专利名称:用铀氢化锆燃料元件的动力堆的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种核反应堆堆芯设计，具体涉及一种采用铀氢化锆燃料元件的小型动力堆堆芯设计方案。
背景技术：
由于铀氢化锆(U-ZrHx)燃料显著的固有安全性能，采用铀氢化锆(U-ZrHx)燃料的核反应堆堆芯具有以下特点①具有很大的瞬发负温度系数，提供了氧化物燃料不具有的反应堆固有安全性；②燃料芯块含有慢化剂，可使堆芯设计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、重量轻；③慢化剂与铀的比值增大，铀装量增加，能获得较高的卸料燃耗，延长堆芯寿期；④铀氢化锆元件的热导率高，中心温度低，储能少，有利于事故工况下的余热导出，进一步提高反应堆的安全性。如美国专利US4186050-A "Nuclear reactor cont improved nuclear fuel element consisting of zirconium hydride, uranium and erbium”中所述的“铀氢化锆燃料反应堆”就是一种采用铀氢化锆燃料的研究堆。
采用铀氢化锆燃料的研究堆，如脉冲堆(TRIGA堆)已在世界各国安全运行多年，脉冲堆(TRIGA堆)是一种典型的使用铀氢化锆燃料元件的研究堆。这种堆固有安全性高，即可稳态运行，又可脉冲或方波运行。由于脉冲堆有很大的瞬发负温度系数，在超瞬发临界直至正反应性引入量高达数元时，仍能安全进行脉冲运行，得到脉冲中子。脉冲堆可以用于中子活化分析、辐照试验、中短寿命同位素生产、燃料元件瞬态辐照试验、反应堆安全和动态特性研究、电子器件的瞬态辐照效应研究和脉冲中子照相技术研究等。典型的脉冲堆堆芯布置采用的是单燃料棒栅元的三角形布置方式。
目前，对采用铀氢化锆燃料元件的小型动力堆技术有所研究，如《核动力工程》 2009年第30卷第3期发表的《铀氢化锆元件小型动力堆应用可行性分析》中，对铀氢化锆元件应用于小型动力堆的技术可行性进行了论证和分析，但只是对在动力堆中使用铀氢化锆燃料棒进行了相关研究，并没有形成实际的产品和堆芯设计方案。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有固有安全和长寿期的铀氢化锆燃料元件的动力堆。
本发明的技术方案如下
一种用铀氢化锆燃料元件的动力堆，由正方形或六角形燃料组件构造成堆芯，其特征在于整个堆芯由52组燃料组件构成，铀质量的装载量为35%所述装有控制棒的20组高铒含量燃料组件，在堆芯内被分为5组，分别布置在 6X6排列的高铒含量燃料组件的四个角区和中心区，其中位于四个角区的燃料组件为安全棒组件，位于中心区的燃料组件为补偿棒组件，相邻接的4个控制棒组件组成“联合控制” 的控制棒束。
所述每组燃料组件，均由6X6个栅格位置的组件单元构成，其中有8个栅格位置的组件单元为8根导向管，分别对称布置在由6X6个栅格位置的组件单元所构成的正方形的四个角区，并位于该正方形的两根对角线位置上；该燃料组件内的其余观个栅格位置的组件单元为铀氢化锆燃料棒，其中在所述正方形的四个角区中，与导向管相邻的另两个栅格位置的组件单元为8根高功率栅格位置燃料棒，余下呈十字型的20个栅格位置的组件单元为低功率栅格位置燃料棒。
