技术领域
[0001] 本
发明属于乏燃料贮存和临界安全控制技术领域，具体涉及一种乏
燃料组件贮存架。
背景技术
[0002] 目前随着我国核电装机总容量的增大，产生的乏燃料逐年增多，在我国后处理厂的建成时间和建成后的后处理能
力还不能满足要求的情况下，大量的乏燃料组件的贮存面临着压力，因此提高乏燃料组件的贮存能力一直是一个研究的方向。当前的乏燃料贮存系统多采用一些间距控制、
中子毒物控制等方式使其满足临界安全的要求(临界安全指的是在核工业实用中，为避免发生意外超临界事件的一种专
门技术，又称为核临界安全；在非反应堆的场合，例如在易裂变材料的生产、加工、处理、储存和运输等过程中，则必须采取措施避免发生临界或超临界事件)。为了使这些控制方式能达到较好的临界控制效果，通常会对燃料存放的
位置、燃料燃耗的限制、
中子毒物的材料的类型和结构布置等方面行优化，采用尽可能有限的间距控制，达到一种密集贮存从而提高贮存能力的目的。
发明内容
[0003] 本发明的目的是提供一种能够提高乏燃料组件存储密集度的贮存架。
[0004] 为达到以上目的，本发明采用的技术方案是一种乏燃料组件贮存架，用于在贮存
水池内放置棒状的乏燃料组件，其中，包括若干个规格一致、垂直设置在贮存格架上、呈阵列排列的长方体型的贮存单元，所述贮存单元由不锈
钢板构成，横截面为正方形,内部由中子毒物板隔成贮存内腔，所述乏燃料组件垂直贮存在所述贮存内腔内；阵列中的所述贮存单元彼此交错的设置在两个不同的高度上，侧平面相邻的所述贮存单元彼此处于两个不同的高度，侧棱柱相对的所述贮存单元彼此处于同一高度；各个所述贮存单元内的所述乏燃料组件的顶端和底端随所述贮存单元的高度不同而在轴向上彼此错开。
[0005] 进一步，每个所述贮存单元设有两
块所述中子毒物板，两块所述中子毒物板与所述贮存单元的两个相邻侧平面共同构成一个长方体型的所述贮存内腔，所述贮存内腔的横截面为正方形；所述贮存单元上的另外两个侧平面分别与两块所述中子毒物板平行。
[0006] 进一步，在所述贮存单元构成的阵列中，侧平面相邻的两个所述贮存单元之间共用同一块所述
不锈钢板作为所述侧平面；侧平面相邻的两个所述贮存单元内的两个所述贮存内腔之间通过一块作为所述侧平面的所述不锈钢板和一块所述中子毒物板隔开。
[0007] 更进一步，
[0008] 在所述贮存单元构成的阵列中，纵向上的所述贮存内腔在所述贮存单元中的位置上一致，处于同一直线上；横向上的所述贮存内腔在所述贮存单元中的位置上彼此交错，不处于同一直线上，从而使得横向上相邻的两个所述贮存内腔在所述乏燃料组件的径向方向上彼此错开；
[0009] 或者，在所述贮存单元构成的阵列中，横向上的所述贮存内腔在所述贮存单元中的位置上一致，处于同一直线上；纵向上的所述贮存内腔在所述贮存单元中的位置上彼此交错，不处于同一直线上，从而使得纵向上相邻的两个所述贮存内腔在所述乏燃料组件的径向方向上彼此错开。"
[0010] 进一步，
[0011] 在所述贮存单元构成的阵列中，当纵向上的所述贮存内腔在所述贮存单元中的位置上一致时，横向上相邻的两个所述贮存内腔的横截面的中心点在纵向方向上的差距的绝对值为径向错开距离，所述径向错开距离为所述贮存单元的横截面的内部边长与所述贮存内腔的横截面的内部边长之差；
[0012] 在所述贮存单元构成的阵列中，当横向上的所述贮存内腔在所述贮存单元中的位置上一致时，纵向上相邻的两个所述贮存内腔的横截面的中心点在横向方向上的差距的绝对值为径向错开距离，所述径向错开距离为所述贮存单元的横截面的内部边长与所述贮存内腔的横截面的内部边长之差。
[0013] 进一步，所述中子毒物板由
硼钢中子毒物板构成，所述侧平面相邻的所述贮存单元之间轴向错开的高度差为500mm，所述不锈钢板厚度为2mm，所述硼钢中子毒物板厚度为2.5mm，所述贮存单元的正方形的所述横截面的内部边长为250mm，栅距为252mm，所述贮存内腔的正方形的所述横截面的内部边长为224mm，相邻的两个所述贮存内腔的所述径向错开距离是26mm；所述栅距是指在所述贮存单元的正方形的所述横截面的两条平行的边中，从一条边的内侧至另一条边的外侧的距离。
[0014] 进一步，所述中子毒物板由含硼
铝合金中子毒物板、不锈钢
支撑壁、不锈钢覆面构成，所述不锈钢支撑壁远离所述乏燃料组件的一侧表面上设有内腔，所述含硼
铝合金中子毒物板的一侧表面附着在所述内腔上，另一侧表面
覆盖所述不锈钢覆面；所述内腔的厚度为2mm，所述不锈钢覆面的厚度为0.8mm。
[0015] 进一步，当所述中子毒物板由含硼铝合金中子毒物板、不锈钢支撑壁、不锈钢覆面构成时，所述侧平面相邻的所述贮存单元之间轴向错开的高度差为500mm，所述不锈钢板厚度为2mm，所述含硼铝合金中子毒物板厚度为2mm，所述贮存单元的正方形的所述横截面的内部边长为244mm，栅距为246mm，所述贮存内腔的正方形的所述横截面的内部边长为224mm，相邻的两个所述贮存内腔的所述径向错开距离是20mm；所述栅距是指在所述贮存单元的正方形的所述横截面的两条平行的边中，从一条边的内侧至另一条边的外侧的距离。
[0016] 进一步，当所述中子毒物板由含硼铝合金中子毒物板、不锈钢支撑壁、不锈钢覆面构成时，所述侧平面相邻的所述贮存单元之间轴向错开的高度差为300mm，所述不锈钢板厚度为2mm，所述含硼铝合金中子毒物板厚度为2.5mm，所述贮存单元的正方形的所述横截面的内部边长为243mm，栅距为245mm，所述贮存内腔的正方形的所述横截面的内部边长为224mm，相邻的两个所述贮存内腔的所述径向错开距离是19mm；所述栅距是指在所述贮存单元的正方形的所述横截面的两条平行的边中，从一条边的内侧至另一条边的外侧的距离。
[0017] 进一步，所述乏燃料组件是指初始富集度为4.45％、燃耗深度达到37000MWd/tU时的燃料组件。
[0018] 本发明的有益效果在于：
[0019] 1.通过各个贮存单元2内的乏燃料组件5的顶端和底端随贮存单元2的高度不同而在轴向上彼此错开，使得阵列中相邻的乏燃料组件5燃耗较浅，
反应性较大的末端(顶端和底端)彼此不相邻(即轴向错开布置)，减小相邻的乏燃料组件5之间的中子相互作用，从而降低贮存系统的反应性，从而在满足临界安全的要求的条件下，使相邻的贮存单元2之间的栅距减小，增加了贮存单元2的排列数量，或者将节省的尺寸用于增加贮存水池的水池壁与乏燃料组件贮存架之间的间距，从而有利于
地震工况下乏燃料组件贮存架的格架力学分析结果。
[0020] 2.阵列中相邻贮存单元2内的贮存内腔6在径向错开布置，使得相邻的乏燃料组件5的两两相对部分的面积减少，减小相邻的乏燃料组件5之间的中子相互作用，从而降低贮存系统的反应性，从而在满足临界安全的要求的条件下，使相邻的贮存单元2之间的栅距减小，增加了贮存单元2的排列数量，或者将节省的尺寸用于增加贮存水池的水池壁与乏燃料组件贮存架之间的间距，从而有利于地震工况下乏燃料组件贮存架的格架力学分析结果。
附图说明
[0021] 图1是采用本发明具体实施方式中所述的轴向错开布置、径向错开布置后的9×10布局的贮存单元2的示意图；
[0022] 图2是轴向错开布置的两个侧面相邻的贮存单元2的剖视图；
[0023] 图3是本发明具体实施方式中所述乏燃料组件贮存架的俯视图，阵列中横向上的贮存内腔6彼此交错排列；
[0024] 图4是本发明具体实施方式中所述乏燃料组件贮存架的俯视图，阵列中纵向上的贮存内腔6彼此交错排列；
[0025] 图5是本发明具体实施方式中，在中子毒物板4由硼钢中子毒物板8构成时、阵列中的贮存单元2不存在高度差的情况下的贮存单元2的示意图；
[0026] 图6是本发明具体实施方式中，在中子毒物板4由硼钢中子毒物板8构成时、阵列中的贮存单元2高度差为500mm的情况下的贮存单元2的示意图；
[0027] 图7是本发明具体实施方式中，在中子毒物板4由含硼铝合金中子毒物板9(厚度为2mm)、不锈钢支撑壁10、不锈钢覆面11构成时、阵列中的贮存单元2不存在高度差的情况下的贮存单元2的示意图；
[0028] 图8是本发明具体实施方式中中子毒物板4采用含硼铝合金中子毒物板9的方案，含硼铝合金中子毒物板9的不同厚度、贮存单元2轴向错开布置的不同的高度差造成的反应性的影响按照贮存单元2的栅距的变化的示意图；
[0029] 图中：1-贮存格架，2-贮存单元，3-不锈钢板，4-中子毒物板，5-乏燃料组件，6-贮存内腔，7-底座，8-硼钢中子毒物板，9-含硼铝合金中子毒物板，10-不锈钢支撑壁，11-不锈钢覆面。
具体实施方式
[0030] 下面结合附图和
实施例对本发明作进一步描述。
[0031] 由于乏燃料组件5的末端(顶端和底端)燃耗通常较浅，反应性较大，本发明的原理是通过将相邻的乏燃料组件5在轴向方向上的存放高度错开一定距离，使得乏燃料组件5的末端彼此不相邻(即轴向错开布置)，从而降低贮存系统的反应性，同时在乏燃料组件5的径向方向的排列也考虑为相邻乏燃料组件5非对齐的错开一定距离的排列(即径向错开布置)，充分利用贮存水池内有限的水隙和隔离的距离降低(存放乏燃料组件5的)贮存系统的反应性。
[0032] 如图1、图2、图3所示，本发明提供的一种乏燃料组件贮存架，用于在贮存水池内放置棒状的乏燃料组件5，包括若干贮存单元2(图中的贮存单元2的数量仅为示意)，贮存单元2的规格一致，由不锈钢板3构成，横截面为正方形。贮存单元2垂直设置在贮存格架1上、呈阵列排列。贮存单元2内部由中子毒物板4隔成贮存内腔6，乏燃料组件5垂直贮存在贮存内腔6内(也就是乏燃料组件5垂直于贮存单元2的顶面、底面)。阵列中的贮存单元2分别处于不同的两个高度，即存在高度差(如图2所示，通过在贮存单元2底部设置底座7来实现)。其中，侧平面相邻的贮存单元2彼此处于不同的两个高度上，侧棱柱相对的贮存单元2彼此处于同一高度(也就是以贮存单元2的横截面的对
角线相对、侧平面不相邻的贮存单元2处于同一个高度)；各个贮存单元2内的乏燃料组件5的顶端和底端随贮存单元2的高度不同而在乏燃料组件5的轴向上彼此错开(同一个贮存单元2内的乏燃料组件5的顶端和底端的高度一致)。
[0033] 每个贮存单元2设有两块中子毒物板4，中子毒物板4为矩形，高度与贮存单元2的内部高度一致，垂直于贮存单元2的底面，两块中子毒物板4相互垂直，并与贮存单元2的两个相邻侧平面垂直连接，共同构成一个长方体型的贮存内腔6，贮存内腔6的横截面为正方形，贮存内腔6的横截面积小于贮存单元2的横截面积；贮存单元2上的另外两个侧平面(不与中子毒物板4连接的两个侧平面)分别与两块中子毒物板4平行，并且互相平行的侧平面的不锈钢板3与中子毒物板4保持一定距离的间隔。
[0034] 在贮存单元2构成的阵列中，侧平面相邻的两个贮存单元2之间共用同一块不锈钢板3作为侧平面；任意两个侧平面相邻的贮存单元2内的两个贮存内腔6之间通过一块作为侧平面的不锈钢板3和一块中子毒物板4隔开。
[0035] 阵列中的贮存单元2的排列情况分为以下两种：
[0036] 第一种，如图3所示，在贮存单元2构成的阵列中，纵向上的贮存内腔6在贮存单元2中的位置上一致，各个贮存内腔6的横截面的中心点处于同一直线上；横向上的贮存内腔6在贮存单元2中的位置上彼此交错，各个贮存内腔6的横截面的中心点不处于同一直线上，从而使得横向上以侧平面相邻的两个贮存单元2中的相邻的两个贮存内腔6在乏燃料组件5的径向方向上彼此错开。(图3中的排列形式仅为示意，达到图3同样的排列效果、但贮存内腔6在贮存单元2中的位置不同的排列方案不再一一展示)。
[0037] 第二种，如图4所示，在贮存单元2构成的阵列中，横向上的贮存内腔6在贮存单元2中的位置上一致，各个贮存内腔6的横截面的中心点处于同一直线上；纵向上的贮存内腔6在贮存单元2中的位置上彼此交错，各个贮存内腔6的横截面的中心点不处于同一直线上，从而使得纵向上以侧平面相邻的两个贮存单元2中的相邻的两个贮存内腔6在乏燃料组件5的径向方向上彼此错开。(图4中的排列形式仅为示意，达到图4同样的排列效果、但贮存内腔6在贮存单元2中的位置不同的排列方案不再一一展示)。
[0038] 在贮存单元2构成的阵列中，当纵向上的贮存内腔6在贮存单元2中的位置上一致时，横向上相邻的两个贮存内腔6的横截面的中心点在纵向方向上的差距的绝对值为径向错开距离，径向错开距离为贮存单元2的横截面的内部边长与贮存内腔6的横截面的内部边长之差；
[0039] 在贮存单元2构成的阵列中，当横向上的贮存内腔6在贮存单元2中的位置上一致时，纵向上相邻的两个贮存内腔6的横截面的中心点在横向方向上的差距的绝对值为径向错开距离，径向错开距离为贮存单元2的横截面的内部边长与贮存内腔6的横截面的内部边长之差。
[0040] 中子毒物板4包括由硼钢中子毒物板8构成、由含硼铝合金中子毒物板9构成等不同的形式。
[0041] 图5所示，是在中子毒物板4由硼钢中子毒物板8构成时、阵列中的贮存单元2不存在高度差的情况下的贮存单元2的示意图(也就是不采取轴向错开布置，贮存单元2内的乏燃料组件5在轴向方向上没有差距，阵列中的各个贮存单元2内的乏燃料组件5的顶端都处于同样的高度、阵列中的各个贮存单元2内的乏燃料组件5的底端都处于同样的高度，在乏燃料组件5在径向方向上错开布置)，不锈钢板3厚度为2mm，硼钢中子毒物板8厚度为2.5mm，在这种情况下，贮存单元2的内尺寸为253.mm×253.mm即可满足贮存要求，此时贮存单元2的栅距为255mm；(栅距是指在贮存单元2的正方形的横截面的两条平行的边中，从一条边的内侧至另一条边的外侧的距离，在图5中即为253+2＝255mm)。
[0042] 当中子毒物板4由硼钢中子毒物板8构成时(见图6)，不锈钢板3厚度为2mm，硼钢中子毒物板8厚度为2.5mm，侧平面相邻的贮存单元2之间轴向错开的高度差为500mm(即轴向错开布置)，乏燃料组件5的径向错开距离为26mm(即径向错开布置)，贮存单元2的正方形的横截面的内部边长为250mm(即贮存单元2的内尺寸为250.mm×250.mm)，贮存内腔6的正方形的横截面的内部边长为224mm(即贮存内腔6的内尺寸为224.mm×224.mm)即可满足贮存要求，栅距为252mm(图6中，250+2＝252mm)，径向错开距离为250-224＝26mm。
[0043] 通过对图5和图6的比较可见，通过对贮存单元2的高度和乏燃料组件5的径向方向上的位置进行错开布置后(即轴向错开布置、径向错开布置)，可使相邻的贮存单元2之间的栅距减小3mm，至252mm。一般的，一个贮存格架1上的贮存单元2的排列为9×10或8×10等布置，因此可使一个贮存格架1的整体尺寸减小30mm，当8个贮存格架1并排时可以多排列一列贮存单元2，或者将节省的尺寸用于增加贮存水池的水池壁与乏燃料组件贮存架之间的间距，从而有利于地震工况下乏燃料组件贮存架的格架力学分析结果。
[0044] 中子毒物板4由含硼铝合金中子毒物板9构成的形式中，需要与不锈钢支撑壁10、不锈钢覆面11共同构成；不锈钢支撑壁10远离乏燃料组件5的一侧表面上设有内腔，含硼铝合金中子毒物板9的一侧表面附着在内腔上，另一侧表面覆盖不锈钢覆面11；内腔的厚度为2mm，不锈钢覆面11的厚度为0.8mm。按照含硼铝合金中子毒物板9的厚度不同，以及贮存单元2在轴向错开布置的高度差不同，分为以下两种情况：
[0045] 第一种情况，如图7所示，是在中子毒物板4由含硼铝合金中子毒物板9、不锈钢支撑壁10、不锈钢覆面11构成时，阵列中的贮存单元2不存在高度差的情况下的贮存单元2的示意图(贮存单元2内的乏燃料组件5在轴向方向上没有差距，阵列中的各个贮存单元2内的乏燃料组件5的顶端都处于同样的高度、阵列中的各个贮存单元2内的乏燃料组件5的底端都处于同样的高度，在乏燃料组件5在径向方向上错开布置)，不锈钢板3厚度为2mm，含硼铝合金中子毒物板9厚度为2mm，不锈钢支撑壁10的内腔的厚度为2mm，不锈钢覆面11的厚度为0.8mm，在这种情况下，贮存单元2的内尺寸为248.mm×248.mm即可满足贮存要求，此时贮存单元2的栅距为250mm；(栅距是指在贮存单元2的正方形的横截面的两条平行的边中，从一条边的内侧至另一条边的外侧的距离，在图7中即为248+2＝250mm)。
[0046] 对于第一种情况，阵列中的侧平面相邻的贮存单元2之间轴向错开的高度差为500mm(即轴向错开布置)时，乏燃料组件5的径向错开距离为20mm(即径向错开布置)，贮存单元2的正方形的横截面的内部边长为244mm(即贮存单元2的内尺寸为244.mm×244.mm)，贮存内腔6的正方形的横截面的内部边长为224mm(即贮存内腔6的内尺寸为224.mm×
224.mm)即可满足贮存要求，栅距为246mm(244+2＝246mm)，径向错开距离为244-224＝
20mm。
