CN116030995A - 一种液态重金属铅合金冷却剂微型反应堆堆芯 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种液态重金属铅合金冷却剂微型反应堆堆芯,该反应堆堆芯包括:堆芯活性区,其由多盒燃料组件组成;堆芯活性区的中心位置设置有安全棒停堆系统;活性区围桶,其套设在堆芯活性区的外侧;反射层,其套设在活性区围桶的外侧;反射层中设置有多个均匀分布的转鼓停堆系统;堆芯围桶,其套设在在反射层的外侧。本发明通过特殊的燃料组件和停堆系统结构设计,减小了堆芯活性区内的结构材料使用和反应性控制棒数量,使铅基反应堆的堆芯设计进一步紧凑,实现了堆芯尺寸的小型化和燃料装置的轻量化,同时仍具有好的安全性。
Description
技术领域
本发明涉及核工程学技术领域,具体涉及一种液态重金属铅合金冷却剂微型反应堆堆芯。
背景技术
液态重金属铅合金冷却剂反应堆是采用液态铅基材料(铅、铅合金)冷却的反应堆,被第四代核能系统国际论坛组织(GIF)推荐为6种主要先进第四代核能系统方案之一。
液态重金属铅合金冷却剂反应堆具有以下优点:(1)安全性好。反应堆可在常压下运行,避免了对压力容器的高承压要求;液态铅基材料化学稳定性好,避免了液态金属钠作为冷却剂时,存在的钠与水和空气剧烈反应带来的爆炸风险。(2)易小型化。铅基材料载热性能优异,可实现相对高功率密度和堆芯紧凑设计;铅基材料的γ屏蔽性能优异,可减少堆外γ辐射屏蔽系统体积。(3)经济性好。反应堆中子能谱硬,燃料增殖和嬗变能力较强;冷却剂出口温度较高,可实现高的热电转化效率。
因此,在微型反应堆设计时,常选择液态重金属铅合金作为反应堆冷却剂。但在进一步减小这种铅基反应堆堆芯尺寸和降低堆芯燃料装料量以提高经济性时,堆芯活性区内结构材料份额高、活性区内部通常需要布置多根反应性控制棒等因素成为设计制约。
发明内容
本发明的目的在于提供一种液态重金属铅合金冷却剂微型反应堆堆芯,该反应堆堆芯够解决现有技术中的不足,通过特殊的燃料组件和停堆系统结构设计,减小了堆芯活性区内的结构材料使用和反应性控制棒数量,使铅基反应堆的堆芯设计进一步紧凑,实现了堆芯尺寸的小型化和燃料装置的轻量化,同时仍具有好的安全性。
为实现上述目的,本发明采用了以下技术方案:
一种液态重金属铅合金冷却剂微型反应堆堆芯,该反应堆堆芯包括:
堆芯活性区,其由多盒燃料组件组成;所述堆芯活性区的中心位置设置有安全棒停堆系统;
活性区围桶,其套设在所述堆芯活性区的外侧;
反射层,其套设在所述活性区围桶的外侧;所述反射层中设置有多个均匀分布的转鼓停堆系统;
堆芯围桶,其套设在在所述反射层的外侧。
进一步的,所述燃料组件包括多根燃料元件、设置在多根燃料元件上端的上部操作头和设置在多根燃料元件下端的下部定位板;
所述燃料元件上缠绕有绕丝。
进一步的,所述安全棒停堆系统包括导向筒、设置在所述导向筒内的浮力提升部件与重力下落部件、安全棒驱动机构;
所述安全棒驱动机构包括驱动电机一、驱动电机二、与驱动电机一相连的固定机构一、与驱动电机二相连的固定机构二、与所述浮力提升部件相连的传动轴一以及与所述重力下落部件相连的传动轴二;所述固定机构一分别与所述传动轴一、所述传动轴二相连;所述固定机构二分别与所述传动轴一、所述传动轴二相连。
进一步的,所述转鼓停堆系统包括多个在所述反射层中均匀分布的转鼓鼓体以及用于驱动所述转鼓鼓体运动的鼓体驱动机构;
