一种先进聚合物可燃毒物慢化兆瓦级热管反应堆堆芯

技术领域

本发明涉及热管反应堆堆芯技术领域，具体地，涉及一种先进聚合物可燃毒物慢化兆瓦级热管反应堆堆芯。

背景技术

热管反应堆是指反应堆一回路不采用冷却剂回路布置，而采用热管将堆芯热量导出的反应堆。热管反应堆堆芯接近固态，一回路没有流动系统，也不需要泵、阀等流动辅助系统，相比传统布置具有更为简单的一回路设计，其整体的尺寸与重量显著减小，具有良好的运输特性；同时，热管堆利用热管的非能动特性从堆芯导出热量，各个热管独立运行，具有良好的固有安全性。因此，热管堆被认为是空间动力、深海探测、陆基偏远地区机动电源的理想能源选择。

兆瓦级热管堆一般被应用于偏远地区、军事基地等的供电，同时需要满足陆地核电源的核不扩散要求，典型的兆瓦级反应堆有美国洛斯阿拉莫斯国家实验室(LANL)提出的MegaPower热管堆，该方案采用快中子能谱，燃料使用19.75％富集度二氧化铀燃料，堆芯输出热功率为5MW。

陆地核不扩散要求使用低富集度的铀燃料，因此地表用热管反应堆堆芯体积与质量较大，而功率密度较低。现有热管堆大多采用快中子能谱，在快中子能谱中物质有效裂变截面更低，进而显著增加所需燃料装量，在寿期末燃料以低燃耗深度卸出，经济性较差。堆芯体积和重量的大量增加会降低兆瓦级热管堆作为陆基机动核电源的机动性与可运输性。铀-235在热中子区的裂变截面较高，因此引入慢化剂将中子能谱慢化至热中子区甚至超热中子区，可以提高低富集度铀燃料的裂变率从而提高功率密度，进而减小堆芯体积与燃料装量。但慢化剂的引入也会导致较大的燃耗反应性损失，显著提高寿期初堆芯剩余反应性，为堆芯安全带来风险。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种先进聚合物可燃毒物慢化兆瓦级热管反应堆堆芯，采用PACS可燃毒物棒同时作为慢化剂和可燃毒物，达到减少燃料装量、提升燃料功率密度的目的，同时减弱慢化导致的燃耗反应性损失增大影响，提升堆芯安全性。

本发明提供了一种先进聚合物可燃毒物慢化兆瓦级热管反应堆堆芯，所述先进聚合物可燃毒物慢化兆瓦级热管反应堆堆芯包括堆芯活性区、设于所述堆芯活性区外的反射层、及设于反射层外的屏蔽层；所述堆芯活性区呈1/6对称结构，每个1/6堆芯活性区包括一个基体，每个1/6堆芯活性区还包括容纳于所述基体中的至少一根燃料棒、至少一根热管及至少一根PACS可燃毒物棒；

所述PACS可燃毒物棒作为慢化剂和/或可燃毒物；

所述PACS可燃毒物棒由化学结构式为[(B

在本发明的一实施方式中，每根所述热管外侧延其周向均匀设置有六根管件，所述六根管件为依次交替设置的所述燃料棒、所述PACS可燃毒物棒。交替设置燃料棒、可燃毒物棒，使每根燃料棒附近的中子均能得到有效慢化，有利于展平堆芯内的功率分布，防止堆芯内出现过高功率峰。

在本发明的一实施方式中，所述PACS可燃毒物棒外部不含包壳，半径为7.06mm，高度为1500mm。

在本发明的一实施方式中，每一所述先进聚合物可燃毒物慢化兆瓦级热管反应堆堆芯中包含1104根所述PACS可燃毒物棒。

在本发明的一实施方式中，每一所述先进聚合物可燃毒物慢化兆瓦级热管反应堆堆芯中包含1008根燃料棒。在满足燃料棒、可燃毒物棒交替布置的前提下，燃料棒根数达到使堆芯能够临界同时有足够的剩余反应性时所布置的PACS可燃毒物棒数量。

在本发明的一实施方式中，所述燃料棒为固态二氧化铀。

在本发明的一实施方式中，所述反射层中沿圆周方向均匀设置有若干个控制鼓；所述反射层为氧化铝反射层。

在本发明的一实施方式中，所述屏蔽层包括设于所述反射层外的内侧不锈钢屏蔽层、设于所述不锈钢屏蔽层外的碳化硼屏蔽层、设于所述碳化硼屏蔽层外的氮气层、设于所述氮气层外的铅屏蔽层、设于所述铅屏蔽层外的外侧不锈钢屏蔽层。

在本发明的一实施方式中，所述热管为高温钾热管。

在本发明的一实施方式中，所述基体为不锈钢基体。

与现有技术相比，本发明的实施例具有如下的有益效果：

1、本发明实施例提供的先进聚合物可燃毒物(PACS)慢化兆瓦级热管反应堆堆芯设计，采用热中子能谱，有利于达到减少燃料装量、提升燃料功率密度的目的。

2、本发明实施例提供的热管反应堆堆芯在热中子谱下具有较低的寿期初剩余反应性和较低的燃耗反应性损失，堆芯安全性提高。反应堆采用PACS可燃毒物棒同时作为慢化剂和可燃毒物，由于能谱慢化会导致燃耗反应性损失增大，堆芯寿期初剩余反应性增大，PACS可燃毒物棒可在实现慢化作用的同时，减弱慢化带来的负面效应，使燃耗反应性损失和寿期初剩余反应性控制在可接受范围内，提升堆芯安全性。

3、本发明实施例提供的热管反应堆堆芯温度较高，热电转换效率高，同时具有较高的温度裕量，满足热工安全要求。堆芯采用的PACS可燃毒物棒具有良好的耐热、抗高温特性，可承受温度达1000℃的热稳定性，能够在实现慢化和可燃毒物作用的同时适配热管堆较高堆芯温度的特性。

4、本发明实施例提供的热管反应堆无需在堆芯内加载额外可燃毒物，堆芯设计简化；PACS可燃毒物棒同时作为慢化剂和可燃毒物，简化了堆芯设计。

当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明实施例提供的先进聚合物可燃毒物慢化兆瓦级热管反应堆堆芯的结构示意图；

图2为不加载慢化剂、加载氢化锆慢化剂、加载PACS可燃毒物棒时堆芯反应性随时间的变化图。

各标记与部件名称对应关系如下：高温钾热管1、二氧化铀燃料棒2、PACS可燃毒物棒3、不锈钢基体4、最外侧不锈钢屏蔽层5、铅屏蔽层6、氦气层7、碳化硼屏蔽层8、内侧不锈钢屏蔽层9、控制鼓10、氧化铝反射层11。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

实施例1

如图1所示，本实施例中所提供的先进聚合物可燃毒物慢化兆瓦级热管反应堆堆芯包括堆芯活性区、设于堆芯活性区外的反射层11、及设于反射层11外的屏蔽层；堆芯活性区呈1/6对称结构，每个1/6堆芯活性区包括一个基体，每个1/6堆芯活性区还包括容纳于基体4中的至少一根燃料棒2、至少一根热管1及至少一根PACS可燃毒物棒3。

PACS可燃毒物棒3布置方式为如图1所示的从堆芯由内至外与燃料棒2每一环交替布置，同时作为慢化剂和可燃毒物，不含包壳，其半径为7.06mm，高度为1500mm。

所述的PACS可燃毒物棒3，其化学结构式为[(B

具体地，每根所述热管外侧延其周向均匀设置有六根管件，所述六根管件为依次交替设置的所述燃料棒2、所述PACS可燃毒物棒3。

其中，每一所述先进聚合物可燃毒物慢化兆瓦级热管反应堆堆芯中包含1104根所述PACS可燃毒物棒。

其中，所述燃料棒外部不含包壳，半径为7.06mm，高度为1500mm，燃料棒的材料为固态二氧化铀。

其中，每一所述先进聚合物可燃毒物慢化兆瓦级热管反应堆堆芯中包含1008根燃料其中，所述反射层11中沿圆周方向均匀设置有若干个控制鼓10；所述反射层11为氧化铝反射层。

其中，所述屏蔽层包括设于所述反射层外的内侧不锈钢屏蔽层9、设于所述不锈钢屏蔽层9外的碳化硼屏蔽层8、设于所述碳化硼屏蔽层8外的氮气层7、设于所述氮气层7外的铅屏蔽层6、设于所述铅屏蔽层6外的外侧不锈钢屏蔽层5；

本实施例中的所述热管1为高温钾热管。

本实施例中的所述基体4为不锈钢基体。

为了具体说明加载PACS可燃毒物棒的燃耗特性，本实施例中还对比计算了不加载慢化剂和加载氢化锆慢化剂的反应性随时间变化曲线，不加载慢化剂和加载氢化锆慢化剂的热管反应堆堆芯结构与本实施例的先进聚合物可燃毒物慢化兆瓦级热管反应堆堆芯结构相同，材料组成上的区别在于在PACS可燃毒物棒布置的位置将PACS可燃毒物棒分别替换为二氧化铀燃料棒和氢锆比为1.4的氢化锆棒。

本实施例中PACS可燃毒物棒中

表1反应性曲线模拟数据

不加载慢化剂时堆芯能谱为快谱，其寿期内燃耗反应性损失较低，仅为-830pcm；但其燃料装量增大，功率密度偏低。加载氢化锆慢化剂可有效减少燃料装量，增大功率密度，但其寿期初剩余反应性和燃耗反应性损失明显增大，燃耗反应性损失达到-4052pcm，影响堆芯安全性。而加载PACS可燃毒物棒的堆芯在实现慢化效果的同时，燃耗反应性损失为-2022pcm，在不加载额外可燃毒物的情况下减弱了慢化带来的负面效应。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。