一种小型直接循环反应堆堆芯反应性控制方法

摘要

本发明公开了一种小型直接循环反应堆堆芯反应性控制方法，该控制方法不使用可溶硼毒物，仅通过控制棒与可燃毒物配合进行堆芯反应性控制。本发明提供的方法仅依靠控制棒和可燃毒物棒进行反应性控制，使得堆芯在整个寿期内的剩余反应性不宜过大且需要保证足够的循环长度，在任何时刻依靠控制棒可以实现快速停堆并提供足够的停堆裕量，同时该反应性控制方法在堆芯整个寿期内，均满足卡棒准则。

说明书

技术领域

本发明属于核反应堆堆芯设计技术领域，具体涉及一种小型直接循环反应堆堆芯反应性控制方法。

背景技术

反应性控制对于反应堆安全而言至关重要，随着反应堆寿期和功率指标的提升，反应堆控制难度愈发增大，对长寿期、纯棒控小型堆而言该矛盾尤为明显。

长寿期、高安全小型直接循环反应堆堆芯反应性控制尤为困难，主要由以下原因造成：

(1)寿期初k

(2)反观反应性控制手段较少：由于该堆为直接循环沸水堆，无法带可溶毒物运行，反应性控制只能依赖控制棒及固体可燃毒物，带来两方面困难：

(a)更多的控制棒布置：该堆为直接循环堆，本身欠慢化程度较高，能谱较硬，相应控制棒价值较低，同时寿期初过多的剩余反应性会要求更多控制棒布置，更高的控制棒价值，挤占更多的燃料元件位置，减少堆芯铀装量，为达到相同寿期，需要采用高富集度燃料，进而推高寿期初k

(b)毒物较多，匹配较难：过多的剩余反应性势必会要求更多毒物的加入，加大寿期末的毒物惩罚，影响中子经济性也会降低燃料铀装量，同时直接循环堆慢化剂轴向密度变化较大，影响堆芯轴向慢化能力，继而使得燃料轴向功率分布差异较大，导致毒物匹配较难。

发明内容

为了实现长寿期、纯棒控、高安全小型直接循环反应堆堆芯反应性的可靠控制，本发明提供了一种小型直接循环反应堆堆芯反应性控制方法，不依靠可溶硼控制，完成控制棒和可燃毒物装载测量研究，实现反应性控制目标。

本发明通过下述技术方案实现：

一种小型直接循环反应堆堆芯反应性控制方法，该控制方法不使用可溶硼毒物，仅通过控制棒与可燃毒物配合进行堆芯反应性控制。

作为优选实施方式，本发明的堆芯采用FCM燃料元件，FCM燃料元件的芯块内采用TRISO颗粒与QUADRISO颗粒混合装载，根据寿期及反应性控制需求调整两种颗粒装载比例。

作为优选实施方式，本发明的FCM燃料元件的芯块内混合装载40％PF TRISO+4％PF QUADRISO，其中，PF为装载比例。

作为优选实施方式，本发明的可燃毒物材料及装载量根据小型直接循环反应堆的冷却剂轴向分段及功率分布进行轴向和径向分区，不同分区采用不同毒物材料以及不同的毒物装载量。

作为优选实施方式，本发明的堆芯的控制棒布置形式采用预留控制棒位置。

作为优选实施方式，本发明的所有控制棒均采用从堆芯底部插入的方式，所述控制棒采用部分长控制棒。

作为优选实施方式，本发明的控制棒根据小型直接循环反应堆冷却剂相变和燃料轴向功率分布进行分区，不同分区布置不同控制棒材料以满足反应性控制需求。

作为优选实施方式，本发明的控制棒分为调节棒组与停堆棒组；

所述调节棒组中每束调节棒均设置一个单独的控制棒驱动机构；

所述停堆棒组共设置两组驱动机构。

作为优选实施方式，本发明的控制棒采用的控制材料为氢化铪、硼化铪或Eu

作为优选实施方式，本发明的可燃毒物材料为B、Gd、Hf、Er、Eu、Dy或Sm。

本发明具有如下的优点和有益效果：

本发明提供的方法仅依靠控制棒和可燃毒物棒进行反应性控制，使得堆芯在整个寿期内的剩余反应性不宜过大且需要保证足够的循环长度，在任何时刻依靠控制棒可以实现快速停堆并提供足够的停堆裕量，同时该反应性控制方法在堆芯整个寿期内，均满足卡棒准则。

本发明提供的控制方法根据毒物的轴向分段，有效展平堆芯轴向功率，并尽可能减少毒物惩罚，配合控制棒的合理布置，在提高堆芯安全性的同时，也有利于改善堆芯经济性。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为本发明实施例的FCM燃料元件内毒物轴向布置示意图。

图2为本发明实施例的FCM燃料元件内毒物径向布置示意图。

图3为本发明实施例的含可燃毒物燃料元件轴向分区示意图。

图4为本发明实施例的堆芯径向控制棒布置示意图。

图5为本发明实施例的堆芯轴向控制棒布置示意图。

附图中标记及对应的零部件名称：

1-芯块，11-QUADRISO毒物燃料颗粒，12-TRISO燃料颗粒，2-包壳，3-液段，4-两相段，5-汽段，6-调节棒组，7-停堆棒组。

具体实施方式

在下文中，可在本发明的各种实施例中使用的术语“包括”或“可包括”指示所发明的功能、操作或元件的存在，并且不限制一个或更多个功能、操作或元件的增加。此外，如在本发明的各种实施例中所使用，术语“包括”、“具有”及其同源词仅意在表示特定特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合，并且不应被理解为首先排除一个或更多个其它特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合的存在或增加一个或更多个特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合的可能性。

在本发明的各种实施例中，表述“或”或“A或/和B中的至少一个”包括同时列出的文字的任何组合或所有组合。例如，表述“A或B”或“A或/和B中的至少一个”可包括A、可包括B或可包括A和B二者。

在本发明的各种实施例中使用的表述(诸如“第一”、“第二”等)可修饰在各种实施例中的各种组成元件，不过可不限制相应组成元件。例如，以上表述并不限制所述元件的顺序和/或重要性。以上表述仅用于将一个元件与其它元件区别开的目的。例如，第一用户装置和第二用户装置指示不同用户装置，尽管二者都是用户装置。例如，在不脱离本发明的各种实施例的范围的情况下，第一元件可被称为第二元件，同样地，第二元件也可被称为第一元件。

应注意到：如果描述将一个组成元件“连接”到另一组成元件，则可将第一组成元件直接连接到第二组成元件，并且可在第一组成元件和第二组成元件之间“连接”第三组成元件。相反地，当将一个组成元件“直接连接”到另一组成元件时，可理解为在第一组成元件和第二组成元件之间不存在第三组成元件。

在本发明的各种实施例中使用的术语仅用于描述特定实施例的目的并且并非意在限制本发明的各种实施例。如在此所使用，单数形式意在也包括复数形式，除非上下文清楚地另有指示。除非另有限定，否则在这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明的各种实施例所属领域普通技术人员通常理解的含义相同的含义。所述术语(诸如在一般使用的词典中限定的术语)将被解释为具有与在相关技术领域中的语境含义相同的含义并且将不被解释为具有理想化的含义或过于正式的含义，除非在本发明的各种实施例中被清楚地限定。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例

本实施例针对纯棒控、长寿期的高安全小型直接循环反应堆，提供了一种小型直接循环反应堆堆芯反应性控制方法，其通过合理配置部分长控制棒及可燃毒物，使得整个长寿期内堆芯剩余反应性均能得到有效控制，满足长寿期堆芯反应性控制需要，并满足停堆裕量和“卡棒”准则的要求，通过毒物与控制棒的合理布置，在提高堆芯安全性的同时，也有利于改善堆芯经济性。

本实施例的控制方法具体包括：

(1)毒物装载形式采用四层同心包覆(QUADRISO)颗粒，它是FCM燃料特有的毒物装载形式，在TRISO颗粒的燃料核芯与缓冲层中增加一层可燃毒物层，根据反应性控制需要可燃毒物层厚度可在0.003～0.03mm之间。毒物层根据反应性控制需求不同，采用常见的可燃毒物材料，例如B、Gd、Hf、Er、Eu、Dy和Sm等。

(2)FCM燃料芯块内采用TRISO颗粒与QUADRISO颗粒混合装载，可根据寿期及反应性控制需求调整两种颗粒装载比例(PF)，例如40％PF TRISO+4％PF QUADRISO。同时还可调整QUADRISO燃料核芯中的燃料富集度，以达到毒物燃耗干净，提高堆芯中子经济性目的。

(3)毒物材料及含量可根据冷却剂轴向分段及燃料功率分布等进行轴向及径向分区匹配，不同分区内可采用不同毒物材料以及不同的毒物装载量。

(4)控制棒布置形式采用预留控制棒位置，即将部分燃料元件位置替换为控制棒位置并不加挤水棒或阻流塞，使得如停堆棒位置等功率运行期间不插入控制棒的位置，可作为水棒额外增加直接循环堆堆芯慢化，提高中子经济性。

(5)为防止长期抽出堆芯的控制棒位置附近因过慢化效应导致局部燃料元件过热，该类型控制棒应选取吸收截面较大的控制材料，以提高控制棒价值，减少控制棒布置，例如氢化铪(HfH

(6)控制棒束根据功能分为调节棒组与停堆棒组，调节棒组因堆芯灵活控制需求，每束调节棒均有一个单独的控制棒驱动机构；停堆棒组考虑适当提高堆芯经济性，共设两组驱动机构，内圈6组停堆棒共用一个驱动机构，外圈12组停堆棒共用另一组驱动机构。

(7)由于应用堆型为直接循环沸水堆，控制棒采用从底部插入的方式，同时由于冷却剂完全汽化后慢化能力很低，汽段欠慢化程度高燃料功率低，故控制棒设计为仅插入液段及两相段，即部分长控制棒，在保证控制棒控制能力的同时，节省成本，提高堆芯经济性。

(8)控制棒可根据直接循环反应堆冷却剂相变和燃料轴向功率分布进行分区，不同分区布置不同控制棒材料以满足反应性控制需求。

本实施例提出的小型直接循环反应堆堆芯活性段高280cm，共布置2971根燃料元件，堆芯呈六角形布置，堆芯活性区轴向高度全长包裹慢化层(例如，BeO层)，堆芯寿期达到4000EFPD，控制棒和可燃毒物共同承担反应性控制任务。

如图1-2所示，本实施例堆芯的燃料元件采用FCM燃料元件，其包括燃料芯块1和包壳2，燃料芯块1内采用TRISO燃料颗粒12与QUADRISO毒物燃料颗粒11混合装载。

燃料元件根据直接循环堆冷却剂轴向分段及燃料轴向功率轴向分段，燃料元件内毒物布置分为液段3、两相段4及汽段5，具体轴向分段示意图如图3所示。液段功率较高消耗较快，应采用中子吸收截面较大且消耗较快的毒物匹配其特性，同时毒物加入量也较多，考虑到毒物惩罚，最终选择B作为毒物材料，TRISO PF/QUADRISO PF为19/25。两相段寿期初功率较小，寿期中后功率较大，总体相较于液段功率均偏小，故需要一个寿期初截面较小，但在寿期中后水段由于铀消耗较快功率变低时又能较好压制两相段功率的毒物匹配其特性，Er较为合适，TRISO PF/QUADRISO PF为29/15。具体含毒物燃料元件参数见表1。

表1含毒物燃料元件参数

如图4-5所示，控制棒束根据功能分为调节棒组6与停堆棒组7。

调节棒组6根一束，共18束，选用Hf作为调节棒材料以保证调节棒能保持较长时间的反应性稳定控制并具有优越的机械性能及抗腐蚀能力，因堆芯灵活控制需求，每束调节棒均有一个单独的控制棒驱动机构；停堆棒组3根一束，共21束，选用Eu

控制棒均从堆芯底部插入，所有控制棒均为部分长控制棒，即控制棒全插时也仅插入液段及两相段部分，冷却剂完全汽化段因功率慢化较差功率较小，控制棒不插入。

本实施例的小型直接循环反应堆堆芯采用上述控制方法，仅依靠控制棒和可燃毒物进行反应性控制，使得堆芯在保持4000EFPD运行不换料的同时，整个寿期内的剩余反应性得到了有效控制，并在任何时刻依靠控制棒可以实现快速停堆并提供足够的停堆裕量。反应性控制相关关键参数如表2所示。同时该反应性控制策略在堆芯整个寿期内，均满足卡棒准则。

表2高安全直接循环反应堆反应性控制相关关键参数

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。