一种用于小型无可溶硼压水堆的堆芯装置的制作方法

1.本发明涉及核反应堆技术领域，具体为一种用于小型无可溶硼压水堆的堆芯装置。


背景技术：

2.堆芯是反应堆中发生核反应、产生能量的区域；压水型反应堆堆芯由一定数量的燃料组件和相关组件组成；燃料组件具有一定的剩余反应性，根据核设计需要，布置在特定的堆芯位置，以实现寿期目标长度；燃料组件内可装载一定数量的固体可燃毒物，联合放置在燃料组件导向管位置的控制棒组件、冷却剂中的可溶硼控制堆芯剩余反应性和功率分布，以满足反应堆安全要求与实现运行要求；燃料组件的导向管内根据要求放置可燃毒物组件、控制棒组件、中子源组件或阻力塞等相关组件；燃料组件的仪表管内根据要求放置堆芯中子探测器、热电偶等测量仪表；
3.传统压水堆中，冷却剂中的可溶硼、固体可燃毒物以及控制棒联合控制堆芯反应性及功率分布；冷态至热态零功率的等温温度亏损效应、热态零功率至满功率的氙毒效应，以及一部分的燃耗后备反应性主要由冷却剂中的可溶硼控制；另一部分的燃耗后备反应堆主要由可燃毒物控制；热态零功率至满功率的功率亏损效应、热停堆裕量由控制棒控制；在此情况下，堆芯中布置控制棒的燃料组件盒数比例为30％～50％，离散型可燃毒物组件、堆芯中子探测器、中子源组件等根据堆芯设计被安装到选定的非控制棒位置燃料组件；
4.传统压水堆冷却剂中大量可溶硼的应用一方面对压力容器、螺栓以及其他关键设备带来腐蚀，另一方面也是压水堆放射性废物的主要来源；已有的压水堆运行控制模式发展的重要目的是尽量减少硼酸的使用量，以降低含硼废水的产生量；但是，这种收益主要体现在功率调节，特别是负荷跟踪过程中，而在反应堆启动和循环运行过程内仍需进行大量的除硼操作；
5.如果取消可溶硼，则可彻底省去调硼操作，简化压水堆运行和维护，大大降低放射性废物体积和处理水需求量，为实现放射性废液零排放创造有利条件，提高环境友好性；同时消除硼酸对一回路系统和设备的腐蚀效应，降低相关维护成本；并使得堆芯在整个循环寿期内都保持较负的慢化剂温度系数，增强固有安全性；因此，取消可溶硼设计是先进小型压水堆运行控制技术的重要发展方向；
6.取消可溶硼后，压水堆的反应性控制完全依赖于控制棒与固体可燃毒物；特别地，运行过程中可调的反应性控制手段只有控制棒，这对反应性及功率分布的控制、安全性与灵活性的平衡提出了很大挑战；反应堆从冷态至热态的等温温度反应性亏损、从零功率到满功率的功率亏损、氙毒反应性效应必须由控制棒进行补偿，控制棒需具备很高的反应性控制能力；堆芯中大量固体可燃毒物与控制棒的使用，对堆芯功率分布扰动增大，燃料的设计布置需与可燃毒物、控制棒的设计布置密切耦合；大量控制棒的使用限制了可燃毒物组件、中子源组件、堆芯仪表组件的布置；
7.因此，为满足小型无可溶硼压水堆的设计目标和要求，特别需要一种先进的无可
溶硼压水堆堆芯装置，实现燃料棒、控制棒、可燃毒物、中子源、中子探测器的协调设计与布置，满足堆芯寿期、反应性控制、安全停堆、功率展平、中子通量分布监测、反应堆启动监测等要求，解决上述综合性问题。


