可提高中子注量率的核反應堆堆芯的製作方法

2023-12-11 01:24:12 1

專利名稱:可提高中子注量率的核反應堆堆芯的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種核反應堆堆芯，具體涉及要求高中子注量率的多用途的研究堆和以燃料材料考驗為主的工具堆的堆芯。
背景技術：
目前先進研究堆的設計是採用倒(反)中子阱緊湊堆芯。在合適的功率水平下，儘量緊縮堆芯，提高堆芯功率密度，得到高的裂變中子注量率。高度欠慢化的堆芯被周圍大體積的重水或鈹所包圍，大量裂變中子從堆芯表面洩漏到反射層中被慢化，形成熱中子注量率峰。在相同的功率水平下，功率區體積越小，洩漏的裂變中子在反射層中形成的熱中子注
量率越高。
美國的ETR堆堆功率175MW，殼式堆，用於工程試驗和同位素生產。1955年開始建造，1957年首次臨界。輕水慢化和冷卻，鈹反射層。堆芯有五個大的考驗孔道，最大孔道尺寸為228. 6mmX 228. 6mm,雖然尺寸較大，但沒有足夠的慢化劑，因此熱中子注量率較低，只有 6X1014n/cm2/s。
對於新建的多功能研究堆以及工具堆，要以20%的低濃鈾取代高濃油。低濃鈾與高濃鈾相比，在相同的堆芯尺寸和相同的功率下，由於鈾裝量的增加，理論上熱中子注量率要反比降低。一般以反中子阱型堆芯來提高反射層的熱中子注量率，但熱中子注量率提高得還不夠。為便於開展各種試驗研究或有較大的高中子注量率的輻照空間創造條件，追求高的快、熱中子注量率的緊湊堆芯，必須對堆芯進行優化設計。

發明內容
本發明的目的在於提供一種可提高中子注量率的反應堆堆芯。
本發明的技術方案如下
一種可提高中子注量率的核反應堆堆芯，其特徵在於整個堆芯為環形結構；堆芯的中心為鈹熱中子阱區，鈹熱中子阱區外圍為燃料組件區，燃料組件區外圍為鈹反射層；
所述的鈹熱中子阱區包括鈹塊和控制棒跟隨體；所述的燃料組件區包括燃料組件和鈹塊；所述的鈹反射層包括鈹塊、控制棒跟隨體和靶件；
所述的堆芯為六角環形結構；
所述的鈹熱中子阱區設置有高鈾量燃料組件，其中，鈹熱中子阱區由中心I盒帶快中子考驗通道的高鈾量燃料組件、外圍呈梅花形布置的6盒高鈾量燃料組件、第2圈梅花形1-1-1間隔布置的6盒鈹塊和6盒控制棒跟隨體組成。
一種可提高中子注量率的核反應堆堆芯，其特徵在於整個堆芯為環形結構；堆芯的內部可以劃分為若干個子堆芯；每個子堆芯的中心為鈹熱中子阱區，鈹熱中子阱區外圍為燃料組件區，燃料組件區外圍為子堆芯鈹反射層；堆芯外圍為大堆芯鈹反射層；
所述的鈹熱中子阱區包括鈹塊和控制棒跟隨體；所述的燃料組件區包括燃料組件；所述的子堆芯鈹反射層包括鈹塊、控制棒跟隨體和靶件；所述的大堆芯鈹反射層包括被塊；
所述的堆芯和/或子堆芯為六角環形結構；
所述的子堆芯有三個，子堆芯在堆芯中成120°旋轉對稱分布，堆芯的中心布置一個鈹塊，作為三個子堆芯的連接點；
本發明的效果在於堆芯中大量裂變中子從堆芯內、外表面洩漏到中心鈹熱中子阱和外圍鈹反射層，經慢化形成熱中子注量率峰，由於中心鈹熱中子阱向內是收斂的，因此熱中子注量率在鈹熱中子阱的中心最高，中心鈹熱中子阱區最大熱中子注量率可比燃料區大一倍以上；由於熱中子阱區可設置高鈾量的燃料組件，該燃料組件中心可形成快中子阱區，因而產生的裂變中子注量率高，快中子注量率也高，從而為開展反應堆的各種材料研究創造了條件。


圖I是本發明可提高中子注量率的反應堆堆芯實施例一中六角環形堆芯示意圖；
圖2是本發明可提高中子注量率的反應堆堆芯實施例二中六角環形堆芯示意圖；
圖3是本發明可提高中子注量率的反應堆堆芯實施例三中包括三個子堆芯的六角環形堆芯示意圖；
圖中1 :鈹塊2 :燃料組件3 :控制棒跟隨體4 :革巴件
5 :高鈾量燃料組件6 :帶快中子考驗通道的高鈾量燃料組件
具體實施方式
本發明一種可提高中子注量率的核反應堆堆芯，包括一個或多個子堆芯，每個子堆芯從中心向外依次劃分為鈹熱中子阱區、燃料組件區和鈹反射層，鈹熱中子阱區包括鈹塊I和控制棒跟隨體3 ;燃料組件區包括燃料組件2和鈹塊I ;鈹反射層包括鈹塊I、控制棒跟隨體3和靶件4，整個堆芯為環形結構。
