一种具有超高通量的铅铋冷却快中子研究堆堆芯结构制造技术

一种具有超高通量的铅铋冷却快中子研究堆堆芯结构，堆芯功率200MW；堆芯径向由燃料区、径向反射层、径向屏蔽层组成；轴向上由冷却剂通道、反射层组件和屏蔽层组件的上下封头组成；燃料区包括燃料组件、辐照孔道、控制棒组件和安全棒组件，四种组件采用6圈正六边形密铺布置；燃料组件呈Y型1/3旋转对称，在每1/3燃料组件内，板状燃料和冷却剂通量交替排布；燃料板使用Zr质量含量10％的铀锆合金燃料，U235富集度90％。该结构采用了特殊设计的板状燃料元件与堆芯布置，能有效提高堆芯的功率密度与换热能力，可以有效提高堆芯的通量水平与材料辐照能力，中子注量率峰值可达到1.01

【技术实现步骤摘要】
一种具有超高通量的铅铋冷却快中子研究堆堆芯结构


[0001]本专利技术属于核反应堆工程
，具体涉及一种具有超高通量的铅铋冷却快中子研究堆堆芯结构。

技术介绍

[0002]高通量研究堆通常应用于放射性同位素生产和材料辐照实验等领域。相比于常规研究堆与动力堆，高通量堆的堆内中子通量水平更高，堆内有经过特殊设计的更大体积的辐照空间，便于进行更高效的同位素生产或者材料辐照实验。
[0003]基于高通量堆的优点，其在放射性同位素生产、材料辐照实验、中子活化与中子散射等领域具有广泛的应用前景。当前，国内的高通量研究堆以热堆为主，主要应用于一些放射性同位素的生产；由于堆内中子能谱较软，其材料辐照实验能力相对较差。随着第四代先进核能系统的快速发展，现有的材料辐照实验能力已经显露不足，有必要进行新一代高通量快中子研究堆的研发设计。另一方面，鉴于对材料辐照和同位素生产的多功能需求，堆芯快中子注量率仍需要大幅提高。因此，提出具有超高通量的快中子研究堆具有重要的应用价值。

