CN212809787U - 一种高效停堆球床先进高温堆堆芯 - Google Patents

一种高效停堆球床先进高温堆堆芯 Download PDF

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Abstract

本实用新型公开了一种高效停堆球床先进高温堆堆芯，燃料球和石墨球分别分布在堆芯活性区上部和下部，堆芯活性区剩余空间填充有冷却剂；堆芯活性区外围包裹有石墨反射层；第一套控制棒布置在石墨反射层中；还包括第二套控制棒和毒物注入系统；第二套控制棒布置在石墨反射层中；毒物注入系统包括注入通道，注入通道的一端贯穿石墨反射层后通过熔盐主回路与堆芯活性区底部连通，毒物介质在压力驱动作用下经注入通道注入堆芯活性区内。本实用新型是一种机械控制棒结合毒物注入系统作为第二套停堆系统的先进高温堆堆芯，通过第二套控制棒实现快速停堆，通过毒物注入系统维持长期停堆，保障堆芯安全性，提高了球床先进高温堆的经济性和安全性。

Description

一种高效停堆球床先进高温堆堆芯
技术领域
本实用新型涉及核反应堆技术领域，具体涉及一种高效停堆球床先进高温堆堆芯。
背景技术
反应堆相关安全法规中要求，停堆手段必须由两个不同的系统组成。第二套停堆系统是防止反应堆保护系统停堆失效的纵深防御手段。两个系统中，至少有一个系统能在单一故障情况下独立行使，使反应堆从运行工况和事故工况迅速进入有足够深度的次临界的功能。即使在堆芯具有最大后备反应性情况下，两个系统中至少有一个系统能独立使反应堆从正常运行工况进入次临界，并以足够的深度和高的可靠度保持次临界状态，维持安全停堆，保障堆芯安全。第二套停堆系统的设计目标为：在临界运行、第一套停堆系统拒绝动作时，能够快速将堆芯带至次临界状态；在反应堆重返临界前，可以补偿氙毒消耗等所引入的正反应性，使反应堆长期维持冷停堆状态。
球床先进高温堆是近年来提出的一种先进反应堆概念，其核心特点主要有两个：1)采用以石墨为基体、含有TRISO包覆颗粒的燃料元件；2)使用氟盐作为冷却剂。球床先进高温堆活性区具有燃料球和TRISO颗粒的双重不均匀性，没有可供控制棒插入的通道，因此控制棒只能布置在堆芯活性区外围反射层中。为获得大的控制棒价值，一般控制棒通道会布置在离活性区较近的反射层位置处，考虑机械应力的要求和控制棒间的空间自屏效应，满足要求的控制棒位置较有限，即控制棒总价值有限。目前为了满足相关安全法规的要求，球床先进高温堆第二套停堆系统也采用控制棒控制，必须占用一些反射层中的控制棒位置，这使得第一套停堆系统可利用的控制棒根数减小，即总价值变小，严重影响了球床先进高温堆功率和寿期的设计，进而限制了球床先进高温堆的经济性。
实用新型内容
针对上述技术问题，本实用新型提供了解决上述问题的一种高效停堆球床先进高温堆堆芯，是一种机械控制棒结合毒物注入系统作为第二套停堆系统的先进高温堆堆芯，通过第二套控制棒实现快速停堆，通过毒物注入系统维持长期停堆，保障堆芯安全性，提高了球床先进高温堆的经济性和安全性。
本实用新型通过下述技术方案实现：
一种高效停堆球床先进高温堆堆芯，包括燃料球、石墨球、石墨反射层和第一套控制棒；若干个燃料球布置在堆芯活性区上部；若干石墨球布置在堆芯活性区下部，堆芯活性区剩余空间填充有冷却剂；堆芯活性区外围包裹有石墨反射层；若干第一套控制棒布置在石墨反射层中；还包括第二套控制棒和毒物注入系统；若干所述第二套控制棒布置在石墨反射层中；所述毒物注入系统包括注入通道，所述注入通道的一端贯穿石墨反射层后通过熔盐主回路与堆芯活性区底部连通，在反应堆故障情况下，毒物介质在压力驱动作用下经注入通道注入堆芯活性区内。
目前为了满足相关安全法规的要求，球床先进高温堆第二套停堆系统也采用控制棒控制，必须占用一些反射层中的控制棒位置，这使得第一套停堆系统可利用的控制棒根数减小，即总价值变小，严重影响了球床先进高温堆功率和寿期的设计，进而限制了球床先进高温堆的经济性。基于该技术背景，本实用新型提供了一种机械控制棒结合毒物注入系统作为第二套停堆系统的先进高温堆堆芯，通过第二套控制棒实现快速停堆，通过毒物注入系统维持长期停堆，保障堆芯安全性。第二套停堆系统采用控制棒结合注入毒物的形式，通过注入毒物引入负反应性，减少第二套停堆系统对控制棒的使用，在控制棒位置总数一定的情况下，相应增加第一套停堆系统的控制棒数量，进而增大第一套停堆系统的控制能力。
进一步优选，沿石墨反射层的周向，第一套控制棒和第二套控制棒间隔排布。
为了保障第一套控制棒和第二套控制棒对堆芯活性区整体均匀控制，本实用新型设计第一套控制棒和第二套控制棒间隔排布。
进一步优选，沿石墨反射层的周向，第一套控制棒和第二套控制棒等间距间隔排布呈圆环形。
作为优选方案，使得所有第一套控制棒和第二套控制棒位于同一圆环位置上，且第一套控制棒和第二套控制棒等间距间隔排布，最大化保障对堆芯活性区的有效控制，且设计第一套控制棒和第二套控制棒均在靠近堆芯活性区位置处。
进一步优选，所述第一套控制棒的数量为13根，第二套控制棒的数量为3根。
针对球床先进高温堆的设计以及运行特点，优选设计13根第一套控制棒和3根第二套控制棒，在实际操作中，利于实现控制棒位置总数一定的情况下，相应增加第一套停堆系统的控制棒数量，进而增大第一套停堆系统的控制能力，提高球床先进高温堆的经济性和安全性。且沿石墨反射层的周向，第一套控制棒和第二套控制棒等间距间隔排布呈圆环形，三根第二套控制棒分布呈三角形结构分布，利于实现对堆芯活性区整体的有效控制。
进一步优选，所述第一套控制棒和第二套控制棒分别采用两套独立的驱动机构。
本实用新型提出的堆芯设计中，为了保证球床先进高温堆拥有两套独立的停堆系统，第一套控制棒和第二套控制棒的驱动原理不同，以满足两套停堆系统的相互独立性。
进一步优选，所述第一套控制棒采用磁阻马达型驱动机构；所述第二套控制棒采用直线电机型驱动机构。
依据球床先进高温堆的设计以及运行特点，优选设计第一套控制棒采用磁阻马达型驱动机构，第二套控制棒采用直线电机型驱动机构。
进一步优选，所述毒物注入系统注入的毒物是可熔化并与堆芯冷却剂氟盐相溶的中子毒物盐。
堆芯冷却剂可选用2LiF-BeF2熔盐，熔盐中7Li的丰度大于99.99％。毒物注入系统中的毒物介质应是可熔化并与堆芯冷却剂氟盐相溶的中子毒物盐，例如可选用Li-6、EuF3或 NaBF3。
进一步优选，所述压力驱动作用由压力驱动机构实现，所述压力驱动机构包括高压气体驱动机构或弹簧驱动机构。
中子毒物注入可采用高压气体驱动或弹簧驱动等方式，高压气体可选空气或惰性气体，如N2等。
进一步优选，所述毒物注入系统的注入通道包括至少两个条注入通道，注入通道的另一端连接至储存罐，所述储存罐用于存储毒物介质。
通过设计多条注入通道，利于加速毒物的注入。
进一步优选，所述注入通道上还设有阀门，所述阀门采用手动阀门或自动阀门；所述阀门的熔融温度低于熔盐的温度限值；所述阀门在熔盐温度低于设定限值时，起到隔断注入通道的作用；在熔盐温度超过设定限值时，阀门受熔盐熔解，注入通道打开，毒物在压力驱动作用下经注入通道注入堆芯活性区。
毒物注入系统7投入使用，可手动操作打开毒物控制阀门，毒物在气体压力作用下注入堆芯活性区维持长期冷停堆，保障堆芯安全性；此外，冷却剂熔盐温度超过设定限值时，阀门熔解，自动打开注入通道，毒物在压力驱动作用下经注入通道注入堆芯活性区。
本实用新型具有如下的优点和有益效果：
本实用新型提供的一种高效停堆球床先进高温堆堆芯，实质上是一种机械控制棒结合毒物注入系统作为第二套停堆系统的先进高温堆堆芯，减少了第二套停堆系统对控制棒的使用，在控制棒位置总数一定的情况下，相应增加第一套停堆系统的控制棒数量，进而增大第一套停堆系统的控制能力，提高球床先进高温堆的经济性和安全性。
1、本实用新型提供的机械控制棒结合毒物注入系统作为第二套停堆系统的先进高温堆堆芯，第二套停堆系统包含毒物注入系统，且其采用的机械控制棒与第一套控制棒驱动原理不同，因此满足两套停堆系统的相互独立性，能够保证反应堆拥有两套独立的停堆系统以保障堆芯安全。
