CN115050495B - 适用于六角形结构高通量堆的中子源与堆外探测器布置 - Google Patents
适用于六角形结构高通量堆的中子源与堆外探测器布置 Download PDFInfo
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Abstract
本发明属于核反应堆设计技术领域，具体涉及适用于六角形结构高通量堆的中子源与堆外探测器布置，用于对反应堆临界状态与功率水平的监督。针对传统高通量堆布置方案存的缺陷，本发明中子源放置在燃料区域一侧，不占用燃料区域及辐照孔道，且中子源紧贴燃料区域，不低于2个侧面与燃料区域相邻；源量程探测器布置在吊篮之外，且位于燃料区域另一侧。能够使中子源不占用原本用于布置燃料组件和辐照孔道的位置，降低核设计的难度；不占用辐照孔道，同时减少了对堆外探测器的量程覆盖范围要求，有利于堆外探测器的设计和采购；减少堆容器贯穿件数量。
Description
技术领域
本发明属于核反应堆设计技术领域，具体涉及一种在六角形高通量试验堆堆芯的中子源与堆外探测器布置，用于对反应堆临界状态与功率水平的监督。
背景技术
高通量试验堆堆芯的反应堆临界状态与功率水平一般使用堆外探测器进行测量反应堆中子注量率水平及其变化，向控制与保护装置提供反应堆小功率、周期、核功率信号，向操作人员提供反应堆停堆、启堆和运行期间反应堆的状态信息，监督反应堆启堆、运行和停堆期间的核临界状态与功率水平信息。
传统的高通量中子源布置在堆(燃料区域)内，不同类型堆外探测器布置在以堆芯中心为圆心的同一圆周上。该布置方案的主要缺点是：1)中子源挤占燃料组件位置，不利于开展堆芯设计；2)为了进一步提高源量程探测器的中子注量率，必须要求堆外探测器布置所在的圆周半径尽可能小，堆外探测器尽可能贴近堆芯燃料区，这样会导致源量程探测器之外的其它探测器(中间量程探测器及功率量程探测器)的中子注量率过大，中间量程探测器及功率量程探测器的探测量程难以覆盖，对探测器量程覆盖范围要求高，不利于探测器选型与采购；3)为了减少外加中子源强需求，源量程探测器一般布置在堆容器内，传统布置各探测器布置点圆周半径保持一致，所以其他探测器也会布置在堆容器内，导致堆容器贯穿件数目增加，增加反应堆失效概率。
发明内容
针对传统高通量堆布置方案存的以上缺陷，本发明提供一种适用于六角形结构高通量堆的中子源与堆外探测器布置，目的在于，使中子源不占用原本用于布置燃料组件的位置，减少对堆外中间量程探测器及功率量程探测器的量程覆盖范围要求。
本发明通过下述技术方案实现：
提供一种适用于六角形结构高通量堆的中子源与堆外探测器布置，即中子源放置在燃料区域一侧，不占用燃料区域及辐照孔道，且中子源紧贴燃料区域，不低于2个侧面与燃料区域相邻；源量程探测器布置在吊篮之外，且位于燃料区域另一侧。本发明提出的一种适用于六角形结构高通量堆的中子源与堆外探测器布置，基本思路是，中子源放置在堆芯(燃料组件布置区域外)一侧，紧贴燃料区域，但不占用燃料区域及辐照孔道所需的位置，源量程探测器布置在另一侧吊篮之外，相对于堆芯中心，源量程探测器与中子源的夹角控制在一定范围内。
作为优选技术方案，以堆芯中心为圆心，源量程探测器与中子源夹角α在90°-160°之间，优选源量程探测器与中子源夹角α为150°。
作为优选技术方案，中间量程探测器及功率量程探测器位于以堆芯中心为圆心的同一圆周上，源量程探测器与堆芯中心的距离为r1，中间量程探测器及功率量程探测器与堆芯中心的距离为r2，0<r2-r1。本发明将源量程探测器与中间量程探测器和功率量程探测器布置在堆芯中心为圆心的不同圆周上，源量程探测器布置在距离堆芯较近的位置，可以在堆芯处于次临界条件，中子注量率较低的条件下，确保计数响应仍然能够满足要求，功率量程探测器和中间量程探测器布置在距离堆芯稍远的地方，使得在堆芯功率提升到较高水平，中子注量率较高的条件下，通过拉长与堆芯的距离，功率量程探测器和中间量程探测器的中子注量率有所降低，但与源量程探测的注量率差异在可接受范围内，对量程要求也相应降低，同时，这一设计可将功率量程探测器和中间量程探测器挪至堆容器以外，从而减少堆容器贯穿件。
