CN115547519A - 一种采用自发慢化燃料的铅铋冷却反应堆堆芯 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种采用自发慢化燃料的铅铋冷却反应堆堆芯，所述堆芯包括若干燃料组件、若干控制棒组件和围桶，所述控制棒组件间隔布置于所述燃料组件中，所述堆芯布置于所述围桶包围的冷却剂中；所述堆芯采用六角形燃料组件，所述燃料组件内设置的多根燃料棒按等边三角形排列，所述燃料组件六个角处设置有固体慢化棒；所述燃料棒内的芯体采用自发慢化燃料，所述固体慢化棒内的芯体采用固体慢化剂材料。本发明在满足堆芯功率需求和设计寿期以及停堆安全设计准则的基础上，能够更好地将堆芯内的中子慢化，提升了堆芯反应性，减小了铀装量和堆芯尺寸，降低了屏蔽需求，增强了堆芯的负反馈安全性。

Description

一种采用自发慢化燃料的铅铋冷却反应堆堆芯
技术领域
本发明涉及核反应堆堆芯技术领域，具体涉及一种采用自发慢化燃料的铅铋冷却反应堆堆芯。
背景技术
铅冷快堆(LFR)是“第四代”先进快堆核能系统之一，采用铅或铅铋合金作为冷却剂，具备优良的中子物理、热工水力、系统安全性质，具有资源利用率高、安全性好、经济性好的优点。符合国家制定的“热堆—快堆—聚变堆”核能技术发展路线，是我国核电核动力技术跨越式创新发展的优秀载体。
但是现有的铅冷快堆堆芯在满足堆芯反应性活度的基础上，铀装量和堆芯尺寸不够小，不能很好地屏蔽需求，堆芯的负反馈安全性不够高。
发明内容
本发明目的在于提供一种采用自发慢化燃料的铅铋冷却反应堆堆芯，本发明在满足堆芯功率需求和设计寿期以及停堆安全设计准则的基础上，能够更好地将堆芯内的中子慢化，提升了堆芯反应性，减小了铀装量和堆芯尺寸，降低了屏蔽需求，增强了堆芯的负反馈安全性。
本发明通过下述技术方案实现：
一种采用自发慢化燃料的铅铋冷却反应堆堆芯，所述堆芯包括若干燃料组件、若干控制棒组件和围桶，所述控制棒组件间隔布置于所述燃料组件中，所述堆芯布置于所述围桶包围的冷却剂中；
所述堆芯采用六角形燃料组件，所述燃料组件内设置的多根燃料棒按等边三角形排列，所述燃料组件六个角处设置有固体慢化棒；
所述燃料棒内的芯体采用自发慢化燃料，所述固体慢化棒内的芯体采用固体慢化剂材料。
本发明考虑到铀氢化锆燃料具有高温稳定性、高氢密度、低中子吸收截面、优良的导热性能、与不锈钢相容性好等特点，能够慢化堆芯能谱。因此，本发明利用铀氢化锆燃料的自发慢化特性，结合氢化锆固体慢化剂设计了一种具有长寿期和更高安全性的燃料自发慢化铅铋冷却反应堆堆芯。与铅铋快堆相比，本发明在满足堆芯功率需求和设计寿期以及停堆安全设计准则的基础上，能够更好地将堆芯内的中子慢化，提升了堆芯反应性，减小了铀装量和堆芯尺寸，降低了屏蔽需求，增强了堆芯的负反馈安全性。
作为进一步地优选方案，所述燃料棒内的芯体采用铀氢化锆燃料。
作为进一步地优选方案，所述固体慢化棒内的芯体采用氢化锆材料。
作为进一步地优选方案，所述堆芯共装载有96盒燃料组件和31盒控制棒组件；
每盒燃料组件包括55根铀氢化锆燃料棒和6根氢化锆固体慢化剂棒；
每盒控制棒组件中包括36根铀氢化锆燃料棒、19根B4C控制棒和6根氢化锆慢化剂棒；
所述燃料棒内的芯体采用U-235富集度为30.6％的铀氢化锆作为燃料，燃料中氢元素与金属元素比为1.6。
作为进一步地优选方案，所述燃料组件内各个燃料棒之间采用绕丝结构固定。
作为进一步地优选方案，所述控制棒组件间隔布置于部分燃料组件中。
作为进一步地优选方案，所述燃料组件和控制棒组件的形状均为六角形。
作为进一步地优选方案，所述堆芯内中子被慢化到较低能谱，所述较低能谱是比传统铅冷快堆能谱低的能谱。
作为进一步地优选方案，所述较低能谱包括但不仅限于热谱、超热谱和混合谱。
本发明堆芯内中子能谱被慢化至超热能谱后，能够有效地提高堆芯反应性，减小堆内铀装量和堆芯尺寸，同时降低屏蔽需求，增强堆芯的负反馈安全性。堆芯结构和堆芯参数可以在设计限值内进行调节变更，以满足堆芯功率需求、设计寿期以及临界安全等要求。
作为进一步地优选方案，所述冷却剂采用铅铋合金。
本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
