CN107039090A - 一种分段设计钠冷快堆控制棒 - Google Patents

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徐李
胡赟
张坚
王新哲
陈仪煜
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Abstract

本发明公开了一种分段设计钠冷快堆控制棒，包括驱动机构、活性区和跟随体组成，其中控制棒活性区为分段式结构，分段式结构从上到下内含吸收体含量由高至低。本发明提供一种燃耗低，发热量小，且周围燃料组件功率峰因子偏小的分段式钠冷快堆控制棒。

Description

一种分段设计钠冷快堆控制棒
技术领域
本发明属于反应堆工程领域，特别涉及一种用于钠冷快堆的分段设计钠冷快堆控制棒。
背景技术
在钠冷快堆中，反应堆运行时的反应性补偿和停堆安全主要由控制棒来实现。当前的钠冷快堆设计中，一般含有安全棒组(SA)、补偿棒(SH)和调节棒组(RE)，最新的一些设计中还含有非能动棒组(PEP)。其中，安全棒主要用于反应堆的紧急停堆，补偿棒主要用于燃耗反应性的补偿和反应堆的安全停堆，调节棒主要用于反应性的自动调节。在现有的控制棒设计中，补偿棒中10B的富集度较高，使得单个循环周期中补偿棒的燃耗较高，且发热量较大，并造成周围燃料组件功率峰因子偏大。
发明内容
(一)发明目的
本发明克服了现有技术的不足，提供一种燃耗低，发热量小，且周围燃料组件功率峰因子偏小的分段式钠冷快堆控制棒。
(二)技术方案
为了解决现有技术所存在的问题，本发明提供的技术方案如下：
一种分段式钠冷快堆控制棒，包括驱动机构、活性区和跟随体组成，其中控制棒活性区为分段式结构，分段式结构从上到下内含吸收体含量由高至低。
进一步，所述分段式结构为高富集硼区和低富集硼区两段式结构。
进一步，所述高富集硼区为10B含量高的高富集度碳化硼，富集度60％-100％；低富集硼区为采用10B含量较低的低富集度碳化硼，富集度10％-40％；
进一步，所述低富集硼区可采用天然硼。
进一步,所述分段式结构长度根据堆的反应性需求确定。
(三)有益效果
在反应堆运行过程中，本发明中的控制棒只有低富集区处于堆芯活性区范围内，因此其控制棒燃耗更小，可使用更多的循环周期；控制棒发热更小，且循环初期和循环末期的发热量差别更小，有利于提升组件出口温度；周围燃料组件的功率峰因子更小，且在移动时，对周围组件造成的影响更小；在运行时，微分价值更小，有利于功率调节。有效的提高了反应堆的经济性。
从计算结果可看出，与传统方案相比，在经过一个循环的燃耗之后，分段式的控制棒价值的反应性变化方面从76/pcm降到26/pcm，补偿棒中B的燃耗要小很多，可使用更长时间。分段式钠冷快堆控制棒在释热方面从369/kw降到244/kw，比传统方案较小，致使初期末期功率变化较小，对出口温度的影响降低，有利于提高堆芯平均出口温度。分段设计的控制棒附近的燃料组件最大功率峰因子明显偏小，且全堆最大功率峰因子也偏小，有利于堆芯功率峰的展平，提高全堆平均线功率和平均燃耗，提高燃料的利用率。与传统方案相比，分段设计的控制棒微分价值存在一定的差别，更有利于反应性调节。
附图说明
图1一种分段式钠冷快堆控制棒结构示意图
图2传统方案燃料组件裂变功率分布不均匀系数
图3使用分段式钠冷快堆控制棒的燃料组件裂变功率分布不均匀系数
图4传统方案补偿棒组积分价值曲线
图5传统方案补偿棒组微分价值曲线
图6分段式钠冷快堆控制棒组积分价值曲线
图7分段式钠冷快堆控制棒组微分价值曲线
1、驱动机构 2、高富集硼 3、低富集硼 4、跟随体
具体实施方式
下面将结合说明书附图和具体实施方式对本发明作进一步阐述。
如图1所示的一种用于钠冷快堆的分段式钠冷快堆控制棒，该控制棒由驱动机构1、活性区和跟随体4组成，活性区设计为分段式结构，分段式结构从上到下内含吸收体含量由高至低。本实施例将活性区设计为高富集硼2和低富集硼3两段式结构，其中高富集硼2区域为10B含量高的高富集度碳化硼，富集度60％-100％；低富集硼3区域为采用10B含量较低的低富集度碳化硼，富集度10％-40％；其中低富集硼3区域也可采用天然硼。
