反应堆堆芯结构及其启停堆控制方式的制作方法

本发明涉及核电领域，更具体地说，涉及一种反应堆堆芯结构及其启停堆控制方式。

背景技术：

核能作为清洁、高效、安全的绿色能源，受到了现代社会的极大重视。发展安全核能已成为当前各国解决能源不足、应对环境恶化和气候变暖的重要战略。从世界范围来看，核能的应用领域不断扩大，提供动力的核反应堆尺寸也趋于小型化，从大尺寸的电站商用压水堆，到针对船舶动力的船用核电堆，再到为海岛提供电能的海上浮动堆，其堆型尺寸在不断缩小，各尺寸核反应堆的出现也使得核能应用更加的灵活化、多样化。

常见的压水反应堆，其启堆、停堆过程主要靠毒物控制法来实现，典型方法便是利用吸收截面很高的材料制成控制棒，通过控制棒动作和其它反应性控制方法相互配合，进而实现启堆和停堆过程。但对于小型或微小型的反应堆，其在启停堆和功率调节过程中如果采用控制棒的方法，一方面会带来极大的加工难度，难以实现，另一方面会导致中子通量分布不均匀性增大。

“枪式”原子弹在引爆前，把爆炸燃料分成数大块，每块质量维持在临界以下。引爆时把燃料块迅速结合，达到临界质量，进行引爆。投掷在广岛的“小男孩”原子弹是把一小块高富集度射环燃料透过枪管射向另一大块靶燃料上，从而达到足够的临界质量。

“枪式“原子弹的最终使用目的是使高富集度燃料块快速实现超临界，完成爆炸过程，快速释放热量，造成杀伤效果，虽然具有启堆过程，但其本身不存在堆芯反应性控制和停堆的概念。微小型反应堆作为一种可控且缓慢释放热量的能量源，具有极其广阔的应用前景，必然需要一种安全有效的启停堆控制结构和方式。

控制棒组件是一种快速控制反应性的工具，在商用核电站中被广泛应用，在启动反应堆时主要通过提升控制棒等方式来减少中子的吸收率，向堆芯引入正反应性来实现启堆过程，而在事故工况下则将控制棒组件快速插入堆芯，引入负反应性，使反应堆紧急停堆，保证核安全。

控制棒组件对于大型反应堆堆芯反应性的控制和启停堆过程具有不可替代的作用，但对于小型化的反应堆，甚至更小尺寸的微小型反应堆，控制棒的方法，一方面会带来极大的加工难度，另一方面会导致中子通量分布不均匀性增大，不具有可应用性。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题在于，针对微小型反应堆，提供一种新型的反应堆堆芯结构及其启停堆控制方式。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种反应堆堆芯结构，包括固定燃料组件、移动燃料组件以及驱动机构；

所述固定燃料组件包括并排设置的若干第一燃料棒，若干所述第一燃料棒排布后形成导向孔，所述导向孔内设有对所述移动燃料组件进行导向的导向筒，所述移动燃料组件可在所述导向筒内轴向抽插；

所述移动燃料组件包括并排设置的若干第二燃料棒，所述移动燃料组件可沿轴向在第一位置和第二位置之间移动地与所述导向筒配合，所述移动燃料组件在所述第一位置时，所述移动燃料组件插入所述导向筒，所述移动燃料组件在所述第二位置时，所述移动燃料组件脱出所述导向筒；

所述驱动机构与所述移动燃料组件配合，向所述移动燃料组件提供向所述第一位置移动的驱动力。

优选地，若干所述第一燃料棒排布后的中部空出，形成所述导向孔。

优选地，所述导向筒的内孔外形大于所述移动燃料组件的断面外形。

优选地，所述导向筒的侧壁上设有侧流孔。

优选地，所述驱动机构包括一端与所述移动燃料组件连接的驱动杆，所述驱动杆位于所述移动燃料组件远离所述导向孔的一端。

优选地，所述反应堆堆芯结构还包括复位机构，所述复位机构与所述移动燃料组件配合，向所述移动燃料组件提供向所述第二位置移动的复位力。

优选地，所述复位机构包括向所述移动燃料组件提供向所述第二位置移动的弹力的复位弹簧。

优选地，所述复位机构设置在所述移动燃料组件远离所述导向孔的一端。

优选地，所述反应堆堆芯结构还包括设置在所述固体燃料组件的外围周圈的反射层。

本发明还构造一种所述反应堆堆芯结构的启停堆控制方式，包括以下步骤：

启动所述驱动机构，带动所述移动燃料组件向所述第一位置移动；

停止所述驱动机构，带动所述移动燃料组件向所述第二位置移动；或，

所述驱动机构带动所述移动燃料组件向所述第二位置移动。

优选地，所述反应堆堆芯结构还包括复位机构，所述复位机构与所述移动燃料组件配合，在停止所述驱动机构时，所述复位机构向所述移动燃料组件提供向所述第二位置移动的复位力。

