加速器驱动铅铋冷却次临界行波堆

摘要

本发明公开了一种加速器驱动铅铋冷却次临界行波堆，包括可移动中子源靶、堆芯燃料、堆内构件、主换热器、堆顶盖、堆容器以及主泵。通过可移动中子源靶提供外源中子，启动点燃反应堆，驱动行波式反应堆在次临界状态下运行并实现焚烧波和增殖波的延续；同时，利用化学惰性好的铅铋冷却剂带出堆芯热量，保证反应堆的安全；从而避免了临界行波堆需要高富集度易裂变核燃料实现临界启动的要求，降低了增殖波行进对堆芯材料和高燃耗的要求，有效提高了行波堆的现实可行性、可靠性和安全性。

说明书

技术领域

本发明属于先进快中子反应堆领域，特别涉及一种加速器驱动铅铋冷却次临界行波堆。

背景技术

行波式反应堆是一种以天然核素或乏燃料为燃料，并且可转换核素的增殖和易裂变核素 的焚烧以行波的方式移动的新型深燃耗裂变反应堆。行波以“增殖波前行，焚烧波后续”的方 式在燃料中每年数厘米的速度传播，一次装料可以连续运行数十年。

目前行波堆设计均为钠冷临界行波堆，堆芯燃料分为废料区，临界区(燃烧区、增殖区)， 以及新燃料区。钠冷临界行波堆存在以下几个技术缺点和不足：

1.行波堆最初启动时，需要用高富集度易裂变核燃料作为启动源，从堆芯燃料一端启动 点燃；

2.为维持临界运行，堆芯燃烧部分要求达到常规堆芯大小和质量，从而要求整个堆芯具 有很大的尺寸和质量；

3.为维持增殖波与焚烧波的行进，行波堆燃耗要求高于40％，使得燃料和包壳材料要 求远超过目前燃耗低于20％的限制标准(杨波、申屠军、汤春桃，行波堆技术可行性研究及 展望，第十三届反应堆数值计算与粒子输运学术会议暨2010年反应堆物理会议论文集)，降 低了行波堆的现实可行性；

4.采用钠作为冷却剂，存在与空气和水发生剧烈化学反应而引发起火或爆炸的危险，而 铅铋冷却剂的化学惰性好，安全性好，使反应堆的运行维护相对容易。

发明内容

本发明技术解决问题：克服现有技术的不足，提供了一种加速器驱动铅铋冷却次临界行 波堆，利用可移动外中子源，驱动行波式反应堆在次临界状态下运行，避免临界行波堆需要 高富集度易裂变核燃料作启动源的要求、堆芯燃料燃烧部分对质量和尺寸的要求以及高燃耗 (>40％)的要求，从根本上杜绝核临界事故的可能性，有效提高了行波堆的现实可行性、 可靠性和安全性。

为达到上述目的，本发明是通过以下技术方案实现的：加速器驱动铅铋冷却次临界行波 堆，包括可移动中子源靶(1)、堆芯燃料(2)、堆内构件(3)、主换热器(4)、堆顶盖(5)、 堆容器(6)以及主泵(7)，堆芯燃料(2)分为乏燃料区(2-1)、焚烧波区(2-2)、增殖波 区(2-3)和新燃料区(2-4)四个区域。堆顶盖(5)为平盖形式，安装在堆容器(6)的上 沿；堆内构件(3)焊接于堆容器(6)底封头以上的位置，为堆芯燃料(2)、主换热器(4)、 主泵(7)等提供支撑和定位并分隔冷池和热池，堆内构件(3)上部为热池，下部为冷池； 主换热器(4)和主泵(7)安装在堆顶盖(5)上并穿过堆内构件(3)；主换热器(4)壳侧 上部设有铅铋冷却剂入口，下部设有铅铋冷却剂出口；主泵(7)入口位于冷池内的泵体下 部，出口位于泵体底部，通过管道与堆芯燃料(2)底部连接；堆芯燃料(2)放置于堆内构 件(3)底部，自上而下分别为乏燃料区(2-1)、焚烧波区(2-2)、增殖波区(2-3)和新燃 料区(2-4)；靶移动通道从反应堆顶部向下，贯穿堆顶盖(5)，通向堆芯燃料(2)的底部； 可移动中子源靶(1)位于靶移动通道内，沿着靶移动通道上下移动。

其中，冷却剂由堆芯燃料(2)向上流入热池，从热池进入主换热器(4)，经过换热器 (4)换热，向下流出主换热器(4)，进入冷池，冷池中的冷却剂进入主泵(7)，从主泵(7) 管道出口流入堆芯燃料(2)，再次由堆芯燃料(2)向上流入热池，带出堆芯热量，完成循 环过程。

所述反应堆系统启动时不需要高富集度易裂变核燃料作为启动源，而是通过可移动中子 源靶(1)提供外源中子，点燃堆芯燃料(2)，启动次临界行波堆；中子源靶可以为散裂中 子靶或氘氚聚变中子源靶。

