蜂窝煤型燃料组件及小型车载长寿命铅铋冷却快堆堆芯

摘要

蜂窝煤型燃料组件及小型车载长寿命铅铋冷却快堆堆芯，堆芯设计功率20MW，寿期20年，可实现车载运行，作为偏远地区军事或民用供电；该蜂窝煤型燃料组件由上下贯通的冷却剂通道管、通道管外壁铅铋涂层、燃料区、上下反射层、燃料上部空腔、上下封头组成；共有冷却剂通道半径不同的三种蜂窝型燃料组件；反射层组件、屏蔽层组件均采用蜂窝型结构；控制组件以及安全组件采用创新型液体吸收材料控制；基于对堆芯参数的计算研究，优化堆芯，并对堆芯中子学和热工水力进行评价分析；设计目标堆芯18年满功率运行，负荷因子0.9，堆芯体积重量满足车载运输限制，在堆芯寿期运行过程满足堆芯热工设计限值以及安全性要求。

说明书

技术领域

本发明属于核反应堆工程技术领域，具体涉及蜂窝煤型燃料组件及采用蜂窝煤型燃料组件的小型车载长寿命铅铋冷却快堆堆芯。

背景技术

根据国家核实验室(NNL)进行的全球市场评估研究，小型模块化反应堆(SMRs)具有非常大的市场潜力，如果经济效益可观，到2035年，小型模块化堆的市场竞争规模估计约为65-85GWe。SMR的特点包括较低的投资建造成本，适合小型电网，减少基础设施和员工需求，可根据需要增加容量，以及非电力应用(饮用水生产，区域供热或制氢等)。近年来国际上已经提出基于加压水反应堆(PWR)，沸水反应堆(BWR)，液态金属冷却快堆(LMFR)，气冷快堆(GFR)和熔盐反应堆的各种SMR设计概念技术。液态金属冷却快堆(LMFR)相比于其他概念技术因为冷却剂常压下运行以及燃料和堆芯构件负的膨胀反应性反馈而具有更强的安全性和经济性。国际上提出了多个液态金属冷却快堆堆芯概念，包括日本东芝公司和中央电力工业研究所共同开发的设计功率为30MW，寿期为30年的4S(Super-Safe，Small and Simple)钠冷快堆；美国提出的一些列STAR(Secure Transportable Autonomous Reactor)模块化快中子堆，2011年，阿贡国家实验室(ANL)开发改进名为SUPERSTAR的300MWth STAR铅冷冷却池式小型模块化快堆。SUPERSTAR采用15年长寿命堆芯，一次冷却剂系统采用100％自然循环和S-CO2布雷顿循环功率转换器；俄罗斯物理与动力工程研究所基于核潜艇反应堆的开发技术，提出SVBR-100堆芯设计概念。SVBR-100是一台280MWth的铅铋冷却的小型模块化快堆，不换料运行8年。对比分析提出的多种堆芯概念可以看出SMRs大多设计为长寿命堆芯，运行寿期内不换料，铅/铅铋因惰性化学性质、强的热传导性、有自然循环能力等特点，被作为主要的SMRs的冷却剂。

发明内容

本发明提供了蜂窝煤型燃料组件及小型车载长寿命铅铋冷却快堆堆芯，堆芯热功率20MW，连续不换料满功率运行18年，可车载成为一个可以远距离无障碍运输的移动电力生产设备，用途为偏远地区人口10000左右的供电或者军事特定武器持续供电等。该堆芯具有堆芯体积小、重量轻、可实现车载、长寿命、安全性高的特点。

为了实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

一种蜂窝煤型燃料组件，所述燃料组件包括结构相同但直径不同的三种组件，其截面呈六边形；结构包括组件壁1，组件壁1内沿轴向均匀排布的冷却剂通道2，组件壁1内、冷却剂通道外的区域沿轴向包括：中部的燃料区3，燃料区3上部的燃料上部气腔4，燃料上部气腔4上部的上反射层5-1，燃料区3下部的下反射层5-2，上反射层5-1上部的上封头6-1，下反射层5-2下部的下封头6-2。