2、本实用新型所述机械控制棒结合毒物注入系统作为第二套停堆系统的先进高温堆堆芯，当第一套控制棒卡在临界棒位无法实现停堆动作时，可以通过第二套控制棒实现快速停堆，赢得15个小时的宝贵时间，在此时间内可通过快速恢复第一套控制棒系统等干预行为，极大地降低毒物注入系统投入的必要性，避免事故后立刻注入毒物导致的对堆芯或冷却剂纯度的损害，尽可能地保全堆芯和冷却剂氟盐。如果15小时内第一套控制棒系统未能恢复动作，可投入毒物注入系统维持长期冷停堆，保障堆芯安全性。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本实用新型实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本实用新型实施例的限定。在附图中：
图1为本实用新型的一种高效停堆球床先进高温堆堆芯径向示意图；
图2为本实用新型的一种高效停堆球床先进高温堆堆芯轴向剖面图。
图中：1-燃料球，2-石墨球，3-冷却剂，4-石墨反射层，5-第一套控制棒，6-第二套控制棒，7-毒物注入系统。
具体实施方式
为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本实用新型作进一步的详细说明，本实用新型的示意性实施方式及其说明仅用于解释本实用新型，并不作为对本实用新型的限定。
实施例1
本实施例提供了一种高效停堆球床先进高温堆堆芯，包括多个燃料球1、多个石墨球2、石墨反射层4和第一套控制棒5；多个个燃料球1布置在堆芯活性区上部，多个石墨球2布置在堆芯活性区下部，堆芯活性区剩余空间被冷却剂3填充；堆芯活性区外围包裹有石墨反射层4；多个第一套控制棒5布置在石墨反射层4中。还包括第二套控制棒6和毒物注入系统7，通过第二套控制棒6实现快速停堆，通过毒物注入系统7维持长期停堆，保障堆芯安全性；多个所述第二套控制棒6布置在石墨反射层4中；毒物注入系统7包括注入通道71，注入通道71的一端贯穿石墨反射层4后通过熔盐主回路与堆芯活性区底部连通，在反应堆故障情况下，毒物介质在压力驱动作用下经注入通道71注入堆芯活性区内。
实施例2
在实施例1的基础上进一步改进，沿石墨反射层4的周向，第一套控制棒5和第二套控制棒6间隔排布；优选地，沿石墨反射层4的周向，第一套控制棒5和第二套控制棒6等间距间隔排布呈圆环形。
第一套控制棒5的数量为13根，第二套控制棒6的数量为3根。第一套控制棒5和第二套控制棒6分别采用两套独立的驱动机构，具体地，第一套控制棒5采用磁阻马达型驱动机构；所述第二套控制棒6采用直线电机型驱动机构。
实施例3
在实施例2的基础上进一步改进，所述毒物注入系统7注入的毒物是可熔化并与堆芯冷却剂氟盐相溶的中子毒物盐，本实施例中堆芯冷却剂3选用2LiF-BeF2熔盐，熔盐中7Li的丰度大于99.99％。毒物注入系统为数个存储中子毒物的合金圆柱形罐体，其中的毒物应是可熔化并与堆芯冷却剂氟盐相溶的中子毒物盐，例如可选用Li-6、EuF3或NaBF3，中子毒物注入可采用高压气体驱动或弹簧驱动等方式，高压气体可选空气或惰性气体，如N2等。
毒物注入系统7的注入通道71采用两个条注入通道71，注入通道71的另一端连接至储存罐72，储存罐72用于存储毒物介质，储存罐72采用圆柱状合金筒。
注入通道71上还设有阀门73，阀门73采用手动阀门或自动阀门；阀门73的熔融温度低于熔盐的温度限值；阀门73在熔盐温度低于设定限值时，起到隔断注入通道71的作用；在熔盐温度超过设定限值时，阀门73受熔盐熔解，注入通道71打开，毒物在压力驱动作用下经注入通道71注入堆芯活性区。
本实施例由第二套控制棒6和毒物注入系统7组成第二套停堆系统，其工作过程如下：反应堆功率运行状态下，当第一套控制棒5卡在临界棒位无法实现停堆动作时，通过插入第二套控制棒6实现快速停堆；在15个小时内可通过快速恢复第一套控制棒5的动作，极大地降低毒物注入系统7投入的必要性，避免事故后立刻注入毒物导致的对堆芯或冷却剂纯度的损害，尽可能地保全堆芯和冷却剂氟盐。如果15小时内第一套控制棒5未能恢复动作，毒物注入系统7投入使用，可手动操作打开毒物控制阀门，投入毒物在气体压力作用下注入系统7注入堆芯活性区维持长期冷停堆，保障堆芯安全性。
以上所述的具体实施方式，对本实用新型的目的、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，以上所述仅为本实用新型的具体实施方式而已，并不用于限定本实用新型的保护范围，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种高效停堆球床先进高温堆堆芯，包括燃料球(1)、石墨球(2)、石墨反射层(4)和第一套控制棒(5)；若干个燃料球(1)布置在堆芯活性区上部；若干石墨球(2)布置在堆芯活性区下部，堆芯活性区剩余空间填充有冷却剂(3)；堆芯活性区外围包裹有石墨反射层(4)；若干第一套控制棒(5)布置在石墨反射层(4)中；其特征在于，还包括第二套控制棒(6)和毒物注入系统(7)；若干所述第二套控制棒(6)布置在石墨反射层(4)中；
所述毒物注入系统(7)包括注入通道(71)，所述注入通道(71)的一端贯穿石墨反射层(4)后通过熔盐主回路与堆芯活性区底部连通，在反应堆故障情况下，毒物介质在压力驱动作用下经注入通道(71)注入堆芯活性区内。
2.根据权利要求1所述的一种高效停堆球床先进高温堆堆芯，其特征在于，沿石墨反射层(4)的周向，第一套控制棒(5)和第二套控制棒(6)间隔排布。
3.根据权利要求2所述的一种高效停堆球床先进高温堆堆芯，其特征在于，沿石墨反射层(4)的周向，第一套控制棒(5)和第二套控制棒(6)等间距间隔排布呈圆环形。
4.根据权利要求1至3任一项所述的一种高效停堆球床先进高温堆堆芯，其特征在于，所述第一套控制棒(5)的数量为13根，第二套控制棒(6)的数量为3根。
5.根据权利要求1所述的一种高效停堆球床先进高温堆堆芯，其特征在于，所述第一套控制棒(5)和第二套控制棒(6)分别采用两套独立的驱动机构。
6.根据权利要求5所述的一种高效停堆球床先进高温堆堆芯，其特征在于，所述第一套控制棒(5)采用磁阻马达型驱动机构；所述第二套控制棒(6)采用直线电机型驱动机构。
7.根据权利要求1所述的一种高效停堆球床先进高温堆堆芯，其特征在于，所述毒物注入系统(7)注入的毒物是可熔化并与堆芯冷却剂氟盐相溶的中子毒物盐。
8.根据权利要求1所述的一种高效停堆球床先进高温堆堆芯，其特征在于，所述压力驱动作用由压力驱动机构实现，所述压力驱动机构包括高压气体驱动机构或弹簧驱动机构。
9.根据权利要求1所述的一种高效停堆球床先进高温堆堆芯，其特征在于，所述毒物注入系统(7)的注入通道(71)包括至少两个条注入通道(71)，注入通道(71)的另一端连接至储存罐(72)，所述储存罐(72)用于存储毒物介质。
10.根据权利要求1所述的一种高效停堆球床先进高温堆堆芯，其特征在于，所述注入通道(71)上还设有阀门(73)，所述阀门(73)采用手动阀门或自动阀门；所述阀门(73)的熔融温度低于熔盐的温度限值；所述阀门(73)在熔盐温度低于设定限值时，起到隔断注入通道(71)的作用；在熔盐温度超过设定限值时，阀门(73)受熔盐熔解，注入通道(71)打开，毒物在压力驱动作用下经注入通道(71)注入堆芯活性区。
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CN113241201A (zh) * 2021-04-29 2021-08-10 西南科技大学 一种具有非均匀反射层的非均匀控制棒
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