本发明一种采用自发慢化燃料的铅铋冷却反应堆堆芯，本发明利用铀氢化锆燃料的自发慢化特性，结合氢化锆固体慢化剂设计了一种具有长寿期和更高安全性的燃料自发慢化铅铋冷却反应堆堆芯。与铅铋快堆相比，本发明在满足堆芯功率需求和设计寿期以及停堆安全设计准则的基础上，能够更好地将堆芯内的中子慢化，提升了堆芯反应性，减小了铀装量和堆芯尺寸，降低了屏蔽需求，增强了堆芯的负反馈安全性。
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为本发明一种采用自发慢化燃料的铅铋冷却反应堆堆芯的径向简图和控制棒分组图。
图2为本发明一种采用自发慢化燃料的铅铋冷却反应堆堆芯的轴向简图。
图3为本发明一种采用自发慢化燃料的铅铋冷却反应堆堆芯的有效增殖因子随燃耗变化示意图。
附图标记及对应的零部件名称：
10-燃料组件，11-控制棒组件，12-围桶，13-冷却剂，14-固体慢化棒。
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
如图1所示，本发明一种采用自发慢化燃料的铅铋冷却反应堆堆芯，所述堆芯包括若干燃料组件10、若干控制棒组件11和围桶12，所述控制棒组件11间隔布置于所述燃料组件10中，所述堆芯布置于所述围桶12包围的铅铋合金冷却剂13中；
所述堆芯采用六角形燃料组件10，所述燃料组件10内设置的多根燃料棒按等边三角形排列，各个燃料棒之间采用绕丝结构固定；所述燃料组件10六个角处设置有固体慢化棒14；
所述燃料棒内的芯体采用以铀氢化锆为代表的自发慢化燃料，所述固体慢化棒14内的芯体采用以氢化锆为代表的固体慢化材料。
作为进一步地实施，所述控制棒组件11间隔布置于部分燃料组件10中。
作为进一步地实施，所述燃料组件10和控制棒组件11的形状均为六角形(即六边形)，比如可以是正六边形。
作为进一步地实施，所述堆芯内中子被慢化到较低能谱，所述较低能谱是比传统铅冷快堆能谱低的能谱。所述较低能谱包括但不仅限于热谱、超热谱和混合谱。
本发明堆芯内中子能谱被慢化至超热能谱后，能够有效地提高堆芯反应性，减小堆内铀装量和堆芯尺寸，同时降低屏蔽需求，增强堆芯的负反馈安全性。堆芯结构和堆芯参数可以在设计限值内进行调节变更，以满足堆芯功率需求、设计寿期以及临界安全等要求。
工作原理是：基于现有的铅冷快堆堆芯在满足堆芯反应性活度的基础上，铀装量和堆芯尺寸不够小，不能很好地屏蔽需求，堆芯的负反馈安全性不够高。本发明考虑到铀氢化锆燃料具有高温稳定性、高氢密度、低中子吸收截面、优良的导热性能、与不锈钢相容性好等特点，能够慢化堆芯能谱。因此，本发明利用铀氢化锆燃料的自发慢化特性，结合氢化锆固体慢化剂设计了一种具有长寿期和更高安全性的燃料自发慢化铅铋冷却反应堆堆芯。与铅铋快堆相比，本发明在满足堆芯功率需求和设计寿期以及停堆安全设计准则的基础上，能够更好地将堆芯内的中子慢化，提升了堆芯反应性，减小了铀装量和堆芯尺寸，降低了屏蔽需求，增强了堆芯的负反馈安全性。
实施例2
如图1至图3所示，本实施例与实施例1的区别在于，本实施例提供一种20MW铀氢化锆超热谱铅铋冷却反应堆堆芯核设计方案，具体实施如下：
如图1所示，图1为本发明一种采用自发慢化燃料的铅铋冷却反应堆堆芯的径向简图和控制棒分组图。全堆共装载了96盒六角形燃料组件10和31盒控制棒组件11，控制棒组件11分为5组，整个堆芯位于围桶包围的铅铋合金冷却剂中。堆芯活性区等效直径1317.1mm，围桶厚度20mm，围桶外径1600mm。图1中的控制棒组件11包括棒组1、棒组2、棒组3、棒组4和棒组5；最外围布局棒组1；中间布局棒组2、棒组3，且棒组2、棒组3间隔排布；最内布局棒组4和棒组5，且棒组4、棒组5间隔排布。
20MW铀氢化锆热谱铅铋冷却反应堆堆芯包括燃料组件10、控制棒组件11和围桶12，控制棒组件11间隔布置于燃料组件10中，整个堆芯位于围桶12包围的铅铋合金冷却剂13中。堆芯共装载96盒燃料组件10和31盒控制棒组件11，每盒燃料组件10包括55根铀氢化锆燃料棒和6根氢化锆慢化剂棒，每盒控制棒组件11中包括36根铀氢化锆燃料棒、19根B4C控制棒和6根氢化锆慢化剂棒，慢化剂棒分布在每个六角形组件的六个角上。燃料棒选用U-235富集度为30.6％的铀氢化锆作为燃料，燃料中氢元素与金属元素比为1.6。燃料芯块直径10.4mm，包壳厚度0.7mm。慢化剂棒选用ZrH1.6作为固体慢化剂。氢化锆芯体直径8mm，包壳厚度2mm。控制棒吸收体材料选用B4C，B-10富集度78.4％。B4C芯体直径10.4mm，包壳厚度0.7mm。控制棒分为5组间隔布置在堆芯中。堆芯活性区等效直径1317.1mm，围桶12厚度20mm，围桶12外径1600mm。
