CN116110619A - 气冷微堆燃料组件及气冷微堆堆芯系统 - Google Patents

气冷微堆燃料组件及气冷微堆堆芯系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种气冷微堆燃料组件及气冷微堆堆芯系统，该燃料组件包括：燃料棒、慢化组件、冷却剂通道，若干根燃料棒分布在立方体格架内的栅格中，立方体格架的结构材料为石墨，慢化组件分布在立方体格架的栅格中，慢化组件用于减慢中子运动速度，慢化组件的材料为含有氢化钇的材料，冷却剂通道设置于立方体格架内的燃料棒之间的间隙中。本发明中的气冷微堆燃料组件内栅格排布使得每根燃料棒周围均匀密集排布多个冷却剂通道，同时适量减少燃料组件边缘处的冷却剂通道数目，这种排布方式可以增加燃料装载量，增强堆芯冷却。燃料组件内慢化组件的材料为含有氢化钇的材料，有利于增强燃料组件的中子慢化能力，从而实现降低堆芯系统的临界质量。

Description

气冷微堆燃料组件及气冷微堆堆芯系统
技术领域
本发明属于核反应堆工程技术领域，具体涉及一种气冷微堆燃料组件及气冷微堆堆芯系统。
背景技术
经济的迅速发展提高了能源的需求，但是传统的煤炭等化石燃料会带来严重的环境问题，这促使我国不断进行清洁能源的探索和开发，不断对现有的能源结构进行优化，降低化石燃料在能源中的比例。在各种类型的新能源中，核能有着清洁、高能量密度、几乎不排放温室气体、燃料运输压力低等优势。进入21世纪的近些年中，核能得到不断的发展，成为我国改善能源结构的重要选项，也不断在能源发展战略中得到进一步加强。
棱柱式气冷微堆具有和高温气冷堆一样优越的固有安全性，同属于第四代先进核能系统。该堆型采用的微封装燃料可以有效防止裂变产物的释放；采用的石墨堆芯热容大，温度瞬态缓慢，可以承受很高的温度，应急操作时间裕量大；冷却剂是单相惰性气体氦气，避免了与相变相关的反应性；堆芯功率密度小，且具有很强的温度负反馈，因此该堆型具有极好的固有安全性。
然而，棱柱式气冷微堆的慢化体主要是石墨，石墨虽然慢化温度比较高，但慢化能力较弱，堆芯临界质量大，堆芯尺寸无法有效减小，这不仅增大了堆本体的体积和重量，还为堆芯的辐射屏蔽带来巨大挑战。为满足辐射防护的要求，堆芯外往往需要布置很厚的屏蔽材料，而屏蔽材料大多是密度很大的钢等材料，从而进一步增大整个系统的体积和重量，最终导致难以达到可移动和便捷运输的要求。另一方面，由于该堆型的冷却剂进出口温度较高，使用的气态冷却剂也比传统轻水的冷却能力差，堆芯内的燃料、石墨等材料温度较高，堆芯正常运行时，它们的最高温度高达900℃以上。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有技术中存在的上述不足，提供一种气冷微堆燃料组件及气冷微堆堆芯系统，解决了高温气冷堆临界质量大、堆芯尺寸难以减小、可移动性难以实现的问题。
解决本发明技术问题所采用的技术方案是提供一种气冷微堆燃料组件，包括：燃料棒、慢化组件、冷却剂通道，若干根燃料棒分布在立方体格架内的栅格中，立方体格架的结构材料为石墨，慢化组件分布在立方体格架的栅格中，慢化组件用于减慢中子运动速度，慢化组件的材料为含有氢化钇的材料，冷却剂通道设置于立方体格架内的燃料棒之间的间隙中。
冷却剂为惰性气体。
优选的是，栅格为立方柱结构，每个栅格与相邻的栅格通过侧面重叠连接。
优选的是，所述的气冷微堆燃料组件，还包括可燃毒物棒，可燃毒物棒设置于立方体格架的最外一圈的相邻栅格之间的节点处。
优选的是，冷却剂通道设置于相邻栅格之间的节点处。
优选的是，慢化组件为设置于燃料棒外的包壳状的慢化组件。
优选的是，慢化组件的结构为块状，燃料棒包括：包壳、设置于包壳内的燃料芯块，块状的慢化组件设置于包壳内，块状的慢化组件设置于燃料芯块之间的空隙。
优选的是，慢化组件的结构为圆柱棒状，圆柱棒状的慢化组件与燃料棒间隔排列于立方体格架内的不同的栅格中。
优选的是，慢化组件的结构为颗粒状，燃料棒包括：包壳、设置于包壳内的燃料芯块，颗粒状的慢化组件弥散在燃料芯块内的基体材料中。
优选的是，含有氢化钇的材料包括：氢化钇，或钇单质和氢化钇。