优选地，所述复位机构包括向所述移动燃料组件提供向所述第二位置移动的弹力的复位弹簧，所述反应堆堆芯结构还包括设置在所述固体燃料组件的外围周圈的反射层；

在所述移动燃料组件向所述第一位置移动插入所述导向筒时，使整个堆芯达到临界质量，之后利用堆芯内中子源和堆芯外围反射层的相互配合，实现反应堆的启动，所述复位弹簧被拉伸；

需要停堆时，令所述驱动机构断电，则处于受拉状态的所述复位弹簧快速收缩，带动所述移动燃料组件弹出所述导向筒，使堆芯内燃料质量小于临界质量，实现反应堆的快速停堆。

实施本发明的反应堆堆芯结构及其启停堆控制方式，具有以下有益效果：本发明的反应堆堆芯结构取消了控制棒组件，反应堆堆芯内部结构设计可不考虑控制棒的布置，增加了燃料结构形式的多样性和可选择性，靠质量分离来控制临界，其安全可靠性更高，可以实现堆芯直径较小的反应堆控制，具有结构形式简单，易于加工，应用广泛等特点。

出现事故工况，需要紧急停堆时，该反应堆可利用复位机构将移动燃料组件快速拉出堆芯，完成快速停堆操作。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明实施例中的反应堆堆芯结构的移动燃料组件在第一位置时的剖面结构示意图；

图2是本发明实施例中的反应堆堆芯结构的移动燃料组件在第二位置时的剖面结构示意图。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。

如图1、图2所示，本发明一个优选实施例中的反应堆堆芯结构包括固定燃料组件1、移动燃料组件2、驱动机构3以及复位机构4。

固定燃料组件1包括并排设置的若干第一燃料棒11，若干第一燃料棒11排布后形成导向孔12。优选地，若干第一燃料棒11排布后的中部空出，形成导向孔12，在其他实施例中，导向孔12也可偏离中心设置。导向孔12内设有对移动燃料组件2进行导向的导向筒6，移动燃料组件2可在导向筒6内轴向抽插。

移动燃料组件2包括并排设置的若干第二燃料棒21，移动燃料组件2可沿轴向在第一位置和第二位置之间移动地与导向筒6配合。

移动燃料组件2在第一位置时，移动燃料组件2插入导向筒6，移动燃料组件2在第二位置时，移动燃料组件2脱出导向筒6。

驱动机构3与移动燃料组件2配合，向移动燃料组件2提供向第一位置移动的驱动力。复位机构4与移动燃料组件2配合，向移动燃料组件2提供向第二位置移动的复位力。在其他实施例中，也可将复位机构4取消，再依靠驱动机构3或其他的动力装置向移动燃料组件2提供向第二位置移动的复位力。

反应堆堆芯结构利用推出或插入中心的移动燃料组件2来控制参与反应的燃料质量是否大于临界质量，以实现反应堆的启停堆。启堆之前移动燃料组件2处于推出堆芯状态，使得整个反应堆的质量小于临界质量，之后通过驱动机构3将移动燃料组件2沿导向筒6缓慢推入堆芯，达到临界质量后再配合堆芯外围反射层实现启堆。

当出现紧急情况需要紧急停堆时，则令驱动机构3断电，利用复位机构4将移动燃料组件2沿中心导向筒6快速拉出堆芯，反应堆质量小于临界质量即可实现反应堆停堆。

该反应堆堆芯结构可以实现堆芯直径较小的反应堆控制，具有结构形式简单，易于加工，应用广泛等特点。

反应堆堆芯结构还包括设置在固体燃料组件的外围周圈的反射层。在一些实施例中，外围的反射层包括滑动反射层或转鼓反射层，滑动反射层可沿轴向移动，调整与堆芯正对的反射面积；转鼓反射层包括在堆芯周圈分布的若干转动体，转动体与堆芯相对的侧面设有反射体，转动体转动调整反射体与堆芯正对的反射面积。

