CN114496314A - 一种快中子热中子同心圆式分区的超高通量反应堆堆芯 - Google Patents
一种快中子热中子同心圆式分区的超高通量反应堆堆芯 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种快中子热中子同心圆式分区的超高通量反应堆堆芯，包括设置在活性区外围的反射层，所述反射层呈同心圆式分为三个区：从内到外依次为快中子区、隔离区和热中子区。本发明提出的堆芯既有区域较大且快中子通量较高的快中子区，又有区域较大且热中子通量较高的热中子区，可增强超高通量反应堆的用途，同时进行多个材料辐照和多个同位素生产等。
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同心圆式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。现代试验堆的发展趋势是具有高的热中子或快中子通量，这些高中子通量试验堆能极大促进核能基础科学的发展。另外，在试验堆中，高热中子通量堆具备很强的实用价值，包括放射性同位素及超铀元素的辐照生产，因此是先进研究试验堆设计追求的一个重要目标。另一方面，高快中子通量水平能用于材料辐照性能研究，快中子通量越高，材料辐照的时间越短，因此高快中子通量试验堆能极大促进材料辐照科学的发展。综上，同时在反应堆内实现高热中子通量和高快中子通量将极大增加试验堆的用途。
目前典型新建的高热中子通量试验堆试验堆有中国先进研究堆(CARR堆)、法国的JHR堆和CENTER高热堆芯。典型的高快中子通量试验堆有JHR堆、CENTER高快堆芯、美国阿贡国家实验室开发的多功能试验堆(VTR)和俄罗斯高通量堆MBIR，其中多功能试验堆(VTR)和俄罗斯高通量堆MBIR目前未开建。
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。在重水反射层中设置了七个水平试验孔道，供中子散射实验用。在重水反射层径向不同通量水平位置上，设置了若干垂直试验孔道，供同位素辐照使用。CARR堆设计功率为60MW，活性段高度70cm，燃料元件冷却剂流速10m/s，其热中子(E<0.625eV)通量目标为7×1014n/cm2/s。
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。在堆芯内部设置三个试验孔道，在Be反射层中设置了若干个试验孔道。JHR堆设计功率为100MW，活性段高度60cm，燃料元件冷却剂流速18m/s，其热中子(E<0.625eV)通量目标为6×1014n/cm2/s，其燃料组件中孔最大快中子注量率通量目标为5×1014n/cm2/s(E＞0.907MeV)。
CENTER试验堆采用多层套管燃料组件，在高快中子通量堆芯中，利用燃料组件紧凑布置和布置在燃料组件环形区外围的铍组件同时形成中子阱和倒中子阱，快中子注量率峰值可达5.0×1014n/cm2/s。在高热中子通量堆芯中，在燃料组件环形区域的内侧形成热中子阱，热中子注量率峰值可达1.6×1015n/cm2/s。但是CENTER试验堆需要两种堆芯才能实现高快中子通量和高热中子通量。
CARR、JHR、CENTER堆均属于水堆型。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。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。VTR和MBIR均为快堆，其热中子通量都很低，因此这两个堆都是以快中子应用为主，例如材料辐照，难以用在同位素生产上。
发明内容
本发明提供了一种快中子热中子同心圆式分区的超高通量反应堆堆芯，本发明提出的堆芯既有区域较大且快中子通量较高的快中子区，又有区域较大且热中子通量较高的热中子区，可增强超高通量反应堆的用途，同时进行多个材料辐照和多个同位素生产等。
本发明通过下述技术方案实现：
一种快中子热中子同心圆式分区的超高通量反应堆堆芯，包括设置在活性区外围的反射层，所述反射层呈同心圆式分为三个区：从内到外依次为快中子区、隔离区和热中子区。
优选的，本发明的快中子区呈环形，其厚度不低于200mm，其填充材料为冷却剂。
优选的，本发明的快中子区的最大快中子通量不低于2.0×1015n/cm2/s。
优选的，本发明的热中子区呈环形，其厚度不低于200mm，其填充材料为慢化剂；
所述慢化剂采用的材料为氢化锆或氢化钇。
优选的，本发明的热中子区的最大热中子通量不低于0.5×1015n/cm2/s。
优选的，本发明的隔离区呈环形，其厚度为20mm～50mm，其填充材料为不锈钢。
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，本发明的反射层外径不小于2500mm。
优选的，本发明的堆芯还包括布置在活性区的若干个燃料组件、若干个控制棒组件和中心孔道组件；
所述中心孔道组件布置在所述活性区的中心；
若干个所述燃料组件在所述活性区内紧凑布置，若干个所述控制棒组件布置在所述活性区的外围区域。
优选的，本发明的燃料组件包括若干个燃料板；
所述燃料板由燃料芯体和包壳组成；
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：
本发明提供的堆芯采用快中子热中子同心圆式分区设计方法，能够使得堆芯有较大的快中子区和较大的热中子区。
本发明提供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，堆芯活性区最大中子通量达到1×1016n/cm2/s。
本发明的堆芯中快中子区的最大快中子(大于0.1Mev)通量不低于2.0×1015n/cm2/s，热中子区的热中子(小于1ev)通量最大不低于0.5×1015n/cm2/s。
本发明的反应堆能够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-燃料芯体，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-热中子区，14-屏蔽层。
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同心圆式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、反射层和屏蔽层14。
本实施例的反射层内部紧挨着堆芯活性区，反射层呈同心圆式分为三个区：由内到外依次是快中子区11、隔离区12、热中子区13。本实施例的反射层外径不小于2500mm。本实施例的反射层占有较大区域，这样可以减少堆芯泄漏。
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；热中子区13可根据同位素生产的靶件设计相应的孔道。
本实施例的快中子区11的区域呈环形，厚度不低于200mm，其填充材料为冷却剂；本实施例的快中子区11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13的区域呈环形，厚度不低于200mm，其填充材料为慢化剂，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。本实施例的热中子区13的最大热中子通量(小于1ev)不低于0.5×1015n/cm2/s。
本实施例的快中子区11和热中子区13之间的环形隔离区12，其厚度优选为20mm～50mm。本实施例的隔离区12材料选择具有一定吸收能力的材料，例如不锈钢。
本实施例的堆芯由52个燃料组件8、8个控制棒组件9和1个中心孔道组件10构成。
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，且三者的横截面均为正方形；若干个燃料组件8在活性区内紧凑布置，控制棒组件9布置在活性区外围，以控制外围组件的功率分布，提高燃料组件的功率密度；本实施例的中心孔道组件10布置在活性区中心，其由铅铋填充，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由若干燃料板1、结构板2和冷却剂流道3构成。若干燃料板1固定在两块结构板2之间，且相邻两块燃料板1之间设置有冷却剂流道3。
本实施例的燃料组件包括19块燃料板1，本实施例的燃料板由包壳4和燃料芯体5构成，如图3所示。其中，燃料芯体5的厚度为0.5～1.5mm，包壳4的厚度为0.2-0.5mm。
本实施例的燃料芯体材料采用但不限于U-Zr、U-Mo或U-Pu-Zr等金属燃料，包壳材料采用但不限于不锈钢，燃料组件对边距为83.70mm。本实施例采用的冷却剂为铅铋合金。
如图4所示，本实施例的控制棒组件由控制棒芯体6、导向管7和冷却剂流道3构成。其中，控制棒芯体6与导向管7同轴安装，且控制棒芯体6位于导向管7内部。
本实施例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module不超过1200MW/m3的情况下，堆芯活性区最大中子通量达到1×1016n/cm2/s。
实施例2
本实施例对上述实施例1提出的堆芯与现有堆芯进行对比，本实施例采用的上述实施例1提出的堆芯由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。快中子区的材料为冷却剂，隔离区材料为不锈钢，热中子区材料为氢化锆。反射层快中子区厚度为300mm，隔离层的厚度为20mm，热中子区厚度为150mm。现有堆芯的反射层不分区，全部填充铅铋合金。
热功率为200MW，得到如下表1所示的对比结果。
表1
根据表1可知：反射层全部由冷却剂填充(即现有堆芯)，堆芯活性区内的最大中子通量为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。而反射层采用快热中子分区设计后(即本发明提出的堆芯)，堆芯活性区内的最大中子通量为1.04×1016n/cm2/s，反射层内的最大快中子通量为3.1×1015n/cm2/s，最大热中子为5.5×1014n/cm2/s。
根据表1可知：热中子通量太低，对于大部分同位素生产来说，效率都非常低，而采用同心圆式快热中子分区后，反射层热中子通量增加一个量级多，热中子通量满足现有同位素(包括稀缺重要的同位素)的生产需求，而快中子通量相对原有方案的损失也较少，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 (10)
1.一种快中子热中子同心圆式分区的超高通量反应堆堆芯，包括设置在活性区外围的反射层，其特征在于，所述反射层呈同心圆式分为三个区：从内到外依次为快中子区(11)、隔离区(12)和热中子区(13)。
2.根据权利要求1所述的一种快中子热中子同心圆式分区的超高通量反应堆堆芯，其特征在于，所述快中子区(11)呈环形，其厚度不低于200mm，其填充材料为冷却剂。
3.根据权利要求1所述的一种快中子热中子同心圆式分区的超高通量反应堆堆芯，其特征在于，所述快中子区(11)的最大快中子通量不低于2.0×1015n/cm2/s。
4.根据权利要求1所述的一种快中子热中子同心圆式分区的超高通量反应堆堆芯，其特征在于，所述热中子区(13)呈环形，其厚度不低于200mm，其填充材料为慢化剂；
所述慢化剂采用的材料为氢化锆或氢化钇。
5.根据权利要求1所述的一种快中子热中子同心圆式分区的超高通量反应堆堆芯，其特征在于，所述热中子区(13)的最大热中子通量不低于0.5×1015n/cm2/s。
6.根据权利要求1所述的一种快中子热中子同心圆式分区的超高通量反应堆堆芯，其特征在于，所述隔离区(13)呈环形，其厚度为20mm～50mm，其填充材料为不锈钢。
7.根据权利要求1所述的一种快中子热中子同心圆式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。
8.根据权利要求1所述的一种快中子热中子同心圆式分区的超高通量反应堆堆芯，其特征在于，所述反射层外径不小于2500mm。
9.根据权利要求1-8任一项所述的一种快中子热中子同心圆式分区的超高通量反应堆堆芯，其特征在于，还包括布置在活性区的若干个燃料组件(8)、若干个控制棒组件(9)和中心孔道组件(10)；
所述中心孔道组件(10)布置在所述活性区的中心；
若干个所述燃料组件(8)在所述活性区内紧凑布置，若干个所述控制棒组件(9)布置在所述活性区的外围区域。
10.根据权利要求9所述的一种快中子热中子同心圆式分区的超高通量反应堆堆芯，其特征在于，所述燃料组件(8)包括若干个燃料板；
所述燃料板由燃料芯体(5)和包壳(4)组成；
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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| CN202210148051.3A Active CN114496314B (zh) | 2022-02-17 | 2022-02-17 | 一种快中子热中子同心圆式分区的超高通量反应堆堆芯 |
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2022
- 2022-02-17 CN CN202210148051.3A patent/CN114496314B/zh active Active
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| CN116884664B (zh) * | 2023-07-12 | 2024-03-01 | 上海交通大学 | 基于子群燃耗技术的稀缺同位素精细化能谱辐照生产方法 |
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