CN114242272B - 一种小型核电源用不换料反应堆堆芯 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种小型核电源用不换料反应堆堆芯，所述堆芯由24个正方形11×11棒栅燃料组件组成；所述燃料组件采用截短的核电站用棒型燃料元件。本实施例采用截短的核电站用棒型燃料元件，堆芯体积较小并仅依靠控制棒进行反应性控制和调控，具有高度的灵活性与机动性。堆芯能够在燃料组件最大卸料燃耗不超过许用限值的前提下保证全寿期不换料，有效提高堆芯的经济性与安全性。
Description
技术领域
本发明属于核反应堆堆芯技术领域，具体涉及一种小型核电源用不换料反应堆堆芯。
背景技术
在大型核电能够满足大块电力市场需求的情况下，小型电力市场如小电网区、边远地区和极地岛屿的电力需求难以满足，同样大型核反应堆也难以满足一些特殊需求市场，如海水淡化，热电联供等等。此时小型核电源提供了一种可行的替代方案，特别是在不适合大型反应堆的地区和国家。它可以满足更广泛的用户需求以及满足更灵活的发电需求，如海岛及沿海的水电热联供、偏远地区的小范围供电等。同时，小型核电源体积较小，还可根据需求作单模块或多模块部署，可预先在生产工厂内加工制造为功能模块，在现场快速安装。因此小型核电源具有高度的灵活性与适应性。
因小型核电源具有的高度灵活性与适应性，它的应用场景通常较为特殊，补给也较为困难。而长期不换料堆芯因其在较长时间内无需换料，节省了换料及调试时间，减少了设备安装调试次数，同时能够可显著减少全使用周期的燃料成本、换料成本以及未来的乏燃料处置成本。以上结果可显著提高堆芯可利用率及经济性，并保证堆芯的安全性与可靠性，这些优点与小型核电源的高灵活性与适应性相辅相成，能够为特殊环境与特殊需求提供更加匹配的能量输出。
目前，现有一种堆芯采用高铀装载铀氢化锆燃料细棒元件，弥散铒可燃毒物。堆芯反应性温度为负，寿期可达1000EFPD(等效满功率天)以上，并满足堆芯设计准则和展平堆芯功率分布要求。但铀氢化锆燃料元件应用于运行温度较高的动力堆国际上尚无先例，技术上不够成熟；且堆芯方案活性段高度80cm，不能够完全满足小型核电源应用场景对反应堆堆芯高度的限制。同时铀氢化锆存在高温释氢风险，在事故工况下可能加重事故后果，不适用于安全性需求较高的特殊需求供电。
现有另一种堆芯的堆芯功率密度较低，热工安全裕度较高。堆芯由三种不同富集度的燃料组件组成，燃料棒进行了轴向分区，有利于展平堆芯功率。但该堆芯有57个燃料组件，活性段高度2.15米，堆芯体积较大，燃料组件数较多，难以满足小型核电源高度的灵活性与适应性特性。需定期更换燃料，换料周期为1～2年。
综上，现有堆芯技术无法完全满足小型核电源对反应堆堆芯的需求。
发明内容
鉴于此，本发明提出一种小型核电源用不换料反应堆堆芯，以满足特殊需求供电高灵活性与适应性要求，同时实现全寿期不换料，提高供电稳定性与可靠性。
本发明通过下述技术方案实现：
一种小型核电源用不换料反应堆堆芯，所述堆芯由24个正方形11×11棒栅燃料组件组成；
所述燃料组件采用截短的核电站用棒型燃料元件。
优选的，本发明的燃料组件由108根燃料棒、12根导向管和1根中心测量管组成；
所述燃料棒装载UO2芯块；
部分所述燃料组件的导向管内布置控制棒。
优选的，本发明的燃料棒外径为9.5mm；所述UO2芯块直径为8.192mm；所述燃料棒中心距12.595mm。
优选的，本发明的燃料组件中心距为139.6mm。
优选的，本发明的24个所述燃料组件呈中心对称结构布置，总计六排六列。
优选的，本发明的堆芯不采用可溶硼和可燃毒物，仅布置一定数量控制棒，进行反应性调节和控制。
优选的，本发明的堆芯装载16个控制棒组件，每个控制棒组件内控制棒均由独立的控制棒驱动机构驱动；
16个控制棒组件在所述堆芯中分四排布置，呈中心对称结构。
优选的，本发明的16个控制棒组件按功能分为停堆棒组和调节补偿棒组；
其中，停堆棒组共有4束控制棒，分别布置于第二排第二列、第二排第五列、第五排第二列和第五排第五列；