所述转鼓鼓体包括鼓壳、贯穿安装于所述鼓壳且与所述鼓体驱动机构相连的转动轴以及设置在所述鼓壳内部的中子慢化材料部、中子吸收材料部和氧化铍材料部;
所述中子慢化材料部和所述中子吸收材料部采用层叠结构,所述中子慢化材料部靠近所述鼓壳,所述中子吸收材料部靠近所述转动轴;
在所述鼓体驱动机构的驱动下,所述转动轴带动所述鼓壳及中子慢化材料材料部、中子吸收材料部和氧化铍材料部一同转动。
进一步的,所述安全棒停堆系统工作时,在所述驱动电机一和所述驱动电机二的驱动下,所述浮力提升部件在液态重金属铅合金冷却剂的浮力作用下向上运动,所述重力下落部件在重力作用下向下运动,当所述浮力提升部件或所述重力下落部件运动到设定区域后,实现反应堆安全停堆。
进一步的,所述固定机构一、固定机构二均设有一限位挡板;
所述限位挡板,用于控制所述浮力提升部件的向上位移量或所述重力下落部件的向下位移量。
进一步的,所述导向筒的下部设有开孔,反应堆内的液态重金属铅合金冷却剂通过所述开孔进入所述导向筒内部。
进一步的,所述浮力提升部件内部装填有密度低于液态重金属铅合金冷却剂的碳化硼材料;
所述重力下落部件内部装填有密度高于液态金属铅合金冷却剂的钨金属或铪金属材料。
进一步的,所述中子吸收材料部采用金属钆或碳化硼;
所述中子慢化材料部采用氢化锆或6Li同位素富集的氢化锂;
所述中子吸收材料部和所述中子慢化材料部均为以所述转鼓鼓体的中心为圆心的圆弧形,二者的扇区中心角范围为120°~150°。
进一步的,所述下部定位板采用与液态重金属铅合金冷却剂相同成分的固态铅合金,在反应堆堆芯装料完成后,通过液态重金属铅合金冷却剂的加热融化去除所述下部定位板。
和现有技术相比,本发明的优点为:
(1)在本发明所述的反应堆堆芯中,转鼓鼓体的中子吸收材料部和中子慢化材料部采用叠层结构设计。堆芯活性区的快中子经过中子慢化材料慢化后再被中子吸收材料吸收,由于中子吸收材料的热中子吸收截面远大于快中子吸收截面,因此叠层结构设计可提高转鼓的反应性控制价值,从而降低转鼓鼓体在直径方向的尺寸要求。采用氢化锆或者氢化锂作为中子慢化材料,具有中子慢化性能好,同时满足反应堆堆芯服役环境下材料的高温稳定性要求。
(2)在本发明所述的反应堆堆芯中,堆芯活性区内的燃料组件采用正三角形排列,燃料组件无外套管,减少了堆芯活性区内的结构材料;燃料组件下部没有在传统核反应堆燃料组件设计中用于固定燃料元件棒束的下管座,降低了燃料组件高度方向的尺寸;为了便于燃料组件在反应堆内的安装,燃料组件下部设计有下部定位板,可实现燃料元件棒束的下端位置固定;通常燃料元件下端采用倒角设计,利于燃料组件的堆内安装;下部定位板的材质成分与液态重金属铅合金冷却剂相同,为固态铅或铅合金材料,在反应堆堆芯装料完成后,通过液态重金属铅合金冷却剂的加热熔化可去除下部定位板,由于下部定位板的材质成分与液态重金属铅合金冷却剂相同,下部定位板熔化后不会给反应堆堆芯引入杂质元素。
(3)在本发明所述的反应堆堆芯中,安全棒停堆系统仅占用堆芯活性区中心1处位置,使堆芯结构更紧凑,燃料装料量更低,同时通过设计2组驱动电机、2组固定机构、2组传动轴和2根停堆棒(2根停堆棒即浮力提升部件和重力下落部件),确保了安全棒停堆系统在假定一个单一故障发生时仍能执行其停堆功能,确保了反应堆的安全性。
附图说明
图1是本发明中液态重金属铅合金冷却剂微型反应堆堆芯的结构示意图;
图2是本发明中转鼓鼓体的结构示意图;
图3是本发明中燃料组件的结构示意图;
图4是本发明中安全棒停堆系统的结构示意图。