优选的是，含有氢化钇的材料包括：钇单质和氢化钇时，含有氢化钇的材料中氢和钇的原子数目比为(0.8～1.4)：1。
优选的是，燃料组件内的燃料为铀燃料，燃料组件内含有氢化钇的材料中的氢化钇与铀燃料中的铀的摩尔比为(0.1～15)：1。
本发明还提供一种气冷微堆堆芯系统，包括：由内到外依次设置的活性区、反射层，活性区包括：上述的燃料组件、控制组件，其中，控制组件用于补偿燃料消耗和调节反应速率。
优选的是，反射层的材料为石墨和/或氧化铍(BeO)。
优选的是，活性区包括：活性区的轴向中心通道、活性区的轴向中心通道外包覆的燃料组件层，燃料组件层由燃料组件组成，控制组件设置于活性区的轴向中心通道和/或燃料组件层与反射层之间的空隙。
优选的是，燃料组件层包括设置于活性区的轴向中心通道外围的至少一圈燃料组件，每个燃料组件与相邻的燃料组件通过侧面重叠连接。
优选的是，控制组件包括：大环控制鼓、小环控制鼓，大环控制鼓、小环控制鼓均以转鼓的形式设置于燃料组件层与反射层之间的空隙，大环控制鼓、小环控制鼓的径向截面均为环形，大环控制鼓的外径大于小环控制鼓的外径，大环控制鼓与小环控制鼓间隔分布，大环控制鼓用于补偿温度变化、氙钐毒、燃耗引起的反应性变化、以及紧急热停堆，小环控制鼓用于使堆芯从热停堆状态进入稳定的冷停堆次临界状态。
优选的是，活性区还包括：设置于活性区的轴向中心通道内的内反射层。
优选的是，控制组件包括：控制鼓、控制棒，控制棒的结构为圆柱棒状，控制棒位于活性区的轴向中心通道内，控制鼓以转鼓的形式设置于燃料组件层与反射层之间的空隙。
本发明中的气冷微堆燃料组件，能够增强慢化能力，在保证棱柱式气冷微堆固有安全性的基础上，设计的石墨结构燃料组件有利于提高卧式堆芯的结构稳定性。燃料组件内栅格排布使得每根燃料棒周围均匀密集排布多个冷却剂通道，同时适量减少燃料组件边缘处的冷却剂通道数目，这种排布方式可以增加燃料装载量，增强堆芯冷却。燃料组件内慢化组件的材料为含有氢化钇的材料，有利于增强燃料组件的中子慢化能力。从而实现降低堆芯系统的临界质量，减小堆芯系统尺寸的目的，实现气冷微堆堆芯系统的可移动性。
附图说明
图1为实施例2中的含可燃毒物棒的燃料组件径向布置图；
图2为实施例2中的不含可燃毒物棒的燃料组件径向布置图；
图3为实施例2中的堆芯系统径向布置图；
图4为实施例2中的堆芯系统轴向布置图；
图5为实施例2中的堆芯系统燃耗特性曲线图；
图6为实施例2中的寿期初(0EFPD)和寿期末(3500EFPD)
堆芯总温度反应性系数图；
图7为实施例3中的慢化组件以芯块形式布置的燃料组件轴向布置图；
图8为实施例4中的含可燃毒物棒的燃料组件径向布置图；
图9为实施例4中的不含可燃毒物棒的燃料组件径向布置图；
图10为实施例4中的堆芯系统径向布置图；
图11为实施例4中的堆芯系统轴向布置图；
图12为实施例4中的堆芯系统燃耗特性曲线图。
图中：1-燃料棒；2-慢化组件；3-冷却剂通道；4-立方体格架；5-可燃毒物棒；6-燃料芯块；7-反射层；8-活性区的轴向中心通道；9-燃料组件；10-大环控制鼓；11-小环控制鼓；12-内反射层；13-前反射层；14-后反射层；15-侧反射层；16-包壳；18-控制鼓；19-控制棒；20-栅格。
具体实施方式
为使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述。
下面详细描述本专利的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本专利，而不能理解为对本专利的限制。
实施例1
本实施例提供一种气冷微堆燃料组件，包括：燃料棒、慢化组件、冷却剂通道，若干根燃料棒分布在立方体格架内的栅格中，立方体格架的结构材料为石墨，慢化组件分布在立方体格架的栅格中，慢化组件用于减慢中子运动速度，慢化组件的材料为含有氢化钇的材料，冷却剂通道设置于立方体格架内的燃料棒之间的间隙中。
冷却剂为惰性气体。
本实施例还提供一种气冷微堆堆芯系统，包括：由内到外依次设置的活性区、反射层，活性区包括：上述的燃料组件、控制组件，其中，控制组件用于补偿燃料消耗和调节反应速率。