燃料区的冷却剂通道由燃料区冷却剂通道7、燃料区冷却剂通道壁8及燃料区冷却剂通道壁面与燃料区之间的LBE包层9组成，燃料区冷却剂通道上下贯通。

所述冷却剂通道2的数量为37个。

所述燃料区3材料采用富集度为19.75％的UO2；所述燃料上部气腔4内充有氦气；所述上反射层5-1和下反射层5-2材料为MgO；所述上封头6-1和下封头6-2材料为T91不锈钢。

一种小型车载长寿命铅铋冷却快堆堆芯，堆芯布置了内燃料区燃料组件10、中间燃料区燃料组件11、外燃料区燃料组件12、控制组件13、安全组件14、反射层组件15以及屏蔽层组件16；其特征在于，所述内燃料区燃料组件10、中间燃料区燃料组件11和外燃料区燃料组件12即采用所述的蜂窝煤型燃料组件，结构相同但直径不同的三种燃料组件，内燃料区燃料组件10冷却剂通道最大、中间燃料区燃料组件11冷却剂通道次之、外燃料区燃料组件12冷却剂通道最小，分区布置，能够展平堆芯的组件功率；所述堆芯三角形布置各类组件，堆芯最中间第1圈与第2圈共布置7个内燃料区燃料组件10；第3圈均匀相间布置6个中间燃料区燃料组件11和6个控制组件13；第4圈布置18个中间燃料区燃料组件11；第5圈六角形的六个角的位置中，相间布置3个控制组件13和3个安全组件14，控制组件13与安全组件14位置呈两个正三角形分布；第5圈除六个角位置，其余均布置外燃料区燃料组件12；第6圈六个角位置布置6个反射层组件15，其余布置外燃料区燃料组件12；第7圈布置36个反射层组件15；第8圈六个角位置布置屏蔽层组件16，其余位置布置反射层组件15；第9圈六个角位置不布置组件，其余位置共布置42个屏蔽层组件16。

所述屏蔽层组件16与反射层组件15结构相同，截面呈六边形；结构包括屏蔽层或反射层组件壁17，屏蔽层或反射层冷却剂通道18，冷却剂通道外填充反射层19；轴向包括反射层19和位于反射层19上下部的上下封头20。

所述控制组件13为液体控制组件，结构包括控制组件壁21、滞留区22、填充区23、六角形环柱活塞24、压入/吸出密封塞25、T91包层26、反射区27、空腔28、控制组件冷却剂通道29和圆柱形通道30；控制组件壁21为正六角形结构，包裹在组件外侧；冷却剂通道29为上下贯通的六角形环柱；空腔28位于组件上部中心位置，为六棱柱结构，由T91包层26封闭；滞留区22位于组件上部外侧位置，在冷却剂通道29与组件壁21之间，呈六角形环柱形状；填充区23位于组件下部外侧，为六角形环柱结构，在组件壁21与反射区27之间，中间部位设置由填充区23过渡至空腔位置的环柱形通道，轴向与活性区高度一致；反射区27填充其余组件空间；滞留区22上部有六角形环柱的压入/吸出密封塞25；滞留区22与填充区23接触面有六角形环柱活塞24，隔离Li6与Li7材料；滞留区22与填充区23由12根液体吸收材料圆柱形通道30贯通连接，圆柱形通道30布置在组件活性区高度下方。

