CN116434982A - 一种微型铅基反应堆燃料组件 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种微型铅基反应堆燃料组件。该燃料组件包括：燃料棒，包括包壳以及依次设置在包壳内的滤芯部件、压紧弹簧、第一反射层、燃料柱和第二反射层；操作头，设置在燃料棒具有第一反射层上端塞的一端，用于燃料棒的顶端定位以及将燃料棒内的裂变气体汇集导出；冷却剂入口，设置在燃料棒具有第二反射层的一端，用于向燃料组件中通入冷却剂并对冷却剂的流量进行调节。该燃料组件能够解决现有技术中的不足，通过合理的结构设计和材料选择，在满足反应堆安全性要求的同时，能够实现堆芯体积的小型化和重量轻量化。
Description
技术领域
本发明属于核工程技术领域，具体涉及一种微型铅基反应堆用燃料组件，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。
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)推荐为六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：一、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。二、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。三、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。但在液态铅合金冷却的快中子反应堆中，为了避免燃料棒内部压力过高造成燃料棒破损，传统的燃料棒内部需要设计长的裂变气体贮存室，包括专用气室和或内部弹簧空间，用来存储核燃料在发生核裂变反应释放核裂变能过程中，反应生成和释放出来的以氪、氙为代表性成分的裂变气体。这种长的裂变气体贮存室要求，带来了燃料棒高度方向尺寸的增加，进一步造成堆芯高度增加，不利于反应堆尺寸的小型化。
发明内容
本发明的目的在于提供一种微型铅基反应堆用燃料组件，该燃料组件能够解决现有技术中的不足，其通过合理的结构设计和材料选择，在满足反应堆安全性要求的同时，能够实现堆芯体积的小型化和重量轻量化。
为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：
一种微型铅基反应堆燃料组件，该燃料组件包括：
燃料棒，包括包壳以及依次设置在所述包壳内的滤芯部件、第一反射层、燃料柱和第二反射层；
操作头，设置在燃料棒具有第一反射层的一端，用于燃料棒的顶端定位以及将燃料棒内的裂变气体汇集导出；
冷却剂入口，设置在燃料棒具有第二反射层的一端，用于向燃料组件中通入冷却剂并对冷却剂的流量进行调节。
进一步的，所述操作头包括操作头壳体、设置在所述操作头壳体内的支架以及设置在所述操作头壳体内的气体出口接头；
所述支架上设置有与所述气体出口接头相连通的气路管道；
相邻燃料组件的气体出口接头之间通过管路连接，用于裂变气体在微型铅基反应堆燃料组件之间的连通汇集。
进一步的，所述冷却剂入口包括依次设置的管座壳体和冷却剂流量调节部件；
所述管座壳体具有定位格架，所述定位格架，用于燃料棒具有第二反射层的一端的固定；
所述冷却剂流量调节部件包括调节壳体和开设在所述调节壳体上的多个冷却剂流量调节孔；
所述调节壳体的一端与所述管座壳体相连，另一端设置有支腿。
进一步的，所述第一反射层与所述滤芯部件之间设置有压紧弹簧。
进一步的，所述包壳的一端设置有第一端塞，另一端设置有第二端塞；
所述第一端塞上设置有微孔；
所述微孔与所述气路管道相连通。
进一步的，所述第一端塞从所述支架穿过后连接有螺帽。
进一步的，所述操作头壳体上设置有抓取部件。
进一步的，所述滤芯部件采用具有微孔结构的氧化铈或碳化硅陶瓷。
进一步的，所述燃料柱采用二氧化铀陶瓷或氮化铀陶瓷；
所述二氧化铀陶瓷或氮化铀陶瓷中铀-235的同位素丰度为19.75％。
进一步的，上述燃料组件堆内服役时，燃料柱发生核裂变反应释放出的裂变气体经滤芯部件过滤后，经第一端塞上的微孔进入到操作头内部的气路管道，在气体管道中汇集，再经气体出口接头释放至燃料组件外部。
和现有技术相比，本发明的优点为：
(1)本发明中的燃料棒内部无需设计贮气腔，极大降低了燃料棒的高度尺寸，进而极大降低微型铅基反应堆堆芯高度尺寸。
