阅读说明：本技术 颗粒可燃毒物反应性控制方法、可燃毒物板及燃料棒 (Method for controlling reactivity of particle burnable poison, burnable poison plate and fuel rod ) 是由 娄磊 柴晓明 姚栋 王连杰 于颖锐 李庆 彭星杰 夏榜样 陈长 刘同先 李满仓 于 2020-11-19 设计创作，主要内容包括：本发明提供的颗粒可燃毒物反应性控制方法、可燃毒物板及燃料棒,该方法通过设定堆芯寿期初剩余反应性大小和寿期长短,并将堆芯寿期初剩余反应性大小和寿期长短输入到堆芯反应性与燃耗变化模型中,得到颗粒可燃毒物参数；颗粒可燃毒物参数包括颗粒类型、颗粒直径、颗粒体积份额、颗粒掺杂率和颗粒孔隙率；基于颗粒可燃毒物参数选择目标颗粒可燃毒物,加入堆芯中,提高毒物燃耗速率,减少寿期末可燃毒物残留,而且便于可燃毒物分段,有利于堆芯剩余反应性的控制。(According to the reactivity control method for the particle burnable poison, the burnable poison plate and the fuel rod, provided by the invention, the particle burnable poison parameter is obtained by setting the initial residual reactivity and the long service life of the reactor core, and inputting the initial residual reactivity and the long service life of the reactor core into a reactor core reactivity and burnup change model; the particle burnable poison parameters include particle type, particle diameter, particle volume fraction, particle doping rate, and particle porosity; target particle burnable poison is selected based on the particle burnable poison parameters and added into the reactor core, so that the burnup rate of the burnable poison is improved, the burnable poison residue at the end of the service life is reduced, the burnable poison is convenient to segment, and the control of the residual reactivity of the reactor core is facilitated.)

颗粒可燃毒物反应性控制方法、可燃毒物板及燃料棒

技术领域

本发明涉及核反应堆堆芯技术领域，具体涉及颗粒可燃毒物反应性控制方法、可燃毒物板及燃料棒。

背景技术

在反应堆堆芯设计中，由于堆芯寿期初和堆芯寿期中往往有较大的剩余反应性，因此，一般采用可溶硼、可燃毒物和控制棒等方式控制堆芯的剩余反应性。其中，可燃毒物作为一种中子吸收材料，以颗粒形式存在堆芯时会发生空间自屏效应，使得颗粒外表面的材料会先吸收中子，导致颗粒内部至中心区域的材料少吸收中子甚至不能吸收中子。由于空间自屏效应，颗粒形式的可燃毒物相比等量均匀分布的可燃毒物，在堆芯寿期初只有部分可燃毒物起到抑制反应性的作用，使得堆芯寿期初反应性不至于过低，随着燃耗进行颗粒形式的可燃毒物呈“剥洋葱”式燃耗，该可燃毒物的中子作用可以得到平缓释放，燃料的剩余反应性也可以得到适度且长时间段的抑制，有利于堆芯反应性控制。但目前仅是仅是从宏观角度考虑了颗粒形式的可燃毒物加入燃料基体时的颗粒类型和体积份额对堆芯剩余反应性的影响，并没有从微观角度(如颗粒大小、颗粒体积份额、颗粒掺杂率、颗粒孔隙率)考虑颗粒形式的可燃毒物对堆芯剩余反应性的影响。

发明内容

本发明要解决的技术问题是如何从颗粒形式的可燃毒物本身的参数考虑其对堆芯剩余反应性的影响，因此，本发明提供颗粒可燃毒物反应性控制方法、可燃毒物板及燃料棒，以从微观角度考虑颗粒形式的可燃毒物本身的颗粒大小、颗粒体积份额、颗粒掺杂率及颗粒孔隙率对堆芯剩余反应性的影响，展平堆芯功率分布，满足冷态常压工况下停堆裕量和“卡棒”准则要求，提高堆芯运行安全性。

本发明通过下述技术方案实现：

一种颗粒可燃毒物反应性控制方法，包括：

通过设定堆芯寿期初剩余反应性大小和寿期长短，并将所述堆芯寿期初剩余反应性大小和所述寿期长短输入到堆芯反应性与燃耗变化模型中，得到颗粒可燃毒物参数；所述颗粒可燃毒物参数包括颗粒类型、颗粒直径、颗粒体积份额、颗粒掺杂率和颗粒孔隙率；

基于所述颗粒可燃毒物参数选择目标颗粒可燃毒物，以加入堆芯中。

进一步地，所述颗粒类型包括含硼化合物、含钆化合物、含铒化合物、含铪化合物、含铕化合物、含镝化合物、银、铟和镉。

进一步地，所述颗粒直径的大小范围为50～500μm。

进一步地，所述颗粒体积份额范围为0～50％。

进一步地，所述颗粒掺杂率为0～20％。

进一步地，所述颗粒孔隙率为0～40％。

一种可燃毒物燃料棒，包括：

将目标颗粒可燃毒物均匀随机弥散于燃料基体中，形成可燃毒物燃料棒。

进一步地，所述燃料基体的富集度为4.45％，所述目标颗粒可燃毒物的颗粒类型为B₄C、颗粒直径为100μm、颗粒体积份额为5％、颗粒掺杂率为0％、颗粒孔隙率为0％。

一种可燃毒物板，包括：

将目标颗粒可燃毒物组成分离式可燃毒物，形成可燃毒物小球，并基于所述可燃毒物小球形成可燃毒物板。

进一步地，所述可燃毒物小球的直径为500μm，所述目标颗粒可燃毒物的颗粒类型为Er₂O₃，颗粒体积份额为45％，颗粒掺杂率20％，采用可燃毒物板基体材料锆掺杂，颗粒孔隙率为0％。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

1、通过选用颗粒可燃毒物，以增加可燃毒物的空间自屏效应，降低寿期初可燃毒物的中子吸收能力，同时也降低寿期内可燃毒物的消耗速率，有利于堆芯剩余反应性的有效控制和缓慢释放。

2、根据堆芯寿期初剩余反应性大小和寿期长短确定颗粒可燃毒物的颗粒类型、颗粒大小、颗粒体积份额、颗粒掺杂率和颗粒孔隙率，以根据不同颗粒类型的中子吸收截面和不同颗粒大小控制控制颗粒可燃毒物的空间自屏效应，不同的颗粒体积份额确定颗粒可燃毒物对系统反应性的影响，不同颗粒掺杂率和颗粒孔隙率确定对颗粒可燃毒物的等效吸收截面的影响，以控制堆芯剩余反应性，实现堆芯全寿期范围内对堆芯剩余反应性的有效控制，展平堆芯功率分布，满足冷态常压工况下停堆裕量和“卡棒”准则要求，提高堆芯设计灵活性和运行安全性。

3、将目标颗粒可燃毒物弥散于燃料基体中，可以不占燃料栅元位置，同时也不会产生严重的功率畸变，影响功率分布展平。

4、将目标颗粒可燃毒物组成分离式可燃毒物，形成可燃毒物小球，不仅有利于增加可燃毒物的吸收面积，提高毒物燃耗速率，减少寿期末可燃毒物残留，而且便于可燃毒物分段，有利于堆芯剩余反应性的控制。

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为本发明一种可燃毒物燃料棒的俯视图。

图2为本发明一种可燃毒物燃料棒的侧视图。

图3为本发明一种可燃毒物板的结构示意图。

附图标记：1、慢化剂；2、包壳；3、燃料基体；4、颗粒可燃毒物。

具体实施方式

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1

本发明提供一种颗粒可燃毒物反应性控制方法，包括：

通过设定堆芯寿期初剩余反应性大小和寿期长短，并将堆芯寿期初剩余反应性大小和寿期长短输入到堆芯反应性与燃耗变化模型中，得到颗粒可燃毒物参数；颗粒可燃毒物参数包括颗粒类型、颗粒直径、颗粒体积份额、颗粒掺杂率和颗粒孔隙率；基于颗粒可燃毒物参数选择目标颗粒可燃毒物，以加入堆芯中。