作为优选技术方案，r2-r1<D，D根据吊篮外具有屏蔽功能的材料设置和同状态不同探测器中子注量率差异限值条件要求确定，优选r2-r1的值为20cm。
作为优选技术方案，吊篮外屏蔽材料为常温液态水，围板将中子源、燃料组件及控制棒组件、辐照孔道、不含可裂变物质的反射层组件(如铝组件与铍组件)包裹在内，围板和围板包裹的部件由吊篮支承。
在以上技术方案的基础之上，提供一种六角形结构高通量堆，堆内有中子源、燃料组件及控制棒组件、不含可裂变物质的反射层组件及辐照孔道，采用上述的中子源与堆外探测器布置。
综上所述，本发明与现有技术相比，取得了如下的优点和有益效果：本发明能够使中子源不占用原本用于布置燃料组件和辐照孔道的位置，降低核设计的难度；不占用辐照孔道，同时减少了对堆外探测器的量程覆盖范围要求，有利于堆外探测器的设计和采购；减少堆容器贯穿件数量。
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。
附图1为中子源与堆外探测器布置图。
附图标记与对应的零部件名称：1--中子源；2--辐照孔道及不含可裂变物质的反射层组件；3--燃料区域；4--围板；5--吊篮；6--源量程探测器；7--中间量程探测器及功率量程探测器。
具体实施方式
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，对本发明作的原理和特征等做进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明保护范围的限定。
在以下描述中，为了提供对本发明的透彻理解阐述了大量特定细节。然而，对于本领域普通技术人员显而易见的是：不必采用这些特定细节来实行本发明。在其他实例中，为了避免混淆本发明，未具体描述公知的结构、电路、材料或方法。
在整个说明书的描述中，对“一个实施例”、“实施例”、“一个示例”或“示例”的提及意味着：结合该实施例或示例描述的特定特征、结构或特性被包含在本发明至少一个实施例中。因此，在整个说明书的各个地方出现的短语“一个实施例”、“实施例”、“一个示例”或“示例”不一定都指同一实施例或示例。此外，可以以任何适当的组合和、或子组合将特定的特征、结构或特性组合在一个或多个实施例或示例中。此外，本领域普通技术人员应当理解，在此提供的示图都是为了说明的目的，并且示图不一定是按比例绘制的。这里使用的术语“和/或”包括一个或多个相关列出的项目的任何和所有组合。
下述公开了多种不同的实施所述的主题技术方案的实施方式或实施例。为简化公开内容，下面描述了各特征存在的一个或多个排列的具体实施例，但所举实施例不作为对本说明书的限定,在说明书中随后记载的第一特征与第二特征连接，即可以包括直接联系的实施方式，也可以包括形成附加特征的实施方式，进一步的，也包括采用一个或多个其他介入特征使第一特征和第二特征彼此间接连接或结合，从而第一特征和第二特征可以不直接联系。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”、“下”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“高”、“低”“内”、“外”、“中心”、“长度”、“周侧”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。
在本说明书的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
本说明书中使用的术语是考虑到关于本公开的功能而在本领域中当前广泛使用的那些通用术语，但是这些术语可以根据本领域普通技术人员的意图、先例或本领域新技术而变化。此外，特定术语可以由申请人选择，并且在这种情况下，其详细含义将在本公开的详细描述中描述。因此，说明书中使用的术语不应理解为简单的名称，而是基于术语的含义和本公开的总体描述。
本说明书中使用了流程图或文字来说明根据本申请的实施例所执行的操作步骤。应当理解的是，本申请实施例中的操作步骤不一定按照记载顺序来精确地执行。相反，根据需要，可以按照倒序或同时处理各种步骤。同时，也可以将其他操作添加到这些过程中，或从这些过程移除某一步或数步操作。
实施例1
堆外探测器由源量程探测器、中间量程探测器、功率量程探测器组成，三类探测器的量程范围由低到高，对堆芯核功率水平的监测也是从低到高，源量程探测器与中间量程探测器之间、中间量程探测器与功率量程探测器之间对核功率的测量范围有重叠，确保使用三类探测器相互配合，能够测量由次临界水平到高功率水平的反应堆的控制与保护。
高通量堆堆芯组件一般采用六角形结构布置，在围板内，根据需要可能会对各种组件位置进行调整，以确保辐照通道的布置，因此在围板内空间，无法布置堆外探测器。堆外探测器只能布置在支承堆芯的吊篮之外，距离能够通过裂变释放中子的燃料区域较远的位置。达到较远位置的堆外探测器的中子注量偏低。
在对核功率的测量过程中，当功率上升到一定程度时，需要在探测器之间进行切换，在切换时刻，要求进行切换的两类探测器处的中子注量率的差异在一定范围内(一般不超过3个量级)，为此，在传统高通量反应堆设计时，源量程探测器、中间量程探测器、功率量程探测器一般布置在以堆芯中心线为圆心的同一圆周上。在反应堆从装料到功率运行的过程中，同一圆周上的中子注量率会发生较大的变化，即使使用3类探测器，也很难提供足够的量程范围，以覆盖堆芯监测的需求。
在反应堆停堆与物理启动过程中，临界安全要求严格控制堆芯Keff的增长速度，以防止反应堆达到无法控制的瞬发临界状态。此时主要使用源量程探测器监测中子注量率，采用在堆芯中引入外加中子源的方法使反应堆达到临界前的中子注量率提高到足够高的起始水平，使源量程探测器能以较好的统计特性测出堆芯内中子注量率水平变化，让反应堆启动时中子注量率增长的全过程置于核测仪器的监督之下，保证反应堆安全启动。堆外核探测器距离堆芯较远，难以接受到来自于燃料区的中子。同时，由于源量程探测器在反应堆达到临界前主要用于监测Keff的变化，因此在反应堆设计准则中，除了对源量程探测器处的中子辐射水平有要求外，还要求源量程探测器处中子有较大比例来自于裂变中子，而非从外加中子源不经过裂变反应直接输运到源量程探测器处。为此，堆外核探测器与中子源间的燃料区的厚度应适当，既不能过厚，导致接近探测器一侧的中子裂变反应率过低，源量程探测器接受不到中子，也不能过薄，导致裂变中子份额过低。
为了提高探测器处中子注量率和裂变中子份额，在传统高通量堆设计中，一般把中子源布置在燃料中间，以确保裂变中子份额满足设计要求，而高通量堆为了提高堆芯及周围的中子注量率，燃料组件一般为圆环布置的板型燃料组件，比较紧凑，难以在燃料组件中布置中子源，有时甚至需要专门空出一组组件放置中子源、控制棒等相关组件，对堆芯设计和辐照孔道设计产生不利影响。
综上所述，传统的高通量中子源布置在堆(燃料区域)内，不同类型堆外探测器布置在以堆芯中心为圆心的同一圆周上。该布置方案的主要缺点是：1)中子源挤占燃料组件位置，不利于开展堆芯设计；2)为了进一步提高源量程探测器的中子注量率，必须要求堆外探测器布置所在的圆周半径尽可能小，堆外探测器尽可能贴近堆芯燃料区，这样会导致源量程探测器之外的其它探测器(中间量程探测器及功率量程探测器)的中子注量率过大，中间量程探测器及功率量程探测器的探测量程难以覆盖，对探测器量程覆盖范围高，不利于探测器选型与采购。
针对传统高通量堆存在的以上缺陷，本实施例提供一种适用于六角形结构高通量堆的中子源1与堆外探测器布置，如图1所示，中子源1放置在燃料区域3一侧，即燃料组件及控制棒组件组成燃料区域3外侧，不占用燃料区域3及辐照孔道的空间，且中子源1紧贴燃料区域3，不低于2个侧面与燃料区域3相邻，本实施例优选3个中子源1侧面与燃料区域3相邻；若干源量程探测器6布置在吊篮5之外，且位于燃料区域3另一侧的位置。本实施例提出的一种针对的六角形结构高通量试验堆堆芯的中子源1与堆外探测器布置，基本思路是，中子源1放置在堆芯(燃料组件布置区域外)一侧，紧贴燃料区域3，但不占用燃料区域3及辐照孔道所需的位置，源量程探测器6布置在另一侧吊篮5之外，相对于堆芯中心，源量程探测器6与中子源1的夹角控制在一定范围内。
