组件均采用燃料元件棒加组件盒的设计结构，每个燃料组件内含169根圆柱形燃料元件棒，燃料元件棒直径为12mm，活性段高度为900mm，燃料材料为UO2，组件盒横截面外边长为117.5mm，组件盒厚度为2mm，组件盒材料为不锈钢。
控制棒组件6采用控制棒加组件盒的设计结构，每个控制棒组件内共包含37根控制棒吸收体，控制棒主要吸收材料为B4C，控制棒直径为23mm，活性段高度为900mm。控制棒组件6的组件盒的尺寸和材料与燃料组件的组件盒相同。
为延长堆芯寿期，提高铅基快堆的经济性，在堆芯活性区外围(燃料组件外)布置了90个氧化铅反射层组件5，每个反射层组件5的结构采用实施例1的设计，其内部装有7根反射体棒，反射体棒直径为80mm，包壳1厚度0.8mm，活性段高度为900mm。组件盒3的尺寸和材料与燃料组件相同。计算得到反应堆的运行周期与采用传统不锈钢反射层组件的反应堆相比，延长了约600个等效满功率天。
图6展示了一个热态满功率为75MW的铅铋快谱堆芯布置；
与上述150MW布置方式不同的是，此时堆芯活性区内共布置有54个六边形燃料组件，分别为36个富集度为19％的燃料组件10；18个富集度为15％的燃料组件11；7个控制棒组件6；68个氧化铅反射层组件5；
布置方式与前面150MW布置方式基本相同，中心为一个控制棒组件6，从内至外，依次均匀按照六边形紧密排列两层富集度为15％的燃料组件11、两层富集度为19％的燃料组件10、两层反射层组件5，其中在第一层富集度为19％的燃料组件10的布置的六边形两条相邻边重合处各布置一个控制棒组件6；
在该布置方式中，所有组件成六边形等距排列，堆芯采用两种235U富集度组件，对应富集度分别为15％、19％，所有燃料组件从内向外依次布置在堆芯活性区。
燃料组件均采用燃料元件棒加组件盒的设计结构，每个燃料组件含169根圆柱形燃料元件棒，燃料元件棒直径为12mm，活性段高度为900mm，燃料材料为UO2，组件盒3外边长为117.5mm，组件盒3厚度为2mm，组件盒材料为不锈钢。
控制棒组件6采用控制棒加组件盒的设计结构，每个控制棒组件内共包含37根控制棒吸收体，控制棒吸收材料为B4C，控制棒外径为23mm，活性段高度为900mm。组件盒的尺寸和材料与燃料组件相同。
为延长堆芯寿期，提高铅基快堆的经济性，在堆芯活性区外围(燃料组件外)布置了68个氧化铅反射层组件5，反射层组件5采用实施例2的设计，反射体开有19个圆柱形孔道，孔道直径为20mm，包壳1厚度0.8mm，活性段高度为900mm。组件盒3的尺寸和材料与燃料组件相同。计算得到堆芯运行周期与采用传统不锈钢反射层组件的反应堆相比，延长了约800个等效满功率天。
上面对本发明的实施例作了详细说明，本发明并不限于上述实例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。

Claims (18)

1.一种铅基快堆的氧化铅反射层组件，其特征在于，包括：组件盒(3)和设置在组件盒(3)内部的若干个包壳(1)、氧化铅(2)和冷却剂(4)；所述包壳(1)全部沿组件盒(3)轴向方向放置，且在组件盒(3)的截面方向均匀布置，其中一个包壳(1)的截面圆心与组件盒(3)的截面圆心重合，即该包壳(1)与组件盒(3)同心同轴布置，其余包壳(1)均匀分布在组件盒(3)内，且所有相邻包壳(1)的截面圆心之间的距离全部相等。
2.根据权利要求1所述的一种铅基快堆的氧化铅反射层组件，其特征在于：所述氧化铅(2)设置在包壳(1)内部，由包壳(1)和包壳(1)内部的氧化铅(2)共同组成反射体棒；包壳(1)的外壁与组件盒(3)内壁之间的间隙全部为冷却剂(4)。
3.根据权利要求1所述的一种铅基快堆的氧化铅反射层组件，其特征在于：所述氧化铅(2)设置在包壳(1)的外壁与组件盒(3)内壁之间的间隙，所述包壳(1)内部为冷却剂(4)。
4.根据权利要求1所述的一种铅基快堆的氧化铅反射层组件，其特征在于：所述组件盒(3)整体为六棱柱管状结构，组件盒(3)的材质为不锈钢。
5.根据权利要求1所述的一种铅基快堆的氧化铅反射层组件，其特征在于：所述的包壳(1)的数量为7个、19个、37个，且相邻三个包壳(1)的截面圆心距离成等边三角形布置。
6.根据权利要求1所述的一种用于铅基快堆的氧化铅反射层组件，其特征在于：所述的包壳(1)的长度与组件盒(3)的长度相同，即所有包壳(1)贯穿整个组件盒(3)的长度方向。
7.根据权利要求6所述的一种铅基快堆的氧化铅反射层组件，其特征在于：所述的冷却剂(4)为铅或铅铋合金。
8.一种铅铋快谱堆堆芯布置，其特征在于：堆芯活性区外围布置所述权利要求1至7中任意其一所述的铅基快堆的氧化铅反射层组件(5)；堆芯活性区中心设置有一个控制棒组件(6)，围绕堆芯活性区中心的这一控制棒组件(6)由内至外按照截面六边形结构分两层依次均匀布置富集度由低到高的六边形燃料组件，其余控制棒组件(6)均匀布置在其中一种富集度的燃料组件之中。
9.根据权利要求8所述的一种铅铋快谱堆堆芯布置，其特征在于：堆芯活性区共布置114个六边形燃料组件，包括：由内至外分别按照截面六边形分两层均匀布置的富集度为15.5％的燃料组件(9)、富集度为17.5％的燃料组件(8)、富集度为19.5％的燃料组件(7)；
其中，富集度为15.5％的燃料组件(9)为18个、富集度为17.5％的燃料组件(8)为36个、富集度为19.5％的燃料组件(7)为60个。
10.根据权利要求8所述的一种铅铋快谱堆堆芯布置，其特征在于：所述的铅基快堆氧化铅反射层组件(5)为90个，分两层均匀布置在堆芯活性区外围；所述的控制棒组件(6)的数量为7个，其中一个控制棒组件(6)布置在堆芯活性区中心，其余6个控制棒组件(6)布置在所述的富集度为17.5％的燃料组件(8)的第一层六边形的相邻两边重合位置。
11.根据权利要求9所述的一种铅铋快谱堆堆芯布置，其特征在于：所述的富集度为15.5％的燃料组件(9)为18个，全部以堆芯活性区中心的一个控制棒组件(6)为中心，分两层、呈六边形均匀布置，第一层共布置6个，第二层共布置12个；所述的富集度为17.5％的燃料组件(8)为36个，分两层、呈六边形布置在上述18个富集度为15.5％的燃料组件(9)外围，其中第一层在每边中部布置2个、共布置12个富集度为17.5％的燃料组件(8)，且在第一层中每相邻两边重合位置布置一个控制棒组件(6)，这样第一层共布置6个控制棒组件(6)；第二层均匀布置共24个富集度为17.5％的燃料组件(8)；所述的富集度为19.5％的燃料组件(7)为60个，分两层布置在富集度为17.5％的燃料组件(8)外围，其中第一层共均匀布置30个，第二层每边均匀布置5个、共30个；在第二层每相邻两边重合位置布置一个反射层组件(5)。
12.根据权利要求8所述的一种铅铋快谱堆堆芯布置，其特征在于：在堆芯活性区外围布置所述铅基快堆氧化铅反射层组件(5)；堆芯活性区内共布置有54个六边形燃料组件，包括由内至外分别按照截面六边形分两层均匀布置的18个富集度为15％的燃料组件(11)、36个富集度为19％的燃料组件(10)；
所述的铅基快堆氧化铅反射层组件(5)数量为68，分两层均匀布置在堆芯活性区外围；
所述的控制棒组件(6)的数量为7个，其中一个控制棒组件(6)布置在堆芯活性区中心，其余6个控制棒组件(6)布置在所述的富集度为19％的燃料组件(10)的第一层六边形的相邻两边重合位置。
13.如权利要求12所述的一种铅铋快谱堆堆芯布置，其特征在于：所述的富集度为15％的燃料组件(11)为18个，全部以堆芯活性区中心一个控制棒组件(6)为中心，分两层、呈六边形均匀布置，第一层共布置6个富集度为15.5％的燃料组件(11)，第二层共布置12个富集度为15.5％的燃料组件(11)；
所述的富集度为19％的燃料组件(10)为36个，分两层、呈六边形布置在上述18个富集度为15％的燃料组件(11)外围，其中第一层在每边中部布置2个、共布置12个富集度为19％的燃料组件(10)，且在第一层中每相邻两边重合位置布置一个控制棒组件(6)，这样第一层富集度为19％的燃料组件里共布置6个控制棒组件(6)；第二层均匀布置共24个富集度为19％的燃料组件(10)。
14.如权利要求12所述的一种铅铋快谱堆堆芯布置，其特征在于：在堆芯活性区外围布置所述铅基快堆氧化铅反射层组件(5)；堆芯活性区内共布置有54个六边形燃料组件，包括由内至外分别按照截面六边形分两层均匀布置的18个富集度为15％的燃料组件(11)、36个富集度为19％的燃料组件(10)；
所述的铅基快堆氧化铅反射层组件(5)数量为68，分两层均匀布置在堆芯活性区外围；
所述的控制棒组件(6)的数量为7，其中一个布置在堆芯活性区中心，另外6个布置在所述的富集度为19％的燃料组件(10)的第一层六边形的相邻两边重合位置。
15.如权利要求8所述的一种铅铋快谱堆堆芯布置，其特征在于：所述的控制棒组件(6)内共包含37根控制棒吸收体，控制棒吸收材料为B4C。
16.如权利要求8所述的一种铅铋快谱堆堆芯布置，其特征在于：所述的包壳(1)厚度0.8mm，所述的组件盒(3)厚度为2mm。
17.如权利要求8所述的一种铅铋快谱堆堆芯布置，其特征在于：所述的燃料组件均含169根圆柱形燃料元件棒。
18.如权利要求8所述的一种铅铋快谱堆堆芯布置，其特征在于：所述的燃料材料为UO2，所述的燃料元件棒直径为12mm，活性段高度为900mm。
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