如图2所示，图2为本发明一种采用自发慢化燃料的铅铋冷却反应堆堆芯的轴向简图，20MW铀氢化锆热谱铅铋冷却反应堆堆芯活性区高度600mm，堆芯总高度900mm。
如图3所示，图3为本发明一种采用自发慢化燃料的铅铋冷却反应堆堆芯的有效增殖因子随燃耗变化示意图，20MW铀氢化锆热谱铅铋冷却反应堆初装载堆芯有效增值因数(Keff)＝1.206773，经过1500天满功率运行，Keff＝1.005986，达到1500EFPD的设计寿期要求。
卡一束控制棒冷停堆时堆芯Keff分别为0.981215(棒组1)、0.985157(棒组2)、0.983140(棒组3)、0.983045(棒组4)和0.982745(棒组5)，次临界深度大于1000pcm，满足卡一束控制棒冷停堆的临界安全要求。
根据功率需求和设计寿命，可在1MW～200MW、3～10年之间进行设计调节，以确定具体的堆芯结构和堆芯参数，最终达到满足功率需求和设计寿命以及停堆安全设计准则的要求。
本发明考虑到铀氢化锆燃料具有高温稳定性、高氢密度、低中子吸收截面、优良的导热性能、与不锈钢相容性好等特点，能够慢化堆芯能谱。本发明利用铀氢化锆燃料的自发慢化特性，结合氢化锆固体慢化剂设计了一种具有长寿期和更高安全性的燃料自发慢化铅铋冷却反应堆堆芯。与铅铋快堆相比，本发明在满足堆芯功率需求和设计寿期以及停堆安全设计准则的基础上，能够更好地将堆芯内的中子慢化，提升了堆芯反应性，减小了铀装量和堆芯尺寸，降低了屏蔽需求，增强了堆芯的负反馈安全性。
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)

1.一种采用自发慢化燃料的铅铋冷却反应堆堆芯，其特征在于，所述堆芯包括若干燃料组件(10)、若干控制棒组件(11)和围桶(12)，所述控制棒组件(11)间隔布置于所述燃料组件(10)中，所述堆芯布置于所述围桶(12)包围的冷却剂(13)中；
所述堆芯采用六角形燃料组件，所述燃料组件(10)内设置的多根燃料棒按等边三角形排列，所述燃料组件(10)六个角处设置有固体慢化棒(14)；
所述燃料棒内的芯体采用自发慢化燃料，所述固体慢化棒(14)内的芯体采用固体慢化剂材料。
2.根据权利要求1所述的一种采用自发慢化燃料的铅铋冷却反应堆堆芯，其特征在于，所述燃料棒内的芯体采用铀氢化锆燃料。
3.根据权利要求2所述的一种采用自发慢化燃料的铅铋冷却反应堆堆芯，其特征在于，所述固体慢化棒(14)内的芯体采用氢化锆材料。
4.根据权利要求3所述的一种采用自发慢化燃料的铅铋冷却反应堆堆芯，其特征在于，所述堆芯共装载有96盒燃料组件(10)和31盒控制棒组件(11)；
每盒燃料组件(10)包括55根铀氢化锆燃料棒和6根氢化锆固体慢化剂棒；
每盒控制棒组件(11)中包括36根铀氢化锆燃料棒、19根B4C控制棒和6根氢化锆慢化剂棒；
所述燃料棒内的芯体采用U-235富集度为30.6％的铀氢化锆作为燃料，燃料中氢元素与金属元素比为1.6。
5.根据权利要求1所述的一种采用自发慢化燃料的铅铋冷却反应堆堆芯，其特征在于，所述燃料组件(10)内各个燃料棒之间采用绕丝结构固定。
6.根据权利要求1所述的一种采用自发慢化燃料的铅铋冷却反应堆堆芯，其特征在于，所述控制棒组件(11)间隔布置于部分燃料组件(10)中。
7.根据权利要求1所述的一种采用自发慢化燃料的铅铋冷却反应堆堆芯，其特征在于，所述燃料组件(10)和控制棒组件(11)的形状均为六角形。
8.根据权利要求1所述的一种采用自发慢化燃料的铅铋冷却反应堆堆芯，其特征在于，所述堆芯内中子被慢化到较低能谱，所述较低能谱是比传统铅冷快堆能谱低的能谱。
9.根据权利要求8所述的一种采用自发慢化燃料的铅铋冷却反应堆堆芯，其特征在于，所述较低能谱包括热谱、超热谱和混合谱。
10.根据权利要求1所述的一种采用自发慢化燃料的铅铋冷却反应堆堆芯，其特征在于，所述冷却剂(13)采用铅铋合金。
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