CN109509562B - 堆芯结构、熔盐球床堆和熔盐球床堆的燃料管理与堆芯装载方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种堆芯结构、熔盐球床堆和熔盐球床堆的燃料管理与堆芯装载方法。该堆芯结构的活性区设有位于底部的进料口及位于顶部的出料口，活性区中的燃料球的密度小于活性区中熔盐的密度，活性区能够容纳的燃料装载量大于预设的满功率运行天数的燃料装载量。该堆芯结构，能够实现燃料球在寿期末整体卸载，无须实现在线换料功能的部件，故可使得装置简单，且寿期末整体卸载后的燃料球无须一个个地处理，而是直接进入乏燃料处理系统，故会减小放射性，增加装置可靠性，且使得燃料球净化变得简单；该堆芯结构也可使得该燃料管理与堆芯装载方法具有调节余地，且保证了运行目标。
Description
技术领域
本发明涉及一种堆芯结构、熔盐球床堆和熔盐球床堆的燃料管理与堆芯装载方法。
背景技术
基于本世纪初对第四代核能系统的可持续性、经济性、安全性、可靠性和防核扩散等需求，氟盐冷却高温堆作为先进反应堆概念提出。氟盐的概念源于美国20世纪50至70年代橡树岭实验室(ORNL)设计建造的ARE(Aircraft Reactor Experiment)，MSRE(MoltenSalt Reactor Experiment)，MSBR(Molten Salt Breeder Reactor)，DMSR(DenaturedMolten Salt Reactor)等液态氟盐燃料熔盐实验堆，但由于该实验堆中氟盐与燃料完全混合在一起，故存在液态燃料在线处理复杂、结构材料的高温辐照、成本高等因素，因而难以在短时间内实现商业化。
为此，2001年起，美国橡树岭国家实验室(ORNL)、桑地亚国家实验室(SNL)和加州大学伯克利分校(UCB)共同发展了氟盐作为冷却剂(不含燃料)的2400MW Prism-AHTR(棱柱型先进高温反应堆)先进高温堆的概念设计，其主回路冷却剂熔盐为2LiF-BeF2，使用10.36％富集度的UCO(碳氧化铀)燃料包覆颗粒燃料制成石墨棱柱组件，出口温度达到1000℃。2005年，ORNL、SNL和UCB又推出2400MW Liquid-Salt-Cooled very high-temperaturereactor,LS-VHTR(液态熔盐超高温反应堆)，主回路冷却剂熔盐为2LiF-BeF2，用包覆颗粒燃料制成棒型燃料组件，出口温度达到1000℃。2006年，威斯康辛大学和法国阿海珐核电公司提出球床-AHTR和棒型-AHTR的初步概念，并对衰变热排出系统进行了改进，用“池式辅助冷却系统+直接辅助冷却系统”取代先前的“堆容器辅助冷却系统”等。2006年到2008年，UCB提出2400MW一体化设计和900MW模块化两种对球床先进高温堆PB-AHTR设计，设计中均使用2LiF-BeF2冷却剂和含有UO2、UC或者UC0.5O1.5包覆燃料颗粒制作燃料球元件。2010到2011年期间，ORNL又设计了3400MW和125MW板型氟盐冷却高温堆的设计工作，仍然采用包覆颗粒燃料，制成板型燃料元件，充分利用熔盐优异的传热性质，提高堆芯比功率。2011年，美国能源部集结MIT、UCB、Wisconsin、ORNL、INL、Westinghouse(依次为：麻省理工学院、加州大学伯克利分校、威斯康星大学、橡树岭国家实验室、爱达荷国家实验室、西屋公司)等启动AHTR前期研究计划，然后于2012年成立IRP(综合研究项目)，并将AHTR的定义正式更名为氟盐冷却高温堆(FHRs)，Fluoride salt-cooled High temperature Reactors，并将FLiBe(即2LiF-BeF2)盐作为基准熔盐。
我国于2011年在中国科学院开始了钍基熔盐堆TMSR战略先导专项，着手进行熔盐堆的设计，其目标为分别建成固态(FHRs概念)和液态燃料熔盐堆。2012年中国科学院在IRP第四次研讨会上提出2MW规则球床型氟盐冷却高温堆FHRs的概念设计。
至此，氟盐冷却高温堆(FHRs)共有棱柱型、板型、球型、棒型四种堆型，共同具备两点核心：(1)使用不含裂变燃料的液态氟盐冷却剂；(2)使用固态包覆颗粒燃料。因此，FHRs整合了第四代堆中液态熔盐堆的冷却剂高热容、低蒸汽压，超高温气冷堆的燃料安全特性、高温输出、热效率高等优势，并且避开了液态燃料的复杂在线处理及强高温辐照对管路结构材料的挑战。此外，又继承了众多技术优点和发展了一系列新的概念，如：非能动冷却安全系统(液态金属冷却反应堆)、超临界水能量循环系统(先进火电厂、超临界水堆)和常规岛部分设计(第二代轻水堆)。因此FHRs具有良好的经济性、安全性、可持续性和防核扩散性，在当前技术基础条件下具有商业化可行性。此外，氟盐冷却高温堆(FHRs)，除了可在传统核能应用领域外，其无水冷却和常压下即可输出高温的两大优势，使得其可以弥补轻水堆的某些应用局限，在高温化工、非电应用领域、以及淡水缺乏区域得以应用，如高温制氢，海水淡化，沙漠海上油气开采、供暖等。
然而，若将在线流动换料方式，应用于氟盐冷却高温堆，会存在装置复杂的缺陷；装置在运行过程中始终呈开口状态，会存在放射性大及装置可靠性不足的缺陷；在卸出的每个燃料球上均会粘附熔盐，会存在燃料球净化复杂的缺陷。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是为了克服将现有的在线流动换料方式应用于氟盐冷却高温堆后，存在装置复杂、放射性大、装置可靠性不足及燃料球净化复杂的缺陷，而提供一种新型堆芯结构、熔盐球床堆和熔盐球床堆的燃料管理与堆芯装载方法。该堆芯结构，能够实现燃料球在寿期末整体卸载，无须实现在线换料功能的部件，故可使得装置简单，且寿期末整体卸载后的燃料球无须一个个地处理，而是直接进入乏燃料处理系统，故会减小放射性，增加装置可靠性，且使得燃料球净化变得简单。该堆芯结构也可使得该燃料管理与堆芯装载方法具有调节余地，且保证了运行目标。
在介绍本发明的技术方案前，发明人希望说明的是，在上述背景技术部分提及的在线换料的方式的基础上，本领域技术人员通常会想到采用一次性装料寿期末整体卸载方式，然而，若仅仅采用一次性装料寿期末整体卸载的方式，当设计装载达不到所需的初始反应性，则没有任何调节余地，这样会带来流体冲击造成的堆芯结构不稳定性及其造成的反应堆控制风险。本发明的燃料管理与堆芯装载方法中，熔盐球床堆的活性区能够容纳的燃料装载量大于预设的满功率运行天数的燃料装载量，如此，当设计计算的准确性不足时，可以继续填充燃料球以达到预设的初始后备反应性，如此，该堆芯结构可使得该燃料管理与堆芯装载方法具有调节余地，且保证了运行目标。
本发明的燃料管理与堆芯装载方法中，选择所述的步骤(1)继续填充石墨球装满活性区的情况或者所述活性区刚好被燃料球装满的情况，可减小流体冲击造成的堆芯结构不稳定性及其造成的反应堆控制风险，进而为整个活性区密实填充，达到维持堆芯稳定性的目的，且这种方法对工程不确定度具备一定的包容能力。本发明的燃料管理与堆芯装载方法中，选择所述的步骤(2)所述一批次装载后均维持预设的初始后备反应性，可以确保反应性控制系统的控制稳定和临界安全，与在线换料方式相比，装载次数较少，对相关的装料机构的要求不用过于严苛。
本发明通过以下技术方案来解决上述技术问题：
本发明提供一种堆芯结构，所述堆芯结构的活性区设有位于底部的进料口及位于顶部的出料口，所述活性区中的燃料球的密度小于所述活性区中熔盐的密度，所述活性区能够容纳的燃料装载量大于预设的满功率运行天数的燃料装载量。
上述堆芯结构中，还可包括与所述燃料球的尺寸与密度相同的石墨球；所述燃料球、所述石墨球及所述熔盐一般均经过所述进料口进入所述活性区。所述燃料球、所述石墨球及所述熔盐一般均经过所述出料口排出所述活性区。
上述堆芯结构中，所述熔盐球床堆中的熔盐较佳地为氟盐，所述氟盐例如可为本领域常规的2LiF-BeF2熔盐，所述2LiF-BeF2熔盐由LiF和BeF2组成，且LiF和BeF2的摩尔配比为2:1，且所述2LiF-BeF2熔盐中7Li的丰度大于99.99％，该百分比指的是所述熔盐中7Li的原子数量占全部Li的原子数量的百分比。
上述堆芯结构中，所述活性区的结构可为本领域常规的结构，例如由本领域常规的石墨反射层围成的四周封闭、且内部从上而下依次呈空心的上圆台、空心的圆柱体和空心的下圆台的结构，且所述上圆台的上表面设有与所述出料口连通的用于将所述燃料球、所述石墨球及所述熔盐卸出的圆柱形的卸载通道，所述下圆台的下表面设有与所述进料口连通的用于将所述燃料球、所述石墨球及所述熔盐装入的圆柱形的装载通道。
其中，所述上圆台的最小直径较佳地为30.0cm。
其中，所述上圆台的母线与水平面的夹角较佳地为30°-45°。
其中，所述圆柱体的直径较佳地为135.0cm。
其中，所述圆柱体的高度较佳地为180.0cm。
其中，所述下圆台的最小直径较佳地为30.0cm。
其中，所述下圆台的母线与水平面的夹角较佳地为30°-45°。
上述特定的上圆台的母线与水平面的夹角及下圆台的母线与水平面的夹角，在保证燃料球可卸出的同时，降低轴向功率峰因子。
对于上述活性区结构而言，所述熔盐球床堆较佳地设有贯穿所述上圆台、所述活性区和所述下圆台的均匀分布的熔盐流道，所述熔盐流道用于熔盐自下而上流动而带走堆芯的热量。所述熔盐流道的个数例如可为254个，所述熔盐流道的直径例如可为3.5-4.5cm。熔盐流道的设置，能够使得燃料球与熔盐充分接触，增加了熔盐的流动传热特性，确保热量的有效传输，避免活性区内出现局部热点的风险。
上述堆芯结构中，围成所述活性区的石墨反射层的结构、外围结构及材质可为本领域常规的结构、外围结构及材质，所述石墨反射层的外围结构例如可为圆柱体，所述石墨反射层的材质例如可为选用作为反射层和中子慢化剂的核纯级石墨，所述核纯级石墨的密度例如可为1.80-1.85g/cm3。所述石墨反射层的厚度可调节。
其中，所述石墨反射层的高度较佳地为306.4cm。
其中，所述石墨反射层的直径较佳地为285.0cm。
上述堆芯结构中，较佳地，围成所述活性区的石墨反射层的侧壁设有功能性通道，以提供反应性控制和实验测量需求，所述功能性通道包括控制棒通道、中子源通道和实验测量通道。在石墨反射层布局控制棒通道、中子源通道和实验测量通道，无须将这些功能性通道插入活性区，从根本上防止了堆芯结构的不稳定性。
其中，每一所述控制棒通道用于插入一根吸收中子的控制棒，所述控制棒通道均匀分布在所述石墨反射层的侧壁中即可。所述控制棒通道的数量例如可为13-16个。所述控制棒例如可为B4C控制棒。
用于所述堆芯结构的控制棒在数量上一般配备可设置成两套停堆系统的数量；这些控制棒较佳地分为用于第一套停堆系统的控制棒和用于第二套停堆系统的控制棒，所述用于第一套停堆系统的控制棒按功能分为调节棒、安全停堆棒和燃耗补偿棒，一般插入所述控制棒通道中。而所述用于第二套停堆系统的控制棒在堆芯正常运行时位于堆芯外，且所述用于第二套停堆系统的控制棒一般只会在所述用于第一套停堆系统的控制棒失效时被置于堆芯中而发挥作用。
其中，所述中子源通道用于安装1个中子源，所述中子源例如可为Am-Be源，所述中子源的源强例如可为4E+7n/s。
其中，所述实验测量通道用于容纳测量仪器，所述测量仪器包括中子通量密度测量仪器、能谱测量仪器和温度测量仪器。所述实验测量通道的数量例如可为6-9个。
上述堆芯结构中，所述燃料球的直径、结构及组成可为本领域常规的直径、结构及组成。所述燃料球的密度例如可为1.795g/cm3。所述燃料球的直径例如可为3-6cm。所述燃料球的结构例如具备内部燃料区域及包裹所述内部燃料区域的外部包壳。
其中，所述内部燃料区域例如可由TRISO包覆颗粒和石墨基体组成。所述TRISO包覆颗粒的中心分布有燃料，所述燃料为UO2，所述UO2中U-235的富集度较佳地为17％-19.75％，该百分比指的是所述UO2中U-235的同位素的质量占所述UO2中全部U的质量百分比。所述TRISO包覆颗粒在所述燃料球中的填充率较佳地为7％-10％，该百分比指的是所述TRISO包覆颗粒的体积占所述内部燃料区域的体积的百分比。
其中，所内部燃料区域的直径例如可为2-5cm。
其中，所述外部包壳厚度例如可为0.5cm。
本发明还提供一种具有前述的堆芯结构的熔盐球床堆。
上述熔盐球床堆中，所述熔盐球床堆按本领域常规具有由石墨反射层围成的活性区及包裹所述石墨反射层的堆芯围筒。其中，所述堆芯围筒的材质较佳地为哈氏合金。该材质的堆芯围筒，能够有效确保堆芯结构的完整性，并具有一定的屏蔽快中子的能力，且具有耐高温、耐辐照、耐熔盐腐蚀的特性，具有良好的服役能力。
上述熔盐球床堆中，还较佳地设有一套备用停堆系统，所述备用停堆系统用于排空熔盐，以通过减少中子慢化及增加中子泄漏率的方式终止计数链式反应自持。
采用用于第一套停堆系统的控制棒、用于第二套停堆系统的控制棒及备用停堆系统这三种反应性控制方法，均不破坏熔盐的中子学特性，具有极佳的可操作性和经济性。
本发明还提供一种熔盐球床堆的燃料管理与堆芯装载方法，所述燃料管理与堆芯装载方法在前述的熔盐球床堆中进行；
所述燃料管理与堆芯装载方法包括如下步骤：
S1：向所述活性区中装载入所述燃料球；其中，所述燃料球的装载量满足临界条件，但为小于或等于预设的满功率运行天数的燃料装载量；
S2：根据临界外推实验，测算堆芯是否达到预设的初始后备反应性；
若没有达到所述预设的初始后备反应性，则继续填充所述燃料球直至达到所述预设的初始后备反应性，之后判断所述活性区是否装满；
若已经达到所述预设的初始后备反应性，则判断所述活性区是否装满；
S3、根据判断所述活性区是否装满的结果进行下述操作；
若所述活性区没有装满，则(1)继续装载与所述燃料球的尺寸及密度相同的石墨球直至活性区被装满，然后开始运行；或者(2)不装载，直接运行，直至所述熔盐球床堆运行到所述燃料球的反应性为零时，将一批次所述燃料球装载入所述活性区，继续运行，直至反应性为零，且所述一批次的装载量为装载所述燃料球后均能够维持所述预设的初始后备反应性，重复操作直至所述活性区无法容纳所述一批次的装载量；
若所述活性区刚好装满，则无须继续装载石墨球；
S4：寿期末整体卸载即可。
上述燃料管理与堆芯装载方法中，熔盐球床堆的活性区能够容纳的燃料装载量大于预设的满功率运行天数的燃料装载量，如此，当设计计算的准确性不足时，可以继续填充燃料球以达到预设的初始后备反应性，如此可使得该燃料管理与堆芯装载方法具有调节余地，且保证了运行目标。