所述每组燃料组件，均由5X5个栅格位置的组件单元构成，其中有8个栅格位置的组件单元为8根导向管，分别对称布置在由5X5个栅格位置的组件单元所构成的正方形的四个角区，并位于该正方形的两根对角线位置上；该燃料组件内的其余17个栅格位置的组件单元为铀氢化锆燃料棒，其中在所述正方形的四个角区中，与导向管相邻的另两个栅格位置的组件单元为8根高功率栅格位置燃料棒，余下呈十字型的9个栅格位置的组件单元为低功率栅格位置燃料棒。
所述每组燃料控制棒组件，均由5X5个栅格位置的组件单元构成，其中有5个栅格位置的组件单元为5根导向管，分别对称布置在由5X5个栅格位置的组件单元所构成的正方形的4个角顶和对角线的交点，该燃料组件内的其余20个栅格位置的组件单元为氢化锆燃料棒，其中与所述四个角顶相邻的8个栅格位置的组件单元为高功率栅格位置燃料棒，其余12个栅格位置的组件单元为低功率栅格位置燃料棒。
所述燃料组件中的铀氢化锆燃料棒，其直径为6 mm 一 16mm，采用厚度0. 4 mm — 0.8 mm的镍基合金包壳，在燃料棒芯体外表面和包壳的内表面设置有氧化物阻氢涂层，燃料棒的芯体分为上半段和下半段，上半段235U富集度高于下半段。
本发明的新颖性与创造性在于
①铀氢化锆动力堆中燃料235U含量较高，其质量份额可从5%直至高达40. 5%，对应于 45%的最大铀质量份额和90%的^5U富集度，以增加卸料燃耗深度，满足较长的堆芯燃耗寿期要求。同时，燃料棒中可对富集度进行轴向分区布置，如上半段燃料中235U富集度高于下半段燃料，用以展平动力堆堆芯轴向功率密度分布。
②铀氢化锆动力堆堆芯中采用弥散铒作可燃毒物。
由于铒可燃毒物弥散在燃料中，可以在燃料组件和堆芯内进行铒毒物含量的分区布置，用以降低燃料组件功率峰值因子和堆芯热点功率峰因子。
③为满足控制棒驱动机构对最小相邻两组控制棒中心距的限制，可采用“联合控制组件”形式，即相邻四个组件内的控制棒由一台驱动机构控制。
④在铀氢化锆动力堆堆芯中，通过调整铀质量装载、控制棒布置方式以及毒物铒含量和分区布置，使得铀氢化锆动力堆堆芯布置既能满足“卡棒”准贝U、燃耗寿期和展平堆芯功率分布要求，又能实现毒物燃耗释放的反应性与燃料燃耗损失的反应性的“较好匹配”。堆芯可以获得较低的热点功率峰因子
Iiq和核焓升因子，且全提棒和补偿棒临界棒位的变化较为平缓。
本发明的效果在于与铀氢化锆脉冲堆相比，本发明的动力堆的堆芯可以在较高功率水平下稳态运行，同时可以获得较低的热点功率峰因子和核焓升因子，且全提棒反应性和补偿棒临界棒位的变化较为平缓；在不低于IOMW量级的堆芯功率下，堆芯寿期可高达 1000EFPD (等效满功率天)以上；在其较长的运行寿期内，可以维持较大的燃料瞬发负反应性温度系数(-5 -lOpcm/K)，能够始终保持良好的固有安全性能；对燃料棒中的^5U富集度进行轴向分区布置，展平堆芯轴向功率分布，对弥散在燃料中的铒毒物在组件和堆芯内进行径向分区布置，展平堆芯径向功率分布；为满足控制棒驱动机构对最小相邻两组控制棒中心距的限制，可采用“联合控制”组件形式，即相邻四个组件内的控制棒由一台驱动机构控制；通过调整铀质量装载、控制棒布置方式以及毒物铒含量和分区布置，使得堆芯布置既能满足卡棒准则、燃耗寿期和展平堆芯功率分布要求，又能实现毒物燃耗释放的反应性与燃料燃耗损失的反应性的较好匹配。
本发明铀氢化锆燃料动力堆的突出优点还在于不仅运行简便、经济可靠和环境适应性强，还具有固有安全和长寿期的特点，可以用作船用动力、低温供热堆、移动式车载核电源、深潜器用动力和其他用途，因此具有广阔的市场前景。
图1为用铀氢化锆燃料组件构成的本发明动力堆堆芯结构示意图。
图2为本发明动力堆堆芯内控制棒组件的布置示意图。