[0047] 第二种，当中子毒物板4由含硼铝合金中子毒物板9、不锈钢支撑壁10、不锈钢覆面11构成时，阵列中的贮存单元2不存在高度差的情况下的贮存单元2的示意图(贮存单元2内的乏燃料组件5在轴向方向上没有差距，阵列中的各个贮存单元2内的乏燃料组件5的顶端都处于同样的高度、阵列中的各个贮存单元2内的乏燃料组件5的底端都处于同样的高度，在乏燃料组件5在径向方向上错开布置)，不锈钢板3厚度为2mm，含硼铝合金中子毒物板9厚度为2.5mm，不锈钢支撑壁10的内腔的厚度为2mm，不锈钢覆面11的厚度为0.8mm，在这种情况下，贮存单元2的内尺寸为246.mm×246.mm即可满足贮存要求，此时贮存单元2的栅距为
248mm；(栅距是指在贮存单元2的正方形的横截面的两条平行的边中，从一条边的内侧至另一条边的外侧的距离，即为246+2＝248mm)。
[0048] 对于第二种情况，阵列中侧平面相邻的贮存单元2之间轴向错开的高度差为300mm(即轴向错开布置)时，乏燃料组件5的径向错开距离为19mm(即径向错开布置)，贮存单元2的正方形的横截面的内部边长为243mm(即贮存单元2的内尺寸为243.mm×243.mm)，贮存内腔6的正方形的横截面的内部边长为224mm(即贮存内腔6的内尺寸为224.mm×224.mm)即可满足贮存要求，栅距为245mm，径向错开距离为243-224＝19mm。
[0049] 本发明中提到的乏燃料组件5是指初始富集度为4.45％、燃耗深度达到37000MWd/tU时的乏燃料组件。本发明所提供的乏燃料组件贮存架的临界
安全分析考虑了正常工况和事故工况，事故工况包括池水
温度变化引起的
密度变化对反应性的影响、贮存单元内误插入一组新燃料组件、一组新燃料组件意外跌落在格架旁和格架上部、地震事故等。
[0050] 由以上内容可见，根据相邻两贮存单元2之间的高度差不同、所使用的中子毒物的种类和板厚不同，使用本发明的轴向错开布置和径向错开布置所取得的效果也不同。
[0051] 在中子毒物板4采用含硼铝合金中子毒物板9的方案中，将含硼铝合金中子毒物板9的不同厚度、贮存单元2轴向错开布置的不同高度差造成的反应性的影响按照贮存单元2的栅距的变化进行分析，得到的计算结果如图8所示，该图中的纵坐标为错开布置前后得到的衡量系统的临界度大小的有效增殖因子keff的差值。错开布置的高度差越大效果越好，且栅距较小时错层所减小的keff也越大，这主要是由于栅距小时相邻组件的中子相互作用更大。若含硼铝合金中子毒物板9厚度设计为2mm，则贮存单元的栅距为250mm时满足贮存的初始富集度4.45％燃耗深度37000MWd/tU乏燃料组件的需求，当使用轴向和径向错开布置后，轴向错开布置的高度差达到500mm时，可使相邻贮存单元2之间的栅距由250mm减小至
246mm；或者使用2.5mm厚的含硼铝合金中子毒物板9，贮存单元的栅距为248mm时可以满足临界安全的要求，若使用轴向和径向错开布置后，轴向错开布置的高度差达到300mmm时，可使相邻贮存单元之间的栅距减小3mm，至245mm。
[0052] 表1不同参数组合下的轴向错开布置可减小的栅距值
[0053]
[0054] 本发明所述的装置并不限于具体实施方式中所述的实施例，本领域技术人员根据本发明的技术方案得出其他的实施方式，同样属于本发明的技术创新范围。
