[發明專利]高快中子注量率堆芯

有效

• 申請號: 201210182828.4
• 申請日: 2012-06-06
• 公開（公告）號: CN103474097A
• 公開（公告）日: 2013-12-25
• 發明（設計）人: 王連杰;黃世恩;魏彥琴;夏榜樣;于穎銳;李慶
• 申請（專利權）人: 中國核動力研究設計院
• 主分類號: G21C5/00
• 分類號: G21C5/00;G21C5/02
• 代理公司: 核工業專利中心 11007
• 代理人: 高尚梅

技術領域

本發明屬于核反應堆設計技術領域，具體涉及一種高快中子注量率堆芯。

背景技術

核動力工程的發展離不開核反應堆，而核反應堆的發展離不開試驗堆。試驗堆對各種反應堆堆型的開發有非常重要的作用。現代試驗堆的發展趨勢是具有高的熱中子或快中子注量率，數目多的實驗孔道，包括一定數量的大尺寸孔道。先進試驗堆設計追求的一個重要目標是高的快中子注量率。堆內快中子注量率越高，材料輻照試驗所需要的時間就越短。例如，聚變反應堆是未來最有希望的能源之一，它所用的材料需要很強的耐輻照性能，要求達到150dpa/a的輻照劑量。要在盡可能短的時間內完成材料的輻照試驗，需要具備擁有高快中子注量率試驗孔道的工程試驗堆。

高快中子注量率試驗堆需要燃料元件有高裂變密度，一般不采用圓棒形燃料元件，通常采用板型、套管形或漸開線形燃料元件。計劃建造的歐洲先進試驗堆JHR堆，采用U₃Si₂-Al圓柱形燃料和雛菊型柵格排列方式，芯體鈾密度為4.8gU/cm³，U-235富集度為27％，其富集度水平高于國際核行業通用規定限制的試驗堆燃料富集度上限20%。JHR采用“十字麻花型燃料針”，在一個柵元中布置90個燃料針，中心有直徑32mm孔道，放置考驗件。“十字麻花型燃料針”組件內的功率密度相當高，而其傳熱能力很差，因此“十字麻花型燃料針”用鋯或不銹鋼做包殼，堆芯要高壓、高流速才能導出熱量。JHR堆設計功率為100MW，活性段高度60cm，燃料元件冷卻劑流速18m/s。在使用高于國際通用限值的27％富集度U-235的前提條件下，其燃料組件中孔最大快中子注量率通量目標為5×10¹⁴n/cm²/s?(E＞0.907MeV)。

國際核行業通用規定限制試驗堆燃料中U-235富集度不超過20％，另外，國內燃料制造水平要求U₃Si₂-Al燃料芯體鈾密度不高于4.0gU/cm³才能較好地保證芯體內鈾的均勻性，國內成熟的套管型燃料組件內冷卻劑流速所允許的設計上限值為12m/s。相比于JHR堆，較低的U-235富集度、燃料芯體鈾密度以及冷卻劑流速限制了國內試驗堆的堆芯功率密度和中子注量率水平。因此，基于國際限制的U-235富集度水平和國內的燃料芯體制造及冷卻劑流速設計水平，需要提出合理的堆芯布置，獲得高快中子注量率堆芯，以提高試驗堆的材料輻照能力。

發明內容

本發明的目的在于基于國際限制的U-235富集度水平和國內的燃料芯體制造及冷卻劑流速設計水平，在保證安全及結構可行的前提下，提供一種高快中子注量率堆芯，以獲得較高的輻照孔道內快中子注量率水平。

為達到上述目的，本發明所采取的技術方案為：

一種高快中子注量率堆芯，該堆芯包括燃料組件、控制棒組件和鈹組件；燃料組件為六邊形套管型燃料組件，若干個燃料組件呈環形緊湊布置，最內層環上有6個燃料組件，在其環形區域的中心處形成快中子阱；緊挨燃料組件環形區域的外側布置有若干個六邊形鈹組件，形成倒中子阱；若干根控制棒組件按兩行兩列呈“井”字型間隔布置在燃料組件之間。

所述燃料組件為七層燃料組件，42個七層燃料組件呈環形緊湊布置，最內層環上有6個七層燃料組件。

所述燃料組件包括七層燃料組件和四層燃料組件，39個七層燃料組件和3個四層燃料組件呈環形緊湊布置，最內層環上間隔布置有3個七層燃料組件和3個四層燃料組件。

所述快中子阱中布置有1個小輻照孔道。

所述倒中子阱中布置有若干個大輻照孔道、中輻照孔道和小輻照孔道。

所述快中子阱中布置有1個小輻照孔道，其直徑為69mm，倒中子阱中布置2個大輻照孔道，其直徑為260mm、4個中輻照孔道，其直徑為150mm、2個小輻照孔道，其直徑為69mm。

所述七層燃料組件包括鋁包殼、7層燃料套管、冷卻劑水、擠水芯軸；每層燃料套管由筒狀燃料芯體和燃料包殼組成，燃料芯體的厚度為0.6mm，最外層燃料套管外圍套有六邊形鋁包殼，最內層燃料套管的中心填充有擠水芯軸，擠水芯軸為鋁棒；鋁包殼、各層燃料套管和擠水芯軸之間填充有冷卻劑水。