其中:
1、燃料组件,1-1、上部操作头,1-2、燃料元件,1-3、下部定位板,1-4、绕丝,2、活性区围桶,3、反射层,4、堆芯围桶,5、停堆系统,5-1、转动轴,5-2、氧化铍材料部,5-3、中子吸收材料部,5-4、中子慢化材料部,5-5、鼓壳,5-6、导向筒,5-7、浮力提升部件,5-8、传动轴一,5-9、重力下落部件,5-10、传动轴二,5-11、固定机构二,5-12、固定机构一,5-13、驱动电机一,5-14、驱动电机二,5-15、停堆指令开关。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明:
如图1所示的一种液态重金属铅合金冷却剂微型反应堆堆芯,该反应堆堆芯适用于以铅、铅铋合金等液态重金属为冷却剂工质的反应堆。
在本实施例中,该液态重金属铅合金冷却剂微型反应堆堆芯包括堆芯活性区、活性区围桶、反射层、堆芯围桶和停堆系统。停堆系统包括1套转鼓停堆系统和1套安全棒停堆系统。采用本方案,可以在保障反应堆堆芯安全性的同时,减小反应堆的堆芯尺寸要求和降低堆芯核燃料装料量。
如图1所示,堆芯活性区由共计36盒燃料组件1按照正三角形分布结构组成。每盒燃料组件1包括19根燃料元件。堆芯活性区沿其径由内向外依次为铁素体马氏体钢材质的活性区围桶2、氧化铍反射层3和316不锈钢材质的堆芯围桶4。反应堆的停堆系统5包括1套转鼓停堆系统和1套安全棒停堆系统。转鼓停堆系统包括6个尺寸均匀一致的转鼓鼓体及用于驱动转鼓鼓体转动的鼓体驱动机构。6个转鼓鼓体以堆芯活性区的中心为中心,在活性区围桶和堆芯围桶之间的反射层中呈均匀的圆周分布,转鼓鼓体安装于反射层3中间区域。安全棒停堆系统位于堆芯活性区中心,占用1盒燃料组件的位置空间,由1个导向筒部件、浮力提升部件、重力下落部件及驱动机构组成。
如图2所示,转鼓停堆系统的转鼓鼓体为圆柱体,包括不锈钢材质的转动轴5-1、氧化铍材料部5-2、中子吸收材料部5-3、中子慢化材料部5-4、鼓壳5-5组成。中子吸收材料部5-3和中子慢化材料部5-4为扇形叠层结构,扇区中心角为120°。转动轴5-1采用316不锈钢材质。中子吸收材料部5-3采用碳化硼陶瓷,中子慢化材料部5-4采用6Li同位素丰度为90%的氢化锂。鼓壳5-5采用316不锈钢材质。
如图3所示,燃料组件没有外套管,由上部操作头1-1、呈正三角形排列的多个燃料元件1-2、下部定位板1-3组成。燃料元件1-2由一根无缝的不锈钢包壳管以及设置在包壳管中的UO2陶瓷芯块柱、轴向反射层材料、气室、弹簧、上下端塞组成。所有燃料元件1-2均固定连接于上部操作头1-1,燃料元件1-2与下部定位板1-3间紧密配合。上部操作头1-1采用316不锈钢材质。下部定位板1-3采用铋金属含量为55%其余为铅的固态铅铋合金材料,该材料同时也是反应堆的冷却剂材料,加热至130℃以上即熔化转为液态。燃料元件1-2的外壁面焊接有直径为2mm的绕丝1-4进行径向约束。相邻燃料元件1-2之间利用绕丝1-4进行相互隔开。
