一种结构紧凑的高通量小型多用途铅冷快堆

1.本实用新型涉及核工程与核技术领域，特别涉及一种结构紧凑的高通量小型多用途铅冷快堆。


背景技术：

2.铅冷快堆是指采用液态铅或铅铋合金冷却的快中子反应堆，它能很好地满足第四代反应堆安全性、经济性、持续性和核不扩散的目标要求，是第四代反应堆六种主要堆型中最具发展潜力的一种堆型。
3.铅基快堆的发展方向主要是小型化，这是由于小型堆具有小型、便捷、用途广泛等特点。铅或者铅铋等冷却剂具有良好的物性参数，其具有沸点高、热导率高、热膨胀性好等特点，其传热性能好，并且避免了冷却剂沸腾导致堆芯裸露，防止了熔堆故事的发生；相比于其他冷却剂，铅或铅铋化学性质不活泼，不易于堆芯中其他材料发生化学反应；其具有较强的自然循环能力，这使得铅冷快堆拥有很好的非能动安全性。这些特性使铅冷快堆极具发展潜力，尤其是在发展小型模块化反应堆中具有独特的优势。
4.现有的铅冷快堆的燃料组件设计大多采用多根燃料棒封装成一个燃料组件的形式，结构一般较为复杂，不利于铅冷快堆的小型化发展。


技术实现要素：

5.为解决背景技术中所提及的技术问题，本实用新型提供一种结构紧凑的高通量小型多用途铅冷快堆。
6.本实用新型所采用的技术方案是：一种结构紧凑的高通量小型多用途铅冷快堆，包括外安全壳和内安全壳，所述外安全壳和内安全壳合围构成的腔室，所述内安全壳的中部中空以形成通量阱，所述腔室内设置有由内到外依次分布的内燃料区和外燃料区，所述内燃料区和外燃料区内均设置有燃料组件，所述内燃料区和所述内安全壳之间活动设置有安全板，所述外安全壳和所述外燃料区之间活动设置有多个调节板，各所述调节板沿所述外燃料区呈周向排列且能够独立活动，所述安全板和所述调节板用于沿铅冷快堆的轴向插入或拔出，所述内燃料区和外燃料区均与所述腔室连通，所述腔室用于填充冷却剂铅，所述外安全壳的外周侧依次设置有反射层和屏蔽层。
7.至少具有以下有益效果：将研究堆中常用的板式燃料组件运用在铅冷快堆上，大大强化了反应堆整体的传热性能，有利于实现铅冷快堆的小型化发展；采用内外控制板的双控制系统，保障了反应堆的安全性能；给铅冷快堆配备一个辐照通道，增加了反应堆的用途，可带来额外的经济收益。
8.进一步地，所述内燃料区和外燃料区内的燃料铀235的富集度设置成不同。
9.进一步地，所述内燃料区设置成4个内燃料区单元，位于内燃料区单元内的所述燃料组件为由内到外间隔排列的90
°
的若干弧形板；所述外燃料区设置成8个外燃料区单元，位于外燃料区单元内的所述燃料组件为由内到外间隔排列的45
°
的若干弧形板；各所述弧
形板之间形成冷却通道，所述调节板的数量为8个。
10.进一步地，所述外安全壳的内侧设置有8个导轨，每个所述导轨的两侧均具有导向槽，所述调节板滑动设置在所述导轨上。
11.进一步地，所述内安全壳的外侧设置有套筒，所述套筒呈中空状，所述安全板沿所述套筒的中空部分往复移动。
12.进一步地，所述弧形板包括燃料包壳，燃料包壳内部中间填充有燃料芯块，燃料芯块的两端沿轴向依次对称设置有裂变气腔和反射部。
13.进一步地，所述安全板和所述调节板均包括控制板包壳，所述控制板包壳内部中间填充有吸收材料碳化硼，两端填充有金属材料钨。
14.进一步地，所述腔室内设置有定位格架，所述定位格架固定安装在外安全壳的内侧以及内安全壳的外侧，定位格架包括用于分隔开燃料区的侧板，所述弧形板的两侧部固定连接在侧板上。
15.进一步地，所述弧形板的两侧部均设置有非燃料段，所述弧形板通过非燃料段连接到侧板上。
附图说明
16.下面结合附图和实施例对本实用新型进一步地说明：
17.图1为本实用新型实施例提供的一种结构紧凑的高通量小型多用途铅冷快堆的轴向截面图；
18.图2为本实用新型实施例提供的一种结构紧凑的高通量小型多用途铅冷快堆的径向截面图；
19.图3为本实用新型实施例的内燃料区中的燃料组件的径向截面示意图；
20.图4为本实用新型实施例的外燃料区中的燃料组件的径向截面示意图；
21.图5为本实用新型实施例的内燃料区中的弧形板的径向截面示意图；
22.图6为本实用新型实施例的外燃料区中的弧形板的径向截面示意图；
23.图7为本实用新型实施例中的弧形板的轴向截面图；
24.图8为本实用新型实施例中调节板和安全板的轴向截面示意图；
25.图9为本实用新型实施例中调节板的径向截面示意图；
26.图10为本实用新型实施例中安全板的径向截面示意图。
27.附图标记说明：1
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屏蔽层、2
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反射层、3
‑
外安全壳、4
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调节板、5
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腔室、6
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环形燃料区、7
‑
安全板、8
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内安全壳、9
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通量阱、10
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内燃料区、11
‑
定位格架、12
‑
外燃料区、13
‑
弧形板、14
‑
侧板、15
‑
冷却通道、16
‑
燃料包壳、17
‑
燃料芯块、18
‑
裂变气腔、19
‑
反射部、20
‑
碳化硼、21
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钨、22
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控制板包壳、23
‑
导轨、24
‑
套筒。
具体实施方式
28.本部分将详细描述本实用新型的具体实施例，本实用新型之较佳实施例在附图中示出，附图的作用在于用图形补充说明书文字部分的描述，使人能够直观地、形象地理解本实用新型的每个技术特征和整体技术方案，但其不能理解为对本实用新型保护范围的限制。
29.在本实用新型的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。
30.在本实用新型的描述中，若干的含义是一个或者多个，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。
31.本实用新型的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本实用新型中的具体含义。
32.参照图1至图10，本实用新型实施例提供一种结构紧凑的高通量小型多用途铅冷快堆。由于现有的燃料组件的形式有多种类型，在研究堆中，燃料元件常采用板型燃料元件，将板状燃料固定在两块侧板14上组成一个燃料组件，燃料组件的形状有圆环形、扇形、正多边形等。由于板式燃料板与冷却剂有充足的接触面积，板式燃料组件有很好的传热性能，其堆芯具有体积小，高中子通量，高功率密度的特点。现在铅冷快堆的发展方向主要是小型化，而板式燃料组件的堆芯正是满足其小型化的要求。
33.具体地，一种结构紧凑的高通量小型多用途铅冷快堆包括外安全壳3和内安全壳8，所述外安全壳3和内安全壳8合围构成的腔室5，所述内安全壳8的中部中空以形成通量阱9，所述腔室5内设置有由内到外依次分布的内燃料区10和外燃料区12，所述内燃料区10和外燃料区12内均设置有燃料组件，所述内燃料区10和所述内安全壳8之间活动设置有安全板7，所述外安全壳3和所述外燃料区12之间活动设置有多个调节板4，各所述调节板4沿所述外燃料区12呈周向排列且能够独立活动，所述安全板7和所述调节板4用于沿铅冷快堆的轴向插入或拔出，所述内燃料区10和外燃料区12均与所述腔室5连通，所述腔室5用于填充冷却剂铅，所述外安全壳3的外周侧依次设置有反射层2和屏蔽层1。
34.优选地，所述内燃料区10和外燃料区12内的燃料铀235的富集度设置成不同。
35.优选地，所述内燃料区10设置成4个内燃料区单元，位于内燃料区单元内的所述燃料组件为由内到外间隔排列的90
°
的若干弧形板13；所述外燃料区12设置成8个外燃料区单元，位于外燃料区单元内的所述燃料组件为由内到外间隔排列的45
°
的若干弧形板13；各所述弧形板13之间形成冷却通道15，所述调节板4的数量为8个。
36.优选地，所述外安全壳3的内侧设置有8个导轨23，每个所述导轨23的两侧均具有导向槽，所述调节板4滑动设置在所述导轨23上。
37.优选地，所述内安全壳8的外侧设置有套筒，所述套筒呈中空状，所述安全板7沿所述套筒的中空部分往复移动。
38.优选地，所述弧形板13包括燃料包壳16，燃料包壳16内部中间填充有燃料芯块17，燃料芯块17的两端沿轴向依次对称设置有裂变气腔18和反射部19。
39.优选地，所述安全板7和所述调节板4均包括控制板包壳22，所述控制板包壳22内部中间填充有吸收材料碳化硼20，两端填充有金属材料钨21。
40.优选地，所述腔室5内设置有定位格架11，所述定位格架11固定安装在外安全壳3
的内侧以及内安全壳8的外侧，定位格架11包括用于分隔开环形燃料区6的侧板14，所述弧形板13的两侧部固定连接在侧板14上。内燃料区10中的两块侧板14成90
°
布置，外燃料区12中的两块侧板14成45
°
布置。
41.优选地，所述弧形板13的两侧部均设置有非燃料段，所述弧形板13通过非燃料段连接到侧板14上。
42.由于铅冷却剂对包壳具有腐蚀作用，尤其在冷却剂流速较大时腐蚀更为严重，为此可在包壳表面增加防腐蚀涂层。一些实施例中，弧形板13、调节板4以及安全板7的包壳材料均采用t91不锈钢制成。
43.同时，一些实施例中，反射层2材料采用一定比例的t91钢与铅的混合物；屏蔽层1材料采用一定比例的碳化硼20与铅的混合物。
44.本实施例中，高通量小型多用途铅冷快堆的结构整体呈圆柱形，径向方向完全对称，总体包括中间辐照区，环形燃料区，反射层区，屏蔽层区。中间辐照区是一个圆柱形的通量阱9，环形燃料区6分为内燃料区10和外燃料区12，总共设置12个燃料组件，不同燃料区采用不同富集度的燃料。内燃料区10设置4个燃料组件，每个燃料组件为1/4圆柱环，燃料组件由90
°
的弧形板13组成；外燃料区12设置8个燃料组件，每个燃料组件为1/8圆柱环，燃料组件由45
°
的弧形板13组成，弧形板13中间为燃料芯块17，两端对称设置裂变气腔18和反射部19。这些弧形板13固定在定位格架11上，弧形板13之间的间隙为冷却通道15。
45.安全板7为中空的圆柱，内安全壳8外侧设置了套管以引导安全板7在紧急停堆时迅速插入堆芯。正常工况下安全板7为拔出状态，该空间由冷却剂填充。调节板4相应地设置成弧形状，并可以单独上下移动，移动后空出的空间由冷却剂填充，外安全壳3内壁侧沿周向均匀布置了八个竖直导向槽以供调节板4上下移动，并且调节板4与外安全壳3的间隙由冷却剂填充。
46.本实用新型提供了一种安全性能好、结构紧凑、多用途的铅冷快堆堆芯结构。首先在安全性能方面，本实用新型采用了双控制系统，一个是用于调节反应性的调节板4，可通过改变调节板4的插入深度调节反应堆的反应性；另一个是用于紧急停堆的安全板7，当发生紧急情况时，安全板7能迅速插入堆芯，使反应堆停堆，两套系统均可独立调停反应堆，保证了反应堆的安全性。其次，本实用新型采用燃料分区设置，内外区的燃料铀235的富集度不同，这有利于反应堆内功率的展平。燃料组件采用了板式燃料组件，板式燃料相比于棒状燃料更好的传热能力及抗辐射肿胀性能，并且冷却剂铅比水的传热性能好，这大大增加的反应堆的传热能力，从而可以使反应堆堆芯做的更小，更紧凑。最后，本实用新型的堆芯中间通量阱9是一个高中子通量区，可以为辐照测试提供辐照通道。由于放入辐照通道的靶发生的核反应速率与单位时间内吸收的中子数成正比，因此，要想在短时间内做完一次实验，反应堆中子通量越高越好，而中间通量阱9提供了高中子通量，将其设置为辐照通道使其得到了充分的利用。
47.因此本实用新型不仅可以作为动力堆输出热能，还可以作为研究堆进行燃料元件辐照试验、材料辐照试验、单晶硅中子嬗变掺杂研究和制备等等。这种结构的铅冷快堆安全性能好，结构紧凑，运用领域广泛，尤其是未来的先进工业领域。
48.一些实施例中，由于冷却剂铅的密度很大，当安全板7或调节板4插入堆芯时对其产生的浮力也很大，因此在安全板7或调节板4的上部和下部加了负重材料钨21。
49.本实用新型的优势是：将研究堆中常用的板式燃料组件运用在铅冷快堆上，这大大强化了反应堆整体的传热性能，有利于实现铅冷快堆的小型化发展；采用内外控制板的双控制系统，保障了反应堆的安全性能；给铅冷快堆配备一个辐照通道，增加了反应堆的用途，可带来额外的经济收益。
50.以应用于先进工业核反应堆堆芯设计为例，本实用新型提供的一种结构紧凑的高通量小型多用途铅冷快堆一方面可以提供生产所需热能，满足用电需求，另一方面可以利用辐照通道进行材料测试等研究，可带来额外收益。
51.上面结合附图对本实用新型的实施方式作了详细说明，但是本实用新型不限于上述实施方式，在所述技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本实用新型宗旨的前提下作出各种变化。