加速器驅動鉛鉍冷卻次臨界行波堆的製作方法與工藝
2023-04-27 00:28:36
本發明屬於先進快中子反應堆領域，特別涉及一種加速器驅動鉛鉍冷卻次臨界行波堆。
背景技術：
行波式反應堆是一種以天然核素或乏燃料為燃料，並且可轉換核素的增殖和易裂變核素的焚燒以行波的方式移動的新型深燃耗裂變反應堆。行波以「增殖波前行，焚燒波後續」的方式在燃料中每年數釐米的速度傳播，一次裝料可以連續運行數十年。目前行波堆設計均為鈉冷臨界行波堆，堆芯燃料分為廢料區，臨界區(燃燒區、增殖區)，以及新燃料區。鈉冷臨界行波堆存在以下幾個技術缺點和不足：1.行波堆最初啟動時，需要用高富集度易裂變核燃料作為啟動源，從堆芯燃料一端啟動點燃；2.為維持臨界運行，堆芯燃燒部分要求達到常規堆芯大小和質量，從而要求整個堆芯具有很大的尺寸和質量；3.為維持增殖波與焚燒波的行進，行波堆燃耗要求高於40％，使得燃料和包殼材料要求遠超過目前燃耗低於20％的限制標準(楊波、申屠軍、湯春桃，行波堆技術可行性研究及展望，第十三屆反應堆數值計算與粒子輸運學術會議暨2010年反應堆物理會議論文集)，降低了行波堆的現實可行性；4.採用鈉作為冷卻劑，存在與空氣和水發生劇烈化學反應而引發起火或爆炸的危險，而鉛鉍冷卻劑的化學惰性好，安全性好，使反應堆的運行維護相對容易。
技術實現要素：
本發明技術解決問題：克服現有技術的不足，提供了一種加速器驅動鉛鉍冷卻次臨界行波堆，利用可移動外中子源，驅動行波式反應堆在次臨界狀態下運行，避免臨界行波堆需要高富集度易裂變核燃料作啟動源的要求、堆芯燃料燃燒部分對質量和尺寸的要求以及高燃耗(>40％)的要求，從根本上杜絕核臨界事故的可能性，有效提高了行波堆的現實可行性、可靠性和安全性。為達到上述目的，本發明是通過以下技術方案實現的：加速器驅動鉛鉍冷卻次臨界行波堆，包括可移動中子源靶(1)、堆芯燃料(2)、堆內構件(3)、主換熱器(4)、堆頂蓋(5)、堆容器(6)以及主泵(7)，堆芯燃料(2)分為乏燃料區(2-1)、焚燒波區(2-2)、增殖波區(2-3)和新燃料區(2-4)四個區域。堆頂蓋(5)為平蓋形式，安裝在堆容器(6)的上沿；堆內構件(3)焊接於堆容器(6)底封頭以上的位置，為堆芯燃料(2)、主換熱器(4)、主泵(7)等提供支撐和定位並分隔冷池和熱池，堆內構件(3)上部為熱池，下部為冷池；主換熱器(4)和主泵(7)安裝在堆頂蓋(5)上並穿過堆內構件(3)；主換熱器(4)殼側上部設有鉛鉍冷卻劑入口，下部設有鉛鉍冷卻劑出口；主泵(7)入口位於冷池內的泵體下部，出口位於泵體底部，通過管道與堆芯燃料(2)底部連接；堆芯燃料(2)放置於堆內構件(3)底部，自上而下分別為乏燃料區(2-1)、焚燒波區(2-2)、增殖波區(2-3)和新燃料區(2-4)；靶移動通道從反應堆頂部向下，貫穿堆頂蓋(5)，通向堆芯燃料(2)的底部；可移動中子源靶(1)位於靶移動通道內，沿著靶移動通道上下移動。其中，冷卻劑由堆芯燃料(2)向上流入熱池，從熱池進入主換熱器(4)，經過換熱器(4)換熱，向下流出主換熱器(4)，進入冷池，冷池中的冷卻劑進入主泵(7)，從主泵(7)管道出口流入堆芯燃料(2)，再次由堆芯燃料(2)向上流入熱池，帶出堆芯熱量，完成循環過程。所述反應堆系統啟動時不需要高富集度易裂變核燃料作為啟動源，而是通過可移動中子源靶(1)提供外源中子，點燃堆芯燃料(2)，啟動次臨界行波堆；中子源靶可以為散裂中子靶或氘氚聚變中子源靶。所述反應堆系統，通過可移動中子源靶(1)提供外源中子使反應堆運行在次臨界條件下；利用可移動中子源靶(1)的向下移動來驅動堆芯燃料(2)的增殖波和焚燒波的行進。所述反應堆系統，使用液態鉛鉍作為冷卻劑，帶出堆芯熱量。與鈉冷臨界行波堆相比，本發明的優點是：1.