如图4所示,安全棒停堆系统的驱动机构包括停堆指令开关5-15、驱动电机一5-13、驱动电机二5-14、固定机构一5-12、固定机构二5-11、传动轴一5-8、传动轴二5-10组成。驱动电机一5-13与固定机构一5-12连接,固定机构一5-12与传动轴一5-8、传动轴二5-10连接。驱动电机二5-14与固定机构二5-11连接,固定机构二5-11与传动轴一5-8、传动轴二5-10连接。传动轴一5-8与浮力提升部件5-7连接。传动轴二5-10与重力下落部件5-9连接。传动轴一5-8、传动轴二5-10、浮力提升部件5-7、重力下落部件5-9均安装于导向筒5-6内部。导向筒5-6下部有开孔,反应堆内的液态重金属铅合金冷却剂通过下部的开孔进入导向筒5-6内部。浮力提升部件5-7内部装填密度低于液态重金属冷却剂的碳化硼中子吸收材料,重力下落部件5-9内部装填密度高于液态重金属冷却剂的钨金属中子吸收材料。固定机构一5-12与传动轴一5-8、传动轴二5-10之间,固定机构二5-11与传动轴一5-8、传动轴二5-10之间,分别设有一限位挡板。所述限位挡板,用于控制浮力提升部件5-7的向上位移量和重力下落部件5-9的向下位移量。
本发明的工作原理为:
反应堆工作时,液态重金属铅合金冷却剂在各燃料元件之间的间隙流动并穿过堆芯,燃料元件内部的UO2陶瓷芯块柱发生裂变反应,释放核裂变能,该核裂变能通过燃料元件的包壳管传递给流经堆芯的液态重金属铅合金冷却剂,由液态重金属铅合金冷却剂将热量导出堆芯。此时,液态重金属铅合金冷却剂还会通过导向筒下部的开孔进入导向筒内部。安全棒停堆系统工作时,停堆指令开关发出停堆指令,驱动电机一和驱动电机二同时分别动作,驱动电机一驱动固定机构一动作,驱动电机二驱动固定机构二动作。传动轴一由固定机构一和固定机构二夹紧,传动轴二由固定机构一和固定机构二夹紧。当驱动电机一驱动固定机构一动作时,固定机构一不再夹持传动轴一、传动轴二。当驱动电机二驱动固定机构二动作时,固定机构二不再夹持传动轴一、传动轴二。因此,当驱动电机一驱动固定机构一动作或者驱动电机二驱动固定机构二动作或者两者同时驱动时,传动轴一和传动轴二不再被夹紧,使浮力提升部件在液态重金属铅合金冷却剂的浮力作用下向上运动,使重力下落部件在重力作用下向下运动。浮力提升部件向上运动到一定区域后实现反应堆;重力下落部件向下运动到图4中2条虚线的中间区域后实现反应堆停堆。
综上所述,本发明通过特殊的燃料组件和停堆系统结构设计,减小了堆芯活性区内的结构材料使用和反应性控制棒数量,使铅基反应堆的堆芯设计进一步紧凑,实现了堆芯尺寸的小型化和燃料装置的轻量化,同时仍具有好的安全性。
以上所述实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述,并非对本发明的范围进行限定,在不脱离本发明设计精神的前提下,本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进,均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。
Claims (10)
1.一种液态重金属铅合金冷却剂微型反应堆堆芯,其特征在于,该反应堆堆芯包括:
堆芯活性区,其由多盒燃料组件(1)组成;所述堆芯活性区的中心位置设置有安全棒停堆系统;
活性区围桶(2),其套设在所述堆芯活性区的外侧;
反射层(3),其套设在所述活性区围桶(2)的外侧;所述反射层(3)中设置有多个均匀分布的转鼓停堆系统;
堆芯围桶(4),其套设在在所述反射层(3)的外侧。
2.根据权利要求1所述的反应堆堆芯,其特征在于,
所述燃料组件(1)包括多根燃料元件(1-2)、设置在多根燃料元件(1-2)上端的上部操作头(1-1)和设置在多根燃料元件(1-2)下端的下部定位板(1-3);
所述燃料元件(1-2)上缠绕有绕丝(1-4)。
3.根据权利要求1所述的反应堆堆芯,其特征在于,
所述安全棒停堆系统包括导向筒(5-6)、设置在所述导向筒(5-6)内的浮力提升部件(5-7)与重力下落部件(5-9)、安全棒驱动机构;
所述安全棒驱动机构包括驱动电机一(5-13)、驱动电机二(5-14)、与驱动电机一(5-13)相连的固定机构一(5-12)、与驱动电机二(5-14)相连的固定机构二(5-11)、与所述浮力提升部件(5-7)相连的传动轴一(5-8)以及与所述重力下落部件(5-9)相连的传动轴二(5-10);所述固定机构一(5-12)分别与所述传动轴一(5-8)、所述传动轴二(5-10)相连;所述固定机构二(5-11)分别与所述传动轴一(5-8)、所述传动轴二(5-10)相连。
4.根据权利要求1所述的反应堆堆芯,其特征在于,
所述转鼓停堆系统包括多个在所述反射层中均匀分布的转鼓鼓体以及用于驱动所述转鼓鼓体运动的鼓体驱动机构;
所述转鼓鼓体包括鼓壳(5-5)、贯穿安装于所述鼓壳(5-5)且与所述鼓体驱动机构相连的转动轴(5-1)以及设置在所述鼓壳(5-5)内部的中子慢化材料部(5-4)、中子吸收材料部(5-3)和氧化铍材料部(5-2);
所述中子慢化材料部(5-4)和所述中子吸收材料部(5-3)采用层叠结构,所述中子慢化材料部(5-4)靠近所述鼓壳(5-5),所述中子吸收材料部(5-3)靠近所述转动轴(5-1);
在所述鼓体驱动机构的驱动下,所述转动轴(5-1)带动所述鼓壳(5-5)及中子慢化材料材料部(5-4)、中子吸收材料部(5-3)和氧化铍材料部(5-2)一同转动。
5.根据权利要求3所述的反应堆堆芯,其特征在于,
所述安全棒停堆系统工作时,在所述驱动电机一(5-13)和所述驱动电机二(5-14)的驱动下,所述浮力提升部件(5-7)在液态重金属铅合金冷却剂的浮力作用下向上运动,所述重力下落部件(5-9)在重力作用下向下运动,当所述浮力提升部件(5-7)或所述重力下落部件(5-9)运动到设定区域后,实现反应堆安全停堆。
6.根据权利要求3所述的反应堆堆芯,其特征在于,
所述固定机构一、固定机构二均设有一限位挡板;
所述限位挡板,用于控制所述浮力提升部件(5-7)的向上位移量或所述重力下落部件(5-9)的向下位移量。
7.根据权利要求3所述的反应堆堆芯,其特征在于,
所述导向筒(5-6)的下部设有开孔,反应堆内的液态重金属铅合金冷却剂通过所述开孔进入所述导向筒(5-6)内部。
8.根据权利要求3所述的反应堆堆芯,其特征在于,
所述浮力提升部件(5-7)内部装填有密度低于液态重金属铅合金冷却剂的碳化硼材料;
所述重力下落部件(5-9)内部装填有密度高于液态金属铅合金冷却剂的钨金属或铪金属材料。
9.根据权利要求4所述的反应堆堆芯,其特征在于,
所述中子吸收材料部(5-3)采用金属钆或碳化硼;
所述中子慢化材料部(5-4)采用氢化锆或6Li同位素富集的氢化锂;
所述中子吸收材料部(5-3)和所述中子慢化材料部(5-4)均为以所述转鼓鼓体的中心为圆心的圆弧形,二者的扇区中心角范围为120°~150°。
10.根据权利要求1所述的反应堆堆芯,其特征在于,
所述下部定位板(1-3)采用与液态重金属铅合金冷却剂相同成分的固态铅合金,在反应堆堆芯装料完成后,通过液态重金属铅合金冷却剂的加热融化去除所述下部定位板(1-3)。
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