(2)现有的反应堆设计中，燃料棒均为全封闭结构，采用不完全密闭的燃料元件存在放射性物质外泄至堆容器的风险。但是铅基堆堆芯的特点是，燃料棒棒数少、排布紧凑，有利于气路管路的汇集设计，可极大降低放射性物质外泄风险，且液态铅合金冷却剂化学性质稳定、可常压运行，即使放射性物质外泄至堆容器，造成的事故危害也可接受，因此，在铅基堆设计中，采用不完全密闭的燃料元件设计成为现实可能。本发明通过特殊的燃料棒和燃料组件结构设计，燃料棒采用不完全密封的设计，通过在燃料棒内设置滤芯部件、第一端塞上设置微孔、在操作头支架内设置气路管道，能够将裂变产物气体过滤后汇集并导向燃料棒外部，使裂变气体从燃料棒内部导出并通过操作头汇集，最后导出至燃料组件外部，还可进一步导出至铅基反应堆堆容器外部进行密封储存。由于裂变气体从燃料棒内部被导出，使燃料棒内部气体压力降低，从而支持燃料棒在反应堆内服役至更高燃耗。又由于燃料棒内部气体压力低，从而降低了对包壳的结构强度要求，进而可增加包壳在反应堆内的腐蚀允量，极大延长燃料棒的服役寿命。
(3)本发明燃料棒中的滤芯部件采用微孔结构，避免了燃料棒活性段的粉尘颗粒进入裂变气体导出管路造成的气路堵塞，而且具有微孔结构的氧化铈或碳化硅陶瓷具有好的耐高温性能，可服役在高温环境。
(4)本发明中的微型铅基堆堆芯燃料棒棒数少、排布紧凑，有利于气路管路的汇集设计，此外，液态铅合金冷却剂化学性质稳定、可常压运行等特点，降低了气路系统泄漏事故的安全影响。
附图说明
图1是本发明中微型铅基反应堆燃料组件的结构示意图；
图2是本发明中操作头的结构示意图；
图3是本发明中燃料棒的结构示意图；
图4是本发明中冷却剂入口的俯视图。
其中：
1、操作头，1-1、操作头壳体，1-2、抓取部件，1-3、支架，1-4、气体出口接头，1-5、气路管道；2、燃料棒，2-1、第二端塞，2-2、第二反射层，2-3、燃料柱，2-4、第一反射层，2-5、压紧弹簧，2-6、滤芯部件，2-7、第一端塞，2-8、包壳，2-9、螺帽；3、冷却剂入口，3-1、管座壳体，3-2、定位格架，3-3、冷却剂流量调节部件，3-4、支腿。
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所示的一种微型铅基反应堆燃料组件，包括位于上部的操作头1，位于中部的共计19根按照正三角形分布的燃料棒2以及位于下部的冷却剂入口3。其中，燃料棒2的第一端塞2-7与操作头1的支架1-3连接，燃料棒2的第二端塞2-1与冷却剂入口3的定位格架3-2连接。
如图2所示，操作头1包括六角形的操作头壳体1-1，与操作头壳体1-1上部相连接的抓取部件1-2，与操作头壳体1-1下部内壁面相连接的支架1-3，以及与支架1-3顶面相连接的气体出口接头1-4。其中，抓取部件1-2、支架1-3均与操作头壳体1-1固定连接。支架1-3的形状为星形或*形。抓取部件1-2的作用是为装卸料机抓取燃料组件提供吊装部位。支架1-3的作用是为了固定燃料棒2，同时支架1-3内部具有若干条相互连通的气路管道1-5，气路管道1-5与气体出口接头1-4相连通。支架1-3内部的气路管道1-5连通全部19根燃料棒2的第一端塞2-7的内部微孔。支架1-3同时具有燃料棒2的顶端固定和裂变气体汇集导出功能。相邻燃料组件的气体出口接头1-4之间通过管路连接，实现裂变气体在微型铅基反应堆燃料组件之间的连通汇集，最终裂变气体通过管路导出至反应堆容器外部。
如图3所示，燃料棒2包括第二端塞2-1、第二反射层2-2、燃料柱2-3、第一反射层2-4、压紧弹簧2-5、滤芯部件2-6、第一端塞2-7、包壳2-8、螺帽2-9。燃料组件中的燃料棒2的数量为多根，多根燃料棒2呈正三角形分布排列。第二反射层2-2、燃料柱2-3、第一反射层2-4、压紧弹簧2-5、滤芯部件2-6、第一端塞2-7依次设置在包壳2-8内。第一端塞2-7和第二端塞2-8分别设置在包壳2-8的两端。第一端塞2-7与支架1-3固定连接，第二端塞2-8与冷却剂入口3的定位格架3-2固定连接。燃料棒2与操作头1组装时，将螺帽2-9从第一端塞2-7上取出，使第一端塞2-7穿过操作头1的支架1-3，且第一端塞2-7内部的微孔与支架1-3内部的气路管道1-5连通，将第一端塞2-7与支架1-3底面的接触面采用焊接进行密封，再将螺帽2-9安装在第一端塞2-7顶部的螺纹结构上，使螺帽2-9底端面与支架1-3顶面接触，并将接触面采用焊接进行密封。
具体地说，燃料柱2-3为铀-235同位素丰度为19.75％的二氧化铀陶瓷。压紧弹簧2-5的作用在于防止燃料组件在运输和安装过程中，燃料柱2-3发生轴向窜动。螺帽2-9为顶部密封、底部开有内螺纹孔的圆柱结构。第一端塞2-7内部有直径0.5mm的微孔，微孔与气体管道相连通，用于将燃料棒中的裂变气体排出。第一端塞2-7顶部有外螺纹结构，与螺帽2-9内螺纹结构相配合。滤芯部件2-6采用耐高温的氧化铈微孔陶瓷，主要作用是在不阻碍裂变气体穿过的同时，过滤燃料棒2内部的粉尘颗粒，防止粉尘颗粒进入和堵塞第一端塞2-7内部的微孔。燃料棒2内部无裂变气体贮存室；燃料组件在微型铅基反应堆内服役时，燃料柱2-3发生核裂变反应释放出的裂变气体经滤芯部件2-6、第一端塞2-7内部的微孔进入支架1-3内部的气路管道1-5汇集，最后经气体出口接头1-4释放至燃料组件外部。
如图4所示，冷却剂入口3由六角形的管座壳体3-1、定位格架3-2、冷却剂流量调节部件3-3和支腿3-4组成。定位格架3-2与管座壳体3-1内壁面相连接，冷却剂流量调节部件3-3上部与管座壳体3-1下部相连接，支腿3-4上部与冷却剂流量调节部件3-3下部固定连接。
定位格架3-2对燃料棒2进行水平方向固定。燃料棒2与冷却剂入口3组装时，冷却剂入口3的定位格架3-2与燃料棒2的第二端塞2-1卡槽配合，实现定位格架3-2对燃料棒2的水平固定，同时应确保定位格架3-2与第二端塞2-1的卡槽配合在垂直方向仍预留一定活动空间，满足燃料棒在反应堆内服役时由于高温膨胀和辐照生长的空间需要。冷却剂流量调节部件3-3上开有均匀分布的6个延长作为孔冷却剂流量调节孔，用于调节微型铅基反应堆运行期间进入燃料组件的冷却剂流量。支腿部件3-4为燃料组件提供导向和定位支撑。
本实施例的燃料组件堆内服役时，燃料柱2-3发生核裂变反应释放出的裂变气体经滤芯部件2-6过滤后，依次进入第一端塞2-7上的微孔和燃料组件操作头1内部的气路管道1-5，最后进入到气体出口接头1-4连通。操作头1的气体出口接头1-4为卡套公头结构，每个燃料组件的操作头1上的气体出口接头1-4的数量为2个。燃料组件在微型铅基反应堆内装载时，相邻燃料组件的气体出口接头1-4通过卡套母头和管道进一步连接，实现燃料组件和燃料组件之间释放的裂变气体进一步连通汇集，最终汇集的全堆芯裂变气体通过气体管路穿过反应堆容器顶盖，进入堆容器外部的密封储存容器中被冷却和低温储存。
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)
1.一种微型铅基反应堆燃料组件，其特征在于，该燃料组件包括：
燃料棒，包括包壳以及依次设置在所述包壳内的滤芯部件、第一反射层、燃料柱和第二反射层；
操作头，设置在燃料棒具有第一反射层的一端，用于燃料棒的顶端定位以及将燃料棒内的裂变气体汇集导出；
冷却剂入口，设置在燃料棒具有第二反射层的一端，用于向燃料组件中通入冷却剂并对冷却剂的流量进行调节。
2.根据权利要求1所述的燃料组件，其特征在于，
所述操作头包括操作头壳体、设置在所述操作头壳体内的支架以及设置在所述操作头壳体内的气体出口接头；
所述支架上设置有与所述气体出口接头相连通的气路管道；
相邻燃料组件的气体出口接头之间通过管路连接，用于裂变气体在微型铅基反应堆燃料组件之间的连通汇集。
3.根据权利要求1所述的燃料组件，其特征在于，
所述冷却剂入口包括依次设置的管座壳体和冷却剂流量调节部件；
所述管座壳体具有定位格架，所述定位格架，用于燃料棒具有第二反射层的一端的固定；
所述冷却剂流量调节部件包括调节壳体和开设在所述调节壳体上的多个冷却剂流量调节孔；
所述调节壳体的一端与所述管座壳体相连，另一端设置有支腿。
4.根据权利要求1所述的燃料组件，其特征在于，
所述第一反射层与所述滤芯部件之间设置有压紧弹簧。
5.根据权利要求2所述的燃料组件，其特征在于，
所述包壳的一端设置有第一端塞，另一端设置有第二端塞；
所述第一端塞上设置有微孔；
所述微孔与所述气路管道相连通。
6.根据权利要求5所述的燃料组件，其特征在于，
所述第一端塞从所述支架穿过后连接有螺帽。
7.根据权利要求2所述的燃料组件，其特征在于，
所述操作头壳体上设置有抓取部件。
8.根据权利要求1所述的燃料组件，其特征在于，
所述滤芯部件采用具有微孔结构的氧化铈或碳化硅陶瓷。
9.根据权利要求1所述的燃料组件，其特征在于，
所述燃料柱采用二氧化铀陶瓷或氮化铀陶瓷；
所述二氧化铀陶瓷或氮化铀陶瓷中铀-235的同位素丰度为19.75％。
10.根据权利要求5所述的燃料组件，其特征在于，
该燃料组件堆内服役时，燃料柱发生核裂变反应释放出的裂变气体经滤芯部件过滤后，经第一端塞上的微孔进入到操作头内部的气路管道，在气体管道中汇集，再经气体出口接头释放至燃料组件外部。
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Country Status (1)
| Country | Link |
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| CN (1) | CN116434982A (zh) |
-
2023
- 2023-05-09 CN CN202310512144.4A patent/CN116434982A/zh active Pending
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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