上述燃料管理与堆芯装载方法中，选择所述的步骤(1)继续填充石墨球装满活性区的情况或者所述活性区刚好被燃料球装满的情况，可减小流体冲击造成的堆芯结构不稳定性及其造成的反应堆控制风险，进而为整个活性区密实填充，达到维持堆芯稳定性的目的，且这种方法对工程不确定度具备一定的包容能力。
上述燃料管理与堆芯装载方法中，选择所述的步骤(2)所述一批次装载后均维持预设的初始后备反应性，可以确保反应性控制系统的控制稳定和临界安全，与在线换料方式相比，装载次数较少，对相关的装料机构的要求不用过于严苛。
上述燃料管理与堆芯装载方法中，所述氟盐的温度一般为459-990℃。当所述燃料管理与堆芯装载方法中的熔盐为氟盐时，所述氟盐能够减小冷却剂的中子吸收，提高反应堆的中子利用率，且由于所述氟盐的密度公式为ρ(g/cm3)＝2.28-4.884×10-4T(℃)，故在459-990℃的温度范围内可以确保所述氟盐的密度大于所述燃料球和所述石墨球的平均密度，即可确保所述燃料球和所述石墨球通过熔盐浮力装卸载。
步骤S3中，所述石墨球只要满足与所述燃料球相同的尺寸和密度即可。所述石墨球的密度例如可为1.795g/cm3。
步骤S4中，所述寿期末整体卸载前按本领域常规的操作方式进行停堆，例如，利用燃料球中燃料的多普勒效应以及石墨、熔盐的配比形成的堆芯的负温度反应性系数实现停堆。
在不违背本领域常识的基础上，上述各优选条件，可任意组合，即得本发明各较佳实例。
本发明所用试剂和原料均市售可得。
本发明的积极进步效果在于：
1、本发明的熔盐球床堆的燃料管理与堆芯装载方法，燃料球在寿期末整体卸载，无须实现在线换料功能的部件，故可使得装置简单，且寿期末整体卸载后的燃料球无须一个个地处理，而是直接进入乏燃料处理系统，故会减小放射性，增加装置可靠性，且使得燃料球净化变得简单。
2、本发明的燃料管理与堆芯装载方法中，熔盐球床堆的活性区能够容纳的燃料装载量大于预设的满功率运行天数的燃料装载量，如此，当设计计算的准确性不足时，可以继续填充燃料球以达到预设的初始后备反应性，如此，该堆芯结构可使得该燃料管理与堆芯装载方法具有调节余地，且保证了运行目标。
本发明的燃料管理与堆芯装载方法中，选择所述的步骤(1)继续填充石墨球装满活性区的情况或者所述活性区刚好被燃料球装满的情况，可减小流体冲击造成的堆芯结构不稳定性及其造成的反应堆控制风险，进而为整个活性区密实填充，达到维持堆芯稳定性的目的，且这种方法对工程不确定度具备一定的包容能力。
本发明的燃料管理与堆芯装载方法中，选择所述的步骤(2)所述一批次装载后均维持预设的初始后备反应性，可以确保反应性控制系统的控制稳定和临界安全，与在线换料方式相比，装载次数较少，对相关的装料机构的要求不用过于严苛。
附图说明
图1为本发明实施例1-3的熔盐球床堆的俯视图；
图2为本发明实施例1-3的熔盐球床堆的侧视图；
图3本发明实施例1和实施例2的燃料管理与堆芯装载方法的示意图；
图4本发明实施例3的燃料管理与堆芯装载方法的示意图。
附图标记说明：
活性区 1
石墨反射层 2
堆芯围筒 3
具体实施方式
下面通过实施例的方式进一步说明本发明，但并不因此将本发明限制在的实施例范围之中。下列实施例中未注明具体条件的实验方法，按照常规方法和条件，或按照商品说明书选择。
实施例1
(1)堆芯结构
如图1及图2所示的堆芯结构，堆芯结构的活性区1设有位于底部的进料口及位于顶部的出料口，活性区1中的燃料球的密度小于活性区1中熔盐的密度，活性区1能够容纳的燃料装载量大于预设的满功率运行天数的燃料装载量。
上述堆芯结构中，还包括与燃料球的尺寸与密度相同的石墨球；燃料球、石墨球及熔盐均经过进料口进入活性区1。燃料球、石墨球及熔盐均经过出料口排出活性区1。
上述堆芯结构中，熔盐球床堆中的熔盐为氟盐，氟盐为2LiF-BeF2熔盐，2LiF-BeF2熔盐由LiF和BeF2组成，且LiF和BeF2的摩尔配比为2:1，且2LiF-BeF2熔盐中7Li的丰度大于99.99％，该百分比指的是熔盐中7Li的原子数量占全部Li的原子数量的百分比。
上述堆芯结构中，活性区1的结构为由石墨反射层2围成的四周封闭、且内部从上而下依次呈空心的上圆台、空心的圆柱体和空心的下圆台的结构，且上圆台的上表面设有与出料口连通的用于将燃料球、石墨球及熔盐卸出的圆柱形的卸载通道，下圆台的下表面设有与进料口连通的用于将燃料球、石墨球及熔盐装入的圆柱形的装载通道。
其中，上圆台的最小直径为30.0cm。
其中，上圆台的母线与水平面的夹角为30°。
其中，圆柱体的直径为135.0cm。
其中，圆柱体的高度为180.0cm。
其中，下圆台的最小直径为30.0cm。
其中，下圆台的母线与水平面的夹角为45°。
上述特定的上圆台的母线与水平面的夹角及下圆台的母线与水平面的夹角，在保证燃料球可卸出的同时，降低轴向功率峰因子。
对于上述活性区1结构而言，熔盐球床堆设有贯穿上圆台、活性区1和下圆台的均匀分布的熔盐流道，熔盐流道用于熔盐自下而上流动而带走堆芯的热量。熔盐流道的个数为254个，熔盐流道的直径为3.5cm。熔盐流道的设置，能够使得燃料球与熔盐充分接触，增加了熔盐的流动传热特性，确保热量的有效传输，避免活性区1内出现局部热点的风险。
上述堆芯结构中，围成活性区1的石墨反射层2的外围结构为圆柱体，石墨反射层2的材质为作为反射层和中子慢化剂的核纯级石墨，核纯级石墨的密度为1.85g/cm3。
其中，石墨反射层2的高度为306.4cm。
其中，石墨反射层2的直径为285.0cm。
上述堆芯结构中，围成活性区1的石墨反射层2的侧壁设有功能性通道，以提供反应性控制和实验测量需求，功能性通道包括控制棒通道、中子源通道和实验测量通道。在石墨反射层2布局控制棒通道、中子源通道和实验测量通道，无须将这些功能性通道插入活性区1，从根本上防止了堆芯结构的不稳定性。
其中，每一控制棒通道用于插入一根吸收中子的控制棒，控制棒通道均匀分布在石墨反射层2的侧壁中即可。控制棒通道的数量为13个。控制棒为B4C控制棒。
控制棒分为用于第一套停堆系统的控制棒和用于第二套停堆系统的控制棒，用于第一套停堆系统的控制棒按功能分为调节棒、安全停堆棒和燃耗补偿棒，插入控制棒通道中。而用于第二套停堆系统的控制棒在堆芯正常运行时位于堆芯外，且用于第二套停堆系统的控制棒只会在用于第一套停堆系统的控制棒失效时被置于堆芯中而发挥作用。
其中，中子源通道用于安装1个中子源，中子源为Am-Be源，中子源的源强为4E+7n/s。
其中，实验测量通道用于容纳测量仪器，测量仪器包括中子通量密度测量仪器、能谱测量仪器和温度测量仪器。实验测量通道的数量为9个。
上述堆芯结构中，燃料球的密度为1.795g/cm3。燃料球的直径为6cm。燃料球的结构具备内部燃料区域及包裹内部燃料区域的外部包壳。
其中，内部燃料区域由TRISO包覆颗粒和石墨基体组成。TRISO包覆颗粒的中心分布有燃料，燃料为UO2，UO2中U-235的富集度为19.75％，该百分比指的是UO2中U-235的同位素的质量占UO2中全部U的质量百分比。TRISO包覆颗粒在燃料球中的填充率为10％，该百分比指的是TRISO包覆颗粒的体积占内部燃料区域的体积的百分比。
其中，所内部燃料区域的直径为5cm。
其中，外部包壳厚度为0.5cm。
(2)熔盐球床堆
如图1及图2所示的熔盐球床堆，熔盐球床堆具有上述堆芯结构。
上述熔盐球床堆中，熔盐球床堆具有由石墨反射层2围成的活性区1及包裹石墨反射层2的堆芯围筒3。其中，堆芯围筒3的材质为哈氏合金。该材质的堆芯围筒3，能够有效确保堆芯结构的完整性，并具有一定的屏蔽快中子的能力，且具有耐高温、耐辐照、耐熔盐腐蚀的特性，具有良好的服役能力。
上述熔盐球床堆中，还设有一套备用停堆系统，备用停堆系统用于排空熔盐，以通过减少中子慢化及增加中子泄漏率的方式终止计数链式反应自持。
采用用于第一套停堆系统的控制棒、用于第二套停堆系统的控制棒及备用停堆系统这三种反应性控制方法，均不破坏熔盐的中子学特性，具有极佳的可操作性和经济性。
(3)燃料管理与堆芯装载方法
如图3所示的熔盐球床堆的燃料管理与堆芯装载方法，燃料管理与堆芯装载方法在上述熔盐球床堆(如图1和图2所示)中进行；
燃料管理与堆芯装载方法包括如下步骤：
S1：向活性区1中装载入燃料球；其中，燃料球的装载量为等于预设的满功率运行天数的燃料装载量；
S2：根据临界外推实验，检测堆芯是否达到预设的初始后备反应性；
检测后发现，没有达到预设的初始后备反应性，于是，继续填充燃料球直至达到预设的初始后备反应性，之后判断活性区1是否装满；
S3、根据判断活性区1是否装满的结果进行下述操作；
结果是，活性区1没有装满，于是，继续装载与燃料球的尺寸及密度相同的石墨球直至活性区1被装满，然后开始运行，直至反应性为零的寿期末；
S4：寿期末整体卸载即可。
上述燃料管理与堆芯装载方法中，氟盐的温度为459℃。当燃料管理与堆芯装载方法中的熔盐为氟盐时，氟盐能够减小冷却剂的中子吸收，提高反应堆的中子利用率，且由于氟盐的密度公式为ρ(g/cm3)＝2.28-4.884×10-4T(℃)，故在459℃时可以确保氟盐的密度大于燃料球和石墨球的平均密度，即可确保燃料球和石墨球通过熔盐浮力装卸载。
步骤S4中，寿期末整体卸载前，利用燃料球中燃料的多普勒效应以及石墨、熔盐的配比形成的堆芯的负温度反应性系数实现停堆。
技术效果如下：
本实施例中，该堆芯结构，能够实现燃料球在寿期末整体卸载，无须实现在线换料功能的部件，故可使得装置简单，且寿期末整体卸载后的燃料球无须一个个地处理，而是直接进入乏燃料处理系统，故会减小放射性，增加装置可靠性，且使得燃料球净化变得简单；该堆芯结构也可使得该燃料管理与堆芯装载方法具有调节余地，且保证了运行目标。
本实施例的燃料管理与堆芯装载方法，燃料球在寿期末整体卸载，无须实现在线换料功能的部件，故可使得装置简单，且寿期末整体卸载后的燃料球无须一个个地处理，而是直接进入乏燃料处理系统，故会减小放射性，增加装置可靠性，且使得燃料球净化变得简单。
本实施例的燃料管理与堆芯装载方法中，熔盐球床堆的活性区1能够容纳的燃料装载量大于预设的满功率运行天数的燃料装载量，如此，当设计计算的准确性不足时，可以继续填充燃料球以达到预设的初始后备反应性，如此本实施例的堆芯结构，可使得该燃料管理与堆芯装载方法具有调节余地，且保证了运行目标。
本实施例的燃料管理与堆芯装载方法中，继续填充石墨球装满活性区1的情况，可减小流体冲击造成的堆芯结构不稳定性及其造成的反应堆控制风险，进而为整个活性区1密实填充，达到维持堆芯稳定性的目的，且这种方法对工程不确定度具备一定的包容能力。
实施例2
(1)堆芯结构同实施例1
(2)熔盐球床堆同实施例1
(3)燃料管理与堆芯装载方法
如图3所示的熔盐球床堆的燃料管理与堆芯装载方法，燃料管理与堆芯装载方法在上述熔盐球床堆(如图1和图2所示)中进行；
燃料管理与堆芯装载方法包括如下步骤：
S1：向活性区1中装载入燃料球；其中，燃料球的装载量为等于预设的满功率运行天数的燃料装载量；
S2：根据临界外推实验，检测堆芯是否达到预设的初始后备反应性；
检测后发现，已经达到预设的初始后备反应性，之后判断活性区1是否装满；
S3、根据判断活性区1是否装满的结果进行下述操作；
结果是，活性区1没有装满，于是，继续装载与燃料球的尺寸及密度相同的石墨球直至活性区1被装满，然后开始运行，直至反应性为零的寿期末；
S4：寿期末整体卸载即可。
技术效果如下：
本实施例中，该堆芯结构，能够实现燃料球在寿期末整体卸载，无须实现在线换料功能的部件，故可使得装置简单，且寿期末整体卸载后的燃料球无须一个个地处理，而是直接进入乏燃料处理系统，故会减小放射性，增加装置可靠性，且使得燃料球净化变得简单；该堆芯结构也可使得该燃料管理与堆芯装载方法具有调节余地，且保证了运行目标。
本实施例的燃料管理与堆芯装载方法，燃料球在寿期末整体卸载，无须实现在线换料功能的部件，故可使得装置简单，且寿期末整体卸载后的燃料球无须一个个地处理，而是直接进入乏燃料处理系统，故会减小放射性，增加装置可靠性，且使得燃料球净化变得简单。
本实施例的燃料管理与堆芯装载方法中，继续填充石墨球装满活性区1的情况，可减小流体冲击造成的堆芯结构不稳定性及其造成的反应堆控制风险，进而为整个活性区1密实填充，达到维持堆芯稳定性的目的，且这种方法对工程不确定度具备一定的包容能力。
实施例3
(1)堆芯结构
如1及图2所示的堆芯结构，堆芯结构的活性区1设有位于底部的进料口及位于顶部的出料口，活性区1中的燃料球的密度小于活性区1中熔盐的密度，活性区1能够容纳的燃料装载量大于预设的满功率运行天数的燃料装载量。
上述堆芯结构中，还包括与燃料球的尺寸与密度相同的石墨球；燃料球、石墨球及熔盐均经过进料口进入活性区1。燃料球、石墨球及熔盐均经过出料口排出活性区1。
上述堆芯结构中，熔盐球床堆中的熔盐为氟盐，氟盐为2LiF-BeF2熔盐，2LiF-BeF2熔盐由LiF和BeF2组成，且LiF和BeF2的摩尔配比为2:1，且2LiF-BeF2熔盐中7Li的丰度大于99.99％，该百分比指的是熔盐中7Li的原子数量占全部Li的原子数量的百分比。
上述堆芯结构中，活性区1的结构为由石墨反射层2围成的四周封闭、且内部从上而下依次呈空心的上圆台、空心的圆柱体和空心的下圆台的结构，且上圆台的上表面设有与出料口连通的用于将燃料球、石墨球及熔盐卸出的圆柱形的卸载通道，下圆台的下表面设有与进料口连通的用于将燃料球、石墨球及熔盐装入的圆柱形的装载通道。
其中，上圆台的最小直径为30.0cm。
其中，上圆台的母线与水平面的夹角为45°。
其中，圆柱体的直径为135.0cm。
其中，圆柱体的高度为180.0cm。
其中，下圆台的最小直径为30.0cm。
其中，下圆台的母线与水平面的夹角为30°。
上述特定的上圆台的母线与水平面的夹角及下圆台的母线与水平面的夹角，在保证燃料球可卸出的同时，降低轴向功率峰因子。
对于上述活性区1结构而言，熔盐球床堆设有贯穿上圆台、活性区1和下圆台的均匀分布的熔盐流道，熔盐流道用于熔盐自下而上流动而带走堆芯的热量。熔盐流道的个数为254个，熔盐流道的直径为4.5cm。熔盐流道的设置，能够使得燃料球与熔盐充分接触，增加了熔盐的流动传热特性，确保热量的有效传输，避免活性区1内出现局部热点的风险。
上述堆芯结构中，围成活性区1的石墨反射层2的外围结构为圆柱体，石墨反射层2的材质为作为反射层和中子慢化剂的核纯级石墨，核纯级石墨的密度为1.80g/cm3。
其中，石墨反射层2的高度为306.4cm。
其中，石墨反射层2的直径为285.0cm。
上述堆芯结构中，围成活性区1的石墨反射层2的侧壁设有功能性通道，以提供反应性控制和实验测量需求，功能性通道包括控制棒通道、中子源通道和实验测量通道。在石墨反射层2布局控制棒通道、中子源通道和实验测量通道，无须将这些功能性通道插入活性区1，从根本上防止了堆芯结构的不稳定性。
其中，每一控制棒通道用于插入一根吸收中子的控制棒，控制棒通道均匀分布在石墨反射层2的侧壁中即可。控制棒通道的数量为16个。控制棒为B4C控制棒。
控制棒分为用于第一套停堆系统的控制棒和用于第二套停堆系统的控制棒，用于第一套停堆系统的控制棒按功能分为调节棒、安全停堆棒和燃耗补偿棒，插入控制棒通道中。而用于第二套停堆系统的控制棒在堆芯正常运行时位于堆芯外，且用于第二套停堆系统的控制棒只会在用于第一套停堆系统的控制棒失效时被置于堆芯中而发挥作用。
其中，中子源通道用于安装1个中子源，中子源为Am-Be源，中子源的源强为4E+7n/s。
其中，实验测量通道用于容纳测量仪器，测量仪器包括中子通量密度测量仪器、能谱测量仪器和温度测量仪器。实验测量通道的数量为6个。
其中，燃料球的密度小于熔盐的密度，燃料球的直径为3cm。燃料球的结构具备内部燃料区域及包裹内部燃料区域的外部包壳。
其中，内部燃料区域由TRISO包覆颗粒和石墨基体组成。TRISO包覆颗粒的中心分布有燃料，燃料为UO2，UO2中U-235的富集度为17％，该百分比指的是UO2中U-235的同位素的质量占UO2中全部U的质量百分比。TRISO包覆颗粒在燃料球中的填充率为7％，该百分比指的是TRISO包覆颗粒的体积占内部燃料区域的体积的百分比。
其中，所内部燃料区域的直径为2cm。
其中，外部包壳厚度为0.5cm。
(2)熔盐球床堆
如图1及图2所示的熔盐球床堆，熔盐球床堆具有上述堆芯结构。
上述熔盐球床堆中，熔盐球床堆具有由石墨反射层2围成的活性区1及包裹石墨反射层2的堆芯围筒3。其中，堆芯围筒3的材质为哈氏合金。该材质的堆芯围筒3，能够有效确保堆芯结构的完整性，并具有一定的屏蔽快中子的能力，且具有耐高温、耐辐照、耐熔盐腐蚀的特性，具有良好的服役能力。
上述熔盐球床堆中，还设有一套备用停堆系统，备用停堆系统用于排空熔盐，以通过减少中子慢化及增加中子泄漏率的方式终止计数链式反应自持。
采用用于第一套停堆系统的控制棒、用于第二套停堆系统的控制棒及备用停堆系统这三种反应性控制方法，均不破坏熔盐的中子学特性，具有极佳的可操作性和经济性。
(3)燃料管理与堆芯装载方法
如图4所示的熔盐球床堆的燃料管理与堆芯装载方法，燃料管理与堆芯装载方法在上述熔盐球床堆(如图1和图2所示)中进行；
燃料管理与堆芯装载方法包括如下步骤：
S1：向活性区1中装载入燃料球；其中，燃料球的装载量为小于预设的满功率运行天数的燃料装载量；
S2：根据临界外推实验，检测是否达到预设的初始后备反应性；
检测后发现，已经达到预设的初始后备反应性，之后判断活性区1是否装满；
S3、根据判断活性区1是否装满的结果进行下述操作；
结果是活性区1没有装满，于是，不装载任何燃料，直接运行，直至熔盐球床堆运行到燃料球反应性为零时，将一批次燃料球装载入活性区1，继续运行，直至反应性为零，且一批次的装载量为装载燃料球后均维持预设的初始后备反应性，重复操作直至活性区1无法容纳一批次的装载量；
S4：寿期末整体卸载即可。
上述燃料管理与堆芯装载方法中，氟盐的温度为990℃。当燃料管理与堆芯装载方法中的熔盐为氟盐时，氟盐能够减小冷却剂的中子吸收，提高反应堆的中子利用率，且由于氟盐的密度公式为ρ(g/cm3)＝2.28-4.884×10-4T(℃)，故在990℃时可以确保氟盐的密度大于燃料球和石墨球的平均密度，即可确保燃料球和石墨球通过熔盐浮力装卸载。
步骤S4中，寿期末整体卸载前，利用燃料球中燃料的多普勒效应以及石墨、熔盐的配比形成的堆芯的负温度反应性系数实现停堆。
技术效果如下：
本实施例中，该堆芯结构，能够实现燃料球在寿期末整体卸载，无须实现在线换料功能的部件，故可使得装置简单，且寿期末整体卸载后的燃料球无须一个个地处理，而是直接进入乏燃料处理系统，故会减小放射性，增加装置可靠性，且使得燃料球净化变得简单；该堆芯结构也可使得该燃料管理与堆芯装载方法具有调节余地，且保证了运行目标。
本实施例的燃料管理与堆芯装载方法，燃料球在寿期末整体卸载，无须实现在线换料功能的部件，故可使得装置简单，且寿期末整体卸载后的燃料球无须一个个地处理，而是直接进入乏燃料处理系统，故会减小放射性，增加装置可靠性，且使得燃料球净化变得简单。
本实施例的燃料管理与堆芯装载方法中，一批次装载后均维持预设的初始后备反应性，可以确保反应性控制系统的控制稳定和临界安全，与在线换料方式相比，装载次数较少，对相关的装料机构的要求不用过于严苛。
Claims (16)
1.一种熔盐球床堆的燃料管理与堆芯装载方法，其特征在于，所述燃料管理与堆芯装载方法在熔盐球床堆中进行；
所述熔盐球床堆具有堆芯结构；
所述堆芯结构的活性区设有位于底部的进料口及位于顶部的出料口，所述活性区中的燃料球的密度小于所述活性区中熔盐的密度，所述活性区能够容纳的燃料装载量大于预设的满功率运行天数的燃料装载量；
所述燃料管理与堆芯装载方法包括如下步骤：
S1：向所述活性区中装载入所述燃料球；其中，所述燃料球的装载量满足临界条件，但为小于或等于预设的满功率运行天数的燃料装载量；
S2：根据临界外推实验，测算堆芯是否达到预设的初始后备反应性；
若没有达到所述预设的初始后备反应性，则继续填充所述燃料球直至达到所述预设的初始后备反应性，之后判断所述活性区是否装满；
若已经达到所述预设的初始后备反应性，则判断所述活性区是否装满；
S3、根据判断所述活性区是否装满的结果进行下述操作；
若所述活性区没有装满，则(1)继续装载与所述燃料球的尺寸及密度相同的石墨球直至活性区被装满，然后开始运行；或者(2)不装载，直接运行，直至所述熔盐球床堆运行到所述燃料球的反应性为零时，将一批次所述燃料球装载入所述活性区，继续运行，直至反应性为零，且所述一批次的装载量为装载所述燃料球后均能够维持所述预设的初始后备反应性，重复操作直至所述活性区无法容纳所述一批次的装载量；
若所述活性区刚好装满，则无须继续装载石墨球；
S4：寿期末整体卸载即可。
2.如权利要求1所述的熔盐球床堆的燃料管理与堆芯装载方法，其特征在于，所述堆芯结构还包括与所述燃料球的尺寸与密度相同的石墨球。
3.如权利要求1所述的熔盐球床堆的燃料管理与堆芯装载方法，其特征在于，所述熔盐球床堆中的熔盐为氟盐。
4.如权利要求1所述的熔盐球床堆的燃料管理与堆芯装载方法，其特征在于，所述活性区的结构为由石墨反射层围成的四周封闭、且内部从上而下依次呈空心的上圆台、空心的圆柱体和空心的下圆台的结构。
5.如权利要求4所述的熔盐球床堆的燃料管理与堆芯装载方法，其特征在于，所述上圆台的母线与水平面的夹角为30°-45°。
6.如权利要求4所述的熔盐球床堆的燃料管理与堆芯装载方法，其特征在于，所述下圆台的母线与水平面的夹角为30°-45°。
7.如权利要求4-6中任一项所述的熔盐球床堆的燃料管理与堆芯装载方法，其特征在于，所述熔盐球床堆还设有贯穿所述上圆台、所述活性区和所述下圆台的均匀分布的熔盐流道，所述熔盐流道用于熔盐自下而上流动而带走堆芯的热量。
8.如权利要求1所述的熔盐球床堆的燃料管理与堆芯装载方法，其特征在于，围成所述活性区的石墨反射层的侧壁设有功能性通道，以提供反应性控制和实验测量需求，所述功能性通道包括控制棒通道、中子源通道和实验测量通道，所述中子源通道用于安装1个中子源。
9.如权利要求8所述的熔盐球床堆的燃料管理与堆芯装载方法，其特征在于，所述控制棒分为用于第一套停堆系统的控制棒和用于第二套停堆系统的控制棒。
10.如权利要求1所述的熔盐球床堆的燃料管理与堆芯装载方法，其特征在于，所述燃料球的直径为3-6cm，所述燃料球的结构具备内部燃料区域及包裹所述内部燃料区域的外部包壳。
11.如权利要求10所述的熔盐球床堆的燃料管理与堆芯装载方法，其特征在于，所述内部燃料区域由TRISO包覆颗粒和石墨基体组成；所述TRISO包覆颗粒的中心分布有燃料，所述燃料为UO2。
12.如权利要求11所述的熔盐球床堆的燃料管理与堆芯装载方法，其特征在于，所述UO2中U-235的富集度为17％-19.75％，该百分比指的是所述UO2中U-235的同位素的质量占所述UO2中全部U的质量百分比。
13.如权利要求11所述的熔盐球床堆的燃料管理与堆芯装载方法，其特征在于，所述TRISO包覆颗粒在所述燃料球中的填充率为7％-10％，该百分比指的是所述TRISO包覆颗粒的体积占所述内部燃料区域的体积的百分比。
14.如权利要求10所述的熔盐球床堆的燃料管理与堆芯装载方法，其特征在于，所内部燃料区域的直径为2-5cm。
15.如权利要求10所述的熔盐球床堆的燃料管理与堆芯装载方法，其特征在于，所述外部包壳厚度为0.5cm。
16.如权利要求1所述的熔盐球床堆的燃料管理与堆芯装载方法，其特征在于，所述熔盐球床堆还设有一套备用停堆系统，所述备用停堆系统用于排空熔盐，以通过减少中子慢化及增加中子泄漏率的方式终止计数链式反应自持。
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