所述控制组件13的液体吸收材料采用具有较大快中子吸收截面的Li6材料；所述填充区23液体填充材料采用Li7材料；安全组件14与控制组件13具有相同的结构。

所述堆芯内放置的各种组件之间留有冷却剂间隙，所述冷却剂采用LBE材料，堆芯常压运行，出口温度为500℃。

所述堆芯等效直径为100.24cm，堆芯高度为150cm。

本发明和现有技术相比，具有如下优点：

1、本发明采用蜂窝煤型燃料组件，冷却剂通道上下贯通，上下设计封头，燃料、反射层、气腔被完全封闭，与传统组件相比，取消以往燃料棒棒状结构，调换了冷却剂与燃料的位置，形成一个结构紧凑完整的燃料组件。此蜂窝煤型燃料组件增加了组件燃料体积占比，降低堆芯铅铋冷却剂含量，有效减小堆芯体积和堆芯重量。

2、冷却剂通道外侧与燃料之间设计LBE包层，当堆芯运行，燃料径向膨胀时，高于熔点的LBE可被挤压指燃料上方的空腔内，可有效解决燃料径向膨胀对冷却剂通道管的挤压问题以及优化冷却剂带走燃料区热量的能力。

3、燃料上方设置空腔，收集由于裂变产生的裂变气体以及处理燃料轴向膨胀的空间延伸问题。

4、燃料区布置三种冷却剂通道直径不同的燃料组件，可有效展平功率。

5、反射层采用反射性能好且密度较小的MgO，可有效增强中子经济性和减小堆芯质量。

6、堆芯控制系统和安全系统采用创新型液体控制组件，在控制堆芯，保证安全性的基础上，有效降低堆芯的高度。

7、堆芯整个寿期，热工限值设定为燃料中心温度≤2000℃，冷却剂通道表面最高温度≤500℃，冷却剂最大流速≤1m/s，降低了在高温下LBE材料的腐蚀作用。

本发明有效减小了堆芯体积和质量，可实现车载运行，堆芯长寿命运行不换料，运行寿期内功率分布均匀，满足热工限值，堆芯冷却剂密度系数、温度系数、轴向膨胀和径向膨胀系数均为负值，具有被动安全特性。

附图说明

图1是蜂窝煤型组件空隙部分轴向分层示意图。

图2是图1沿A-A处横截面示意图。

图3是冷却剂通道横截面示意图。

图4是堆芯横截面示意图。

图5是反射层/屏蔽层组件横截面示意图。

图6是反射层/屏蔽层组件空隙部分轴向分层示意图。

图7是控制组件横截面示意图。

图8是控制组件B-B活性区高度横截面示意图。

图9是控制组件C-C连通区横截面示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明结构进行详细说明。

如图2所示，本发明蜂窝煤型燃料组件，该组件截面呈六边形，组件由组件壁1、冷却剂通道2以及燃料区3组成，组件中均匀分布37个冷却剂通道，三种组件的冷却剂通道直径不同，；经过优化计算，堆芯组件对边距10.0068cm，组件壁厚0.2cm，冷却剂通道半径0.258/0.288/0.328cm，冷却剂通道壁厚0.1cm，LBE包层厚0.1cm。堆芯布置此燃料组件能够满足最大燃料中心温度≤2000℃，最大冷却剂通道壁面温度≤500℃，冷却剂通道LBE最大流速1m/s的热工限值。

如图2所示，组件壁1内、冷却剂通道外的区域沿轴向包括：中部的燃料区3，燃料区3上部的燃料上部气腔4，燃料上部气腔4上部的上反射层5-1，燃料区3下部的下反射层5-2，上反射层5-1上部的上封头6-1，下反射层5-2下部的下封头6-2。上封头6-1和下封头6-2高度为5cm，上反射层5-1和下反射层5-2高度20cm，燃料区3高度85cm，燃料上部气腔4高度经过经验计算公式计算确定取15cm；整个燃料组件高度150cm。

如图3所示，燃料区的冷却剂通道由燃料区冷却剂通道7、燃料区冷却剂通道壁8及燃料区冷却剂通道壁面与燃料区之间的LBE包层9组成，燃料区冷却剂通道上下贯通。燃料区冷却剂通道外侧与燃料区之间设计LBE包层，当堆芯运行，燃料径向膨胀时，高于熔点的LBE可被挤压指燃料上方的空腔内，可有效解决燃料径向膨胀对燃料区冷却剂通道管的挤压问题以及优化冷却剂带走燃料区热量的能力。

作为本发明的优选实施方式，燃料区3采用富集度为19.75％的UO2。

作为本发明的优选实施方式，燃料上部气腔4内充有氦气。

优选上反射层5-1和下反射层5-2材料相比其他反射材料密度较低的MgO，有效降低了堆芯整体重量。

上封头6-1和下封头6-2为T91不锈钢材料。

如图4所示，采用蜂窝煤型燃料组件的小型车载长寿命铅铋冷却快堆堆芯，堆芯布置了内燃料区组件10、中间燃料区组件11、外燃料区组件12、控制组件13、安全组件14、反射层组件15以及屏蔽层组件16。内燃料区燃料组件10冷却剂通道最大、中间燃料区燃料组件11冷却剂通道次之、外燃料区燃料组件12冷却剂通道最小；堆芯三角形布置各类组件，堆芯燃料区内由内向外布置3种冷却剂通道直径不同的燃料组件，经过计算有效展平堆芯径向功率分布；堆芯等效直径100.24cm；计算堆芯寿期可以不换料连续满功率运行18年。

如图5所示，堆芯的反射层组件15和屏蔽层组件16结构相同，截面呈六边形；结构包括屏蔽层或反射层组件壁17，屏蔽层或反射层冷却剂通道18，冷却剂通道外填充反射层19；轴向包括反射层19和位于反射层19上下部的上下封头20。屏蔽层或反射层组件壁17厚0.2cm，屏蔽层或反射层冷却剂通道18半径0.3343cm，冷却剂通道壁厚0.1cm，反射层组件15和屏蔽层组件16内均匀布置19个冷却通道；如图6所示，冷却剂通道外填充反射层19；轴向反射层19高度为140cm，上下封头20高度为5cm。反射层组件15和屏蔽层组件16采用蜂窝煤型可在不增加组件体积的基础上，有效增强中子反射/屏蔽效果。

如图7所示，所述控制组件13为液体控制组件，设计控制组件壁21厚度为0.3cm，滞留区22和填充区23高度与燃料活性区高度相同为85cm，Li6与Li7之间设计六角形环柱活塞24，在组件上方设计压入/吸出密封塞25，T91包层26厚度均为0.1cm，整个组件设计多个反射区27，增强堆芯的中子经济性，空腔28高度为49cm，上下贯通的控制组件冷却剂通道29厚度0.2cm，滞留区22与填充区23由12根液体吸收材料圆柱形通道30贯通连接。液体吸收材料采用具有较大快中子吸收截面的Li6材料；液体填充材料采用Li7材料。如图8所示，为未插棒状态下控制组件13在图7B-B处的横截面示意图，当压入/吸出密封塞25将组件上部的Li6材料由滞留区22压入填充区23，Li7材料通过如图9所示的圆柱形通道30被压入位于组件中间位置的滞留区22，空腔28中容纳滞留被压上来的材料，在活性区高度上组件外侧填充了吸收材料，达到吸收中子、控制堆芯调节堆芯功率的功能。安全组件14与控制组件13具有相同的结构与材料。

本发明提供了蜂窝煤型燃料组件及小型车载长寿命铅铋冷却快堆堆芯，堆芯热功率20MW，连续不换料满功率运行18年，可车载成为一个可以远距离无障碍运输的移动电力生产设备，用途为偏远地区人口10000左右的供电或者军事特定武器持续供电等。堆芯采用蜂窝煤型燃料组件，分三区布置三种燃料组件，采用蜂窝煤型反射层和屏蔽层组件，控制系统和安全系统采用液体控制组件设计，有效降低堆芯的等效直径和堆芯高度，堆芯在运行寿期内满足热工限值，控制系统和安全系统满足堆芯控制要求，该堆芯具有堆芯体积小、重量轻、可实现车载、长寿命、安全性高的特点。