CN113793702B - 一种固有安全一体化小型氟盐冷却高温堆堆芯 - Google Patents

一种固有安全一体化小型氟盐冷却高温堆堆芯 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种固有安全一体化小型氟盐冷却高温堆堆芯：包括堆芯活性区、径向反射层、上部反射层和下部反射层；堆芯活性区有5种组件形式，包括堆芯一区燃料组件、堆芯一区补偿棒组件、堆芯二区燃料组件、堆芯二区补偿棒组件和堆芯二区安全棒组件；5种组件采用6圈正六边形布置；燃料元件采用TRISO+螺旋十字型式，呈三角形排布；本发明堆芯设计总体积和重量小，燃耗高，换料周期长；结合了螺旋十字型燃料优异的热工水力性能和TRISO燃料高固有安全性的优势；基于该堆芯设计的氟盐冷却高温堆能量系统，既能高效发电，又能实现高温工艺热的综合利用，经济性高。

Description

一种固有安全一体化小型氟盐冷却高温堆堆芯
技术领域
本发明涉及反应堆设计技术领域，具体涉及一种固有安全一体化小型氟盐冷却高温堆堆芯。
背景技术
熔盐堆最早研究始于20世纪50年代，熔盐堆将裂变材料、可转换材料和裂变产物溶解在高温氟盐中，氟盐既作为裂变燃料和冷却剂。21世纪初，橡树岭国家实验室提出熔盐冷却的固体燃料反应堆，氟盐只作为冷却剂，并不作为裂变燃料。氟盐冷却高温堆(Fluoride-salt-cooled High-temperature Reactor，FHR)有机结合了高温气冷堆的高温高燃耗燃料技术、熔盐堆的高温低压熔盐冷却技术和液态金属冷却快堆的非能动安全技术，进一步提高了反应堆运行的安全性和经济性，在众多反应堆堆型中优势凸显。目前已有的FHR的燃料元件型式有板状、圆柱状、球状及棱柱状，其中板状和圆柱状型燃料元件需要采用定位格架，球状和棱柱状型燃料元件存在燃料最高温度较高的问题，FHR的燃料元件常采用TRISO燃料。因此，消除燃料元件定位格架间的影响和降低燃料最高温度，同时结合TRISO燃料的优势变得非常重要。
发明内容
本发明旨在克服上述缺陷，提出一种固有安全一体化小型氟盐冷却高温堆堆芯，可以消除定位格架间的问题和降低燃料最高温度，具有较好的换热能力、较高的固有安全性以及较高的燃耗，同时又能满足反应堆的小型模块化建造。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种固有安全一体化小型氟盐冷却高温堆堆芯，堆芯中心活性区共91盒组件，包括第一圈组件1，第二圈组件2，第三圈组件3，第四圈组件4，第五圈组件5，第六圈组件6共6圈组件；所述堆芯活性区上层是上部反射层7，下层是下部反射层8，周向层是径向反射层9；
所述第一圈组件1位于堆芯活性区中心，包括1盒堆芯一区补偿棒组件11；所述第二圈组件2在第一圈组件1外侧呈正六边形排布，包括6盒堆芯一区燃料组件10；所述第三圈组件3在第二圈组件2外侧呈正六边形排布，包括6盒堆芯一区燃料组件10和6盒堆芯一区补偿棒组件11，6盒堆芯一区燃料组件10位于正六边形的六个顶点，6盒堆芯一区补偿棒组件10位于正六边形六条边的中点；所述第四圈组件4在第三圈组件3外侧呈正六边形排布，包括12盒堆芯二区燃料组件12和6盒堆芯二区补偿棒组件13，6盒堆芯二区补偿棒组件13位于正六边形的六个顶点，2盒堆芯二区燃料组件12位于正六边形每条边的顶点之间；所述第五圈组件5在第四圈组件4外侧呈正六边形排布，包括6盒堆芯二区补偿棒组件13和18盒堆芯二区燃料组件12，6盒堆芯二区补偿棒组件13位于正六边形六条边的中点，6盒堆芯二区燃料组件12位于堆芯正六边形的六个顶点，1盒堆芯二区燃料组件12位于正六边形每条边的顶点与中点之间；所述第六圈组件6在第五圈组件5外侧呈正六边形排布，包括6盒堆芯二区补偿棒组件13，12盒堆芯二区安全棒组件14和12盒堆芯二区燃料组件12，6盒堆芯二区补偿棒组件13位于正六边形的六个顶点，2盒堆芯二区安全棒组件14位于正六边形每条边中点的两侧，1盒堆芯二区燃料组件12位于正六边形每条边的堆芯二区补偿棒组件13和堆芯二区安全棒组件14之间。
所述堆芯一区燃料组件10和堆芯二区燃料组件12结构相同，横截面均为正六边形，包括127根螺旋十字型燃料棒15和1个石墨盒16；127根螺旋十字型燃料棒的排布规律为：第一圈是组件中心的1根螺旋十字型燃料棒15，第二圈是呈正六边形排布的6根螺旋十字型燃料棒15，以正六边形的形状向外圈延伸，每圈增加6根螺旋十字型燃料棒15，共7圈螺旋十字型燃料棒15；石墨盒16位于组件外围，将螺旋十字型燃料棒15围成正六边形；
所述堆芯一区补偿棒组件11横截面为正六边形，包括13根补偿棒17，114根螺旋十字型燃料棒15以及1个石墨盒16；13根补偿棒17和114根螺旋十字型燃料棒15的排布规律为：第一圈是组件中心的补偿棒17；第二圈是呈正六边形排布的6根螺旋十字型燃料棒15；第三圈在第二圈外侧呈正六边形排布，6根补偿棒17分别位于正六边形的六个顶点，6根螺旋十字型燃料棒15位于正六边形六条边的中点；第四圈在第三圈外侧，18根螺旋十字型燃料棒15呈正六边形排布；第五圈在第四圈外侧呈正六边形排布，6根补偿棒17分别位于正六边形每条边的中点，其余为18根螺旋十字型燃料棒15；第六圈位于第五圈外侧呈正六边形排布，第七圈位于第六圈外侧呈正六边形排布，分别包括30根和36根螺旋十字型燃料棒15；
所述堆芯一区补偿棒组件13和堆芯二区安全棒组件14，结构与堆芯一区补偿棒组件11相同，而堆芯二区安全棒组件14在堆芯一区补偿棒组件11中的补偿棒17位置均为安全棒18。
堆芯一区螺旋十字型燃料棒的235U富集度为15％，堆芯二区螺旋十字型燃料棒的235U富集度为17.5％。
堆芯活性区热功率为125MW，堆芯入口温度650℃，堆芯出口温度700℃，采用FLiBe盐作为冷却剂，LiF和BeF2摩尔分数分别为67％和33％。
所述补偿棒17和安全棒18均为控制棒。
螺旋十字型燃料棒15高度为3m，螺距为300mm；螺旋十字型燃料棒15的基体由石墨构成，TRISO核燃料以50％填充率弥散在基体中。
所述反应堆堆芯的换料周期是3年，燃耗深度大于105MWd/tU。
和现有技术相比较，本发明具备如下优点：
1、燃料元件采用螺旋十字型式提高了热工水力性能，消除了燃料元件定位格架间的影响和降低了燃料最高温度；石墨基体中弥散的TRISO燃料提高了反应堆的固有安全性。
2、由该反应堆堆芯设计的氟盐冷却高温堆能量系统采用模块化设计，缩短了建设周期，提高了经济性；既能高效发电，又能实现高温工艺热的综合利用，经济性高。
附图说明
图1是本发明固有安全一体化小型氟盐冷却高温堆堆芯的横截面示意图；
图2是本发明固有安全一体化小型氟盐冷却高温堆堆芯的纵截面示意图；
图3a、图3b和图3c分别是本发明固有安全一体化小型氟盐冷却高温堆堆芯一区燃料组件、一区补偿棒组件和二区安全棒组件的纵截面示意图。
具体实施方式
本发明提供了一种固有安全小型氟盐冷却高温堆堆芯，现结合附图对本发明作进一步详细说明。
如图1和图2所示，本发明一种固有安全一体化小型氟盐冷却高温堆堆芯，堆芯中心活性区共91盒组件，包括第一圈组件1，第二圈组件2，第三圈组件3，第四圈组件4，第五圈组件5，第六圈组件6共6圈组件；所述堆芯活性区上层是上部反射层7，下层是下部反射层8，周向层是径向反射层9；
第一圈组件1位于堆芯活性区中心，包括1盒堆芯一区补偿棒组件11；所述第二圈组件2在第一圈组件1外侧呈正六边形排布，包括6盒堆芯一区燃料组件10；所述第三圈组件3在第二圈组件2外侧呈正六边形排布，包括6盒堆芯一区燃料组件10和6盒堆芯一区补偿棒组件11，6盒堆芯一区燃料组件10位于正六边形的六个顶点，6盒堆芯一区补偿棒组件10位于正六边形六条边的中点；所述第四圈组件4在第三圈组件3外侧呈正六边形排布，包括12盒堆芯二区燃料组件12和6盒堆芯二区补偿棒组件13，6盒堆芯二区补偿棒组件13位于正六边形的六个顶点，2盒堆芯二区燃料组件12位于正六边形每条边的顶点之间；所述第五圈组件5在第四圈组件4外侧呈正六边形排布，包括6盒堆芯二区补偿棒组件13和18盒堆芯二区燃料组件12，6盒堆芯二区补偿棒组件13位于正六边形六条边的中点，6盒堆芯二区燃料组件12位于堆芯正六边形的六个顶点，1盒堆芯二区燃料组件12位于正六边形每条边的顶点与中点之间；所述第六圈组件6在第五圈组件5外侧呈正六边形排布，包括6盒堆芯二区补偿棒组件13，12盒堆芯二区安全棒组件14和12盒堆芯二区燃料组件12，6盒堆芯二区补偿棒组件13位于正六边形的六个顶点，2盒堆芯二区安全棒组件14位于正六边形每条边中点的两侧，1盒堆芯二区燃料组件12位于正六边形每条边的堆芯二区补偿棒组件13和堆芯二区安全棒组件14之间。
如图3a所示，堆芯一区燃料组件10和堆芯二区燃料组件12结构相同，横截面均为正六边形，包括127根螺旋十字型燃料棒15和1个石墨盒16；127根螺旋十字型燃料棒的排布规律为：第一圈是组件中心的1根螺旋十字型燃料棒15，第二圈是呈正六边形排布的6根螺旋十字型燃料棒15，以正六边形的形状向外圈延伸，每圈增加6根螺旋十字型燃料棒15，共7圈螺旋十字型燃料棒15；石墨盒16位于组件外围，将螺旋十字型燃料棒15围成正六边形；
如图3b所示，堆芯一区补偿棒组件11横截面为正六边形，包括13根补偿棒17，114根螺旋十字型燃料棒15以及1个石墨盒16；13根补偿棒17和114根螺旋十字型燃料棒15的排布规律为：第一圈是组件中心的补偿棒17；第二圈是呈正六边形排布的6根螺旋十字型燃料棒15；第三圈在第二圈外侧呈正六边形排布，6根补偿棒17分别位于正六边形的六个顶点，6根螺旋十字型燃料棒15位于正六边形六条边的中点；第四圈在第三圈外侧，18根螺旋十字型燃料棒15呈正六边形排布；第五圈在第四圈外侧呈正六边形排布，6根补偿棒17分别位于正六边形每条边的中点，其余为18根螺旋十字型燃料棒15；第六圈位于第五圈外侧呈正六边形排布，第七圈位于第六圈外侧呈正六边形排布，分别包括30根和36根螺旋十字型燃料棒15；
如图3c所示，堆芯一区补偿棒组件13和堆芯二区安全棒组件14，结构与堆芯一区补偿棒组件11相同，而堆芯二区安全棒组件14在堆芯一区补偿棒组件11中的补偿棒17位置均为安全棒18。
作为本发明的优选实施方式，堆芯一区螺旋十字型燃料棒的235U富集度为15％，堆芯二区螺旋十字型燃料棒的235U富集度为17.5％。
作为本发明的优选实施方式，堆芯活性区热功率为125MW，堆芯入口温度650℃，堆芯出口温度700℃，采用FLiBe盐作为冷却剂，LiF和BeF2摩尔分数分别为67％和33％。
作为本发明的优选实施方式，补偿棒17和安全棒18均为控制棒。
作为本发明的优选实施方式，螺旋十字型燃料棒15高度为3m，螺距为300mm；螺旋十字型燃料棒15的基体由石墨构成，TRISO核燃料以50％填充率弥散在基体中。
作为本发明的优选实施方式，堆芯的换料周期是3年，燃耗深度大于105MWd/tU。

Claims (7)

1.一种固有安全一体化小型氟盐冷却高温堆堆芯，其特征在于：堆芯中心活性区共91盒组件，包括第一圈组件(1)，第二圈组件(2)，第三圈组件(3)，第四圈组件(4)，第五圈组件(5)，第六圈组件(6)共6圈组件；所述堆芯中心活性区上层是上部反射层(7)，下层是下部反射层(8)，周向层是径向反射层(9)；
所述第一圈组件(1)位于堆芯中心活性区中心，包括1盒堆芯一区补偿棒组件(11)；所述第二圈组件(2)在第一圈组件(1)外侧呈正六边形排布，包括6盒堆芯一区燃料组件(10)；所述第三圈组件(3)在第二圈组件(2)外侧呈正六边形排布，包括6盒堆芯一区燃料组件(10)和6盒堆芯一区补偿棒组件(11)，6盒堆芯一区燃料组件(10)位于正六边形的六个顶点，6盒堆芯一区补偿棒组件(10)位于正六边形六条边的中点；所述第四圈组件(4)在第三圈组件(3)外侧呈正六边形排布，包括12盒堆芯二区燃料组件(12)和6盒堆芯二区补偿棒组件(13)，6盒堆芯二区补偿棒组件(13)位于正六边形的六个顶点，2盒堆芯二区燃料组件(12)位于正六边形每条边的顶点之间；所述第五圈组件(5)在第四圈组件(4)外侧呈正六边形排布，包括6盒堆芯二区补偿棒组件(13)和18盒堆芯二区燃料组件(12)，6盒堆芯二区补偿棒组件(13)位于正六边形六条边的中点，6盒堆芯二区燃料组件(12)位于堆芯正六边形的六个顶点，1盒堆芯二区燃料组件(12)位于正六边形每条边的顶点与中点之间；所述第六圈组件(6)在第五圈组件(5)外侧呈正六边形排布，包括6盒堆芯二区补偿棒组件(13)，12盒堆芯二区安全棒组件(14)和12盒堆芯二区燃料组件(12)，6盒堆芯二区补偿棒组件(13)位于正六边形的六个顶点，2盒堆芯二区安全棒组件(14)位于正六边形每条边中点的两侧，1盒堆芯二区燃料组件(12)位于正六边形每条边的堆芯二区补偿棒组件(13)和堆芯二区安全棒组件(14)之间。
2.根据权利要求1所述的一种固有安全一体化小型氟盐冷却高温堆堆芯，其特征在于：所述堆芯一区燃料组件(10)和堆芯二区燃料组件(12)结构相同，横截面均为正六边形，包括127根螺旋十字型燃料棒(15)和1个石墨盒(16)；127根螺旋十字型燃料棒的排布规律为：第一圈是组件中心的1根螺旋十字型燃料棒(15)，第二圈是呈正六边形排布的6根螺旋十字型燃料棒(15)，以正六边形的形状向外圈延伸，每圈增加6根螺旋十字型燃料棒(15)，共7圈螺旋十字型燃料棒(15)；石墨盒(16)位于组件外围，将螺旋十字型燃料棒(15)围成正六边形；
所述堆芯一区补偿棒组件(11)横截面为正六边形，包括13根补偿棒(17)，114根螺旋十字型燃料棒(15)以及1个石墨盒(16)；13根补偿棒(17)和114根螺旋十字型燃料棒(15)的排布规律为：第一圈是组件中心的补偿棒(17)；第二圈是呈正六边形排布的6根螺旋十字型燃料棒(15)；第三圈在第二圈外侧呈正六边形排布，6根补偿棒(17)分别位于正六边形的六个顶点，6根螺旋十字型燃料棒(15)位于正六边形六条边的中点；第四圈在第三圈外侧，18根螺旋十字型燃料棒(15)呈正六边形排布；第五圈在第四圈外侧呈正六边形排布，6根补偿棒(17)分别位于正六边形每条边的中点，其余为18根螺旋十字型燃料棒(15)；第六圈位于第五圈外侧呈正六边形排布，第七圈位于第六圈外侧呈正六边形排布，分别包括30根和36根螺旋十字型燃料棒(15)；
所述堆芯一区补偿棒组件(13)和堆芯二区安全棒组件(14)，结构与堆芯一区补偿棒组件(11)相同，而堆芯二区安全棒组件(14)在堆芯一区补偿棒组件(11)中的补偿棒(17)位置均为安全棒(18)。
3.根据权利要求2所述的一种固有安全一体化小型氟盐冷却高温堆堆芯，其特征在于：堆芯一区螺旋十字型燃料棒的235U富集度为15％，堆芯二区螺旋十字型燃料棒的235U富集度为17.5％。
4.根据权利要求2所述的一种固有安全一体化小型氟盐冷却高温堆堆芯，其特征在于：所述补偿棒(17)和安全棒(18)均为控制棒。
5.根据权利要求2所述的一种固有安全一体化小型氟盐冷却高温堆堆芯，其特征在于：螺旋十字型燃料棒(15)高度为3m，螺距为300mm；螺旋十字型燃料棒(15)的基体由石墨构成，TRISO核燃料以50％填充率弥散在基体中。
6.根据权利要求1所述的一种固有安全一体化小型氟盐冷却高温堆堆芯，其特征在于：堆芯中心活性区热功率为125MW，堆芯入口温度650℃，堆芯出口温度700℃，采用FLiBe盐作为冷却剂，LiF和BeF2摩尔分数分别为67％和33％。
7.根据权利要求1所述的一种固有安全一体化小型氟盐冷却高温堆堆芯，其特征在于：堆芯的换料周期是3年，燃耗深度大于105MWd/tU。
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