本实施例中的气冷微堆燃料组件，能够增强慢化能力，在保证棱柱式气冷微堆固有安全性的基础上，设计的石墨结构燃料组件有利于提高卧式堆芯的结构稳定性。燃料组件内栅格排布使得每根燃料棒周围均匀密集排布多个冷却剂通道，同时适量减少燃料组件边缘处的冷却剂通道数目，这种排布方式可以增加燃料装载量，增强堆芯冷却。燃料组件内慢化组件的材料为含有氢化钇的材料，有利于增强燃料组件的中子慢化能力。从而实现降低堆芯系统的临界质量，减小堆芯系统尺寸的目的，实现气冷微堆堆芯系统的可移动性。
实施例2
如图1、2所示，本实施例提供一种气冷微堆燃料组件9，包括：燃料棒1、慢化组件2、冷却剂通道3，若干根燃料棒1分布在立方体格架4内的栅格20中，立方体格架4的结构材料为石墨，慢化组件2分布在立方体格架4的栅格20中，慢化组件2用于减慢中子运动速度，慢化组件2的材料为含有氢化钇的材料，冷却剂通道3设置于立方体格架4内的燃料棒1之间的间隙中。
冷却剂为惰性气体，优选的是，惰性气体为氦气。
具体的，本实施例中的立方体格架4的径向截面为正方形，栅格20的径向截面为正方形。燃料组件9为方形石墨结构，燃料棒1和冷却剂通道3按照方形栅格20结构排布，燃料棒1位于栅格20中心位置，冷却剂通道3位于栅格20交点处。
优选的是，栅格20为立方柱结构，每个栅格20与相邻的栅格20通过侧面重叠连接。
优选的是，所述的气冷微堆燃料组件9，还包括可燃毒物棒5，可燃毒物棒5设置于立方体格架4的最外一圈的相邻栅格20之间的节点处。部分燃料组件9的边缘位置布置有可燃毒物棒5。
优选的是，冷却剂通道3设置于相邻栅格20之间的节点处。
如图1、2所示，优选的是，慢化组件2为设置于燃料棒1外的包壳状的慢化组件2。
位于燃料组件9中心区域的每根燃料棒1周围均匀对称布置有4个冷却剂通道3，燃料组件9边缘位置的冷却剂通道3数目较少。
燃料芯块6包括：包覆燃料颗粒、基体，包覆燃料颗粒弥散在基体中，基体材料为石墨或碳化硅或陶瓷。燃料棒1中的燃料芯块6是数量众多的包覆燃料颗粒弥散在石墨或碳化硅或陶瓷基体中而形成的。
优选的是，燃料组件9内石墨和铀燃料中的摩尔比为(100～900)：1。石墨材料是燃料组件的结构材料。
具体的，本实施例中燃料组件9内石墨和铀燃料中的摩尔比为100：1。
优选的是，含有氢化钇的材料包括：氢化钇，或钇单质和氢化钇。
优选的是，含有氢化钇的材料包括：钇单质和氢化钇时，含有氢化钇的材料中氢和钇的原子数目比为(0.8～1.4)：1。即使燃料组件9的温度达到1000℃，其性质也仍然很稳定。
具体的，本实施例中含有氢化钇的材料包括：钇单质和氢化钇时，含有氢化钇的材料中氢和钇的原子数目比为1：1。
本实施例中的增强慢化能力的气冷微堆燃料组件9，燃料组件9为立方体的石墨结构，有利于提高卧式堆芯系统的结构稳定性。燃料组件9所采用的燃料类型是弥散颗粒燃料，可有效防止裂变产物释放，避免燃料受到侵蚀；所采用的冷却剂是单相惰性气体氦气，避免了与相变相关的反应性；而石墨既是中子慢化剂，又是堆芯结构材料，具有热容大、耐高温、热导率高、慢化比高、热中子吸收截面小等优点；较强的温度负反馈可以实现堆芯系统自动停堆；这些使得堆芯系统具备极好的固有安全性。
燃料组件9内燃料棒1和冷却剂通道3按照方形栅格20结构排布，有利于增加燃料装载量、增强堆芯冷却；燃料组件9内氢化钇结构的布置有利于增强燃料组件9的中子慢化能力；进而可以减小堆芯系统临界质量和堆芯尺寸。堆芯系统尺寸的减小将有利于减小控制棒长度、压力容器尺寸、屏蔽层尺寸等，从而减小整个系统的体积和质量，实现小型化和紧凑型布置，放置在常用的运输工具中，通过发达的运输系统，便捷地送达指定地点并可以长寿期不换料运行，具有极强的灵活性和广阔的市场前景。
优选的是，燃料组件9内的燃料为铀燃料，燃料组件9内含有氢化钇的材料中的氢化钇与铀燃料中的铀的摩尔比为(0.1～15)：1。
具体的，本实施例中燃料组件9内含有氢化钇的材料中的氢化钇与铀燃料中的铀的摩尔比为10：1。
本实施例还提供一种气冷微堆堆芯系统，包括：由内到外依次设置的活性区、反射层7，活性区包括：上述的燃料组件9、控制组件，其中，控制组件用于补偿燃料消耗和调节反应速率。