核截面參數由69群並為四群計算
能群劃分為
IOMev O. 821Mev (I 5 群)為快 I 群；
O. 821Mev 5. 53Kev (6 15 群)為快 II 群；
5. 53Kev O. 625ev (16 45 群)為快 III 群;
< O. 625ev (46 69 群)為熱群。
實施例一
本實施例以高通量工程試驗堆(HFETR)為例，堆芯為六角環形，堆功率90MW，36盒燃料組件，熱中子慢化方案。堆芯布置如圖I。
堆芯從中心向外呈六角環形布置，共七圈。
鈹熱中子阱區由中心I盒鈹塊I、外圍(第I圈)呈梅花形布置的6盒鈹塊I、第2圈呈梅花形布置的6盒鈹塊I和6盒控制棒跟隨體3組成。其中，6盒控制棒跟隨體3布置在六個角上。
燃料組件區布置在鈹熱中子阱的外圍兩圈(第3、4圈)，共36盒燃料組件2組成。其中，第4圈的六個角上布置有6盒鈹塊I。
鈹反射層布置在燃料組件區的外圍三圈(第5，6，7圈)，由18盒鈹塊I、12盒控制棒鈹跟隨體3和78盒靶件4組成。其中，鈹塊I、控制棒鈹跟隨體3呈1-1-2-1分布(I盒鈹塊-I盒控制棒鈹跟隨體-2盒鈹塊-I盒控制棒鈹跟隨體)間隔布置在第5圈，78盒靶件4布置在第6和第7圈。
零天丨Keff (全提棒中子增殖係數)為0.9110丨Keff I. 2046 U-235裝量18.719Kg
20 天時丨 Keff I. 0692 U-235 堆存量 15. 413Kg
快I群最大中子注量率為5. 372X 1014n/cm2 · s
快II群最大中子注量率為8. 710X1014n/cm2 · s
快III群最大中子注量率為8. 661 X 1014n/cm2 · s
最大熱中子注量率為16. 32X1014n/cm2 · s
熱中子阱最大熱中子注量率可達到 I. 8X 1015n/cm2/s。
最大熱中子注量率是指一盒燃料組件的平均值。考慮到軸向不均勻因子，取中間區，最大平均熱中子注量率可達2. lX1015n/cm2/s。
實施例二
本實施例以高通量工程試驗堆(HFETR)為例，堆芯為六角環形，堆功率110麗，在堆芯36盒燃料組件分三區倒料熱中子慢化增殖方案基礎上，為達到快中子增殖目的，在19盒鈹中心的7盒放上鈾裝量高的燃料組件(芯體厚O. 7mm,包殼厚O. 4mm),形成快中子增殖區，採取加壓或提高流速的方法導出裂變熱。堆芯布置如附圖2所示。
堆芯從中心向外呈六角環形布置，共7圈。
鈹熱中子阱區由中心I盒帶快中子考驗通道的高鈾量燃料組件6、外圍(第I圈)呈梅花形布置的6盒高鈾量燃料組件5、第2圈梅花形1-1-1 (I盒鈹塊-I盒控制棒跟隨體-I盒鈹塊)間隔布置的6盒鈹塊I和6盒控制棒跟隨體3組成。其中，6盒控制棒鈹跟隨體3布置在六個角上。
燃料組件區布置在鈹熱中子阱的外圍兩圈(第3、4圈)，共36盒燃料組件2組成。其中，第4圈的六個角上布置有6盒鈹塊I。
鈹反射層區布置在燃料組件區的外圍三圈(第5、6、7、圈)，由12盒鈹塊I、12盒控制棒鈹跟隨體3和84盒靶件4組成。其中，靶件4、控制棒鈹跟隨體3、鈹塊I、呈1-1-2-1-1(I盒靶件-I盒控制棒跟隨體-2盒鈹塊-I盒控制棒鈹跟隨體-I盒靶件)間隔布置在第5圈，78盒靶件4布置在第6和第7圈。
零天丨Keff 為 O. 9457 丨 Keff I. 152 4U-235 裝量 12. 889Kg
20 天時丨 Keff I. 0543 U-235 堆存量 10. 365Kg
快I群最大中子注量率為5. 561 X 1014n/cm2 · s
快II群最大中子注量率為8. 185X1014n/cm2 · s
快III群最大中子注量率為6. 832 X 1014n/cm2 · s
最大熱中子注量率為7. 809X 1014n/cm2 · s
實施例三
本實施例以高通量工程試驗堆(HFETR)為例，堆功率135MW，堆芯裝載54盒燃料組件，分成三個子堆芯，每個子堆芯中含18盒燃料組件。堆芯布置如圖3。
整個堆芯從中心向外呈六角環形布置，共9圈，稱為大堆芯。大堆芯內部三個子堆芯在堆芯中成120°旋轉對稱分布。子堆芯的中心處於大堆芯的第4圈，每個子堆芯中心向外成六角環形布置，共4圈。
