專利名稱:用鈾氫化鋯燃料元件的動(dòng)力堆的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種核反應(yīng)堆堆芯設(shè)計(jì)，具體涉及一種采用鈾氫化鋯燃料元件的小型動(dòng)力堆堆芯設(shè)計(jì)方案。
背景技術(shù)：
由于鈾氫化鋯(U-ZrHx)燃料顯著的固有安全性能，采用鈾氫化鋯(U-ZrHx)燃料的核反應(yīng)堆堆芯具有以下特點(diǎn)①具有很大的瞬發(fā)負(fù)溫度系數(shù)，提供了氧化物燃料不具有的反應(yīng)堆固有安全性；②燃料芯塊含有慢化劑，可使堆芯設(shè)計(jì)得具有更佳的慢化能力和更高的功率密度，因而堆芯尺寸小、重量輕；③慢化劑與鈾的比值增大，鈾裝量增加，能獲得較高的卸料燃耗，延長堆芯壽期；④鈾氫化鋯元件的熱導(dǎo)率高，中心溫度低，儲(chǔ)能少，有利于事故工況下的余熱導(dǎo)出，進(jìn)一步提高反應(yīng)堆的安全性。如美國專利US4186050-A "Nuclear reactor cont improved nuclear fuel element consisting of zirconium hydride, uranium and erbium”中所述的“鈾氫化鋯燃料反應(yīng)堆”就是一種采用鈾氫化鋯燃料的研究堆。
采用鈾氫化鋯燃料的研究堆，如脈沖堆(TRIGA堆)已在世界各國安全運(yùn)行多年，脈沖堆(TRIGA堆)是一種典型的使用鈾氫化鋯燃料元件的研究堆。這種堆固有安全性高，即可穩(wěn)態(tài)運(yùn)行，又可脈沖或方波運(yùn)行。由于脈沖堆有很大的瞬發(fā)負(fù)溫度系數(shù)，在超瞬發(fā)臨界直至正反應(yīng)性引入量高達(dá)數(shù)元時(shí)，仍能安全進(jìn)行脈沖運(yùn)行，得到脈沖中子。脈沖堆可以用于中子活化分析、輻照試驗(yàn)、中短壽命同位素生產(chǎn)、燃料元件瞬態(tài)輻照試驗(yàn)、反應(yīng)堆安全和動(dòng)態(tài)特性研究、電子器件的瞬態(tài)輻照效應(yīng)研究和脈沖中子照相技術(shù)研究等。典型的脈沖堆堆芯布置采用的是單燃料棒柵元的三角形布置方式。
目前，對采用鈾氫化鋯燃料元件的小型動(dòng)力堆技術(shù)有所研究，如《核動(dòng)力工程》 2009年第30卷第3期發(fā)表的《鈾氫化鋯元件小型動(dòng)力堆應(yīng)用可行性分析》中，對鈾氫化鋯元件應(yīng)用于小型動(dòng)力堆的技術(shù)可行性進(jìn)行了論證和分析，但只是對在動(dòng)力堆中使用鈾氫化鋯燃料棒進(jìn)行了相關(guān)研究，并沒有形成實(shí)際的產(chǎn)品和堆芯設(shè)計(jì)方案。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種具有固有安全和長壽期的鈾氫化鋯燃料元件的動(dòng)力堆。
本發(fā)明的技術(shù)方案如下
一種用鈾氫化鋯燃料元件的動(dòng)力堆，由正方形或六角形燃料組件構(gòu)造成堆芯，其特征在于整個(gè)堆芯由52組燃料組件構(gòu)成，鈾質(zhì)量的裝載量為35%所述裝有控制棒的20組高鉺含量燃料組件，在堆芯內(nèi)被分為5組，分別布置在 6X6排列的高鉺含量燃料組件的四個(gè)角區(qū)和中心區(qū)，其中位于四個(gè)角區(qū)的燃料組件為安全棒組件，位于中心區(qū)的燃料組件為補(bǔ)償棒組件，相鄰接的4個(gè)控制棒組件組成“聯(lián)合控制” 的控制棒束。
