燃料和强中子吸收材料一体化的紧凑型反应堆堆芯结构的制作方法

本发明涉及核反应堆工程领域，特别是涉及一种燃料和强中子吸收材料一体化的紧凑型反应堆堆芯结构。

背景技术：

随着人类对太空、深海、远洋等领域探索技术的不断发展成熟和探索应用需求的扩大，人类希望建立太空基地、深海基地等进行科学研究。比如，未来人类其他星球表面(如月亮、火星等)建立空间基地、在深海海底建立深海基地、在远离大陆的孤岛上建立科研基地，都将具有十分重大的科学、军事和政治价值。这些基地的建设都面临着复杂、严峻的环境，能源的稳定供应与管理是基地能够正常运行的重要保障。太阳能电源无法在深海应用，在太空和远洋领域也有其自身的固有缺陷，如无法克服昼夜变化。化学能电源则受限于燃料储量与补给，无法做到长时间大功率运行。而核反应堆电源不受环境影响、功率大、寿命长、安全可靠、能源供应可持续性强，因此被认为是空间基地、深海基地、远洋等基地探测任务中理想可靠的能源供应方案。

由于核反应堆在上诉基地建设与其他探测任务中具有许多无法替代的优势，美国、俄罗斯、日本、法国等国对核反应堆在小型化、轻量化、降噪等方面进行了诸多深入的研究，并提出了数十种核反应堆方案，其冷却方式包括气体冷却、液态金属冷却、热管冷却等。考虑到基地环境的复杂性，具有非能动冷却技术的核反应堆是最主要的方案之一，而热管冷却技术是具有高热导率、高瞬态反馈性能、高可靠性、低保养需求等优点的非能动冷却技术，因此目前基地核反应堆设计大都采用热管冷却。

在现有紧凑型热管核反应堆堆芯设计中，主要的控制方式如图7至图10所示，将强中子吸收体13或反射材料基体14布置在堆芯活性区1外围，通过控制强中子吸收体13吸收中子的数目或者反射材料基体14反射中子的数目来达到控制反应堆的目的。图7是控制转鼓控制方式，将强中子吸收体13和反射材料基体14镶嵌在控制转鼓主体上，通过转动来改变强中子吸收体13、反射材料基体14与堆芯活性区1的相对位置，从而达到对反应性进行控制的目的，控制转鼓布置在堆芯的反射层2内。控制转鼓的布置方式在事故情况下不易发生变形和脱落，但是会增加堆外反射层2尺寸和质量，从而增加堆芯重量。

图8和图9将反射层2布置在堆芯活性区1外，通过控制反射层2来控制堆芯活性区1的中子泄露率，从而实现对堆芯的反应性控制。图8中通过反射层2上下滑移来控制，图9则通过开合式方式来控制反射层2。由于反射层2布置在外侧，材料的辐照损伤较小，工作温度也较低，但在事故情况下，反射层2变形和脱落可能性较大，同时反射层2在滑移或者开合过程中，对轴向功率密度分布的扰动较大。

图10也是将反射层2布置在堆芯活性区1外，并在反射层2和堆芯活性区1之间布置一层强中子吸收体13，通过上下滑移该强中子吸收体13来控制吸收体、反射体与堆芯活性区1的相对位置，从而达到对反应性进行控制的目的。该方式与图8所示的反射层2控制方式类似，将反射层2变为滑移的强中子吸收体13，在事故情况下，吸收体变形和脱落可能性较大，同时在滑移过程中，对轴向功率密度分布的扰动较大。

技术实现要素：

本发明的目的在于至少解决现有技术中存在的技术问题之一，提供一种燃料和强中子吸收材料一体化的紧凑型反应堆堆芯结构。

根据本发明的第一方面实施例，提供一种燃料和强中子吸收材料一体化的紧凑型反应堆堆芯结构，包括具有堆芯燃料元件组的堆芯活性区、包围在堆芯活性区外围的反射层以及布置在反射层中的控制转鼓，所述控制转鼓能绕着安装轴转动，控制转鼓内具有第一区域和第二区域，所述第一区域设有强中子吸收体，所述第二区域设有转鼓燃料元件组。

上述紧凑型反应堆堆芯结构至少具有以下有益效果：在控制转鼓中同时布置了转鼓燃料元件组和强中子吸收体，可以转动控制转鼓，调整转鼓燃料元件组与堆芯活性区的相对位置，来满足反应堆功率调节的需求；可以增加反应堆堆芯的运行寿期。当控制转鼓中的转鼓燃料元件组部分都面向堆芯活性区时，反应堆具有最大的反应性，当控制转鼓中的强中子吸收体都面向堆芯活性区时，反应堆具有最大的停堆深度。本发明通过调整控制转鼓的转角，可以同时控制反应堆功率和反应堆运行周期。本发明结构安全性高、可靠性好、布局紧凑、且能够提高反应堆堆芯寿期，特别适用于深海、远洋或空间核反应堆以及其他的小型核反应堆。

根据本发明第一方面实施例所述的紧凑型反应堆堆芯结构，所述堆芯活性区呈正多角星，控制转鼓分布在正多角星中相邻的两个角之间。堆芯活性区布置成正多角星，控制转鼓均匀分布在正多角星相邻的两个角之间，提供反应堆堆芯工作时的平稳性。

根据本发明第一方面实施例所述的紧凑型反应堆堆芯结构，正多角星中相邻的两个角之间形成一个凹部，控制转鼓的部分或者全部位于凹部内。

根据本发明第一方面实施例所述的紧凑型反应堆堆芯结构，所述堆芯燃料元件组包括蜂窝状的燃料元件基座和多个燃料元件，相邻的两个燃料元件之间形成冷却区域，燃料元件包括空腔、燃料包壳、位于空腔和燃料包壳之间的燃料芯块、用于锁紧在燃料元件基座的锁紧装置以及设置在燃料元件的一端或者两端的裂变气体腔。堆芯燃料元件组中的燃料元件布置在蜂窝状的燃料元件基座上，结构紧凑且稳定，将堆芯燃料元件组置于冷却剂中，具有很好的换热作用。

根据本发明第一方面实施例所述的紧凑型反应堆堆芯结构，所述燃料芯块与燃料包壳之间留有0.1～0.3mm的间隙。

根据本发明第一方面实施例所述的紧凑型反应堆堆芯结构，所述燃料元件基座呈多边形或者圆形。

根据本发明第一方面实施例所述的紧凑型反应堆堆芯结构，所述转鼓燃料元件组包括多个燃料元件，燃料元件置于控制转鼓的反射材料基体内。

根据本发明第一方面实施例所述的紧凑型反应堆堆芯结构，所述强中子吸收体呈片状或者块状，相邻的两个强中子吸收体之间存在0.3～0.5mm的间隙。

根据本发明第一方面实施例所述的紧凑型反应堆堆芯结构，所述第一区域呈半圆状，第二区域呈半圆状，所述第一区域和第二区域之间通过平面或者弧面接触。

与现有的技术相比，本发明的有益效果是：

(1)在控制转鼓中同时布置了转鼓燃料元件组和强中子吸收材料，转鼓燃料元件组中的燃料元件置于反射材料基体内，通过转动控制转鼓，来调整转鼓燃料元件组中的燃料元件与堆芯活性区的相对位置，从而调节反应堆的反应性和功率，从而达到启堆、停堆、功率调节等作用。

(2)多根堆芯燃料元件组中的燃料元件装配在蜂窝状的燃料元件基座上，构成反应堆的堆芯活性区。蜂窝状基座加上控制转鼓中的转鼓燃料元件组，提高了堆芯燃料布置的紧凑性，从而提高核燃料填充率，减小堆芯体积，降低临界质量。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单说明。显然，所描述的附图只是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，本领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他设计方案和附图。

图1是本发明实施例的径向截面结构示意图一；

图2是本发明实施例的径向截面结构示意图二；

图3是本发明实施例的堆芯燃料元件组中燃料元件的轴向意图；

图4是本发明实施例的堆芯燃料元件组中燃料元件的径向意图；

图5是本发明实施例中堆芯燃料元件组中燃料元件装配在燃料元件基座上的示意图；

图6是本发明实施例中控制转鼓的径向示意图；

图7是现有紧凑型热管核反应堆堆芯的结构示意图一；

图8是现有紧凑型热管核反应堆堆芯的结构示意图二；

图9是现有紧凑型热管核反应堆堆芯的结构示意图三；

图10是现有紧凑型热管核反应堆堆芯的结构示意图四。

具体实施方式

本部分将详细描述本发明的具体实施例，本发明之较佳实施例在附图中示出，附图的作用在于用图形补充说明书文字部分的描述，使人能够直观地、形象地理解本发明的每个技术特征和整体技术方案，但其不能理解为对本发明保护范围的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，若干的含义是一个或者多个，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。

本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。

如图1至图6所示，燃料和强中子吸收材料一体化的紧凑型反应堆堆芯结构，包括具有堆芯燃料元件组17的堆芯活性区1、包围在堆芯活性区1外围的反射层2以及布置在反射层2中的控制转鼓3，所述控制转鼓3能绕着安装轴转动，控制转鼓3内具有第一区域16和第二区域15，所述第一区域16设有强中子吸收体13，所述第二区域15设有转鼓燃料元件组18。

优选地，控制转鼓3能绕着安装轴360°任意转动。

优选地，反射层2采用中子强散射、弱吸收的材料制成。

在控制转鼓3中同时布置了转鼓燃料元件组18和强中子吸收体13，可以转动控制转鼓3，调整转鼓燃料元件组18与堆芯活性区1的相对位置，来满足反应堆功率调节的需求；可以增加反应堆堆芯的运行寿期。当控制转鼓3中的转鼓燃料元件组18部分都面向堆芯活性区1时，反应堆具有最大的反应性，当控制转鼓3中的强中子吸收体13都面向堆芯活性区1时，反应堆具有最大的停堆深度。本发明通过调整控制转鼓3的转角，可以同时控制反应堆功率和反应堆运行周期。本发明结构安全性高、可靠性好、布局紧凑、且能够提高反应堆堆芯寿期，特别适用于深海、远洋或空间核反应堆以及其他的小型核反应堆。