优选的是，反射层7的材料为石墨和/或氧化铍(BeO)。
优选的是，活性区包括：活性区的轴向中心通道8、活性区的轴向中心通道8外包覆的燃料组件层，燃料组件层由燃料组件9组成，控制组件设置于活性区的轴向中心通道8和/或燃料组件层与反射层7之间的空隙。
优选的是，燃料组件层包括设置于活性区的轴向中心通道8外围的至少一圈燃料组件9，每个燃料组件9与相邻的燃料组件9通过侧面重叠连接。
优选的是，控制组件包括：大环控制鼓10、小环控制鼓11，大环控制鼓10、小环控制鼓11均以转鼓的形式设置于燃料组件层与反射层7之间的空隙，大环控制鼓10、小环控制鼓11的径向截面均为环形，大环控制鼓10的外径大于小环控制鼓11的外径，大环控制鼓10与小环控制鼓11间隔分布，大环控制鼓10用于补偿温度变化、氙钐毒、燃耗引起的反应性变化、以及紧急热停堆，小环控制鼓11用于使堆芯系统从热停堆状态进入稳定的冷停堆次临界状态。
优选的是，活性区还包括：设置于活性区的轴向中心通道8内的内反射层12。
具体的，本实施例提出的一种增强慢化能力的气冷微堆燃料组件9，使用的燃料是包括富集度19.75％的UO2燃料核和四层包层结构的包覆燃料颗粒，燃料核直径650μm，燃料颗粒直径1030μm；燃料颗粒弥散在以SiC为基体的燃料芯块6中，燃料芯块6直径2.4cm，燃料芯块6高度2.7cm；10个燃料芯块6在轴向上叠加成为燃料棒1；每根燃料棒1外布置有厚度0.35cm的包壳状的慢化组件2，慢化组件2为(慢化组件2为含有氢化钇的材料，其中，氢和钇原子比为1)包壳，燃料棒1放置在石墨块的燃料棒通道中，与冷却剂通道3按照方形栅格20网格排布，形成径向截面为方形的燃料组件9。图1是布置有可燃毒物棒5的燃料组件9示意图，图2是不含可燃毒物棒5的燃料组件9径向布置图。燃料组件9的边长为16.7cm，长度32cm，包括16根燃料棒1和17个冷却剂通道3。含可燃毒物的燃料组件9，在燃料组件9边缘轴对称位置还布置有4根可燃毒物棒5。
反射层7包括前反射层13、后反射层14、侧反射层15，侧反射层15分别与前反射层13、后反射层14连接，侧反射层15设置于活性区的侧面，前反射层13设置于活性区的前面、后反射层14设置于活性区的后面。
图3和图4是堆芯系统的径向和轴向布置示意图，燃料组件9在径向分区布置、轴向分5层布置。堆芯系统径向上每层布置有36个燃料组件9，其中每层位置靠内的20个燃料组件9内布置有可燃毒物棒5，位置靠外且与侧反射层15接触的16个燃料组件9内没有可燃毒物。活性区的等效直径为115cm，轴向长度160cm；所有反射层7均为石墨材料；整个堆芯系统径向直径170cm，轴向长度220cm。
燃料组件层与侧反射层15之间的空隙布置有12组控制组件，控制组件为吸收体，吸收体是三分之一圆环的B4C，其余三分之二圆环为石墨材料。控制组件以转鼓的形式设置于燃料组件层与反射层7之间的空隙。根据尺寸大小，控制组件分为8组大环控制鼓10和4组小环控制鼓11，其中，大环控制鼓10吸收体外径13cm；小环控制鼓11吸收体外径12cm。大环控制鼓10用于补偿温度变化、氙钐毒、燃耗等引起的反应性变化、以及紧急热停堆等；小环控制鼓11可以进一步使堆芯从热停堆状态进入稳定的冷停堆次临界状态。
为分析堆芯系统的物理特性，本实施例利用通用的蒙卡程序建立温度1000K的堆芯系统模型。
堆芯系统燃耗特性如图5所示，5MW热功率下，堆芯系统寿期约3894EFPD，可以实现10年以上寿期目标。布置可燃毒物棒5的堆芯系统，当所有控制鼓朝外(即旋转控制鼓，使B4C吸收体材料尽可能远离堆芯活性区)时，整个寿期内最大keff仅为1.01887。在3.3～3500EFPD的寿期内，keff在1.00319到1.01487之间波动，变化振幅仅1.16％。
寿期初全堆燃料组件9的功率因子最大为1.39，最小为0.71。
堆芯系统停堆方面，(1)热停堆：在考虑卡棒和10％计算不确定时，8组大环控制鼓10可以实现堆芯系统600K热停堆，热停堆深度达到﹣2390pcm。(2)冷停堆：4组小环控制鼓11可以使堆芯系统从热停堆状态进入300K冷停堆状态，冷停堆深度达到﹣2374pcm。