为了使控制棒的价值与如图1所示传统控制棒的价值一致，在设计中，增加了活性区的长度，即在相同的燃料活性区高度下，本发明活性区长度比传统方案长。同时在停堆时控制棒活性区底部在堆芯的位置也有所不同，在传统方案中，停堆时，控制棒底部与堆芯活性区底部平齐，而本发明中，停堆时，控制棒底部低于堆芯活性区底部。这主要是由于在传统方案中，如果控制棒继续往下移动，反而使得控制棒活性段远离堆芯，致使反应性增加，因此，不能再往下移动；而在本发明中，控制棒活性区下端面从堆芯活性区底部往下移动时，低富集区逐渐远离堆芯，而高富集区逐渐***堆芯，全堆反应性仍旧减小，因此，在本发明中，控制棒活性区下端面可以低于堆芯活性区底部，其可***的数值与堆芯的具体参数和控制棒的详细参数相关。
本实施例对典型的钠冷快堆堆芯采用传统控制棒设计方案和本发明的设计方案的控制棒价值、燃耗、释热及其对堆芯的影响进行了对比分析，对比分析结果如下。
1.计算输入
表1控制棒组件结构设计参数
参数 值
吸收体高度/mm 900
吸收体芯块形状 圆柱形
吸收体芯块直径(外径)/mm 15.0
吸收体材料 碳化硼芯块
本发明在传统控制棒方案的基础上，将补偿棒活性段加长为130cm，并分为2段，其中上部10B富集度为80％，长度75cm，下部为天然硼，长度55cm。补偿棒的数量、其它控制棒的参数以及堆芯布置与传统方案相同。
2.本发明与传统方案对比
2.1控制棒燃耗
表给出了各组控制棒在单个循环周期的燃耗、平均燃耗以及由于控制棒燃耗所引起的反应性变化。
表2各组控制棒燃耗 单位：mm
*：补偿棒下段
**：补偿棒上段
从表可以看出，与传统方案相比，分段方案的补偿棒价值的变化量更小。
与传统方案相比，补偿棒中B的燃耗要小很多，因此，采用分段式钠冷快堆控制棒的寿命可大大高于传统方案。
2.2控制棒释热
各控制棒平均发热如表所示。
表3控制棒释热/kW
从表可以看出，分段方案比传统方案较小，致使初期末期功率变化较小，对出口温度的影响降低，有利于提高堆芯平均出口温度。
2.3堆芯裂变功率分布不均匀系数
燃料组件最大功率分布不均匀系数，是指当前位置组件活性段裂变最大点功率与全堆燃料组件活性段平均裂变功率的比值。图2给出了传统方案BOC堆芯燃料组件的最大功率分布不均匀系数。图3给出了分段方案BOC堆芯燃料组件的径向裂变功率分布不均匀系数及轴向裂变功率分布不均匀系数。从图2和图3中可以看出，与传统方案相比，分段方案补偿棒附近的燃料组件最大功率峰因子明显偏小，且全堆最大功率峰因子也偏小。这就表明，分段方案可以在不增加全堆最大线功率和最大燃耗的情况下，增加全堆全堆平均线功率和平均燃耗，从而提高燃料的经济性。
2.4补偿棒价值曲线
传统方案补偿棒组的积分价值曲线和微分价值曲线如图4和图5所示。分段式钠冷快堆控制棒组的积分价值曲线和微分价值曲线如图6和图7所示。从图可以看出，分段式钠冷快堆控制棒价值曲线与传统方案相比，分段方案的微分价值比传统方案小，且在后段(功率运行阶段的实际棒位)更小，有利于反应性的调节。

Claims (4)

1.一种分段式钠冷快堆控制棒，该控制棒由驱动机构、活性区和跟随体组成，其特征在于，活性区设计为分段式结构，分段式结构从上到下内含吸收体含量由高至低。
2.根据权利要求1所述的一种分段设计钠冷快堆控制棒，其特征在于，所述分段式结构为高富集硼区和低富集硼区两段式结构。
3.根据权利要求2所述的一种分段设计钠冷快堆控制棒，其特征在于，所述高富集硼区为10B含量高的高富集度碳化硼，富集度60％-100％；低富集硼区为采用10B含量较低的低富集度碳化硼，富集度10％-40％。
4.根据权利要求2所述的一种分段设计钠冷快堆控制棒，其特征在于，所述低富集硼区为天然硼。
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