图3为由6X6个栅格位置的组件单元构成的有8根导向管的燃料组件示意图。 图4为由5X5个栅格位置的组件单元构成的有8根导向管的燃料组件示意图。
图5为由5X5个栅格位置的组件单元构成的有5根导向管的燃料组件示意图。 图6为本发明堆芯寿期内平衡氙控制棒全提变化图。
图7为本发明堆芯在寿期内补偿棒临界棒位变化图。
图8为本发明堆芯在寿期内堆芯瞬发负温度系数变化图。
图中标记1.为低铒含量燃料组件；2.为高铒含量燃料组件；3.为不锈钢围板； 4.为安全棒组件；5.为补偿棒组件；6.为不含控制棒的组件；7.为导向管；8.为高功率栅格位置燃料棒；9.为低功率栅格位置燃料棒。
具体实施方式
为获得较低的热点功率峰因子Fq和核焓升因子PiH,本发明的动力堆堆芯采用的
燃料组件为正方形或六角形组件，采用高铀装载铀氢化锆燃料细棒元件，堆芯内燃料中的铀质量装载量为35% 45% ；堆芯中采用弥散铒作可燃毒物，在燃料组件和堆芯内进行铒毒物含量的分区布置，以展平堆芯径向功率分布；为达到堆芯反应性控制要求，堆芯中布置有控制棒组件。[0027]如图1所示，本发明动力堆的堆芯由52组燃料组件组成，堆芯内部由高铒含量燃料组件2计36组按6X6排列成正方形，并在正方形每边外围布置4组低铒含量燃料组件 1构成堆芯外围，整个堆芯由2cm厚的不锈钢围板围绕封闭；堆芯铀质量的装载量为35% -45%，内部高铒含量燃料组件2的铒可燃毒物含量为2. 0%本发明燃料组件的结构有以下几种形式
(1)、如图3所示每组燃料组件由6X6个栅格位置的组件单元构成，其中有8个栅格位置的组件单元为8根导向管7，分别对称布置在由6X6个栅格位置的组件单元所构成的正方形的四个角区，并位于该正方形的两根对角线位置上；该燃料组件内的其余观个栅格位置的组件单元为铀氢化锆燃料棒，其中在所述正方形的四个角区位置中，与导向管7相邻的另两个栅格位置的组件单元为8根高功率栅格位置燃料棒8，余下呈十字型的20个栅格位置的组件单元为低功率栅格位置燃料棒9。
(2)、如图4所示每组燃料组件由5X5个栅格位置的组件单元构成，其中有8个栅格位置的组件单元为8根导向管7，分别对称布置在由5X5个栅格位置的组件单元所构成的正方形的四个角区，并位于该正方形的两根对角线位置上；该燃料组件内的其余17个栅格位置的组件单元为铀氢化锆燃料棒，其中在所述正方形的四个角区位置中，与导向管7 相邻的另两个栅格位置的组件单元为8根高功率栅格位置燃料棒8，余下呈十字型的9个栅格位置的组件单元为低功率栅格位置燃料棒9。
(3)、如图5所示每组燃料组件由5X5个栅格位置的组件单元构成，其中有5个栅格位置的组件单元为5根导向管7，分别对称布置在由5X5个栅格位置的组件单元所构成的正方形的4个角顶和对角线的交点，该燃料组件内的其余20个栅格位置的组件单元为氢化锆燃料棒，其中与所述四个角顶相邻的8个栅格位置的组件单元为高功率栅格位置燃料棒8，其余12个栅格位置的组件单元为低功率栅格位置燃料棒9。
组成堆芯燃料组件的铀氢化锆燃料棒，弥散有质量分额1%设计计算表明本发明的堆芯组件功率峰值因子为1. 1，堆芯在运行功率8MW时， 燃耗寿期可达3000EFPD，寿期内燃料瞬发负温度系数可达-7 -lOpcm/K。寿期内热点功率峰因子不超过3. 04，核焓升因子不超过1. 40。
图6和图7给出了在整个寿期内的控制棒全提平衡氙keff变化及补偿棒(AR棒) 临界棒位变化情况。从图中可以看出，平衡氙krff和补偿棒临界棒位在一个较小的范围内变化，这有利于反应堆控制及运行操作。