所述反应堆系统，通过可移动中子源靶(1)提供外源中子使反应堆运行在次临界条件 下；利用可移动中子源靶(1)的向下移动来驱动堆芯燃料(2)的增殖波和焚烧波的行进。

所述反应堆系统，使用液态铅铋作为冷却剂，带出堆芯热量。

与钠冷临界行波堆相比，本发明的优点是：

1.启动点燃时，不需要高富集易裂变核燃料作为启动源，而是通过可移动中子源靶提供 的中子点燃堆芯燃料，在靠近中子源靶的焚烧波区实现核裂变反应产生热量，在增殖波区通 过俘获中子实现核燃料的增殖；当焚烧波区的燃料消耗完后通过将可以动中子源向增殖波区 移动，在原增殖波区实现焚烧，同时将增殖波向新燃料区推进，从而实现增殖波前行，焚烧 波后续的过程；

2.次临界运行，避免了临界行波堆对堆芯燃料燃烧部分要求达到临界质量和体积的问 题，当加速器关闭后反应堆内的裂变反应自然停止，从根本上杜绝了核临界事故的可能性， 提高了反应堆的安全性；

3.运行时，通过靶的移动来维持增殖波与焚烧波的行进，避免了临界行波堆燃耗必须高 于40％的问题，降低了对燃料和包壳材料的要求，使反应堆具有现实可行性；

4.利用液态铅铋作为冷却剂带出堆芯热量，铅铋冷却剂中子经济性高于钠冷却剂，其化 学惰性好，安全性好，具有良好的自然循环能力，使反应堆的运行维护相对容易。

附图说明

图1为本发明加速器驱动铅铋冷却次临界行波堆的结构示意图；

其中：1为可移动中子源靶、2为堆芯燃料、3为堆内构件、4为主换热器、5为堆顶盖、 6为堆容器、7为主泵，2-1为乏燃料区、2-2为焚烧波区、2-3为增殖波区、2-4为新燃料区。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

参见图1，本发明公开的加速器驱动铅铋冷却次临界行波堆，包括可移动中子源靶1、 堆芯燃料2、堆内构件3、主换热器4、堆顶盖5、堆容器6以及主泵7，堆芯燃料2分为乏 燃料区2-1、焚烧波区2-2、增殖波区2-3和新燃料区2-4四个区域。堆顶盖5为平盖形式， 安装在堆容器6的上沿；堆内构件3焊接于堆容器6底封头以上的位置，为堆芯燃料2、主 换热器4、主泵7等提供支撑和定位并分隔冷池和热池，堆内构件3上部为热池，下部为冷 池；主换热器4和主泵7安装在堆顶盖5上并穿过堆内构件3；主换热器4壳侧上部设有铅 铋冷却剂入口，下部设有铅铋冷却剂出口；主泵7入口位于冷池内的泵体下部，出口位于泵 体底部，通过管道与堆芯燃料2底部连接；堆芯燃料2放置于堆内构件3底部，自上而下分 别为乏燃料区2-1、焚烧波区2-2、增殖波区2-3和新燃料区2-4；靶移动通道从反应堆顶部 向下，贯穿堆顶盖5，通向堆芯燃料2的底部；可移动中子源靶1位于靶移动通道内，沿着 靶移动通道上下移动。

加速器驱动铅铋冷却次临界行波堆运行过程为：可移动中子源靶1提供外源中子，点燃 堆芯燃料2，启动反应堆，通过可移动中子源靶1提供外源中子使反应堆运行在次临界条件 下，利用可移动中子源靶1的向下移动来驱动堆芯燃料2的增殖波和焚烧波的行进。

冷却剂循环过程为：冷却剂由堆芯燃料2向上流入热池，从热池进入主换热器4，经过 换热器4换热，向下流出主换热器4，进入冷池，冷池中的冷却剂进入主泵7，从主泵7管 道出口流入堆芯燃料2，再次由堆芯燃料2向上流入热池，带出堆芯热量，完成循环过程。

加速器驱动铅铋冷却次临界行波堆的主要特点：

(1)启动点燃时，不需要高富集度易裂变核燃料作为启动源。

可移动中子源靶1作为可移动的外中子源，提供外源中子，点燃堆芯燃料2，启动次临 界行波堆；可移动中子源靶1可以为散裂中子靶或氘氚聚变中子源靶。

(2)次临界运行，避免了临界行波堆对堆芯燃料燃烧部分要求达到临界质量和体积的 问题，提高了反应堆的安全性。

可移动中子源靶1产生的散裂中子作为外源中子，使堆芯燃料2在次临界条件下维持链 式反应，避免了临界行波堆对堆芯燃料燃烧部分要求达到临界质量和体积的问题，当加速器 关闭后反应堆内的裂变反应自然停止，从根本上杜绝了核临界事故的发生。

(3)对燃料和包壳材料的要求降低。

加速器驱动铅铋冷却次临界行波堆运行时，通过可移动中子源靶1的移动来维持增殖波 与焚烧波的行进，避免了临界行波堆燃耗必须高于40％的问题，降低了对燃料和包壳材料的 要求。

(4)利用液态铅铋作为冷却剂带出堆芯热量，铅铋冷却剂中子经济性高于钠冷却剂， 其化学惰性好，安全性好，具有良好的自然循环能力，使反应堆的运行维护相对容易。