技术实现要素：

8.本发明的目的在于提供一种用于小型无可溶硼压水堆的堆芯装置，以解决上述背景技术中提出的燃料棒、控制棒、可燃毒物、中子源、中子探测器协调设计与布置的问题。
9.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
10.一种用于小型无可溶硼压水堆的堆芯装置，包括燃料组件、可燃毒物、控制棒、堆芯中子探测器、中子源等，所述堆芯装置采用n盒17
×
17正方形排列的燃料组件组成，所述n的范围为21、37、57、69、89、97、121，所述燃料组件包含264根标准燃料棒、1根中心管栅元和24根导向管栅元，所述标准燃料棒可替换为整体型可燃毒物棒，所述堆芯外侧设置有堆芯径向反射层，所述燃料组件内均布置有控制棒组件，控制棒组件按形式分为两种，一种是包含24根控制棒元件的控制棒组件(i型控制棒组件)，另一种是包含20根控制棒元件的控制棒组件(ii型控制棒组件)，所述堆芯装置中有两种或两种以上控制棒中子吸收体。
11.优选的，所述非导向管、中心管栅元位置通过离散型可燃毒物棒或整体型可燃毒物棒的形式布置有可燃毒物。
12.优选的，所述部分ii型控制棒组件对应对角线最外围的一根导向管中布置有堆芯中子探测器。
13.优选的，所述燃料组件中心的导向管或部分ii型控制棒组件对应燃料组件最外围的一根导向管中均布置有初级中子源栅元，所述部分ii型控制棒组件对应的燃料组件最外围的四根导向管和一根中心管中均布置有次级中子源栅元。
14.优选的，所述堆芯径向最外围设置有铁水反射层，所述铁水反射层平均厚度为18～25cm，所述铁水反射层中的不锈钢的体积占比为70％～95％。
15.优选的，所述压水堆堆芯装置中所有控制棒组件按功能分为三类：第一类为停堆控制棒；第二类为反应性补偿棒；第三类为功率分布控制棒。
16.优选的，所述停堆控制棒组件，用于停堆反应性控制。
17.优选的，所述反应性补偿控制棒组件用于堆芯燃耗、启动及功率调节过程中的反应性补偿，按照确定的控制棒移动次序依次提出或插入堆芯，执行反应性补偿或控制功能。
18.优选的，所述功率分布控制棒组件用于平衡第二类控制棒轴向位置变化情况下的反应堆功率分布。
19.优选的，所述堆芯装置采用基于固定式堆芯中子探测器的堆芯在线监测系统，在线监测堆芯功率分布及安全参数。
20.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
21.通过本发明的堆芯装置，可以实现冷却剂中取消可溶硼、完全采用控制棒运行控制代替利用传统方式的化学补偿，进行堆芯反应性和功率分布控制，实现燃料棒、控制棒、可燃毒物、中子源、中子探测器的协调设计与布置，满足长换料寿期、反应性控制、安全停堆、功率展平、中子通量分布监测、反应堆启动监测等要求，实现堆芯安全灵活运行与零硼排放。
附图说明
22.图1为本发明无可溶硼堆芯燃料组件及控制棒布置示意图；
23.图2为本发明可燃毒物棒在燃料组件内布置示意图；
24.图3为本发明i型控制棒元件布置示意图；
25.图4为本发明ii型控制棒元件布置示意图；
26.图5为本发明初级中子源在燃料组件内布置示意图；
27.图6为本发明次级中子源在燃料组件内布置示意图；
28.图7为本发明堆芯中子探测器在燃料组件内布置示意图。
29.图中：1、燃料组件；2、i型功率分布控制棒组件x；3、i型反应性补偿控制棒组件r；4、ii型反应性补偿控制棒组件c；5、ii型停堆控制棒s；6、初级中子源组件ps；7、次级中子源组件ss；8、堆芯中子探测器组件d；9、堆芯径向反射层；10、标准燃料棒；11、离散型可燃毒物棒；12、导向管；13、中心管；14、控制棒元件；15、初级中子源；16、次级中子源；17、堆芯中子探测器。
具体实施方式
30.下面将结合本发明实施例中的附图，以某200mwt热功率等级的小型无可溶硼压水堆堆芯装置对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
31.请参阅图1-7，本发明提供一种技术方案：一种用于200mwt热功率等级的小型无可溶硼压水堆的堆芯装置，由57盒燃料组件1按照特定的方式组成，每盒燃料组件1位置均布置有控制棒组件，用于反应堆运行过程中的反应性与功率分布控制，以及实现安全停堆，控制棒组件按形式分为24根i型控制棒组件和20根ii型控制棒组件，控制棒组件按功能分为功率分布控制棒组件、反应性补偿控制棒组件、停堆控制棒组件，图一中堆芯径向最外围设置有铁水反射层9，有效降低中子泄漏并延长换料周期，铁水反射层平均厚度为25cm，铁水反射层中的不锈钢的体积占比为90％，不锈钢内开若干水洞，用于提供冷却通道；
32.燃料组件1采用17
×