铀氢锆堆芯的一个重要优点是其具有较大的瞬发负温度系数(α f)。图8给出了CN 102543224 A
权利要求
1.一种用铀氢化锆燃料元件的动力堆，由正方形或六角形燃料组构造成堆芯，其特征在于整个堆芯由52组燃料组件构成，铀质量的装载量为35%2.按照权利要求
1所述用铀氢化锆燃料元件的动力堆，其特征在于所述装有控制棒的20组高铒含量燃料组件(2)分为5组，分别布置在6X6排列的高铒含量燃料组件的四个角区和中心区，其中位于四个角区的燃料组件为安全棒组件(4)，位于中心区的燃料组件为补偿棒组件(5)，相邻4个控制棒组件组成“联合控制”的控制棒束。
3.按照权利要求
1或2所述用铀氢化锆燃料元件的动力堆，其特征在于所述每组燃料组件，均由6X6个栅格位置的组件单元构成，其中有8个栅格位置的组件单元为8根导向管(7)，分别对称布置在由6X6个栅格位置的组件单元所构成的正方形的四个角区，并位于该正方形的两根对角线位置上；该燃料组件内的其余观个栅格位置的组件单元为铀氢化锆燃料棒(8，9)，其中在所述正方形的四个角区中，与导向管(7)相邻的另两个栅格位置的组件单元为8根高功率栅格位置燃料棒(8)，余下呈十字型的20个栅格位置的组件单元为低功率栅格位置燃料棒(9 )。
4.按照权利要求
1或2所述用铀氢化锆燃料元件的动力堆，其特征在于所述每组燃料组件，均由5X5个栅格位置的组件单元构成，其中有8个栅格位置的组件单元为8根导向管，分别对称布置在由5X5个栅格位置的组件单元所构成的正方形的四个角区，并位于该正方形的两根对角线位置上；该燃料组件内的其余17个栅格位置的组件单元为铀氢化锆燃料棒(8，9)，其中在所述正方形的四个角区中，与导向管(7)相邻的另两个栅格位置的组件单元为8根高功率栅格位置燃料棒(8)，余下呈十字型的9个栅格位置的组件单元为低功率栅格位置燃料棒(9)。
5.按照权利要求
1或2所述用铀氢化锆燃料元件的动力堆，其特征在于所述每组燃料组件，均由5X5个栅格位置的组件单元构成，其中有5个栅格位置的组件单元为5根导向管(7)，分别对称布置在由5X5个栅格位置的组件单元所构成的正方形的4个角顶和对角线的交点，该燃料组件内的其余20个栅格位置的组件单元为氢化锆燃料棒(8，9)，其中与所述四个角顶相邻的8个栅格位置的组件单元为高功率栅格位置燃料棒(8)，其余12个栅格位置的组件单元为低功率栅格位置燃料棒(9)。
6.按照权利要求
1或2所述用铀氢化锆燃料元件的动力堆，其特征在于所述燃料组件中的铀氢化锆燃料棒(8，9)，其直径为6 mm- 16mm，采用厚度为0. 4 mm专利摘要
本发明公开一种用铀氢化锆元件的动力堆，堆芯采用的燃料组件为正方形或六角形组件，采用高铀装载铀氢化锆燃料细棒元件；采用弥散铒作可燃毒物，堆芯可在组件和堆芯内进行铒毒物含量的分区布置。堆芯燃料负反应性温度系数为-5～-10pcm/K，堆芯寿期在1000EFPD以上。堆芯布置既能满足卡棒准则、较长燃耗寿期和展平堆芯功率分布要求，又能实现毒物燃耗释放的反应性与燃料燃耗损失的反应性的较好匹配。本发明的铀氢化锆动力堆堆芯具有固有安全和长寿期特点，适用于船用动力、低温供热堆、移动式车载核电源、深潜器用动力和其他用途。
文档编号G21C1/04GKCN102543224SQ201010585741
公开日2012年7月4日 申请日期2010年12月14日
发明者姚栋, 应诗浩, 李庆, 王连杰, 陈炳德 申请人:中国核动力研究设计院导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan