[发明专利]高快中子注量率堆芯

说明书

技术领域

本发明属于核反应堆设计技术领域，具体涉及一种高快中子注量率堆芯。

背景技术

核动力工程的发展离不开核反应堆，而核反应堆的发展离不开试验堆。试验堆对各种反应堆堆型的开发有非常重要的作用。现代试验堆的发展趋势是具有高的热中子或快中子注量率，数目多的实验孔道，包括一定数量的大尺寸孔道。先进试验堆设计追求的一个重要目标是高的快中子注量率。堆内快中子注量率越高，材料辐照试验所需要的时间就越短。例如，聚变反应堆是未来最有希望的能源之一，它所用的材料需要很强的耐辐照性能，要求达到150dpa/a的辐照剂量。要在尽可能短的时间内完成材料的辐照试验，需要具备拥有高快中子注量率试验孔道的工程试验堆。

高快中子注量率试验堆需要燃料元件有高裂变密度，一般不采用圆棒形燃料元件，通常采用板型、套管形或渐开线形燃料元件。计划建造的欧洲先进试验堆JHR堆，采用U₃Si₂-Al圆柱形燃料和雏菊型栅格排列方式，芯体铀密度为4.8gU/cm³，U-235富集度为27％，其富集度水平高于国际核行业通用规定限制的试验堆燃料富集度上限20%。JHR采用“十字麻花型燃料针”，在一个栅元中布置90个燃料针，中心有直径32mm孔道，放置考验件。“十字麻花型燃料针”组件内的功率密度相当高，而其传热能力很差，因此“十字麻花型燃料针”用锆或不锈钢做包壳，堆芯要高压、高流速才能导出热量。JHR堆设计功率为100MW，活性段高度60cm，燃料元件冷却剂流速18m/s。在使用高于国际通用限值的27％富集度U-235的前提条件下，其燃料组件中孔最大快中子注量率通量目标为5×10¹⁴n/cm²/s (E＞0.907MeV)。

国际核行业通用规定限制试验堆燃料中U-235富集度不超过20％，另外，国内燃料制造水平要求U₃Si₂-Al燃料芯体铀密度不高于4.0gU/cm³才能较好地保证芯体内铀的均匀性，国内成熟的套管型燃料组件内冷却剂流速所允许的设计上限值为12m/s。相比于JHR堆，较低的U-235富集度、燃料芯体铀密度以及冷却剂流速限制了国内试验堆的堆芯功率密度和中子注量率水平。因此，基于国际限制的U-235富集度水平和国内的燃料芯体制造及冷却剂流速设计水平，需要提出合理的堆芯布置，获得高快中子注量率堆芯，以提高试验堆的材料辐照能力。

发明内容

本发明的目的在于基于国际限制的U-235富集度水平和国内的燃料芯体制造及冷却剂流速设计水平，在保证安全及结构可行的前提下，提供一种高快中子注量率堆芯，以获得较高的辐照孔道内快中子注量率水平。

为达到上述目的，本发明所采取的技术方案为：

一种高快中子注量率堆芯，该堆芯包括燃料组件、控制棒组件和铍组件；燃料组件为六边形套管型燃料组件，若干个燃料组件呈环形紧凑布置，最内层环上有6个燃料组件，在其环形区域的中心处形成快中子阱；紧挨燃料组件环形区域的外侧布置有若干个六边形铍组件，形成倒中子阱；若干根控制棒组件按两行两列呈“井”字型间隔布置在燃料组件之间。

所述燃料组件为七层燃料组件，42个七层燃料组件呈环形紧凑布置，最内层环上有6个七层燃料组件。

所述燃料组件包括七层燃料组件和四层燃料组件，39个七层燃料组件和3个四层燃料组件呈环形紧凑布置，最内层环上间隔布置有3个七层燃料组件和3个四层燃料组件。

所述快中子阱中布置有1个小辐照孔道。

所述倒中子阱中布置有若干个大辐照孔道、中辐照孔道和小辐照孔道。

所述快中子阱中布置有1个小辐照孔道，其直径为69mm，倒中子阱中布置2个大辐照孔道，其直径为260mm、4个中辐照孔道，其直径为150mm、2个小辐照孔道，其直径为69mm。

所述七层燃料组件包括铝包壳、7层燃料套管、冷却剂水、挤水芯轴；每层燃料套管由筒状燃料芯体和燃料包壳组成，燃料芯体的厚度为0.6mm，最外层燃料套管外围套有六边形铝包壳，最内层燃料套管的中心填充有挤水芯轴，挤水芯轴为铝棒；铝包壳、各层燃料套管和挤水芯轴之间填充有冷却剂水。