CN114496313B - 一种快中子热中子扇形分区的超高通量反应堆堆芯 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种快中子热中子扇形分区的超高通量反应堆堆芯，包括设置于堆芯活性区外围的反射层，所述反射层区域呈环形，且沿周向分为四个扇形区域：依次为快中子区、第一隔离区、热中子区和第二隔离区。本发明通过扇形快热中子分区设计方法，使得反应堆内一部分区域具有较高的快中子区用于材料辐照，而一部分区域具有较高的热中子区用于同位素生产，能同时获得较高的快中子通量和热中子通量，可以兼顾材料辐照和同位素生产要求，可增强超高通量反应堆的用途。
Description
技术领域
本发明属于核反应堆堆芯技术领域，具体涉及一种快中子热中子扇形分区的超高通量反应堆堆芯。
背景技术
核动力工程的发展离不开核反应堆，而核反应堆的发展离不开试验堆。试验堆对各种反应堆堆型的开发有非常重要的作用。高中子通量工程试验堆是国家科技实力的重要标志之一，是国家独立自主开发核能所必不可少的基础设施和重要工具。建设超高通量试验堆可以解决当前我国试验研究核设施中子通量水平偏低、辐照测试能力不足问题，可以解决当前我国先进核能及核技术核心结构材料严重依赖国外进口问题。而这些都依赖试验堆中子通量水平，且中子通量越高，其辐照和同位素生产等越好。
目前上国际已建成的先进试验堆中子通量在1.0×1015n/cm2/s量级，通量超过2.0×1015n/cm2/s的试验堆很少。典型的先进试验堆有中国先进研究堆(CARR堆)和法国的JHR堆。CARR堆采用U3Si2-Al弥散型平板燃料，方盒燃料组件构成方形栅格，U-235富集度为20％，芯体铀密度为4.0gU/cm3。堆芯容器与燃料组件间用Be填充，堆芯容器外为重水反射层环形水箱。JHR堆采用U3Si2-Al圆柱形燃料和雏菊型栅格排列方式，U-235富集度为27％，芯体铀密度为4.8gU/cm3。堆芯外围选用Be作为反射层。
新一代先进试验堆设计越来越采用第四代堆型，比如俄罗斯预计建设的高通量堆MBIR属于钠冷快堆，其最大中子通量水平为5.3×1015n/cm2/s。目前阿贡国家实验室正致力于开发一种名为多功能试验堆(VTR)的辐照试验堆的概念设计。VTR属于钠冷快堆概念，其最大快中子通量水平为4.0×1015n/cm2/s。这些新型试验堆的反射层设计通常采用贫铀或者不锈钢材料。VTR和MBIR作为新一代规划中的试验堆，其主要特性在于其快中子通量水平，因此这类试验堆的主要以快中子应用为主，例如材料辐照。然而稀缺重要的同位素，例如252Cf、238Pu，在国防和民生都发挥着重要作用，但其生产所需的热中子通量要求较高(通常要求热中子通量高于0.5×1015n/cm2/s以上)。因此，在高通量堆上设计快中子区和热中子区能兼顾材料辐照和同位素生产，具有重要意义。
国内CENTER试验堆设计中为了实现较高的快中子区和较高的热中子区采用了两套堆芯方案——高快堆芯和高热堆芯，因此在应用中不如在同一个装载下实现的快热中子分区更方便。
发明内容
本发明提供了一种快中子热中子扇形分区的超高通量反应堆堆芯。本发明通过扇形快热中子分区设计方法，使得反应堆内一部分区域具有较高的快中子区用于材料辐照，而一部分区域具有较高的热中子区用于同位素生产，能同时获得较高的快中子通量和热中子通量，可以兼顾材料辐照和同位素生产要求，可增强超高通量反应堆的用途。
本发明通过下述技术方案实现：
一种快中子热中子扇形分区的超高通量反应堆堆芯，包括设置于堆芯活性区外围的反射层，所述反射层区域呈环形，且沿周向分为四个扇形区域：依次为快中子区、第一隔离区、热中子区和第二隔离区。
优选的，本发明的反射层外径不小于2500mm。
优选的，本发明的快中子区用于材料辐照，所述快中子区的最大快中子通量不低于2.0×1015n/cm2/s。
优选的，本发明的热中子区从内到外分为热中子隔离区、第一层热中子区、第二层热中子区和第三层热中子区。
优选的，本发明的热中子隔离区的厚度为10mm～50mm。
优选的，本发明的热中子隔离区的材料采用不锈钢；
所述第一层热中子区、第二层热中子区和第三层热中子区的材料采用氢化锆或氢化钇。
优选的，本发明的第一层热中子区的最大热中子通量不低于1.0×1015n/cm2/s；所述第二层热中子区的最大热中子通量不低于1.0×1014n/cm2/s；所述第三层热中子区的最大热中子通量不低于1.0×1013n/cm2/s。
优选的，本发明的堆芯功率不超过200MW时，换料周期不低于100个满功率天，换料周期内最大中子通量超过1.0×1016n/cm2/s，平均功率密度不超过1200MW/m3。
优选的，本发明的堆芯还包括布置于堆芯活性区的若干燃料组件、若干控制棒组件和中心孔道组件。
优选的，本发明的燃料组件由燃料板、结构板和流道构成；
所述燃料棒包括燃料芯体和包壳；
所述燃料芯体的材料采用U-Zr、U-Mo或U-Pu-Zr；
所述燃料芯体的厚度为0.5～1.5mm。
本发明具有如下的优点和有益效果：
本发明提出的堆芯采用快中子热中子扇形分区设计方法，能使得堆芯具有较大的快中子区和较大的热中子区。
本发明提出的堆芯在热功率不超过200MW，换料周期不低于100个满功率天，堆芯平均功率密度不超过1200MW/m3的情况下，堆芯活性区的最大中子通量达到1×1016n/cm2/s。
本发明的快中子区的最大快中子(大于0.1Mev)通量不低于2.0×1015n/cm2/s，可用于材料辐照；第一层热中子区的热中子(小于1ev)通量最大不低于1.0×1015n/cm2/s，第一层热中子区的热中子(小于1ev)通量最大不低于1.0×1014n/cm2/s，第三层热中子通量不低于1.0×1013n/cm2/s。
本发明的核反应堆内能同时实现材料辐照和多种同位素生产。
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为本发明实施例的堆芯装载结构示意图。
图2为本发明实施例的燃料组件结构示意图。
图3为本发明实施例的燃料板结构示意图。
图4为本发明实施例的控制棒结构示意图。
附图中标记及对应的零部件名称：
1-燃料板，2-结构板，3-冷却剂流道，4-包壳，5-燃料芯块，6-控制棒芯体，7-导向管，8-燃料组件，9-控制棒组件，10-中心孔道组件，11-快中子区，12-隔离区，13-第一层热中子区，14-第二层热中子区，15-第三层热中子区，16-热中子隔离区。
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快中子热中子扇形分区的超高通量反应堆堆芯，如图1所示，本实施例的堆芯包括若干个燃料组件8、若干个控制棒组件9、中心孔道组件10和反射层。
其中，本实施例的反射层区域呈环形，内部紧挨堆芯活性区，且径向上反射层外径不小于2500mm；该反射层沿周向分为四个扇形区域：依次为快中子区11、第一隔离区、热中子区和第二隔离区。
本实施例的快中子区11内可布置不同形状的孔道，用于材料辐照等，该快中子区11内填充冷却剂，本实施例的冷却剂材料采用但不限于液态铅铋或液态铅冷却剂。本实施例的热中子区可根据同位素生产的靶件设计相应的孔道，该热中子区内填充慢化剂，本实施例的慢化剂材料采用但不限于氢化锆、氢化钇等具有慢化能力的材料。本实施例的第一隔离区和第二隔离区材料选择具有一定吸收能力的材料，例如不锈钢材料。
本实施例的快中子区11、热中子区、第一隔离区和第二隔离区的扇形角度之和为360°。
本实施例的快中子区最大快中子(大于0.1Mev)通量不低于2.0×1015n/cm2/s。
本实施例的热中子区从内到外又可以分为热中子隔离区16、第一层热中子区13、第二层热中子区14和第三层热中子区15。热中子隔离区16主要是为了减少热中子进入堆芯的数目，从而减少热中子区对堆芯活性区的影响。
本实施例的热中子隔离区16的厚度为10mm～50mm，第一层热中子区13、第二层热中子区14和第三层热中子区15的厚度根据任务需求进行划分。
本实施例的热中子隔离区16的材料采用但不限于不锈钢，第一层热中子区13、第二层热中子区14和第三层热中子区15采用但不限于氢化锆或氢化钇。
本实施例的第一层热中子区13、第二层热中子区14和第三层热中子区15的差异体现在热中子通量水平上，也决定了它们的用途。
本实施例的第一层热中子区的最大热中子(小于1ev)通量不低于1.0×1015n/cm2/s，主要生产稀缺重要核素，如超铀核素，这类同位素对热中子通量水平需求较高；第二层热中子区的热中子通量会明显小于第一层热中子区的热中子通量水平，但满足绝大部分医用同位素和工业同位素的生产所需的通量水平要求，本实施例的第二层热中子区的最大热中子(小于1ev)通量不低于1.0×1014n/cm2/s；第三层热中子区的热中子通量会进一步降低，但仍可满足其他科学研究的需求，例如中子散射研究等，本实施例的第三层热中子区的最大热中子(小于1ev)通量不低于1.0×1013n/cm2/s。
本实施例的燃料组件8、控制棒组件9和中心孔道组件10的尺寸相同，且横截面均为正方形；若干个控制棒组件9布置在堆芯活性区外围，以控制外围组件的功率分布，提高中心区燃料组件8的功率密度；反射层在轴向和径向均占有较大区域，这样可减少堆芯泄漏；中心孔道组件10由铅铋填充，可根据辐照需求放入材料进行辐照。
如图2所示，本实施例的燃料组件8由若干燃料板1、结构板2和流道3构成；如图3所示，本实施例的燃料板1包括燃料芯体5和燃料包壳4，本实施例的燃料芯体5采用但不限于U-Zr、U-Mo或U-Pu-Zr等金属燃料。燃料芯体5的厚度为0.5～1.5mm。