作为优选实施方式，以堆芯中心为圆心，源量程探测器6与中子源1夹角α在90°-160°之间，本实施例优选源量程探测器6与中子源1夹角α为150°。
作为优选实施方式，中间量程探测器及功率量程探测器7位于以堆芯中心为圆心的同一圆周上，源量程探测器6与堆芯中心的距离为r1，中间量程探测器及功率量程探测器7与堆芯中心的距离为r2，0<r2-r1。本实施例将源量程探测器6与中间量程探测器和功率量程探测器7布置在堆芯中心线为圆心的不同圆周上，源量程探测器6布置在距离堆芯较近的位置，可以堆芯处于次临界条件，中子注量率较低的条件下，计数响应仍然能够满足要求，功率量程探测器和中间量程探测器7布置在距离堆芯稍远的地方，使得在堆芯功率提升到较高水平，中子注量率较高的条件下，通过拉长与堆芯的距离，功率量程探测器和中间量程探测器7的中子注量率有所降低，但与源量程探测的注量率差异在可接受范围内，对量程要求也相应降低。
作为优选实施方式，r2-r1<D，D根据吊篮5外屏蔽层材料和同状态不同探测器中子注量率差异限值条件要求确定，本实施例优选r2-r1的值为20cm。r2大于r1，通过分析，考虑堆外的屏蔽材料设置情况，在不同探测器切换状态下，通过限制r2-r1的值，确保在不同探测器之间中子注量率差异满足设计要求，由于探测器布置点圆周半径的差异，可使得中间量程与功率量程探测器布置在堆容器以外。
作为优选实施方式，吊篮5外屏蔽材料为常温液态水，围板4将中子源1、燃料组件及控制棒组件及燃料组件包裹在内，围板4及各种组件由吊篮5支承。源量程探测器6、中间量程探测器及功率量程探测器7布置在吊篮5之外。
实施例2
在实施例1的基础之上，本实施例提供一种六角形结构高通量试验堆，堆内有中子源1、辐照孔道及不含可裂变物质的反射层组件2、不含可裂变物质的反射层组件及辐照孔道燃料区域3，采用实施例1中的中子源1与堆外探测器布置。
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较佳实施方式，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.适用于六角形结构高通量堆的中子源与堆外探测器布置结构，其特征在于：中子源放置在燃料区域一侧，不占用燃料区域及辐照孔道，且中子源紧贴燃料区域，不低于2个侧面与燃料区域相邻；源量程探测器布置在吊篮之外，且位于燃料区域另一侧。
2.根据权利要求1所述的中子源与堆外探测器布置结构，其特征在于：以堆芯中心为圆心，源量程探测器与中子源夹角α在90°-160°之间。
3.根据权利要求2所述的中子源与堆外探测器布置结构，其特征在于：源量程探测器与中子源夹角α为150°。
4.根据权利要求1或2所述的中子源与堆外探测器布置结构，其特征在于：中间量程探测器及功率量程探测器位于以堆芯中心为圆心的同一圆周上。
5.根据权利要求4所述的中子源与堆外探测器布置结构，其特征在于：源量程探测器与堆芯中心的距离为r1，中间量程探测器及功率量程探测器与堆芯中心的距离为r2，0<r2-r1。
6.根据权利要求5所述的中子源与堆外探测器布置结构，其特征在于：r2-r1<D，D根据吊篮外具有屏蔽功能的材料设置和同状态不同探测器中子注量率差异限值条件要求确定。
7.根据权利要求6所述的中子源与堆外探测器布置结构，其特征在于：r2-r1的值为20cm。
8.根据权利要求6所述的中子源与堆外探测器布置结构，其特征在于：吊篮外屏蔽材料为常温液态水。
9.根据权利要求1所述的中子源与堆外探测器布置结构，其特征在于：围板将中子源、燃料组件及控制棒组件包裹在内，围板由吊篮支承。
10.六角形结构高通量堆，其特征在于：堆内有中子源、燃料组件及控制棒组件、不含可裂变物质的反射层组件及辐照孔道，采用权利要求1-9任意一项所述的中子源与堆外探测器布置结构。
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