每個子堆芯布置如下
鈹熱中子阱區由中心I盒鈹塊I、外圍(第1、2圈)呈梅花形布置的18盒鈹塊I和I盒控制棒鈹跟隨體3組成。其中I盒控制棒鈹跟隨體3布置在第2圈靠近大堆芯中心的位置。
燃料組件區布置在鈹熱中子阱的外圍I圈(第3圈)，共18盒燃料組件2組成。
子堆芯鈹反射層區布置在燃料組件區的外圍一圈(第4圈)，由I盒鈹塊1、10盒控制棒鈹跟隨體3和13盒靶件4組成。其中，鈹塊I、控制棒跟隨體3與靶件4呈1-4-5-1-3-1-5-4 (I盒被塊-4盒控制棒被跟隨體-5盒祀件-I盒被塊-3盒祀件-I盒被塊-5盒靶件-4盒控制棒鈹跟隨體)間隔布置在第4圈。
鈹熱中子阱區由中心I盒鈹塊I作為三個子堆芯的連接點，分別佔有子堆芯的第4圈的一個位置。
在大堆芯中除三個子堆芯的位置外，全部布置為鈹塊1，共有102盒，作為大堆芯鈹反射層。
零天丨Keff 為 O. 9110 丨 Keff I. 2046 U-235 裝量 18. 719Kg
20 天時丨 Keff I. 0692 U-235 堆存量 15. 413Kg
快I群最大中子注量率為5. 372X 1014n/cm2 · s
快II群最大中子注量率為8. 710X1014n/cm2 · s
快III群最大中子注量率為8. 661 X 1014n/cm2 · s
最大熱中子注量率為16. 32X1014n/cm2 · s
權利要求
1.一種可提高中子注量率的核反應堆堆芯，其特徵在於整個堆芯為環形結構；堆芯的中心為鈹熱中子阱區，鈹熱中子阱區外圍為燃料組件區，燃料組件區外圍為鈹反射層。
2.按照權利要求
I所述的可提高中子注量率的核反應堆堆芯，其特徵在於所述的鈹熱中子阱區包括鈹塊(I)和控制棒跟隨體(3);所述的燃料組件區包括燃料組件(2)和鈹塊(I);所述的鈹反射層包括鈹塊(I)、控制棒跟隨體(3)和靶件(4)。
3.按照權利要求
2所述的可提高中子注量率的核反應堆堆芯，其特徵在於所述的堆芯為六角環形結構。
4.按照權利要求
I至3所述的任意可提高中子注量率的核反應堆堆芯，其特徵在於所述的鈹熱中子阱區設置有高鈾量燃料組件(5)，其中，鈹熱中子阱區由中心I盒帶快中子考驗通道的高鈾量燃料組件(6)、外圍呈梅花形布置的6盒高鈾量燃料組件(5)、第2圈梅花形1-1-1間隔布置的6盒鈹塊(I)和6盒控制棒跟隨體(3)組成。
5.一種可提高中子注量率的核反應堆堆芯，其特徵在於整個堆芯為環形結構；堆芯的內部可以劃分為若干個子堆芯；每個子堆芯的中心為鈹熱中子阱區，鈹熱中子阱區外圍為燃料組件區，燃料組件區外圍為子堆芯鈹反射層；堆芯外圍為大堆芯鈹反射層。
6.按照權利要求
5所述的可提高中子注量率的核反應堆堆芯，其特徵在於所述的鈹熱中子阱區包括鈹塊(I)和控制棒跟隨體(3);所述的燃料組件區包括燃料組件(2);所述的子堆芯鈹反射層包括鈹塊(I)、控制棒跟隨體(3)和靶件(4);所述的大堆芯鈹反射層包括鈹塊(I)。
7.按照權利要求
6所述的可提高中子注量率的核反應堆堆芯，其特徵在於所述的堆芯和/或子堆芯為六角環形結構。
8.按照權利要求
7所述的可提高中子注量率的核反應堆堆芯，其特徵在於所述的子堆芯有三個，子堆芯在堆芯中成120°旋轉對稱分布，堆芯的中心布置一個鈹塊(1)，作為三個子堆芯的連接點。
專利摘要
本發明公開了一種可提高中子注量率的核反應堆堆芯，堆芯為環形結構，堆芯的中心為鈹熱中子阱區，鈹熱中子阱外圍為燃料組件區，燃料組件區外圍為鈹反射層，整個堆芯為環形結構。中心鈹熱中子阱區最大熱中子注量率可比燃料區大一倍以上；由於熱中子阱區可設置高鈾量的燃料組件，該燃料組件中心可形成快中子阱區，因而產生的裂變中子注量率高。
文檔編號G21C5/18GKCN101447238 B發布類型授權 專利申請號CN 200710187461
公開日2013年3月20日 申請日期2007年11月27日
發明者吳英華 申請人:中國核動力研究設計院導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan專利引用 (4), 非專利引用 (2),