本發(fā)明涉及核裂變反應(yīng)堆技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種核反應(yīng)堆堆芯。

背景技術(shù)：

一般來說，在核反應(yīng)裝置上普遍應(yīng)用的反應(yīng)性控制方法絕大多數(shù)是利用含有吸收材料的控制棒組件，其工作原理是當(dāng)需要降低堆芯反應(yīng)性時插入堆芯，以達(dá)到降低反應(yīng)性，使反應(yīng)堆達(dá)到次臨界狀態(tài)的目的。同時，在輕水堆中，還普遍采用含硼溶液來調(diào)節(jié)或降低反應(yīng)性，作為控制棒組件控制的一種輔助手段。

世界核能界已經(jīng)考慮到第二代核反應(yīng)堆的內(nèi)在安全問題和設(shè)計問題，于2002年在東京召開的第四代核反應(yīng)堆國際研討會上提出了新一代的核能系統(tǒng)概念，其主要考慮的指標(biāo)包括環(huán)境、經(jīng)濟(jì)及安全等各方面的目標(biāo)：在保證經(jīng)濟(jì)性的前提下，提高安全性和可靠性，并提出了非能動安全的建議。

目前國際上普遍應(yīng)用的非能動安全設(shè)施基本上是基于自然循環(huán)原理的非能動余熱排出系統(tǒng)來帶出反應(yīng)堆緊急停堆之后的剩余衰變熱，其應(yīng)用原理較單一，且響應(yīng)時間較慢，不能直接、迅速的控制核反應(yīng)性，是一種間接緩解事故后果的方法。一般來說，要控制和緩解核電站事故后果，必須首先采用核物理控制方法降低堆芯的核反應(yīng)性，使堆芯處于次臨界狀態(tài)并保證一定的次臨界度，才能使裂變反應(yīng)終止并從根本上控制核事故。如果將非能動原理直接應(yīng)用于核反應(yīng)性控制，則能大大提高反應(yīng)堆停堆可靠性，使固有安全的核電站設(shè)計成為可能。

目前普遍應(yīng)用的反應(yīng)性控制手段都需要動力源，不屬于非能動安全設(shè)備，單一設(shè)備的可靠性相對低，若要提高這種系統(tǒng)的可靠性，需提高設(shè)備、控制系統(tǒng)、動力源的可靠性。

因此，設(shè)計一種能夠非能動的引入負(fù)反應(yīng)性使反應(yīng)堆自動達(dá)到停堆狀態(tài)的核臨界控制裝置是十分必要的。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的主要目的在于提供一種用于核裂變反應(yīng)堆的堆芯，以顯著提高系統(tǒng)的安全性和可靠性，并在一定程度上減少對能動設(shè)備的設(shè)置和投入。

根據(jù)本發(fā)明的核反應(yīng)堆堆芯用于核電站裂變反應(yīng)堆，堆芯包括：堆芯容器，其包圍形成堆芯反應(yīng)腔室；冷腔室，位于堆芯容器下部，由堆芯容器的底部和內(nèi)壁包圍形成，用于容納堆芯工質(zhì)；熱腔室，位于冷腔室上方，其橫截面積小于冷腔室，用于提供發(fā)生核裂變反應(yīng)的活性區(qū)；堆芯反射層，位于冷腔室上方，其包圍形成熱腔室的側(cè)壁；主泵，用于將堆芯工質(zhì)壓入熱腔室中，使得熱腔室中的液面高于冷腔室中的液面。

堆芯工質(zhì)可以包括液態(tài)熔融氟化鈾和/或氟化釷。

堆芯還可以包括頂部空間，其橫截面積小于冷腔室，用于緩沖。

優(yōu)選地，堆芯還包括冷卻裝置，其位于堆芯容器外，用于對來自熱腔室并將返回冷腔室的堆芯工質(zhì)進(jìn)行冷卻。冷卻裝置可以是環(huán)形內(nèi)換熱器。

堆芯還可以包括排熱裝置，用于排出停堆后堆芯內(nèi)的剩余衰變熱量。

可選地，冷腔室外部設(shè)置有輔助控制棒。

優(yōu)選地，主泵位于冷腔室中。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，根據(jù)本發(fā)明的技術(shù)方案能夠大大提高核反應(yīng)堆的安全性，使反應(yīng)堆運(yùn)行和事故響應(yīng)時更為可靠，簡化停堆所需的流程和設(shè)備，以解決目前核反應(yīng)堆采用控制棒組件進(jìn)行停堆時可能發(fā)生的卡棒問題，可以作為控制棒組件的輔助停堆系統(tǒng)，以滿足反應(yīng)堆設(shè)計中的停堆方式多樣性的要求。

附圖說明

此處所說明的附圖用來提供對本發(fā)明的進(jìn)一步理解，構(gòu)成本申請的一部 分，本發(fā)明的示意性實施例及其說明用于解釋本發(fā)明，并不構(gòu)成對本發(fā)明的不當(dāng)限定。在附圖中：

圖1是根據(jù)本發(fā)明實施例的核反應(yīng)堆堆芯的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實施例的堆芯的結(jié)構(gòu)示意圖。

在這些附圖中，使用相同的參考標(biāo)號來表示相同或相似的部分。

具體實施方式

為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚，以下結(jié)合附圖及具體實施例，對本發(fā)明作進(jìn)一步地詳細(xì)說明。

在以下描述中，對“一個實施例”、“實施例”、“一個示例”、“示例”等等的引用表明如此描述的實施例或示例可以包括特定特征、結(jié)構(gòu)、特性、性質(zhì)、元素或限度，但并非每個實施例或示例都必然包括特定特征、結(jié)構(gòu)、特性、性質(zhì)、元素或限度。另外，重復(fù)使用短語“在一個實施例中”雖然有可能是指代相同實施例，但并非必然指代相同實施例。

為簡單起見，以下描述中省略了本領(lǐng)域技術(shù)人員公知的某些技術(shù)特征。

圖1示出根據(jù)本發(fā)明實施例的用于核電站裂變反應(yīng)堆的堆芯100。

堆芯100主要包括堆芯容器110、冷腔室120、熱腔室130、堆芯反射層140和主泵150。

堆芯容器110包圍形成堆芯反應(yīng)腔室。

冷腔室120位于堆芯容器110下部，由堆芯容器110的底部和內(nèi)壁包圍形成，用于容納堆芯工質(zhì)。堆芯工質(zhì)可以包括液態(tài)熔融氟化鈾和/或氟化釷?？蛇x地，冷腔室120外部設(shè)置有輔助控制棒。

熱腔室130位于冷腔室120上方，其橫截面積小于冷腔室120，用于提供發(fā)生核裂變反應(yīng)的活性區(qū)。

堆芯反射層140位于冷腔室120上方，其包圍形成熱腔室130的側(cè)壁。

主泵150用于將堆芯工質(zhì)壓入熱腔室130中，使得熱腔室130中的液面高于冷腔室120中的液面。優(yōu)選地，主泵150位于冷腔室120中。

堆芯100還可以包括頂部空間，其橫截面積小于冷腔室120，用于緩沖。

為了對來自熱腔室130并將返回冷腔室120的堆芯工質(zhì)進(jìn)行冷卻，優(yōu)選地，堆芯100還包括冷卻裝置，其位于堆芯容器110外。冷卻裝置可以是環(huán)形內(nèi)換熱器。

為了排出停堆后堆芯內(nèi)的剩余衰變熱量，堆芯100還可以包括排熱裝置。

圖2示出根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實施例的反應(yīng)堆堆芯。

反應(yīng)堆堆芯采用液態(tài)熔融氟化鈾(或釷)為燃料和冷卻劑。這是一種液位控制反應(yīng)性的非能動安全堆芯，結(jié)構(gòu)上主要包括熱腔室1(即發(fā)生可控持續(xù)核裂變反應(yīng)的活性區(qū))、冷腔室2、反應(yīng)堆容器3、堆芯反射層4、主泵5、頂部緩沖空間6、換熱器7及二回路的其他設(shè)備。同時，為了保證停堆后反應(yīng)堆的長期安全，還應(yīng)在上部腔室和下部腔室內(nèi)設(shè)置必要的非能動余熱排出系統(tǒng)用以導(dǎo)出停堆后反應(yīng)堆內(nèi)的剩余衰變熱量。

熱腔室1和冷腔室2中的燃料/冷卻劑工質(zhì)全部被反應(yīng)堆容器3包容著，同時設(shè)置堆芯反射層4保障維持核裂變反應(yīng)的自由中子的利用率。堆芯反射層4反射方向徑向朝內(nèi)，圖示出其厚度為δ，其包圍形成圓柱狀熱腔室1，圖示出熱腔室1高度為h、熱腔室1半徑為r。當(dāng)反應(yīng)堆正常運(yùn)行時，熱腔室1內(nèi)充滿由主泵5提供的工質(zhì)而達(dá)到核臨界條件，從而發(fā)生持續(xù)的核裂變反應(yīng)，維持工作狀態(tài)。熱腔室1內(nèi)工質(zhì)液位高于冷腔室2內(nèi)工質(zhì)液位，圖示出高度差為D。加熱后的工質(zhì)通過換熱器7冷卻后回到冷腔室2完成一個流動循環(huán)。當(dāng)反應(yīng)堆發(fā)生異常情況時，主泵5供電因故障斷電，熱腔室1與冷腔室2之間的液位差D因為失去由主泵5提供的壓頭而迅速降低，熱腔室1活性區(qū)內(nèi)的核燃料減少使反應(yīng)堆自動停堆(低于圖中虛線所示停堆液面時自動停堆)，堆芯的功率很快就降低到停堆的狀態(tài)，反應(yīng)堆剩余發(fā)熱由換熱器7或其他事故應(yīng)急設(shè)施帶走。頂部緩沖空間6主要用來緩解運(yùn)行時的壓力波動和變化。

另外，本發(fā)明的部分結(jié)構(gòu)可多樣化，如可采用環(huán)形內(nèi)換熱器以提高換熱效率；也可采用內(nèi)部浸入式的主泵以提高泵的壓頭；在下腔室的外部設(shè)置輔助控制棒以提供多樣性停堆方式等。

本發(fā)明的工作原理是：采用液態(tài)或球床式堆芯的情況下，利用正常運(yùn)行 時主泵壓頭產(chǎn)生的液位差，將鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的活性區(qū)設(shè)置在堆芯的上部。當(dāng)發(fā)生失電事故或主泵故障停運(yùn)時，液面因為失去壓頭而低于活性區(qū)高度，使鏈?zhǔn)椒磻?yīng)自動停止，達(dá)到非能動停堆的狀態(tài)。

本發(fā)明的有益效果是：

一、本發(fā)明實現(xiàn)了在失電或主泵故障情況下的非能動自動安全停堆。在正常運(yùn)行時，利用主泵的壓頭將液態(tài)燃料打入位于堆芯上部的活性區(qū)域，實現(xiàn)鏈?zhǔn)搅炎兒朔磻?yīng)。當(dāng)發(fā)生失去主泵動力的事故時，活性區(qū)域的液面由于失去了主泵的壓頭而下降，液態(tài)燃料全部或部分進(jìn)入下部腔室，下部腔室外圍沒有反射層且內(nèi)部容積達(dá)不到臨近尺寸，鏈?zhǔn)搅炎兒朔磻?yīng)隨即停止，很好的實現(xiàn)了反應(yīng)堆的非能動停堆，保證了停堆安全的可靠性。可與傳統(tǒng)的控制棒停堆方法互相補(bǔ)充應(yīng)用，從停堆原理上為反應(yīng)堆停堆多樣性提供了新的選擇途徑。

二、本發(fā)明通過上、下部腔室的設(shè)置將核反應(yīng)性與液面位置聯(lián)系起來，使反應(yīng)性控制進(jìn)一步簡化，在提高可靠性的基礎(chǔ)上還簡化了堆內(nèi)構(gòu)建的設(shè)計，使堆芯區(qū)域的關(guān)鍵設(shè)備和構(gòu)件數(shù)量減少，可設(shè)置更多的換熱設(shè)備或功能通道，更有效的利用了堆內(nèi)空間。

三、本發(fā)明采用的液態(tài)熔融氟化物燃料和冷卻劑適應(yīng)性強(qiáng)，可充分利用鈾、釷等多種易裂變核素，甚至可采用球床堆的核燃料，即可采用快堆模式運(yùn)行，也可采用熱堆模式運(yùn)行，若采用快堆的模式運(yùn)行，可嬗變各種堆型的乏燃料。

四、為反應(yīng)堆主泵等主要設(shè)備簡化設(shè)計提供改進(jìn)空間，采用本發(fā)明的情況下，主泵不需安裝大體積的延長葉片惰轉(zhuǎn)時間的裝置，將有效減少主泵安裝體積，為堆內(nèi)構(gòu)件的安裝、提高效率提供有利條件。

以上所述僅為本發(fā)明的實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，本發(fā)明可以有各種更改和變化。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍之內(nèi)。