其中，颗粒可燃毒物指以颗粒形式存在的可燃毒物。以颗粒形式存在的可燃毒物相比于常规均匀分布形式的可燃毒物，可以增加可燃毒物的空间自屏效应，降低寿期初可燃毒物的中子吸收能力，从而降低寿期内可燃毒物的消耗速率，有利于系统反应性的的有效控制和缓慢释放。

具体地，根据堆芯寿期初剩余反应性大小和寿期长短，调整可燃毒物颗粒参数，以实现堆芯剩余反应性控制。其中，颗粒可燃毒物的颗粒类型包括但不限于含硼化合物、含钆化合物、含铒化合物、含铪化合物、含铕化合物、含镝化合物、银、铟和镉。本实施例中的含硼化合物存在形式为B₄C、含钆化合物存在形式为Gd₂O₃、含铒化合物存在形式为Er₂O₃、含铪化合物存在形式为Hf、含铕化合物存在形式为Eu₂O₃、含镝化合物存在形式为Dy₂O₃、银存在形式为Ag、铟存在形式为In、镉存在形式为Cd等，可以理解地，不同颗粒类型的颗粒可燃毒物具有不同的中子吸收截面。

颗粒大小控制颗粒可燃毒物的空间自屏效应，本实施例将颗粒可燃毒物的颗粒直径大小范围设置为50～500μm；颗粒体积份额控制颗粒可燃毒物整体对堆芯剩余反应性的影响，本实施例将颗粒可燃毒物的颗粒体积份额范围为0～50％；颗粒可燃毒物的颗粒掺杂率和颗粒孔隙率同样影响毒物颗粒等效吸收截面，而颗粒可燃毒物的吸收截面会影响颗粒可燃毒物对堆芯剩余反应性的控制能力，本实施例将颗粒可燃毒物的颗粒掺杂率为0～20％，颗粒可燃毒物颗粒孔隙率为0～40％。

通过上述颗粒可燃毒物反应性控制方法，可以实现堆芯全寿期范围内对堆芯剩余反应性的有效控制，展平堆芯功率分布，满足冷态常压工况下停堆裕量和“卡棒”准则要求，提高堆芯设计灵活性和运行安全性。

实施例2

如图1和图2所示，选用颗粒形式的目标颗粒可燃毒物均匀随机弥散于燃料基体中，根据堆芯寿期初剩余反应性大小以及寿期长短，本实施例的基体燃料富集度为4.45％，颗粒类型为B₄C、颗粒直径为100μm、颗粒体积份额为5％、颗粒掺杂率和颗粒孔隙率为0％来实现反应性的控制，通过颗粒可燃毒物的空间自屏效应，毒物中子吸收作用得到逐步释放，毒物燃耗速率得到有效控制，使堆芯全寿期反应性得到有效控制。

具体地，将目标颗粒可燃毒物弥散于燃料基体中，可以不占燃料栅元位置，同时也不会产生严重的功率畸变，影响功率分布展平。

实施例3

如图3所示，目标颗粒可燃毒物不仅可以弥散于燃料基体中，也可以用于组成分离式可燃毒物，形成可燃毒物小球，然后利用可燃毒物小球组成可燃毒物板。本实施例中分离式可燃毒物板中采用Er2O3小球，可燃毒物小球的直径为500μm，颗粒体积份额为45％，颗粒掺杂率20％。本实施例的可燃毒物板基体材料采用锆掺杂，颗粒孔隙率为0％。

具体地，目标颗粒可燃毒物组成的分离式可燃毒物，不仅有利于增加可燃毒物的吸收面积，还可以增加毒物燃耗速率从而减少寿期末毒物残留，而且便于毒物分段，有利于堆芯剩余反应性控制。利用可燃毒物小球组成的可燃毒物板形式在堆芯中较实心板燃耗快，且能够通过颗粒可燃毒物参数调节其对中子的吸收能力，寿期末毒物残留量小。

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。