技术实现思路

[0004]为解决上述问题，本专利技术提供了一种具有超高通量的铅铋冷却快中子研究堆堆芯结构，通过优化的材料选择、燃料组件结构设计与堆芯结构设计，有效提高了堆芯内的中子通量水平。
[0005]为了实现上述目的，本专利技术采用了以下技术方案：
[0006]一种具有超高通量的铅铋冷却快中子研究堆堆芯结构，该堆芯径向由燃料区1、径向反射层2及径向屏蔽层3组成；该堆芯在轴向上沿水平中平面对称，燃料区1的上下部分为冷却剂通道15，径向反射层2的上下部分为反射层上下封头16，径向屏蔽层3的上下部分为屏蔽层上下封头17；
[0007]所述燃料区1
[0008]包括燃料组件4、辐照孔道5、控制棒组件6和安全棒组件7；四类组件采用6圈正六边形密铺布置，且最外圈的六个角布置6个辐照孔道5或布置6个内反射层组件8，属于径向反射层2的区域，故燃料区1共有85个组件；燃料区1内6圈均布置有燃料组件4；辐照孔道5在第三圈的六个角和第五圈两两相间的三个角替换掉燃料组件4，因此辐照孔道5共9个或15个；控制棒组件6在第五圈的中边位置替换掉燃料组件4，因此控制棒组件共6个；安全棒组件7在第五圈剩余的三个角替换掉燃料组件4，因此安全棒组件共3个；
[0009]所述具有超高通量的铅铋冷却快中子研究堆堆芯结构，燃料组件4以组件内中心点和三个相间的角的连线为界形成一个“Y”字型，可以将燃料组件4三等分为三个完全相同的菱形结构；在每个菱形结构内部，都有菱形组件壁11，多个燃料组件内冷却剂通道12和燃料板互相平行并按照固定间距交替排列，燃料板又由外部的燃料包壳13和内部的板状燃料
芯块14组成；这三个菱形结构仅在角度上有所不同，将其中一个菱形结构沿燃料组件内中心点顺时针或者逆时针旋转120
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，可以得到另外两个菱形结构，所以燃料组件4是呈“Y”型，并且对于组件内中心点1/3旋转对称的；燃料芯块14使用的燃料为Zr质量含量10％的铀锆合金燃料，U235富集度90％；
[0010]所述堆芯结构功率为200MW，在该功率水平下可以有效提高堆内中子通量水平，堆内峰值总中子通量可达到1.00
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n/cm2以上，极大提高材料辐照实验与同位素生产的效率。
[0011]在每个菱形结构内部，10个冷却剂通道12和9个燃料板互相平行并按照固定间距交替排列。
[0012]所述燃料组件4内的组件壁11和燃料包壳13的材料均为不锈钢。
[0013]所述燃料组件4内的冷却剂通道12内的冷却剂材料为铅铋共晶合金。
[0014]所述控制棒组件6和安全棒组件7的吸收体材料为碳化硼。
[0015]所述径向反射层2由堆芯第六圈六个角上的内反射层组件8和第七圈到第九圈的外反射层组件9组成；所述内反射层组件8可更换为辐照孔道，从而扩展堆芯辐照空间，增强堆芯的材料辐照实验或同位素生产能力。
[0016]所述具有超高通量的铅铋冷却快中子研究堆堆芯结构，径向屏蔽层3由堆芯第十圈到第十一圈的屏蔽层组件10组成。
[0017]所述燃料区1的上下部分的燃料组件外冷却剂通道15使用铅铋冷却剂材料。
[0018]所述径向反射层2及其反射层上下封头16使用不锈钢材料；所述径向屏蔽层3使用碳化硼材料，其上下封头17使用不锈钢材料。
[0019]本专利技术和现有技术相比，具有如下优点：
[0020]1、本专利技术采用的堆芯方案中，设计专门的燃料组件，通过优化的几何形状和几何参数，减少燃料装载，提高换热能力，从而可以进一步提高局部功率密度；燃料组件使用高浓的铀锆合金，减少燃料中铀238对中子的俘获，以提高中子通量水平。
[0021]2、本专利技术采用的堆芯方案中，使用了铅铋共晶作为冷却剂，可以有效减少堆芯慢化，提高冷却剂的换热能力；同时与钠冷却剂相比安全性更高，不存在钠空泡效应和钠水反应。
[0022]3、本专利技术采用的堆芯方案中，在堆内留有九个具有大辐照体积的辐照孔道，其相应位置处的中子通量水平高，可以高效开展相关的材料辐照实验和同位素生产工作。
[0023]4、本专利技术采用的堆芯方案中，堆芯活性区等效直径小，堆芯泄漏强，径向反射层区依然有较高的通量水平；容许在反射层区布置一定数量的辐照孔道以进行材料辐照实验和同位素生产工作，合理利用堆内空间，提高实验能力。
附图说明
[0024]图1是本专利技术具有超高通量的铅铋冷却快中子研究堆堆芯结构的横截面示意图。
[0025]图2是堆芯组件的布置示意图。
[0026]图3是图2中燃料组件结构的横截面示意图。
[0027]图4是图2沿A
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A处轴向示意图。
[0028]上述附图中：1：燃料区；2：径向反射层；3：径向屏蔽层；4：燃料组件；5：辐照孔道；
6：控制棒组件；7：安全棒组件；8：内反射层组件；9：外反射层组件；10：屏蔽层组件；11：菱形组件壁；12：燃料组件内冷却剂通道；13：燃料包壳；14：板状燃料芯块；15：燃料组件外冷却剂通道；16：反射层上下封头；17：屏蔽层上下封头。
具体实施方式
[0029]本专利技术提供了一种具有超高通量的铅铋冷却快中子研究堆堆芯结构，现结合附图，以堆芯功率200MW，使用高富集度铀锆合金燃料，堆芯最大通量达到1.01
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n/cm2s的超高通量堆堆芯为例，对本专利技术作进一步详细说明。
[0030]如图1所示，一种具有超高通量的铅铋冷却快中子研究堆堆芯结构，该堆芯径向由燃料区1、径向反射层2及径向屏蔽层3组成。
[0031]如图2所示，所述具有超高通量的铅铋冷却快中子研究堆堆芯结构，燃料区1包括燃料组件4、辐照孔道5、控制棒组件6和安全棒组件7；四类组件采用6圈正六边形密铺布置，且最外圈的六个角布置6个内反射层组件8，属于径向反射层2的区域，故燃料区1共有8本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种具有超高通量的铅铋冷却快中子研究堆堆芯结构，其特征在于：该堆芯径向由燃料区(1)、径向反射层(2)及径向屏蔽层(3)组成；该堆芯在轴向上沿水平中平面对称，燃料区(1)的上下部分为冷却剂通道(15)，径向反射层(2)的上下部分为反射层上下封头(16)，径向屏蔽层(3)的上下部分为屏蔽层上下封头(17)；所述燃料区(1)包括燃料组件(4)、辐照孔道(5)、控制棒组件(6)和安全棒组件(7)；四类组件采用6圈正六边形密铺布置，且最外圈的六个角布置6个辐照孔道(5)或布置6个内反射层组件(8)，属于径向反射层(2)的区域，故燃料区(1)共有85个组件；燃料区(1)内6圈均布置有燃料组件(4)；辐照孔道(5)在第三圈的六个角和第五圈两两相间的三个角替换掉燃料组件(4)，因此辐照孔道(5)共9个或15个；控制棒组件(6)在第五圈的中边位置替换掉燃料组件(4)，因此控制棒组件(6)共6个；安全棒组件(7)在第五圈剩余的三个角替换掉燃料组件(4)，因此安全棒组件共3个；所述燃料组件(4)以组件内中心点和三个相间的角的连线为界形成一个“Y”字型，将燃料组件(4)三等分为三个完全相同的菱形结构；在每个菱形结构内部，都有菱形组件壁(11)，多个燃料组件内冷却剂通道(12)和燃料板互相平行并按照固定间距交替排列，燃料板又由外部的燃料包壳(13)和内部的板状燃料芯块(14)组成；这三个菱形结构仅在角度上有所不同，将其中一个菱形结构沿燃料组件内中心点顺时针或者逆时针旋转120
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，得到另外两个菱形结构，所以燃料组件(4)是呈“Y”型，并且对于组件内中心点1/3旋转对称的；燃料芯块(14)使用的燃料为Zr质量含量10％的铀锆合金燃料，U235富集度90％；所述堆芯结构功率为200MW，在该功率水平下...

【专利技术属性】
技术研发人员：郑友琦，赵克凡，曹良志，杜夏楠，吴宏春，王永平，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：