调节补偿棒组共有12束控制棒，分别布置于第二排第三列、第二排第四列、第三排第二列、第三排第三列、第三排第四列、第三排第五列、第四排第二列、第四排第三列、第四排第四列、第四排第五列、第五排第二列、第五排第三列。
优选的，本发明的堆芯装载8个不带控制棒的燃料组件，分别布置于第一排第一列、第一排第二列、第三排第一列、第三排第六列、第四排第一列、第四排第六列、第六排第一列和第六排第二列。
优选的，本发明的堆芯活性区外围包裹1cm厚不锈钢围板。
优选的，本发明的堆芯外接圆直径为883mm，等效直径为772mm，活性段高度为500mm。
优选的，本发明的堆芯燃料富集度分为两区，内区16个带控制棒的燃料组件富集度大于外区8个不带控制棒的燃料组件富集度。
优选的，本发明的堆芯热功率为8MW，外区8个不带控制棒的燃料组件装载4.45％富集度燃料棒；内区16个带控制棒的燃料组件装载4.95％富集度燃料棒；燃耗寿期为1000EFPD。
优选的，本发明的堆芯热功率为8MW，外区8个不带控制棒的燃料组件装载7％富集度燃料棒；内区16个带控制棒的燃料组件装载8％富集度燃料棒；燃耗寿期为1500EFPD。
优选的，本发明的堆芯热功率为8MW，外区8个不带控制棒的燃料组件装载12％富集度燃料棒；内区16个带控制棒的燃料组件装载15％富集度燃料棒；燃耗寿期为3000EFPD。
本发明具有如下的优点和有益效果：
本发明能够使得堆芯保持较小体积，以提高其灵活性与适应性，同时通过合理的燃料装载策略保证堆芯全寿期不换料，保证其在特殊用途供电时期的稳定性与可靠性，同时提高其经济性。
本发明的堆芯体积小，不采用可溶硼和可燃毒物，仅依靠控制棒进行反应性控制和调控，能够较快响应功率变化，简化了系统设计、避免了日常硼酸调节产生的废水、减少了固体放射性废物的产生，有利于小型核电源的体积重量优化，匹配多种地形，多种应用场景，使得堆芯具有高度的灵活性与机动性。
本发明的堆芯可保证全寿期的不换料。消除换料时间，减少设备调试，可有效提高堆芯的安全性，同时大幅提高核电源利用率，保障供电的可靠性。
本发明能够在组件最大卸料燃耗不超过许用限值55000MWd/tU的前提下，获得较长的燃耗寿期，充分利用本炉燃料的同时减少多次换料带来的燃料成分与乏燃料处置成本，有效提高经济性。
本发明的堆芯采用截短的电站用棒型燃料组件，该燃料组件技术较为成熟，并已成熟应用于大型核电厂多年，技术风险低。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
图1为本发明实施例的11×11棒栅燃料组件布置示意图。
图2为本发明实施例的堆芯布置和控制棒分组示意图。
附图中标记及对应的零部件名称：
1-燃料棒，2-中心测量管，3-导向管，4-不带控制棒的燃料组件，5-停堆棒组控制棒插入组件，6-调节棒组控制棒插入组件，7-围板。
具体实施方式
在下文中，可在本发明的各种实施例中使用的术语“包括”或“可包括”指示所发明的功能、操作或元件的存在，并且不限制一个或更多个功能、操作或元件的增加。此外，如在本发明的各种实施例中所使用，术语“包括”、“具有”及其同源词仅意在表示特定特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合，并且不应被理解为首先排除一个或更多个其它特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合的存在或增加一个或更多个特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合的可能性。
在本发明的各种实施例中，表述“或”或“A或/和B中的至少一个”包括同时列出的文字的任何组合或所有组合。例如，表述“A或B”或“A或/和B中的至少一个”可包括A、可包括B或可包括A和B二者。
在本发明的各种实施例中使用的表述(诸如“第一”、“第二”等)可修饰在各种实施例中的各种组成元件，不过可不限制相应组成元件。例如，以上表述并不限制所述元件的顺序和/或重要性。以上表述仅用于将一个元件与其它元件区别开的目的。例如，第一用户装置和第二用户装置指示不同用户装置，尽管二者都是用户装置。例如，在不脱离本发明的各种实施例的范围的情况下，第一元件可被称为第二元件，同样地，第二元件也可被称为第一元件。
应注意到：如果描述将一个组成元件“连接”到另一组成元件，则可将第一组成元件直接连接到第二组成元件，并且可在第一组成元件和第二组成元件之间“连接”第三组成元件。相反地，当将一个组成元件“直接连接”到另一组成元件时，可理解为在第一组成元件和第二组成元件之间不存在第三组成元件。
在本发明的各种实施例中使用的术语仅用于描述特定实施例的目的并且并非意在限制本发明的各种实施例。如在此所使用，单数形式意在也包括复数形式，除非上下文清楚地另有指示。除非另有限定，否则在这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明的各种实施例所属领域普通技术人员通常理解的含义相同的含义。所述术语(诸如在一般使用的词典中限定的术语)将被解释为具有与在相关技术领域中的语境含义相同的含义并且将不被解释为具有理想化的含义或过于正式的含义，除非在本发明的各种实施例中被清楚地限定。
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施例1
本实施例提供了一种小型核电源用不换料反应堆堆芯，如图1所示，本实施例堆芯装载24个正方形11×11棒栅燃料组件，呈中心对称结构布置，总计六排六列，第一排和第六排分别布置2个燃料组件，第二排和第五排分别布置4个燃料组件，第三排和第四排分别布置6个燃料组件。本实施例的燃料组件采用截短的核电站用棒型燃料元件。
本实施例采用截短的核电站用棒型燃料元件，堆芯体积较小并仅依靠控制棒进行反应性控制和调控，具有高度的灵活性与机动性。堆芯能够在燃料组件最大卸料燃耗不超过许用限值的前提下保证全寿期不换料，有效提高堆芯的经济性与安全性。
如图1所示，本实施例的燃料组件由108根燃料棒1、12根导向管3以及1根中心测量管2组成。燃料棒元件装载UO2芯块；部分组件的导向管通道布置控制棒吸收体，由位于堆芯上部的控制棒驱动机构调节吸收体在运行过程的高度，当控制棒部分或全部提出堆芯时，导向管通道内仅包含冷却剂水；未布置控制棒吸收体的导向管通道内仅包含冷却剂水。本实施例不采用可溶硼和可燃毒物，仅依靠控制棒进行反应性控制和调控，能够较快响应功率变化，简化了系统设计、避免了日常硼酸调节产生的废水、减少了固体放射性废物的产生，有利于小型核电源的体积重量优化，匹配多种地形，多种应用场景，使得堆芯具有高度的灵活性与机动性。
本实施例的燃料棒外径为9.5mm，UO2芯块直径为8.192mm，燃料棒中心距为12.595mm。
本实施例的燃料组件中心距为139.6mm，大于目前国内小型化驱动机构相邻布置要求的最小间距120mm，使得每个控制棒组件内均可布置独立的控制棒驱动机构。
如图2所示，本实施例的堆芯中布置16个控制棒组件。每个控制棒组件内控制棒均由独立的控制棒驱动机构驱动。16个控制棒组件在堆芯中分四排布置，呈中心对称结构。
本实施例的控制棒组件按功能分为停堆棒组5和调节补偿棒组6，停堆棒组S，在正常运行时该组控制棒完全提出堆芯以外，仅在停堆时插入堆芯；调节补偿棒组A，在燃耗过程按照指定的顺序部分插入堆芯，补偿燃料的燃耗，并实行快速反应性调节。
其中，停堆棒组S共有4束控制棒，分别布置于第二排第二列、第二排第五列、第五排第二列和第五排第五列；调节补偿棒组A共有12束控制棒，分别布置于第二排第三列、第二排第四列、第三排第二列、第三排第三列、第三排第四列、第三排第五列、第四排第二列、第四排第三列、第四排第四列、第四排第五列、第五排第二列、第五排第三列。
由于燃料组件中心距较大，使得每个燃料组件中均可单独布置控制棒驱动机构。
本实施例的堆芯中布置8个不带控制棒的燃料组件4，分别布置于第一排第一列、第一排第二列、第三排第一列、第三排第六列、第四排第一列、第四排第六列、第六排第一列和第六排第二列。
本实施例的堆芯燃料富集度分为两区，内区16个带控制棒的燃料组件装载高富集度，外区8个不带控制棒的燃料组件装置低富集度。
本实施例的堆芯活性区外围包裹1cm厚不锈钢围板7，既保证堆芯稳定性又区别于中型压水堆通常采用的2cm厚围板，降低对中子的不利吸收，提升堆芯经济性。
本实施例的堆芯外接圆直径为883mm，等效直径为772mm，活性段高度为500mm，体积较小，保证其高灵活性以匹配多种应用场景。
实施例2
本实施例采用上述实施例1提出的堆芯，热功率为8MW，采用核电站通用的富集度不超过5％的低富集度燃料，堆芯外围8个燃料组件装载4.45％富集度燃料棒，堆芯内部16个燃料组件装载4.95％富集度燃料棒，燃耗寿期可达1000EFPD。
实施例3
本实施例采用上述实施例1提出的堆芯，热功率为8MW，突破电站通用的低富集度限值，堆芯外围8个燃料组件装载7％富集度燃料棒，堆芯内部16个燃料组件装载8％富集度燃料棒，燃耗寿期可达1500EFPD。
实施例4
本实施例采用上述实施例1提出的堆芯，热功率为8MW，采用棒形燃料组件燃耗限值作为限制条件，堆芯外围8个燃料组件装载12％富集度燃料棒，堆芯内部16个燃料组件装载15％富集度燃料棒，燃耗寿期可达3000EFPD，此时寿期末组件最大卸料燃耗接近55000MWd/tU。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种小型核电源用不换料反应堆堆芯，其特征在于，所述堆芯由24个正方形11×11棒栅燃料组件组成；
所述燃料组件采用截短的核电站用棒型燃料元件；
24个所述燃料组件呈中心对称结构布置，总计六排六列；
所述堆芯不采用可溶硼和可燃毒物，仅布置一定数量控制棒，进行反应性调节和控制；
所述堆芯装载16个控制棒组件，每个控制棒组件内控制棒均由独立的控制棒驱动机构驱动；
16个控制棒组件在所述堆芯中分四排布置，呈中心对称结构；
16个控制棒组件按功能分为停堆棒组和调节补偿棒组；
其中，停堆棒组共有4束控制棒，分别布置于第二排第二列、第二排第五列、第五排第二列和第五排第五列；
调节补偿棒组共有12束控制棒，分别布置于第二排第三列、第二排第四列、第三排第二列、第三排第三列、第三排第四列、第三排第五列、第四排第二列、第四排第三列、第四排第四列、第四排第五列、第五排第二列、第五排第三列；
所述堆芯装载8个不带控制棒的燃料组件，分别布置于第一排第一列、第一排第二列、第三排第一列、第三排第六列、第四排第一列、第四排第六列、第六排第一列和第六排第二列；
所述堆芯外接圆直径为883mm，等效直径为772mm，活性段高度为500mm；
所述堆芯燃料富集度分为两区，内区16个带控制棒的燃料组件富集度大于外区8个不带控制棒的燃料组件富集度。
2.根据权利要求1所述的一种小型核电源用不换料反应堆堆芯，其特征在于，所述燃料组件由108根燃料棒、12根导向管和1根中心测量管组成；
所述燃料棒装载UO2芯块；
部分所述燃料组件的导向管内布置控制棒。
3.根据权利要求2所述的一种小型核电源用不换料反应堆堆芯，其特征在于，所述燃料棒外径为9.5mm；所述UO2芯块直径为8.192mm；所述燃料棒中心距12.595mm。
4.根据权利要求1所述的一种小型核电源用不换料反应堆堆芯，其特征在于，所述燃料组件中心距为139.6mm。
5.根据权利要求1所述的一种小型核电源用不换料反应堆堆芯，其特征在于，所述堆芯活性区外围包裹1cm厚不锈钢围板。
6.根据权利要求1所述的一种小型核电源用不换料反应堆堆芯，其特征在于，所述堆芯热功率为8MW，外区8个不带控制棒的燃料组件装载4.45%富集度燃料棒；内区16个带控制棒的燃料组件装载4.95%富集度燃料棒；燃耗寿期为1000EFPD。
7.根据权利要求1所述的一种小型核电源用不换料反应堆堆芯，其特征在于，所述堆芯热功率为8MW，外区8个不带控制棒的燃料组件装载7%富集度燃料棒；内区16个带控制棒的燃料组件装载8%富集度燃料棒；燃耗寿期为1500EFPD。
8.根据权利要求1所述的一种小型核电源用不换料反应堆堆芯，其特征在于，所述堆芯热功率为8MW，外区8个不带控制棒的燃料组件装载12%富集度燃料棒；内区16个带控制棒的燃料组件装载15%富集度燃料棒；燃耗寿期为3000EFPD。
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