所述每組燃料組件，均由6X6個(gè)柵格位置的組件單元構(gòu)成，其中有8個(gè)柵格位置的組件單元為8根導(dǎo)向管，分別對稱布置在由6X6個(gè)柵格位置的組件單元所構(gòu)成的正方形的四個(gè)角區(qū)，并位于該正方形的兩根對角線位置上；該燃料組件內(nèi)的其余觀個(gè)柵格位置的組件單元為鈾氫化鋯燃料棒，其中在所述正方形的四個(gè)角區(qū)中，與導(dǎo)向管相鄰的另兩個(gè)柵格位置的組件單元為8根高功率柵格位置燃料棒，余下呈十字型的20個(gè)柵格位置的組件單元為低功率柵格位置燃料棒。
所述每組燃料組件，均由5X5個(gè)柵格位置的組件單元構(gòu)成，其中有8個(gè)柵格位置的組件單元為8根導(dǎo)向管，分別對稱布置在由5X5個(gè)柵格位置的組件單元所構(gòu)成的正方形的四個(gè)角區(qū)，并位于該正方形的兩根對角線位置上；該燃料組件內(nèi)的其余17個(gè)柵格位置的組件單元為鈾氫化鋯燃料棒，其中在所述正方形的四個(gè)角區(qū)中，與導(dǎo)向管相鄰的另兩個(gè)柵格位置的組件單元為8根高功率柵格位置燃料棒，余下呈十字型的9個(gè)柵格位置的組件單元為低功率柵格位置燃料棒。
所述每組燃料控制棒組件，均由5X5個(gè)柵格位置的組件單元構(gòu)成，其中有5個(gè)柵格位置的組件單元為5根導(dǎo)向管，分別對稱布置在由5X5個(gè)柵格位置的組件單元所構(gòu)成的正方形的4個(gè)角頂和對角線的交點(diǎn)，該燃料組件內(nèi)的其余20個(gè)柵格位置的組件單元為氫化鋯燃料棒，其中與所述四個(gè)角頂相鄰的8個(gè)柵格位置的組件單元為高功率柵格位置燃料棒，其余12個(gè)柵格位置的組件單元為低功率柵格位置燃料棒。
所述燃料組件中的鈾氫化鋯燃料棒，其直徑為6 mm 一 16mm，采用厚度0. 4 mm — 0.8 mm的鎳基合金包殼，在燃料棒芯體外表面和包殼的內(nèi)表面設(shè)置有氧化物阻氫涂層，燃料棒的芯體分為上半段和下半段，上半段235U富集度高于下半段。
本發(fā)明的新穎性與創(chuàng)造性在于
①鈾氫化鋯動(dòng)力堆中燃料235U含量較高，其質(zhì)量份額可從5%直至高達(dá)40. 5%，對應(yīng)于 45%的最大鈾質(zhì)量份額和90%的^5U富集度，以增加卸料燃耗深度，滿足較長的堆芯燃耗壽期要求。同時(shí)，燃料棒中可對富集度進(jìn)行軸向分區(qū)布置，如上半段燃料中235U富集度高于下半段燃料，用以展平動(dòng)力堆堆芯軸向功率密度分布。
②鈾氫化鋯動(dòng)力堆堆芯中采用彌散鉺作可燃毒物。
由于鉺可燃毒物彌散在燃料中，可以在燃料組件和堆芯內(nèi)進(jìn)行鉺毒物含量的分區(qū)布置，用以降低燃料組件功率峰值因子和堆芯熱點(diǎn)功率峰因子。
③為滿足控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)對最小相鄰兩組控制棒中心距的限制，可采用“聯(lián)合控制組件”形式，即相鄰四個(gè)組件內(nèi)的控制棒由一臺(tái)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)控制。
④在鈾氫化鋯動(dòng)力堆堆芯中，通過調(diào)整鈾質(zhì)量裝載、控制棒布置方式以及毒物鉺含量和分區(qū)布置，使得鈾氫化鋯動(dòng)力堆堆芯布置既能滿足“卡棒”準(zhǔn)貝U、燃耗壽期和展平堆芯功率分布要求，又能實(shí)現(xiàn)毒物燃耗釋放的反應(yīng)性與燃料燃耗損失的反應(yīng)性的“較好匹配”。堆芯可以獲得較低的熱點(diǎn)功率峰因子
Iiq和核焓升因子，且全提棒和補(bǔ)償棒臨界棒位的變化較為平緩。
本發(fā)明的效果在于與鈾氫化鋯脈沖堆相比，本發(fā)明的動(dòng)力堆的堆芯可以在較高功率水平下穩(wěn)態(tài)運(yùn)行，同時(shí)可以獲得較低的熱點(diǎn)功率峰因子和核焓升因子，且全提棒反應(yīng)性和補(bǔ)償棒臨界棒位的變化較為平緩；在不低于IOMW量級(jí)的堆芯功率下，堆芯壽期可高達(dá) 1000EFPD (等效滿功率天)以上；在其較長的運(yùn)行壽期內(nèi)，可以維持較大的燃料瞬發(fā)負(fù)反應(yīng)性溫度系數(shù)(-5 -lOpcm/K)，能夠始終保持良好的固有安全性能；對燃料棒中的^5U富集度進(jìn)行軸向分區(qū)布置，展平堆芯軸向功率分布，對彌散在燃料中的鉺毒物在組件和堆芯內(nèi)進(jìn)行徑向分區(qū)布置，展平堆芯徑向功率分布；為滿足控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)對最小相鄰兩組控制棒中心距的限制，可采用“聯(lián)合控制”組件形式，即相鄰四個(gè)組件內(nèi)的控制棒由一臺(tái)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)控制；通過調(diào)整鈾質(zhì)量裝載、控制棒布置方式以及毒物鉺含量和分區(qū)布置，使得堆芯布置既能滿足卡棒準(zhǔn)則、燃耗壽期和展平堆芯功率分布要求，又能實(shí)現(xiàn)毒物燃耗釋放的反應(yīng)性與燃料燃耗損失的反應(yīng)性的較好匹配。
本發(fā)明鈾氫化鋯燃料動(dòng)力堆的突出優(yōu)點(diǎn)還在于不僅運(yùn)行簡便、經(jīng)濟(jì)可靠和環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，還具有固有安全和長壽期的特點(diǎn)，可以用作船用動(dòng)力、低溫供熱堆、移動(dòng)式車載核電源、深潛器用動(dòng)力和其他用途，因此具有廣闊的市場前景。


圖1為用鈾氫化鋯燃料組件構(gòu)成的本發(fā)明動(dòng)力堆堆芯結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2為本發(fā)明動(dòng)力堆堆芯內(nèi)控制棒組件的布置示意圖。
圖3為由6X6個(gè)柵格位置的組件單元構(gòu)成的有8根導(dǎo)向管的燃料組件示意圖。 圖4為由5X5個(gè)柵格位置的組件單元構(gòu)成的有8根導(dǎo)向管的燃料組件示意圖。
圖5為由5X5個(gè)柵格位置的組件單元構(gòu)成的有5根導(dǎo)向管的燃料組件示意圖。 圖6為本發(fā)明堆芯壽期內(nèi)平衡氙控制棒全提變化圖。
圖7為本發(fā)明堆芯在壽期內(nèi)補(bǔ)償棒臨界棒位變化圖。
圖8為本發(fā)明堆芯在壽期內(nèi)堆芯瞬發(fā)負(fù)溫度系數(shù)變化圖。
圖中標(biāo)記1.為低鉺含量燃料組件；2.為高鉺含量燃料組件；3.為不銹鋼圍板； 4.為安全棒組件；5.為補(bǔ)償棒組件；6.為不含控制棒的組件；7.為導(dǎo)向管；8.為高功率柵格位置燃料棒；9.為低功率柵格位置燃料棒。
具體實(shí)施方式
為獲得較低的熱點(diǎn)功率峰因子Fq和核焓升因子PiH,本發(fā)明的動(dòng)力堆堆芯采用的
燃料組件為正方形或六角形組件，采用高鈾裝載鈾氫化鋯燃料細(xì)棒元件，堆芯內(nèi)燃料中的鈾質(zhì)量裝載量為35% 45% ；堆芯中采用彌散鉺作可燃毒物，在燃料組件和堆芯內(nèi)進(jìn)行鉺毒物含量的分區(qū)布置，以展平堆芯徑向功率分布；為達(dá)到堆芯反應(yīng)性控制要求，堆芯中布置有控制棒組件。[0027]如圖1所示，本發(fā)明動(dòng)力堆的堆芯由52組燃料組件組成，堆芯內(nèi)部由高鉺含量燃料組件2計(jì)36組按6X6排列成正方形，并在正方形每邊外圍布置4組低鉺含量燃料組件 1構(gòu)成堆芯外圍，整個(gè)堆芯由2cm厚的不銹鋼圍板圍繞封閉；堆芯鈾質(zhì)量的裝載量為35% -45%，內(nèi)部高鉺含量燃料組件2的鉺可燃毒物含量為2. 0%本發(fā)明燃料組件的結(jié)構(gòu)有以下幾種形式
(1)、如圖3所示每組燃料組件由6X6個(gè)柵格位置的組件單元構(gòu)成，其中有8個(gè)柵格位置的組件單元為8根導(dǎo)向管7，分別對稱布置在由6X6個(gè)柵格位置的組件單元所構(gòu)成的正方形的四個(gè)角區(qū)，并位于該正方形的兩根對角線位置上；該燃料組件內(nèi)的其余觀個(gè)柵格位置的組件單元為鈾氫化鋯燃料棒，其中在所述正方形的四個(gè)角區(qū)位置中，與導(dǎo)向管7相鄰的另兩個(gè)柵格位置的組件單元為8根高功率柵格位置燃料棒8，余下呈十字型的20個(gè)柵格位置的組件單元為低功率柵格位置燃料棒9。
(2)、如圖4所示每組燃料組件由5X5個(gè)柵格位置的組件單元構(gòu)成，其中有8個(gè)柵格位置的組件單元為8根導(dǎo)向管7，分別對稱布置在由5X5個(gè)柵格位置的組件單元所構(gòu)成的正方形的四個(gè)角區(qū)，并位于該正方形的兩根對角線位置上；該燃料組件內(nèi)的其余17個(gè)柵格位置的組件單元為鈾氫化鋯燃料棒，其中在所述正方形的四個(gè)角區(qū)位置中，與導(dǎo)向管7 相鄰的另兩個(gè)柵格位置的組件單元為8根高功率柵格位置燃料棒8，余下呈十字型的9個(gè)柵格位置的組件單元為低功率柵格位置燃料棒9。
(3)、如圖5所示每組燃料組件由5X5個(gè)柵格位置的組件單元構(gòu)成，其中有5個(gè)柵格位置的組件單元為5根導(dǎo)向管7，分別對稱布置在由5X5個(gè)柵格位置的組件單元所構(gòu)成的正方形的4個(gè)角頂和對角線的交點(diǎn)，該燃料組件內(nèi)的其余20個(gè)柵格位置的組件單元為氫化鋯燃料棒，其中與所述四個(gè)角頂相鄰的8個(gè)柵格位置的組件單元為高功率柵格位置燃料棒8，其余12個(gè)柵格位置的組件單元為低功率柵格位置燃料棒9。
組成堆芯燃料組件的鈾氫化鋯燃料棒，彌散有質(zhì)量分額1%設(shè)計(jì)計(jì)算表明本發(fā)明的堆芯組件功率峰值因子為1. 1，堆芯在運(yùn)行功率8MW時(shí)， 燃耗壽期可達(dá)3000EFPD，壽期內(nèi)燃料瞬發(fā)負(fù)溫度系數(shù)可達(dá)-7 -lOpcm/K。壽期內(nèi)熱點(diǎn)功率峰因子不超過3. 04，核焓升因子不超過1. 40。
圖6和圖7給出了在整個(gè)壽期內(nèi)的控制棒全提平衡氙keff變化及補(bǔ)償棒(AR棒) 臨界棒位變化情況。從圖中可以看出，平衡氙krff和補(bǔ)償棒臨界棒位在一個(gè)較小的范圍內(nèi)變化，這有利于反應(yīng)堆控制及運(yùn)行操作。
鈾氫鋯堆芯的一個(gè)重要優(yōu)點(diǎn)是其具有較大的瞬發(fā)負(fù)溫度系數(shù)(α f)。圖8給出了CN 102543224 A
權(quán)利要求
1.一種用鈾氫化鋯燃料元件的動(dòng)力堆，由正方形或六角形燃料組構(gòu)造成堆芯，其特征在于整個(gè)堆芯由52組燃料組件構(gòu)成，鈾質(zhì)量的裝載量為35%2.按照權(quán)利要求
1所述用鈾氫化鋯燃料元件的動(dòng)力堆，其特征在于所述裝有控制棒的20組高鉺含量燃料組件(2)分為5組，分別布置在6X6排列的高鉺含量燃料組件的四個(gè)角區(qū)和中心區(qū)，其中位于四個(gè)角區(qū)的燃料組件為安全棒組件(4)，位于中心區(qū)的燃料組件為補(bǔ)償棒組件(5)，相鄰4個(gè)控制棒組件組成“聯(lián)合控制”的控制棒束。