本实施例的控制棒组件9共8个，每个控制棒组件9均包含单个导向管7，导向管7内放单个控制棒芯体6。
本实施例的堆芯总功率为200MW，换料周期不低于100个满功率天，堆芯平均功率密度不超过1200MW/m3，堆芯活性区内的最大中子通量不低于1×1016n/cm2/s。
实施例2
本实施例对上述实施例1提出的堆芯(扇形分区设计)与现有堆芯(反射层由冷却剂填充，即未分区)进行对比实验。其中，本实施例采用的堆芯由52个燃料组件、8个控制棒组件和1个中心孔道组件构成。在燃料组件中，燃料芯体厚度取0.9mm，包壳厚度取0.30mm，组件中包含19块燃料板。燃料芯体材料选择U-10Zr合金，包壳材料选择不锈钢，组件对边距为83.70mm。堆芯冷却剂为铅铋合金。
热中子区呈扇形，其张开的角度大小取60度，隔离层的角度为5度，剩余为快中子区。热中子区的隔离层厚度取10mm，第一层热中子区的厚度为160mm，第二层热中子区的厚度为160mm，其他为第三层热中子区。隔离区材料选择不锈钢，快中子区材料为冷却剂。
本实施的堆芯和现有堆芯在热功率为200MW时，其性能对比如下表1所示。
表1
由表1可以看出：现有堆芯(未分区)的堆芯活性区内的最大中子通量很高，为1.08×1016n/cm2/s，反射层内的最大快中子通量为3.2×1015n/cm2/s，最大热中子为2.0×1013n/cm2/s。而本发明提出的堆芯采用上述快热中子分区后，堆芯的换料周期不受影响，堆芯活性区内的最大中子通量相比现有堆芯略有下降，反射层内的最大快中子通量也略有下降，但第一层热中子区的热中子通量高达1.5×1015n/cm2/s，第二层热中子区的热中子通量为2.4×1014n/cm2/s，第三层热中子区的热中子通量为3.1×1013n/cm2/s。现有堆芯的热中子通量太低，生产同位素的效率非常低，而本发明的堆芯采用扇形快热中子分区后，反射层热中子通量增加约两个数量级。第一层到第三层的热中子通量可满足不同同位素的生产需求和中子科学实验需求，而快中子通量相对原有方案的损失也较少，仍可用于材料辐照等，因此采用该分区后的反应堆可同时用在多个方面，如材料辐照、同位素生产等。另外，由于快中子区和热中子区都非常大，因此可同时开展数十个同位素生产和多个材料辐照。
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 (5)
1.一种快中子热中子扇形分区的超高通量反应堆堆芯，包括设置于堆芯活性区外围的反射层，其特征在于，所述反射层区域呈环形，且沿周向分为四个扇形区域：依次为快中子区(11)、第一隔离区、热中子区和第二隔离区；
所述快中子区(11)用于材料辐照，所述快中子区(11)的最大快中子通量不低于2.0×1015n/cm2/s；
所述热中子区从内到外分为热中子隔离区(16)、第一层热中子区(13)、第二层热中子区(14)和第三层热中子区(15)；
所述热中子隔离区(16)的厚度为10mm～50mm；
所述快中子区(11)用于材料辐照，所述快中子区(11)的最大快中子通量不低于2.0×1015n/cm2/s；
所述第一层热中子区(13)的最大热中子通量不低于1.0×1015n/cm2/s；所述第二层热中子区(14)的最大热中子通量不低于1.0×1014n/cm2/s；所述第三层热中子区(15)的最大热中子通量不低于1.0×1013n/cm2/s。
2.根据权利要求1所述的一种快中子热中子扇形分区的超高通量反应堆堆芯，其特征在于，所述热中子隔离区(16)的材料采用不锈钢；
所述第一层热中子区(13)、第二层热中子区(14)和第三层热中子区(15)的材料采用氢化锆或氢化钇。
3.根据权利要求1所述的一种快中子热中子扇形分区的超高通量反应堆堆芯，其特征在于，所述堆芯功率不超过200MW时，换料周期不低于100个满功率天，换料周期内最大中子通量超过1.0×1016n/cm2/s，平均功率密度不超过1200MW/m3。
4.根据权利要求1-3任一项所述的一种快中子热中子扇形分区的超高通量反应堆堆芯，其特征在于，还包括布置于堆芯活性区的若干燃料组件(8)、若干控制棒组件(9)和中心孔道组件(10)。
5.根据权利要求4所述的一种快中子热中子扇形分区的超高通量反应堆堆芯，其特征在于，所述燃料组件由燃料板(1)、结构板(2)和流道(3)构成；
所述燃料板(1)包括燃料芯体(5)和包壳(4)；
所述燃料芯体(5)的材料采用U-Zr、U-Mo或U-Pu-Zr；
所述燃料芯体(5)的厚度为0.5～1.5mm。
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