所述堆芯活性区1呈正多角星，控制转鼓3分布在正多角星中相邻的两个角之间。堆芯活性区1布置成正多角星，控制转鼓3均匀分布在正多角星相邻的两个角之间，提供反应堆堆芯工作时的平稳性。优选地，堆芯活性区1呈正四角星、正六角星、正八角星、正十角星或正十二角星。

正多角星中相邻的两个角之间形成一个凹部20，控制转鼓3的部分或者全部位于凹部20内。凹部20的内凹面截面呈圆弧状。凹部20的内凹面所对的圆形角为60°～180°。凹部20和正多角星的角部之间通过弧面光滑连接。

所述堆芯燃料元件组17包括蜂窝状的燃料元件基座12和多个燃料元件10，相邻的两个燃料元件10之间形成冷却区域，燃料元件10包括空腔4、燃料包壳6、位于空腔4和燃料包壳6之间的燃料芯块5、用于锁紧在燃料元件基座的锁紧装置7以及设置在燃料元件10的一端或者两端的裂变气体腔8。燃料元件基座12具有冷却剂流道11，空腔4和冷却剂流道11连通，堆芯燃料元件组17中的燃料元件10布置在蜂窝状的燃料元件基座12上，结构紧凑且稳定，将堆芯燃料元件组17置于冷却剂中，冷却剂流经冷却区域、空腔4和冷却剂流道11，带走堆芯燃料元件组17工作时的热量，具有很好的换热作用。

优选地，燃料芯块5为中心开孔的小圆柱体，一根燃料元件10中包含多个燃料芯块5，多个燃料芯块5布置在燃料元件10中间。

所述燃料芯块5与燃料包壳6之间留有0.1～0.3mm的间隙。

所述燃料元件基座12呈多边形或者圆形。燃料元件基座12呈多边形时，燃料元件基座12的棱角对着堆芯活性区1的角部。

所述转鼓燃料元件组18包括多个燃料元件，燃料元件置于控制转鼓3的反射材料基体14内。反射材料基体14内设有冷却剂流道11。空腔4和冷却剂流道11连通，将转鼓燃料元件组18置于冷却剂中，冷却剂流经空腔4和冷却剂流道11，带走堆芯燃料元件组17工作时的热量，具有很好的换热作用。转鼓燃料元件组18中燃料元件包括空腔、燃料包壳、位于空腔和燃料包壳之间的燃料芯块、用于锁紧在反射材料基体的锁紧装置以及设置在燃料元件的一端或者两端的裂变气体腔。

所述强中子吸收体13呈片状或者块状，相邻的两个强中子吸收体13之间存在0.3～0.5mm的间隙。

所述第一区域16呈半圆状，第二区域15呈半圆状，所述第一区域16和第二区域15之间通过平面或者弧面19接触。

以应用于深海或者空间核反应堆堆芯设计为例，核燃料元件与控制转鼓3的设计寿命与堆芯寿期一致，在堆芯寿期内无需更换。如图1至图6所示，堆芯活性区1呈正六角星，控制转鼓3的数量为6个。

图1所示，6个控制转鼓3中的转鼓燃料元件组18部分都面向堆芯活性区1时，反应堆具有最大的反应性。

图2所示，6个控制转鼓3中，有3个控制转鼓3中的燃料元件面向堆芯活性区1，3个控制转鼓3中的强中子吸收体13面向堆芯活性区1。燃料元件面向堆芯活性区1的控制转鼓3和强中子吸收体13面向堆芯活性区1的控制转鼓3交错分布。

图1和图2结合所示，由于在控制转鼓3中同时布置了燃料元件和强中子吸收材料，可以转动控制转鼓3，调整燃料元件与堆芯活性区1的相对位置，来满足反应堆功率调节的需求，同时可以增加反应堆堆芯的运行寿期。

当6个控制转鼓3中的强中子吸收体13都面向堆芯活性区1时，反应堆具有最大的停堆深度。通过调整控制转鼓3的转角，可以同时控制反应堆功率和反应堆运行周期。这种结构安全性高、可靠性好、布局紧凑、且能够提高反应堆堆芯寿期。

如图3、图4和图5所示，堆芯燃料元件组17中的燃料元件布置在蜂窝状的燃料元件基座12上，提高了堆芯燃料布置的紧凑性，从而提高核燃料填充率，减小堆芯体积，降低临界质量。

以上是对本发明的较佳实施方式进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可作出种种的等同变型或替换，这些等同的变型或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。