3.按照權(quán)利要求
1或2所述用鈾氫化鋯燃料元件的動(dòng)力堆，其特征在于所述每組燃料組件，均由6X6個(gè)柵格位置的組件單元構(gòu)成，其中有8個(gè)柵格位置的組件單元為8根導(dǎo)向管(7)，分別對稱布置在由6X6個(gè)柵格位置的組件單元所構(gòu)成的正方形的四個(gè)角區(qū)，并位于該正方形的兩根對角線位置上；該燃料組件內(nèi)的其余觀個(gè)柵格位置的組件單元為鈾氫化鋯燃料棒(8，9)，其中在所述正方形的四個(gè)角區(qū)中，與導(dǎo)向管(7)相鄰的另兩個(gè)柵格位置的組件單元為8根高功率柵格位置燃料棒(8)，余下呈十字型的20個(gè)柵格位置的組件單元為低功率柵格位置燃料棒(9 )。
4.按照權(quán)利要求
1或2所述用鈾氫化鋯燃料元件的動(dòng)力堆，其特征在于所述每組燃料組件，均由5X5個(gè)柵格位置的組件單元構(gòu)成，其中有8個(gè)柵格位置的組件單元為8根導(dǎo)向管，分別對稱布置在由5X5個(gè)柵格位置的組件單元所構(gòu)成的正方形的四個(gè)角區(qū)，并位于該正方形的兩根對角線位置上；該燃料組件內(nèi)的其余17個(gè)柵格位置的組件單元為鈾氫化鋯燃料棒(8，9)，其中在所述正方形的四個(gè)角區(qū)中，與導(dǎo)向管(7)相鄰的另兩個(gè)柵格位置的組件單元為8根高功率柵格位置燃料棒(8)，余下呈十字型的9個(gè)柵格位置的組件單元為低功率柵格位置燃料棒(9)。
5.按照權(quán)利要求
1或2所述用鈾氫化鋯燃料元件的動(dòng)力堆，其特征在于所述每組燃料組件，均由5X5個(gè)柵格位置的組件單元構(gòu)成，其中有5個(gè)柵格位置的組件單元為5根導(dǎo)向管(7)，分別對稱布置在由5X5個(gè)柵格位置的組件單元所構(gòu)成的正方形的4個(gè)角頂和對角線的交點(diǎn)，該燃料組件內(nèi)的其余20個(gè)柵格位置的組件單元為氫化鋯燃料棒(8，9)，其中與所述四個(gè)角頂相鄰的8個(gè)柵格位置的組件單元為高功率柵格位置燃料棒(8)，其余12個(gè)柵格位置的組件單元為低功率柵格位置燃料棒(9)。
6.按照權(quán)利要求
1或2所述用鈾氫化鋯燃料元件的動(dòng)力堆，其特征在于所述燃料組件中的鈾氫化鋯燃料棒(8，9)，其直徑為6 mm- 16mm，采用厚度為0. 4 mm專利摘要
本發(fā)明公開一種用鈾氫化鋯元件的動(dòng)力堆，堆芯采用的燃料組件為正方形或六角形組件，采用高鈾裝載鈾氫化鋯燃料細(xì)棒元件；采用彌散鉺作可燃毒物，堆芯可在組件和堆芯內(nèi)進(jìn)行鉺毒物含量的分區(qū)布置。堆芯燃料負(fù)反應(yīng)性溫度系數(shù)為-5～-10pcm/K，堆芯壽期在1000EFPD以上。堆芯布置既能滿足卡棒準(zhǔn)則、較長燃耗壽期和展平堆芯功率分布要求，又能實(shí)現(xiàn)毒物燃耗釋放的反應(yīng)性與燃料燃耗損失的反應(yīng)性的較好匹配。本發(fā)明的鈾氫化鋯動(dòng)力堆堆芯具有固有安全和長壽期特點(diǎn)，適用于船用動(dòng)力、低溫供熱堆、移動(dòng)式車載核電源、深潛器用動(dòng)力和其他用途。
文檔編號(hào)G21C1/04GKCN102543224SQ201010585741
公開日2012年7月4日 申請日期2010年12月14日
發(fā)明者姚棟, 應(yīng)詩浩, 李慶, 王連杰, 陳炳德 申請人:中國核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan