一种基于9的制作方法

一种基于9
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9棒栅燃料组件的小型反应堆堆芯
技术领域
1.本发明属于核反应堆堆芯技术领域，具体涉及一种基于9
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9棒栅燃料组件的小型反应堆堆芯。


背景技术：

2.小型反应堆作为一种先进的小型核能装置，由于其小型化、轻量化、模块化，可以全部在工厂制造、组装，然后用飞机、火车或重型汽车运输至现场并能短期组装发电，消除了大规模建设的困难，减少了资金成本，同时具有很强的可移动性。由于其高度的灵活性，小型反应堆可广泛应用于边远地区、长期科考基地、海岛和城市附近的专用电力、热能供应等领域，有着广阔的市场应用前景。
3.相比于常规电源，具有高度灵活性的小型反应堆具有以下优势：
4.1)不受燃油供给限制，可不依赖于江、河、湖、海等大型水源，可以为偏远地区、无人地区等地进行快速临时供电；
5.2)能实现长期稳定提供大功率电能、可实现机动性、安全性供电，可极大提高聚居点、基地及其它特殊场景的生存能力；
6.3)节省燃料运输的成本，相比于常规燃料，小型反应堆运输的总重量相对较低，体积小，较大节省了运输成本，提高了机动性。
7.现有一种堆芯采用高铀装载铀氢化锆燃料细棒元件，弥散铒可燃毒物。堆芯反应性温度为负，寿期可达1000efpd(等效满功率天)以上，并满足堆芯设计准则和展平堆芯功率分布要求。但铀氢化锆燃料元件应用于运行温度较高的动力堆国际上尚无先例，技术上不够成熟；且公开的堆芯方案活性段高度80cm，不能够完全满足小型核电源应用场景对反应堆堆芯高度的限制。同时铀氢化锆存在高温释氢风险，在事故工况下可能加重事故后果，不适用于安全性需求较高的特殊需求供电。
8.现有另一种堆芯由三种不同富集度的燃料组件组成，燃料棒进行了轴向分区，有利于展平堆芯功率。但该堆芯有57个燃料组件，活性段高度2.15米，堆芯体积较大，燃料组件数较多，难以满足小型核电源高度的灵活性与适应性特性。需定期更换燃料，换料周期为1～2年，会增加特殊需求供电燃料和设备供应调试难度。
9.综上，现有堆芯均无法完全满足小型核电源对反应堆堆芯的需求。


技术实现要素：

10.鉴于此，本发明提出一种基于9
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9棒栅燃料组件的小型反应堆堆芯，以满足特殊需求供电高灵活性与适应性要求，同时实现全寿期不换料，提高供电稳定性与可靠性。
11.本发明通过下述技术方案实现：
12.一种基于9
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9棒栅燃料组件的小型反应堆堆芯，所述堆芯由37个正方形9
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9棒栅燃料组件组成；
13.所述燃料组件采用截短的核电站用棒型燃料元件。
14.优选的，本发明的燃料组件由72根燃料棒、8根导向管和1根中心测量管组成；
15.所述燃料棒装载uo2芯块；
16.部分所述燃料组件的导向管内布置控制棒。
17.优选的，本发明的燃料棒外径为9.5mm；所述uo2芯块直径为8.192mm；所述燃料棒中心距12.595mm。
18.优选的，本发明的燃料组件中心距为114.5mm。
19.优选的，本发明的37个所述燃料组件呈中心对称结构布置，总计七排七列。
20.优选的，本发明的堆芯不采用可溶硼和可燃毒物，仅部分燃料组件装载控制棒，进行反应性调节和控制。
21.优选的，本发明的堆芯装载21个控制棒组件，相同标识的控制棒共用一组控制棒驱动机构；
22.21个控制棒组件在所述堆芯中棋盘式布置，呈中心对称结构。
23.优选的，本发明的21个控制棒组件按功能分为停堆棒组和调节补偿棒组；
24.其中，停堆棒组共有8束控制棒，分别布置于第一排第三列、第一排第五列、第三排第一列、第三排第七列、第五排第一列、第五排第七列、第七排第三列和第七排第五列；
25.调节补偿棒组共有13束控制棒，分别布置于第二排第二列、第二排第四列、第二排第六列、第三排第三列、第三排第五列、第四排第二列、第四排第四列、第四排第六列、第五排第三列、第五排第五列、第六排第二列、第六排第四列和第六排第六列。
26.优选的，本发明的堆芯装载16个不带控制棒燃料组件，分别布置于第一排第四列、第二排第三列、第二排第五列、第三排第二列、第三排第四列、第三排第六列、第四排第一列、第四排第三列、第四排第五列、第五排第二列、第五排第四列、第五排第六列、第六排第三列、第六排第五列和第七排第四列。
27.优选的，本发明的堆芯燃料富集度分为两区，内区21个燃料组件富集度大于外区16个燃料组件富集度；
28.外区16个燃料组件分别布置于第一排第三列、第一排第四列、第一排第五列、第二排第二列、第二排第六列、第三排第一列、第三排第七列、第四排第一列、第四排第七列、第五排第一列、第五排第七列、第六排第二列、第六排第六列、第七排第三列、第七排第四列和第七排第五列；堆芯其余位置为内区燃料组件。
29.优选的，本发明的堆芯热功率为8mw，外区16个燃料组件装载4.45％富集度燃料棒；内区21个燃料组件装载4.95％富集度燃料棒；燃耗寿期为1000efpd。
30.优选的，本发明的堆芯热功率为8mw，外区16个燃料组件装载7％富集度燃料棒；内区21个燃料组件装载8％富集度燃料棒；燃耗寿期为1500efpd。
31.优选的，本发明的堆芯热功率为8mw，外区16个燃料组件装载12％富集度燃料棒；内区21个燃料组件装载15％富集度燃料棒；燃耗寿期为3000efpd。
32.优选的，本发明的堆芯活性区外围包裹1cm厚不锈钢围板。
33.优选的，本发明的堆芯外接圆直径为872mm，等效直径为779mm，活性段高度为500mm。
34.本发明具有如下的优点和有益效果：
35.本发明的堆芯体积小，具有高度的灵活性与适应性，可满足特殊用电需求，布置于
边远地区、长期科考基地、海岛和远海等领域，有着广阔的市场应用前景。
36.本发明的堆芯采用控制棒实现反应性控制与部分功率展平的能力，不采用可溶硼和可燃毒物，简化了部分系统设计、避免了日常硼酸调节产生的废水、减少了固体放射性废物的产生，有利于反应堆的体积重量优化，提高反应堆的灵活性以进一步适应多变的环境。
37.本发明采用合理的燃料管理策略使得堆芯可以保证全寿期不换料，在复杂的环境应用条件下，可减少人工维护成本。同时消除反应堆换料，可节省时间，减少设备安装调试，同时提升反应堆的安全性与经济性。
38.本发明能够在组件最大卸料燃耗不超过许用限值55000mwd/tu的前提下，获得较长的燃耗寿期，在保证燃料安全性的前提下，充分利用本炉燃料的同时减少多次换料带来的燃料成分与乏燃料处置成本，有效提高经济性。
39.本发明的堆芯采用截短的电站用棒型燃料组件，该燃料组件技术较为成熟，已有多年的大型商用核电厂使用运行管理经验，充分证明了该组件技术的安全性与可靠性，技术风险低。
附图说明
40.此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本技术的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
41.图1为本发明实施例的9
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9棒栅燃料组件布置示意图。
42.图2为本发明实施例的堆芯布置和控制棒分组示意图。
43.附图中标记及对应的零部件名称：
44.1-燃料棒，2-中心测量管，3-导向管，4-不带控制棒燃料组件，5-停堆棒组(e1和e2)控制棒插入组件，6-调节棒组(a、b、c和d)控制棒插入组件，7-围板。
具体实施方式
45.在下文中，可在本发明的各种实施例中使用的术语“包括”或“可包括”指示所发明的功能、操作或元件的存在，并且不限制一个或更多个功能、操作或元件的增加。此外，如在本发明的各种实施例中所使用，术语“包括”、“具有”及其同源词仅意在表示特定特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合，并且不应被理解为首先排除一个或更多个其它特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合的存在或增加一个或更多个特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合的可能性。
46.在本发明的各种实施例中，表述“或”或“a或/和b中的至少一个”包括同时列出的文字的任何组合或所有组合。例如，表述“a或b”或“a或/和b中的至少一个”可包括a、可包括b或可包括a和b二者。
47.在本发明的各种实施例中使用的表述(诸如“第一”、“第二”等)可修饰在各种实施例中的各种组成元件，不过可不限制相应组成元件。例如，以上表述并不限制所述元件的顺序和/或重要性。以上表述仅用于将一个元件与其它元件区别开的目的。例如，第一用户装置和第二用户装置指示不同用户装置，尽管二者都是用户装置。例如，在不脱离本发明的各种实施例的范围的情况下，第一元件可被称为第二元件，同样地，第二元件也可被称为第一元件。
48.应注意到：如果描述将一个组成元件“连接”到另一组成元件，则可将第一组成元件直接连接到第二组成元件，并且可在第一组成元件和第二组成元件之间“连接”第三组成元件。相反地，当将一个组成元件“直接连接”到另一组成元件时，可理解为在第一组成元件和第二组成元件之间不存在第三组成元件。
49.在本发明的各种实施例中使用的术语仅用于描述特定实施例的目的并且并非意在限制本发明的各种实施例。如在此所使用，单数形式意在也包括复数形式，除非上下文清楚地另有指示。除非另有限定，否则在这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明的各种实施例所属领域普通技术人员通常理解的含义相同的含义。所述术语(诸如在一般使用的词典中限定的术语)将被解释为具有与在相关技术领域中的语境含义相同的含义并且将不被解释为具有理想化的含义或过于正式的含义，除非在本发明的各种实施例中被清楚地限定。
50.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
51.实施例1
52.本实施例提供了一种基于9
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9棒栅燃料组件的小型反应堆堆芯，本实施例堆芯装载37个正方形9
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9棒栅燃料组件，37个燃料组件呈中心对称结构布置，总计七排七列，第一排和第七排分别布置3个燃料组件，第二排和第六排分别布置5个燃料组件，第三排至第五排分别布置7个燃料组件。本实施例的燃料组件采用截短的核电站用棒型燃料元件。
53.本实施例采用截短的核电站用棒型燃料元件，堆芯体积较小并仅依靠控制棒进行反应性控制和调控，具有高度的灵活性与机动性。堆芯能够在燃料组件最大卸料燃耗不超过许用限值的前提下保证全寿期不换料，有效提高堆芯的经济性与安全性。
54.如图1所示，本实施例的燃料组件由72根燃料棒1、8根导向管3和1根中心测量管2组成；燃料棒元件装载uo2芯块。
55.本实施例的燃料棒1外径为9.5mm，uo2芯块直径为8.192mm，燃料棒中心距为12.595mm；燃料棒与导向管之间填充有冷却剂水。
56.本实施例的燃料组件中心距为114.5mm。
57.如图2所示，本实施例的堆芯中布置21个控制棒组件。21个控制棒组件在堆芯中棋盘式布置，呈中心对称结构。本实施例的堆芯不采用可溶硼和可燃毒物，仅布置一定数量控制棒，进行反应性调节和控制。
58.本实施例的控制棒组件按功能分为停堆棒组(e1和e2)和调节补偿棒组(a、b、c和d)，其中，停堆棒组在正常运行时该组控制棒完全提出堆芯以外，仅在停堆时插入堆芯；调节补偿棒组在燃耗过程中按照指定的顺序部分插入堆芯，补偿燃料的燃耗，并实行快速反应性调节。相同字母标志的控制棒共用一组控制棒驱动机构。
59.其中，停堆棒组5(e1和e2)共有8束控制棒，分别布置于第一排第三列、第一排第五列、第三排第一列、第三排第七列、第五排第一列、第五排第七列、第七排第三列和第七排第五列。调节补偿棒组6(a、b、c和d)共有13束控制棒，分别布置于第二排第二列、第二排第四列、第二排第六列、第三排第三列、第三排第五列、第四排第二列、第四排第四列、第四排第六列、第五排第三列、第五排第五列、第六排第二列、第六排第四列和第六排第六列。
60.本实施例的堆芯装载16个不带控制棒燃料组件4，分别布置于第一排第四列、第二排第三列、第二排第五列、第三排第二列、第三排第四列、第三排第六列、第四排第一列、第四排第三列、第四排第五列、第五排第二列、第五排第四列、第五排第六列、第六排第三列、第六排第五列和第七排第四列。
61.堆芯燃料富集度分为两区，内区21个燃料组件装载高富集度，外区16个燃料组件装载低富集度。外区16个燃料组件分别布置于第一排第三列、第一排第四列、第一排第五列、第二排第二列、第二排第六列、第三排第一列、第三排第七列、第四排第一列、第四排第七列、第五排第一列、第五排第七列、第六排第二列、第六排第六列、第七排第三列、第七排第四列和第七排第五列。其余位置燃料组件为堆芯内区燃料组件。
62.本实施例的堆芯活性区外围包裹1cm厚不锈钢围板7，既保证堆芯稳定性又区别于中型压水堆通常采用的2cm厚围板，降低对中子的不利吸收，提升堆芯经济性。
63.本实施例的堆芯外接圆直径为872mm，等效直径为779mm，活性段高度为500mm，堆芯体积较小，保证其高灵活性以匹配多种应用场景。
64.实施例2
65.本实施例采用上述实施例1提出的堆芯，热功率为8mw，采用核电站通用的富集度不超过5％的低富集度燃料，堆芯外围16个燃料组件装载4.45％富集度燃料棒，堆芯内部21个燃料组件装载4.95％富集度燃料棒，燃耗寿期可达1000efpd。
66.实施例3
67.本实施例采用上述实施例1提出的堆芯，热功率为8mw，突破电站通用的低富集度限值，堆芯外围16个燃料组件装载7％富集度燃料棒，堆芯内部21个燃料组件装载8％富集度燃料棒，燃耗寿期可达1500efpd。
68.实施例4
69.本实施例采用上述实施例1提出的堆芯，热功率为8mw，采用棒形燃料组件燃耗限值作为限制条件，堆芯外围16个燃料组件装载12％富集度燃料棒，堆芯内部21个燃料组件装载15％富集度燃料棒，燃耗寿期可达3000efpd，此时寿期末组件最大卸料燃耗接近55000mwd/tu。
70.以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。