[发明专利]一种包层式堆芯结构的加速器驱动次临界装置

说明书

技术领域

本发明涉及加速器驱动次临界系统的技术领域，具体涉及一种包层式堆芯结构的加速器驱动次临界装置。

背景技术

核能是国家战略的重要组成部分，然而核能发展中面临着两大制约因素，一是乏燃料的处理，而是核燃料的增殖。一方面，在乏燃料中，存在大量的长寿命裂变产物及大量的次锕系(MA)核素，其不仅放射性强，而且寿命极长，部分核素的寿命甚至可达10⁴～10⁷年。国际上的通常做法是经过减容固化后直接地质深埋但依然不能解决放射性风险问题，其中的长寿命裂变产物与MA仍然对环境以及后代造成极大的安全威胁。另一方面，可直接作为裂变堆燃料的易裂变核素在自然中储量有限，据估计只能使用近60年。为了核能的可持续发展，可以通过使自然界大量存在的²³⁸U以及²³²Th进行增殖。要进行增殖，一来需要中子能量足够高，二来需要具有多的“富裕”中子。

解决上述问题的一个方法就是发展加速器驱动次临界系统(ADS)。在加速器驱动次临界系统(ADS)中，首先质子轰击散裂靶，产生散裂中子。之后散裂中子进入反应堆堆芯，引起裂变，产生更多的裂变中子。之后利用这些中子进行乏燃料的嬗变或燃料的增殖。其比传统临界反应堆的优点是：散裂中子能量要比裂变中子高很多，更利于嬗变和增殖；反应堆处于次临界状态，避免了超临界事故风险。

目前已有的加速器驱动次临界系统(ADS)的结构与传统堆的布置思路类似：将所有的燃料组件都放在一个安全容器内；加速器束流管道直接引入堆芯；散裂靶直接布置与堆芯活性区中。这样，不仅结构复杂，加速器与靶的工作环境苛刻，造成相关部件设计制造难度大，部件更换维修与燃料更换操作困难，为保证足够的安全裕度，需要配备更多复杂的安全设施，造成总体更高。

本发明是一种模块化的加速器驱动次临界系统(ADS)，加速器驱动次临界系统(ADS)是核能领域被认为解决乏燃料嬗变与燃料增殖的有效途径，可以有效简化反应堆结构，降低加速器、靶设备的环境要求，减小维护难度，节省建造与运维成本。

发明内容

本发明的目的在于：为了解决乏燃料处理以及核燃料增殖的难题，以及克服结构复杂，成本高以及操作困难的难题，本发明设计了一种包层式堆芯结构的加速器驱动次临界装置，其具有维护简单、次临界安全、模块化堆芯整体更换、无需换料机、避免小破口等优点。

为实现以上目的，本发明采用的技术方案为：一种包层式堆芯结构的加速器驱动次临界装置，包括外中子源，燃料包层模块，保护容器，外中子源冷却回路，燃料包层模块冷却回路，连接燃料包层模块冷却回路的同心管，燃料包层模块冷却回路包括电磁泵及换热器；同心管包括同心管中心管和同心管中的外层管；

外中子源与反应堆堆芯燃料和反应堆堆芯冷却剂不共用同一容器；反应堆堆芯燃料与反应堆堆芯冷却剂置于多个独立容器内形成的燃料包层模块；燃料包层模块分布在外中子源周围；外中子源与燃料包层模块置于保护容器内，燃料包层模块与燃料包层模块冷却回路通过同心管相连，同心管的中心管和外层管分别作为燃料包层模块中冷却剂的出口与入口，外中子源与外中子源冷却回路相连。

进一步的，散裂靶采用独立的外中子源冷却回路进行冷却。

进一步的，反应堆堆芯燃料在反应堆燃料包层内，燃料包层模块冷却回路中的反应堆堆芯冷却剂仅在燃料包层模块内部流动，不在反应堆堆芯包层与保护容器间流动。

进一步的，控制棒系统安装在包层间隙。

本发明在设计中考虑的问题如下：

1.为减少反应堆堆内复杂环境以及狭小空间对散裂靶与加速器相关部件的要求，将外中子源与反应堆设计成结构独立的两个模块。由传统设计的内耦合，改为创新的外耦合结构。这样还可以使堆芯与散列靶的冷却回路根据各自需求，灵活设计，而不必考虑相互影响，造成的安全问题。

2.为避免安装复杂的堆内换料及遥操维修机构，采用了模块化设计思路，将反应堆堆芯设计成几个独立燃料包层模块。堆芯燃料的冷却剂设计成在正常工况下只在包层内部流动，在包层外与保护容器内不存在冷却剂。这样可以简化操作环境，在需要换料时，直接整体模块更换，不仅节省了遥操机构昂贵的制造成本，还可以大量节省换料时间，提高反应堆的可用率。

3.为达简化系统目的，所有模块内冷却剂共用电磁泵与换热器系统，同时另有一套系统备用，以满足冗余性准则。电磁泵不仅用来驱动金属冷却剂流动，而且也实现加热冷却剂的功能。为达到减少管道布置，简化系统的目的，燃料包层与电磁泵和换热器系统的连接采用同心管。