堆芯系统温度负反馈自动停堆方面：图6是堆芯系统总温度系数在不同燃耗点下随温度的变化曲线图，且为寿期初(0EFPD)和寿期末(3500EFPD)堆芯总温度反应性系数图，当所有控制鼓朝外且不可用时，寿期(3894EFPD)内，堆芯系统最大keff为零燃耗点时的1.01887，即+1869pcm。当堆芯系统温度上升至1712K(约1439℃)时，堆芯系统可以自动停堆，距离限值1873K(约1600℃)之间还有161K的裕量。因此，该堆芯系统，即使在事故条件下，所有控制鼓不可用，没有任何应急措施，仅依靠温度负反馈也可以实现自动热停堆，从物理上避免了堆芯系统熔化和放射性物质大量释放的风险。
堆芯系统径向总直径1.7m，控制鼓系统占用空间小，可以放置在边长2.5m的常用集装箱内，便于堆芯系统运输，灵活使用，市场潜力大。
具体的，本实施例中以石墨作为堆芯系统结构材料和反射层7材料、氢化钇以包壳形式布置在燃料组件9中、富集度在20％以下的UO2作为燃料为例，本发明的效果如下：增强慢化能力的气冷微堆燃料组件9，可以使堆芯系统热功率5MW，寿期达到10年以上，堆芯系统径向总直径仅170cm，轴向总长度仅220cm。堆芯系统尺寸较小，可以布置在集装箱内，便于运输，具有较大的市场潜力。
本实施例提出的一种增强慢化能力的气冷微堆燃料组件9，通过合理的堆芯燃料设计、调节尺寸和燃料富集度等参数，可以实现不同功率不同寿期的设计；该气冷微堆燃料组件9具有优越的设计灵活性。
本实施例中的气冷微堆燃料组件9，能够增强慢化能力，在保证棱柱式气冷微堆固有安全性的基础上，设计的石墨结构燃料组件9有利于提高卧式堆芯的结构稳定性。燃料组件9内栅格20排布使得每根燃料棒1周围均匀密集排布多个冷却剂通道3，同时适量减少燃料组件9边缘处的冷却剂通道3数目，这种排布方式可以增加燃料装载量，增强堆芯系统冷却。燃料组件9内慢化组件2的材料为含有氢化钇的材料，有利于增强燃料组件9的中子慢化能力。从而实现降低堆芯系统的临界质量，减小堆芯系统尺寸的目的，方形石墨结构的燃料组件9有利于卧式气冷微堆的结构稳定，实现气冷微堆堆芯系统的可移动性，便于运输。本实施例中的气冷微堆燃料组件9解决了现有高温气冷堆面临的临界质量大、堆芯几何尺寸无法有效减小、难以实现可移动性的问题。
实施例3
如图7所示，本实施例提供一种气冷微堆燃料组件9，与实施例2中的燃料组件9的区别为：
慢化组件2的结构为块状，燃料棒1包括：包壳16、设置于包壳16内的燃料芯块6，块状的慢化组件2设置于包壳16内，块状的慢化组件2设置于燃料芯块6之间的空隙。块状的慢化组件2为圆柱棒状或者长方体。
燃料芯块6是数量众多的包覆燃料颗粒弥散在石墨或碳化硅或陶瓷基体中而形成的。
具体的，本实施例中慢化组件2以圆柱棒状芯块的形式替换部分燃料芯块6的位置，块状的慢化组件2与燃料芯块6交替叠放在燃料棒1通道中。
本实施例中的气冷微堆燃料组件，能够增强慢化能力，在保证棱柱式气冷微堆固有安全性的基础上，设计的石墨结构燃料组件有利于提高卧式堆芯的结构稳定性。燃料组件内栅格排布使得每根燃料棒周围均匀密集排布多个冷却剂通道，同时适量减少燃料组件边缘处的冷却剂通道数目，这种排布方式可以增加燃料装载量，增强堆芯冷却。燃料组件内慢化组件的材料为含有氢化钇的材料，有利于增强燃料组件的中子慢化能力。从而实现降低堆芯系统的临界质量，减小堆芯系统尺寸的目的，实现气冷微堆堆芯系统的可移动性。
实施例4
如图8、9所示，本实施例提供一种气冷微堆燃料组件9，与实施例2中的燃料组件9的区别为：
慢化组件2的结构为圆柱棒状，圆柱棒状的慢化组件2与燃料棒1间隔排列于立方体格架4内的不同的栅格20中。
块状的慢化组件2以圆柱棒或长方体柱的形式替换原来的部分燃料棒1的位置。
本实施例还提供一种气冷微堆堆芯系统，包括：由内到外依次设置的活性区、反射层7，活性区包括：上述的燃料组件9、控制组件，其中，控制组件用于补偿燃料消耗和调节反应速率。与实施例2中的气冷微堆堆芯系统的区别为：
控制组件包括：控制鼓18、控制棒19，控制棒19的结构为圆柱棒状，控制棒19位于活性区的轴向中心通道8内，控制鼓18以转鼓的形式设置于燃料组件层与反射层7之间的空隙。
本实施例提出的一种增强慢化能力的气冷微堆燃料组件9，使用的燃料是包括富集度40％的UO2燃料核和四层包层结构的包覆燃料颗粒，燃料核直径500μm，燃料颗粒直径920μm；燃料颗粒弥散在以SiC为基体的燃料芯块6中，燃料芯块6直径2.54cm，燃料芯块6高度3.2cm；9个燃料芯块6在轴向上叠加成为燃料棒1；燃料棒1放置在石墨块的燃料棒通道中，与冷却剂通道3按照方形栅格20网格排布，控制组件以圆柱棒形式布置在部分栅格20中心位置，形成径向截面为方形的燃料组件9。图8是布置有可燃毒物棒5的燃料组件9示意图，图9是不含可燃毒物棒5的燃料组件9径向布置图。燃料组件9的边长为18cm，长度33cm，包括13根燃料棒1、26个冷却剂通道3和12根圆柱棒状的控制组件；含可燃毒物的燃料组件9，在燃料组件9边缘轴对称位置布置有4根可燃毒物棒5。
图10是堆芯系统径向布置图，图11是堆芯系统轴向布置图，燃料组件9在径向分区布置、轴向分4层布置。堆芯系统径向上每层布置有20个燃料组件9，其中每层位置靠内的8个燃料组件9内布置有可燃毒物棒5。活性区的等效直径为93cm，轴向长度132cm；侧反射层15为BeO材料，前反射层13、后反射层14为石墨材料；整个堆芯系统径向直径125cm，轴向长度165cm。
第一套控制组件是布置在燃料组件层与侧反射层15之间的空隙的6组控制鼓18，控制组件为吸收体，吸收体是三分之一圆环的B4C，其余三分之二圆环为BeO材料，吸收体外半径7.5cm，用于补偿温度变化、氙钐毒、燃耗等引起的反应性变化、以及热停堆、冷停堆、紧急停堆等。第二套控制组件是位于堆芯中心的1组控制棒19，吸收体B4C外半径是4.3cm，作为备用手段，当第一套控制组件不能实现停堆时，可以实现热停堆。
为分析堆芯系统物理特性，本实施例利用通用的蒙卡程序建立温度1000K的堆芯模型。
堆芯系统燃耗特性如图12所示，5MW热功率下，堆芯系统寿期约1038EFPD，考虑90％功率因子，可以实现3年以上的寿期目标。布置可燃毒物棒5的堆芯，当所有控制鼓18朝外、控制棒19提出时，整个寿期内最大keff＝1.01832，在3.3～1000EFPD的寿期内，keff在1.00171到1.01236之间波动，变化振幅仅1.06％。
寿期初全堆燃料组件9的功率因子最大为1.30，最小为0.74。
堆芯系统停堆方面：(1)第一套控制组件可以实现堆芯系统冷停堆。考虑卡棒、计算不确定度10％时，300K冷停堆深度可达到﹣3100pcm。(2)第二套控制组件作为备用手段，可以实现堆芯系统热停堆，600K热停堆深度可达到﹣3069pcm。
堆芯系统温度负反馈自动停堆方面：所有控制鼓18朝外、控制棒19提出且不可用时，氙平衡后，堆芯系统最大keff出现在3.3EFPD。堆芯系统在1000～1600K之间时，总温度反应性系数为﹣1.8pcm/K，堆芯系统keff为1.1236，即+1228pcm，堆芯系统温度上升至1682K(即1409℃)可以实现自动热停堆，距离温度限值1873K(约1600℃)还有191℃裕量。因此，该堆芯系统，即使在事故条件下，所有控制鼓18朝外、控制棒19提出，没有任何应急措施，仅依靠温度负反馈也可以实现自动热停堆，从物理上避免了堆芯系统熔化和放射性物质大量释放的风险。
堆芯系统径向总直径1.25m，总长度165cm，尺寸较小，使得控制鼓18和控制棒19及其辅助系统占用空间也会减小，可以放置在边长2.5m的常用集装箱内，便于堆芯系统运输，灵活使用，市场潜力大。
本实施例以石墨作为堆芯结构材料，BeO作为反射层7材料、氢化钇以棒状形式替代燃料组件9中部分燃料棒1位置、40％富集度的UO2作为燃料为例，本发明的效果如下：增强慢化能力的气冷微堆燃料组件9，可以使堆芯热功率5MW，寿期达到3年以上，堆芯径向总直径仅125cm，轴向总长度仅165cm。堆芯系统尺寸较小，可以布置在集装箱内，便于运输，具有较大的市场潜力。
本实施例提出的一种增强慢化能力的气冷微堆燃料组件9，通过合理的堆芯燃料设计、调节尺寸和燃料富集度等参数，可以实现不同功率不同寿期的设计；该气冷微堆燃料组件9具有优越的设计灵活性。
本实施例中的气冷微堆燃料组件9，能够增强慢化能力，在保证棱柱式气冷微堆固有安全性的基础上，设计的石墨结构燃料组件9有利于提高卧式堆芯的结构稳定性。燃料组件9内栅格20排布使得每根燃料棒1周围均匀密集排布多个冷却剂通道3，同时适量减少燃料组件9边缘处的冷却剂通道3数目，这种排布方式可以增加燃料装载量，增强堆芯系统冷却。燃料组件9内慢化组件2的材料为含有氢化钇的材料，有利于增强燃料组件9的中子慢化能力。从而实现降低堆芯系统的临界质量，减小堆芯系统尺寸的目的，方形石墨结构的燃料组件9有利于卧式气冷微堆的结构稳定，实现气冷微堆堆芯系统的可移动性，便于运输。本实施例中的气冷微堆燃料组件9解决了现有高温气冷堆面临的临界质量大、堆芯几何尺寸无法有效减小、难以实现可移动性的问题。
实施例5
本实施例提供一种气冷微堆燃料组件，与实施例2中的燃料组件的区别为：
慢化组件的结构为颗粒状，燃料棒包括：包壳、设置于包壳内的燃料芯块，颗粒状的慢化组件弥散在燃料芯块内的基体材料中。
本实施例中的气冷微堆燃料组件，能够增强慢化能力，在保证棱柱式气冷微堆固有安全性的基础上，设计的石墨结构燃料组件有利于提高卧式堆芯的结构稳定性。燃料组件内栅格排布使得每根燃料棒周围均匀密集排布多个冷却剂通道，同时适量减少燃料组件边缘处的冷却剂通道数目，这种排布方式可以增加燃料装载量，增强堆芯冷却。燃料组件内慢化组件的材料为含有氢化钇的材料，有利于增强燃料组件的中子慢化能力。从而实现降低堆芯系统的临界质量，减小堆芯系统尺寸的目的，实现气冷微堆堆芯系统的可移动性。
实施例6
本实施例提供一种气冷微堆燃料组件，与实施例2中的燃料组件的区别为：
本实施例中燃料组件9内石墨和铀燃料中的摩尔比为500：1。
本实施例中含有氢化钇的材料包括：钇单质和氢化钇时，含有氢化钇的材料中氢和钇的原子数目比为0.8：1。
本实施例中燃料组件9内含有氢化钇的材料中的氢化钇与铀燃料中的铀的摩尔比为0.1：1。
本实施例中的气冷微堆燃料组件，能够增强慢化能力，在保证棱柱式气冷微堆固有安全性的基础上，设计的石墨结构燃料组件有利于提高卧式堆芯的结构稳定性。燃料组件内栅格排布使得每根燃料棒周围均匀密集排布多个冷却剂通道，同时适量减少燃料组件边缘处的冷却剂通道数目，这种排布方式可以增加燃料装载量，增强堆芯冷却。燃料组件内慢化组件的材料为含有氢化钇的材料，有利于增强燃料组件的中子慢化能力。从而实现降低堆芯系统的临界质量，减小堆芯系统尺寸的目的，实现气冷微堆堆芯系统的可移动性。
实施例7
本实施例提供一种气冷微堆燃料组件，与实施例2中的燃料组件的区别为：
本实施例中燃料组件9内石墨和铀燃料中的摩尔比为900：1。
本实施例中含有氢化钇的材料包括：钇单质和氢化钇时，含有氢化钇的材料中氢和钇的原子数目比为1.4：1。
本实施例中燃料组件9内含有氢化钇的材料中的氢化钇与铀燃料中的铀的摩尔比为15：1。
本实施例中的气冷微堆燃料组件，能够增强慢化能力，在保证棱柱式气冷微堆固有安全性的基础上，设计的石墨结构燃料组件有利于提高卧式堆芯的结构稳定性。燃料组件内栅格排布使得每根燃料棒周围均匀密集排布多个冷却剂通道，同时适量减少燃料组件边缘处的冷却剂通道数目，这种排布方式可以增加燃料装载量，增强堆芯冷却。燃料组件内慢化组件的材料为含有氢化钇的材料，有利于增强燃料组件的中子慢化能力。从而实现降低堆芯系统的临界质量，减小堆芯系统尺寸的目的，实现气冷微堆堆芯系统的可移动性。
实施例8
本实施例提供一种气冷微堆燃料组件，与实施例2中的燃料组件的区别为：
本实施例中的含有氢化钇的材料为氢化钇。
本实施例中的气冷微堆燃料组件，能够增强慢化能力，在保证棱柱式气冷微堆固有安全性的基础上，设计的石墨结构燃料组件有利于提高卧式堆芯的结构稳定性。燃料组件内栅格排布使得每根燃料棒周围均匀密集排布多个冷却剂通道，同时适量减少燃料组件边缘处的冷却剂通道数目，这种排布方式可以增加燃料装载量，增强堆芯冷却。燃料组件内慢化组件的材料为含有氢化钇的材料，有利于增强燃料组件的中子慢化能力。从而实现降低堆芯系统的临界质量，减小堆芯系统尺寸的目的，实现气冷微堆堆芯系统的可移动性。
可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。

Claims (18)

1.一种气冷微堆燃料组件，其特征在于，包括：燃料棒、慢化组件、冷却剂通道，若干根燃料棒分布在立方体格架内的栅格中，立方体格架的结构材料为石墨，慢化组件分布在立方体格架的栅格中，慢化组件用于减慢中子运动速度，慢化组件的材料为含有氢化钇的材料，冷却剂通道设置于立方体格架内的燃料棒之间的间隙中。
2.根据权利要求1所述的气冷微堆燃料组件，其特征在于，栅格为立方柱结构，每个栅格与相邻的栅格通过侧面重叠连接。
3.根据权利要求2所述的气冷微堆燃料组件，其特征在于，还包括可燃毒物棒，可燃毒物棒设置于立方体格架的最外一圈的相邻栅格之间的节点处。
4.根据权利要求2所述的气冷微堆燃料组件，其特征在于，冷却剂通道设置于相邻栅格之间的节点处。
5.根据权利要求1～4任意一项所述的气冷微堆燃料组件，其特征在于，慢化组件为设置于燃料棒外的包壳状的慢化组件。
6.根据权利要求1～4任意一项所述的气冷微堆燃料组件，其特征在于，慢化组件的结构为块状，燃料棒包括：包壳、设置于包壳内的燃料芯块，块状的慢化组件设置于包壳内，块状的慢化组件设置于燃料芯块之间的空隙。
7.根据权利要求1～4任意一项所述的气冷微堆燃料组件，其特征在于，慢化组件的结构为圆柱棒状，圆柱棒状的慢化组件与燃料棒间隔排列于立方体格架内的不同的栅格中。
8.根据权利要求1～4任意一项所述的气冷微堆燃料组件，其特征在于，慢化组件的结构为颗粒状，燃料棒包括：包壳、设置于包壳内的燃料芯块，颗粒状的慢化组件弥散在燃料芯块内的基体材料中。
9.根据权利要求1所述的气冷微堆燃料组件，其特征在于，含有氢化钇的材料包括：氢化钇，或钇单质和氢化钇。
10.根据权利要求9所述的气冷微堆燃料组件，其特征在于，含有氢化钇的材料包括：钇单质和氢化钇时，含有氢化钇的材料中氢和钇的原子数目比为(0.8～1.4)：1。
11.根据权利要求1所述的气冷微堆燃料组件，其特征在于，燃料组件内的燃料为铀燃料，燃料组件内含有氢化钇的材料中的氢化钇与铀燃料中的铀的摩尔比为(0.1～15)：1。
12.一种气冷微堆堆芯系统，其特征在于，包括：由内到外依次设置的活性区、反射层，活性区包括：权利要求1～11任意一项所述的燃料组件、控制组件，其中，控制组件用于补偿燃料消耗和调节反应速率。
13.根据权利要求12所述的气冷微堆堆芯系统，其特征在于，反射层的材料为石墨和/或氧化铍。
14.根据权利要求12或13所述的气冷微堆堆芯系统，其特征在于，活性区包括：活性区的轴向中心通道、活性区的轴向中心通道外包覆的燃料组件层，燃料组件层由燃料组件组成，控制组件设置于活性区的轴向中心通道和/或燃料组件层与反射层之间的空隙。
15.根据权利要求14所述的气冷微堆堆芯系统，其特征在于，燃料组件层包括设置于活性区的轴向中心通道外围的至少一圈燃料组件，每个燃料组件与相邻的燃料组件通过侧面重叠连接。
16.根据权利要求14所述的气冷微堆堆芯系统，其特征在于，燃料组件为权利要求6中的燃料组件，控制组件包括：大环控制鼓、小环控制鼓，大环控制鼓、小环控制鼓均以转鼓的形式设置于燃料组件层与反射层之间的空隙，大环控制鼓、小环控制鼓的径向截面均为环形，大环控制鼓的外径大于小环控制鼓的外径，大环控制鼓与小环控制鼓间隔分布，大环控制鼓用于补偿温度变化、氙钐毒、燃耗引起的反应性变化、以及紧急热停堆，小环控制鼓用于使堆芯从热停堆状态进入稳定的冷停堆次临界状态。
17.根据权利要求16所述的气冷微堆堆芯系统，其特征在于，活性区还包括：设置于活性区的轴向中心通道内的内反射层。
18.根据权利要求14所述的气冷微堆堆芯系统，其特征在于，燃料组件为权利要求8中的燃料组件，控制组件包括：控制鼓、控制棒，控制棒的结构为圆柱棒状，控制棒位于活性区的轴向中心通道内，控制鼓以转鼓的形式设置于燃料组件层与反射层之间的空隙。
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