啟動點燃時，不需要高富集易裂變核燃料作為啟動源，而是通過可移動中子源靶提供的中子點燃堆芯燃料，在靠近中子源靶的焚燒波區實現核裂變反應產生熱量，在增殖波區通過俘獲中子實現核燃料的增殖；當焚燒波區的燃料消耗完後通過將可以動中子源向增殖波區移動，在原增殖波區實現焚燒，同時將增殖波向新燃料區推進，從而實現增殖波前行，焚燒波後續的過程；2.次臨界運行，避免了臨界行波堆對堆芯燃料燃燒部分要求達到臨界質量和體積的問題，當加速器關閉後反應堆內的裂變反應自然停止，從根本上杜絕了核臨界事故的可能性，提高了反應堆的安全性；3.運行時，通過靶的移動來維持增殖波與焚燒波的行進，避免了臨界行波堆燃耗必須高於40％的問題，降低了對燃料和包殼材料的要求，使反應堆具有現實可行性；4.利用液態鉛鉍作為冷卻劑帶出堆芯熱量，鉛鉍冷卻劑中子經濟性高於鈉冷卻劑，其化學惰性好，安全性好，具有良好的自然循環能力，使反應堆的運行維護相對容易。附圖說明圖1為本發明加速器驅動鉛鉍冷卻次臨界行波堆的結構示意圖；其中：1為可移動中子源靶、2為堆芯燃料、3為堆內構件、4為主換熱器、5為堆頂蓋、6為堆容器、7為主泵，2-1為乏燃料區、2-2為焚燒波區、2-3為增殖波區、2-4為新燃料區。具體實施方式下面結合附圖與具體實施方式對本發明作進一步詳細描述。參見圖1，本發明公開的加速器驅動鉛鉍冷卻次臨界行波堆，包括可移動中子源靶1、堆芯燃料2、堆內構件3、主換熱器4、堆頂蓋5、堆容器6以及主泵7，堆芯燃料2分為乏燃料區2-1、焚燒波區2-2、增殖波區2-3和新燃料區2-4四個區域。堆頂蓋5為平蓋形式，安裝在堆容器6的上沿；堆內構件3焊接於堆容器6底封頭以上的位置，為堆芯燃料2、主換熱器4、主泵7等提供支撐和定位並分隔冷池和熱池，堆內構件3上部為熱池，下部為冷池；主換熱器4和主泵7安裝在堆頂蓋5上並穿過堆內構件3；主換熱器4殼側上部設有鉛鉍冷卻劑入口，下部設有鉛鉍冷卻劑出口；主泵7入口位於冷池內的泵體下部，出口位於泵體底部，通過管道與堆芯燃料2底部連接；堆芯燃料2放置於堆內構件3底部，自上而下分別為乏燃料區2-1、焚燒波區2-2、增殖波區2-3和新燃料區2-4；靶移動通道從反應堆頂部向下，貫穿堆頂蓋5，通向堆芯燃料2的底部；可移動中子源靶1位於靶移動通道內，沿著靶移動通道上下移動。加速器驅動鉛鉍冷卻次臨界行波堆運行過程為：可移動中子源靶1提供外源中子，點燃堆芯燃料2，啟動反應堆，通過可移動中子源靶1提供外源中子使反應堆運行在次臨界條件下，利用可移動中子源靶1的向下移動來驅動堆芯燃料2的增殖波和焚燒波的行進。冷卻劑循環過程為：冷卻劑由堆芯燃料2向上流入熱池，從熱池進入主換熱器4，經過換熱器4換熱，向下流出主換熱器4，進入冷池，冷池中的冷卻劑進入主泵7，從主泵7管道出口流入堆芯燃料2，再次由堆芯燃料2向上流入熱池，帶出堆芯熱量，完成循環過程。加速器驅動鉛鉍冷卻次臨界行波堆的主要特點：(1)啟動點燃時，不需要高富集度易裂變核燃料作為啟動源。可移動中子源靶1作為可移動的外中子源，提供外源中子，點燃堆芯燃料2，啟動次臨界行波堆；可移動中子源靶1可以為散裂中子靶或氘氚聚變中子源靶。(2)次臨界運行，避免了臨界行波堆對堆芯燃料燃燒部分要求達到臨界質量和體積的問題，提高了反應堆的安全性。可移動中子源靶1產生的散裂中子作為外源中子，使堆芯燃料2在次臨界條件下維持鏈式反應，避免了臨界行波堆對堆芯燃料燃燒部分要求達到臨界質量和體積的問題，當加速器關閉後反應堆內的裂變反應自然停止，從根本上杜絕了核臨界事故的發生。(3)對燃料和包殼材料的要求降低。加速器驅動鉛鉍冷卻次臨界行波堆運行時，通過可移動中子源靶1的移動來維持增殖波與焚燒波的行進，避免了臨界行波堆燃耗必須高於40％的問題，降低了對燃料和包殼材料的要求。(4)利用液態鉛鉍作為冷卻劑帶出堆芯熱量，鉛鉍冷卻劑中子經濟性高於鈉冷卻劑，其化學惰性好，安全性好，具有良好的自然循環能力，使反應堆的運行維護相對容易。