17正方形排列，燃料组件1包含264根标准燃料棒10或整体型可燃毒物棒或离散型可燃毒物棒11、1根中心管13栅元和24根导向管12栅元，可燃毒物通过离散型可燃毒物棒11或整体型可燃毒物棒的形式布置在非导向管、中心管栅元位置，解决离散型可燃毒物棒11与控制棒组件位置冲突的问题；离散型可燃毒物棒11和整体型可燃毒物棒均采用硼的化合物；对于堆芯活性区高度为2m的堆芯，采用富集度为5％以下的uo2陶瓷燃料，根据换料组件盒数的不同，可以实现24个月至48个月的换料周期，并且寿期末反应性惩罚维持在最低水平；
33.i型控制棒组件包含24根控制棒元件14，在燃料组件1中的布置如图3所示，ii型控制棒组件包含20根控制棒元件14，在燃料组件1中的布置如图4所示，在ii型控制棒组件的燃料组件1中，对角线最外围的4个导向管12栅元位置不布置控制棒元件14，根据堆芯设计的需求用于布置中子源或布置堆芯中子探测器17，解决控制棒元件14布置与初级中子源15、次级中子源16和堆芯中子探测器17布置冲突的问题；
34.初级中子源15在燃料组件1中的布置如图5所示，布置在燃料组件1中心管13位置
处，避免影响控制棒组件的布置；
35.堆芯装置中两盒燃料组件1位置处布置了初级中子源15，如图1所示；次级中子源16装载在布置ii型控制棒组件的燃料组件1位置，如图6所示，不影响控制棒组件的上下动作；在反应堆装料和达临界启动过程中，中子源为堆外核探测器提供有效的响应信号，实现临界监督与反应堆保护功能；
36.ii型控制棒组件对应对角线最外围的一根导向管12中布置有堆芯中子探测器17，具体根据堆芯核设计确定，如图7所示，堆芯中子探测器17布置在燃料组件1东南方向对角线最外围导向管12栅元位置，如图1所示，在另一些燃料组件1中，堆芯中子探测器17布置在组件东北、或西北、或西南方向对角线最外围导向管12栅元位置；
37.堆芯中子探测器17可由钒、铑、钴、铂等自给能探测器中的一种或两种组成，堆芯中子探测器17沿轴向方向分为若干段，优选的为4段，堆芯中子探测器17固定的布置在堆芯装置中，通过电缆由堆芯上方引出反应堆外，送入堆芯在线监测系统；堆芯在线监测系统采用基于堆芯中子探测器17实时测量的电流信号以及其它堆芯状态参数如冷却剂温度、控制棒棒位、反应堆功率水平等，在线监测堆芯中子通量分布、功率分布及安全参数，确保反应堆运行的安全性与灵活性；
38.堆芯一回路冷却剂系统中不含可溶硼，在反应堆启动、正常运行、停堆、设计基准事故工况下，仅通过调节控制棒的轴向位置控制燃耗反应性补偿、反应性及功率分布控制、安全停堆；所有控制棒组件按功能分为功率分布控制棒组件x、反应性补偿控制棒组件r和c、停堆控制棒组件s三类；每一类的控制棒组件按照其在堆芯中的位置及对称性分为一组或几组；
39.根据控制棒组件的功能和其布置在堆芯装置中的位置，采用不同中子吸收效率的中子吸收体组合设计，实现反应性控制与功率分布展平；功率分布控制棒组件的中子吸收体采用高中子吸收效率的银铟镉材料；反应性补偿控制棒组件的中子吸收体包括两种：布置在堆芯内部区域的反应性补偿控制棒组件采用低中子吸收效率的材料，如钨、铽等；布置在堆芯装置外部区域的反应性补偿控制棒组件采用高中子吸收效率高的银铟镉材料；停堆控制棒组件的中子吸收体材料主要采用更高中子吸收效率的含硼材料，如碳化硼、硼化铪等，其中控制棒底端部分采用银铟镉材料，以降低辐照肿胀；
40.反应堆装料、冷停堆和热停堆状态时，每盒燃料组件1布置的控制棒组件全部插入堆芯装置；反应堆由热停堆向临界逼近过程时，首先提出全部ii型停堆控制棒s5，然后将i型功率分布控制棒组件x2提至设计选定的位置，i型反应性补偿控制棒组件r3和ii型反应性补偿控制棒组件c4按照设计确定的控制棒移动次序依次提出，直至反应堆达到临界；在功率运行阶段时，按照设计确定的控制棒移动次序调节i型反应性补偿控制棒组件r3和ii型反应性补偿控制棒组件c4的轴向位置，补偿和控制反应性，调节反应堆的运行功率水平；在大幅度的负荷调节过程中，必要时通过调整i型功率分布控制棒组件x2的轴向位置，辅助展平堆芯功率分布；在执行负荷调节之前，可利用堆芯在线监测的分析功能，在线分析预测i型功率分布控制棒组件x2的轴向位置，优化功率分布；在正常停堆以及设计基准事故工况引起的紧急停堆时，所有控制棒组件全部插入堆芯，确保安全停堆；
41.采用上述堆芯装置，实现标准燃料棒10、控制棒元件14、离散型可燃毒物棒11、初级中子源15、次级中子源16、堆芯中子探测器17的协调设计与布置，满足长换料寿期24个月
至48个月、反应性控制、安全停堆、功率展平、中子通量分布监测、反应堆启动监测等要求，实现堆芯装置安全灵活运行与零硼排放。
42.尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