该反应堆利用质量控制与堆芯外围的反射层配合的方式，在微小型堆功率分布和反应性控制方面要明显优于控制棒组件，具有启停堆安全性高，结构简单易于实现的特点。

通常，导向筒6的内孔外形大于移动燃料组件2的断面外形，供移动燃料组件2插入，导向筒6厚壁端在压力容器外，薄壁端在压力容器内。

进一步地，导向筒的侧壁上设有侧流孔61。采用带有侧流孔61的导向筒作为移动燃料组件2的移动轨道，一方面起到了限位作用，避免了移动燃料组件2与固定燃料组件1间的接触和摩擦，及移动燃料组件2在流体冲击下的振动效应，提高了堆芯安全性；另一方面在导向筒侧壁开有侧流孔61，使可移动燃料组件2的区间和固定燃料组件1的区间存在横流，提高了整个堆芯的热工水力特性。

在一些实施例中，驱动机构3包括一端与移动燃料组件2连接的驱动杆，驱动杆位于移动燃料组件2远离导向孔12的一端。驱动杆轴向移动，带动移动燃料组件2插入或脱出导向筒6。通常，驱动杆的一端与移动燃料组件2的顶端连接。

复位机构4包括向移动燃料组件2提供向第二位置移动的弹力的复位弹簧，在移动燃料组件2到第一位置时，复位弹簧被压缩。通常，复位机构4设置在移动燃料组件2远离导向孔12的一端，不占用移动燃料组件2移动的空间。

紧急停堆时，利用复位弹簧，将移动燃料组件2快速拉出导向筒6，实现停堆。固定燃料组件1的上下两端分别设有上固定板13、下固定板14，便于将反应堆堆芯结构安装定位。

本反应堆堆芯结构涉及的堆型结构同样适用于倾斜、翻转及失重状态下的微小型反应堆，且具有较强的非能动安全和可靠性。该种启停堆结构的微小型反应堆具有很强的重复利用性和可控性，可以完成多次，反复的启堆、停堆过程，提高了反应堆的经济性和可利用性。

反应堆堆芯结构的启停堆控制方式，包括以下步骤：

启动驱动机构3，带动移动燃料组件2向第一位置移动；

停止驱动机构3，带动移动燃料组件2向第二位置移动，移动燃料组件2的移动动力可为外部的动力装置提供，也可为复位机构4提供。

当然，当设备没有断电的情况下，也可由驱动机构3带动移动燃料组件2向第二位置移动。

在移动燃料组件2向第一位置移动插入导向筒6时，使整个堆芯达到临界质量，之后利用堆芯内中子源和堆芯外围反射层的相互配合，实现反应堆的启动，复位弹簧被拉伸。

需要停堆时，令驱动机构3断电，则处于受拉状态的复位弹簧快速收缩，带动移动燃料组件2弹出导向筒6，使堆芯内燃料质量小于临界质量，实现反应堆的快速停堆。

本发明的优点：

1、该堆结构形式简单，适用于堆芯直径较小的微小型反应堆；

2、出现事故工况，需要紧急停堆时，该反应堆可利用复位机构4将移动燃料组件2快速拉出堆芯，完成快速停堆操作。其中复位机构4可以为不依靠重力工作的结构，如弹簧、电磁等，因此也可以用于反应堆倾斜、翻转及失重等状态下的微小型反应堆控制，工作可靠性高，应用领域广；

3、针对微小反应堆，该结构配合堆芯外围反射层可以在展平堆芯功率分布方面优于控制棒组件；

4、中心导向筒的使用，对移动燃料组件2起到定位和导向作用，可避免移动燃料组件2与固定燃料组件1发生摩擦或碰撞，维持两部分燃料之间的间隙，以保证燃料之间的热工水力流通面积；同时导向筒壁面可开设通孔，利于流体在两部分燃料之间的流动交混，能防止堆芯内局部温度超限，提高堆芯安全性；

5、由于取消了控制棒组件，反应堆堆芯内部结构设计可不考虑控制棒的布置，增加了燃料结构形式的多样性和可选择性，靠质量分离来控制临界，其安全可靠性更高。

可以理解地，上述各技术特征可以任意组合使用而不受限制。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。