技术特征：
1.一种用于小型无可溶硼压水堆的堆芯装置，包括燃料组件、可燃毒物、控制棒、堆芯中子探测器、中子源等，其特征在于，所述堆芯装置采用n盒17
×
17正方形排列的燃料组件组成，所述n的范围为21、37、57、69、89、97、121；所述燃料组件包含264根标准燃料棒、1根中心管栅元和24根导向管栅元，所述标准燃料棒可替换为可燃毒物棒；所述堆芯外侧设置有堆芯径向反射层；所述燃料组件内均布置有控制棒组件，控制棒组件按形式分为两种，一种是包含24根控制棒元件的控制棒组件(i型控制棒组件)，另一种是包含20根控制棒元件的控制棒组件(ii型控制棒组件)；所述堆芯装置中有两种或两种以上中子吸收效率不同的控制棒中子吸收体。2.根据权利要求1所述的一种用于小型无可溶硼压水堆的堆芯装置，其特征在于，所述非导向管、中心管栅元位置通过离散型可燃毒物棒或整体型可燃毒物棒的形式布置有可燃毒物。3.根据权利要求1所述的一种用于小型无可溶硼压水堆的堆芯装置，其特征在于，所述部分ii型控制棒组件对应对角线最外围的一根导向管中布置有堆芯中子探测器。4.根据权利要求1所述的一种用于小型无可溶硼压水堆的堆芯装置，其特征在于，所述燃料组件中心的导向管或ii型控制棒组件对应燃料组件最外围的一根导向管中均布置有初级中子源栅元，所述部分ii型控制棒组件对应的燃料组件最外围的四根导向管和一根中心管中均布置有次级中子源栅元。5.根据权利要求1所述的一种用于小型无可溶硼压水堆的堆芯装置，其特征在于，所述堆芯径向最外围设置有铁水反射层，所述铁水反射层平均厚度为18～25cm，所述铁水反射层中的不锈钢的体积占比为70％～95％。6.根据权利要求1所述的一种用于小型无可溶硼压水堆的堆芯装置，其特征在于，一回路冷却剂系统中不含可溶硼，在反应堆启动、正常运行、停堆、设计基准事故工况下，仅通过调节控制棒的轴向位置控制燃耗反应性补偿、反应性及功率分布控制、安全停堆。7.根据权利要求1所述的一种用于小型无可溶硼压水堆的堆芯装置，其特征在于，所述控制棒组件按功能分为三类：第一类为停堆控制棒；第二类为反应性补偿棒；第三类为功率分布控制棒为停堆控制棒。每一类的控制棒组件按照其在堆芯中的位置及对称性分为一组或几组。8.根据权利要求1所述的一种用于小型无可溶硼压水堆的堆芯装置，其特征在于，所述停堆控制棒用于停堆反应性控制。9.根据权利要求1所述的一种用于小型无可溶硼压水堆的堆芯装置，其特征在于，所述反应性补偿棒用于堆芯燃耗、启动及功率调节过程中的反应性补偿，按照确定的控制棒移动次序依次提出或插入堆芯，执行反应性补偿或控制功能。10.根据权利要求1所述的一种用于小型无可溶硼压水堆的堆芯装置，其特征在于，所述功率分布控制棒用于平衡第二类控制棒轴向位置变化情况下的反应堆功率分布。11.根据权利要求1所述的一种用于小型无可溶硼压水堆的堆芯装置，其特征在于，所述堆芯装置采用基于固定式堆芯中子探测器的堆芯在线监测系统，在线监测堆芯功率分布及安全参数。12.根据权利要求1所述的一种用于小型无可溶硼压水堆的堆芯装置，其特征在于，所述堆芯装置堆芯额定热功率等级为1～1000mwt。

技术总结
本发明公开了一种用于小型无可溶硼压水堆的堆芯装置，包括燃料组件、可燃毒物、控制棒等，所述堆芯装置采用N盒17


技术研发人员：刘婵云 杨波 毕光文 彭良辉 党哈雷 汤春桃 杨庆湘 郭建 曹泓 杨伟焱 陈军 秦玉龙 王丽华
受保护的技术使用者：上海核工程研究设计院有限公司
技术研发日：2022.01.28
技术公布日：2022/5/25