CN110827998A - 一种氧化铍慢化金属冷却反应堆小型化设计方法及反应堆 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种氧化铍慢化金属冷却反应堆小型化设计方法及反应堆，所述反应堆的堆芯由标准燃料组件、混合燃料组件、异形氧化铍组件构成，所述混合燃料组件和异形铍组件布置在堆芯最外圈，构成堆芯内反射层，所述标准燃料组件布置在堆芯内部，构成堆芯高功率密度区；所述标准燃料组件和混合燃料组件的燃料元件芯块为环形燃料芯块和氧化铍陶瓷小芯块构成的复合芯块，所述混合燃料组件和氧化铍组件的氧化铍棒元件芯块为氧化铍陶瓷大芯块。本发明解决了现有液态金属冷却小型反应堆设计中面临的燃料富集度高、临界质量大、堆芯几何尺寸无法有效减小等问题。

Description

一种氧化铍慢化金属冷却反应堆小型化设计方法及反应堆
技术领域
本发明涉及核反应堆技术领域，具体涉及一种氧化铍慢化金属冷却反应堆小型化设计方法及反应堆。
背景技术
液态金属冷却剂反应堆，例如钠冷快堆(SFR)、铅冷快堆(LFR)等，在核燃料嬗变与增殖方面的独特优势，成为了第IV代先进核能系统的主力堆型。由于液体金属冷却反应堆在功率密度、燃耗寿期方面具有独特优势，针对不同用途及不同应用场景，发展出了多种类型的小型液体金属冷却反应堆，如俄罗斯小型铅铋冷却SVBR-75/100、美国小型自然循环SSTAR纯铅冷却快堆等。由于液态金属反应堆采用强中子吸收体不锈钢作为包壳材料以满足较高的冷却剂温度及较强的腐蚀，而且液体金属的中子慢化能力非常弱，因而堆芯需要较高的燃料富集度，甚至需要达到90％以上，才能维持堆芯处于临界状态，远高于同等功率规模的轻水堆(小于20％)，导致小型液态金属冷却反应堆的经济性极差。若降低燃料富集度，则堆芯几何尺寸会比较大，严重影响了液态金属冷却反应堆的小型化及应用。氧化铍(BeO)是耐高温固体慢化剂，具有密度小、化学性质稳定等优点，常被用作反应堆慢化材料，可以提高反应堆的反应性，实现堆芯中子节省。因此，非常有必要探索基于氧化铍材料的金属冷却反应堆堆芯小型化设计方法，充分利用氧化铍材料的中子物理及化学特性，进一步缩小金属冷却反应堆堆芯几何尺寸并降低燃料富集度，提高反应堆设计性能。
发明内容
本发明的目的在于提供一种氧化铍慢化金属冷却反应堆小型化设计方法及反应堆，解决现有小型液态金属冷却反应堆设计中面临的燃料富集度高、临界质量大、堆芯几何尺寸无法有效减小等技术问题。
本发明通过下述技术方案实现：
一种氧化铍慢化金属冷却反应堆小型化设计方法，采用标准燃料组件、混合燃料组件、异形氧化铍组件构建堆芯，所述混合燃料组件和异形氧化铍组件布置在堆芯最外圈，构成堆芯内反射层，所述标准燃料组件布置在堆芯内部，构成堆芯高功率密度区；所述混合燃料组件内的燃料元件布置在靠近堆芯中心的一侧，所述混合燃料组件内的氧化铍元件布置在远离堆芯中心的一侧；整体式金属反射层构成堆芯外反射层，与堆芯内反射层相邻，整体式金属反射层内侧面与堆芯内反射层的外表面相互匹配。
本发明所述标准燃料组件和混合燃料组件的燃料元件芯块为环形燃料芯块嵌套氧化铍陶瓷小芯块构成的复合芯块，所述混合燃料组件和氧化铍组件的氧化铍棒元件芯块为氧化铍陶瓷大芯块。
本发明所述燃料元件的芯块沿径向分为内外两区，内区为氧化铍陶瓷小芯块，外区为环形燃料芯块，充分利用氧化铍耐高温及中子慢化能力强等固有特性，使易裂变核燃料获得充分中子慢化，显著提高堆芯反应性，减少燃料装载量，降低堆芯几何尺寸。所述燃料元件的包壳材料为不锈钢。
本发明所述氧化铍棒元件，与燃料元件具有相同的几何形状及尺寸，芯块为氧化铍陶瓷大芯块，包壳材料为不锈钢
进一步地，所述燃料元件由氧化铍陶瓷小芯块、环形燃料芯块、燃料元件包壳构成，环形燃料芯块嵌套氧化铍陶瓷小芯块构成复合芯块。
进一步地，氧化铍元件由氧化铍陶瓷大芯块、氧化铍元件包壳构成。
进一步地，标准燃料组件，由若干燃料元件、1个导向管及正六边形燃料组件盒构成，燃料元件按照正三角形栅格均匀排列布置在燃料组件盒内，导向管位于燃料组件盒的中心区域，占用若干栅格位置，燃料组件盒用于控制标准燃料组件的形状，并构成闭式冷却剂通道；导向管内可插入控制棒、可燃毒物棒或测量仪器。
进一步地，混合燃料元件，由若干燃料元件、氧化铍元件、1个导向管及正六边形燃料组件盒构成，燃料元件和氧化铍元件按照正三角形栅格均匀排列布置在燃料组件盒内；导向管位于燃料组件盒的中心区域，占用若干栅格位置，燃料组件盒用于控制标准燃料组件的形状，并构成闭式冷却剂通道；导向管内仅插入测量仪器；燃料元件与氧化铍元件数量之比约为1:1。
混合燃料组件与标准燃料组件，具有相同的外形几何尺寸，相同的棒元件数量及布置方式，相同几何尺寸的导向管。
进一步地，异形氧化铍组件由若干氧化铍元件、异形氧化铍组件盒构成，若干氧化铍元件按照正三角形栅格排列布置在异形氧化铍组件盒内，异形氧化铍组件的外形与相邻的混合燃料组件相匹配。
本发明所述异形氧化铍组件，由若干氧化铍棒元件构成，按照正三角形栅格排列，构成等腰梯形，外形与相邻混合燃料组件形状相互匹配。
本发明中，为了减少中子泄漏，提高中子反射能力，增大堆芯反应性并减小堆芯的几何尺寸，设置了内反射层和外反射层；内反射层由混合燃料组件和异形氧化铍组件构成，布置在堆芯最外圈，不仅分担了堆芯功率份额，还为堆芯提供中子慢化能力和反射能力；外反射层为整体式金属反射层，内侧与混合燃料组件和异形氧化铍组件的外形相匹配，用以增加堆芯的快中子反射能力，进一步降低中子泄漏，提高核燃料利用率，从而进一步降低堆芯几何尺寸，使堆芯几何尺寸更小。
进一步地，反应堆的堆芯由91个正六边形标准燃料组件、30个正六边形混合燃料组件、6个异形氧化铍组件及整体式金属反射层构成；整体式金属反射层位于堆芯最外围，作为外反射层，承担堆芯的快中子屏蔽及反射功能，外部为圆形，内部为不规则多边形，与内侧相邻组件外形相互匹配，使堆芯几何尺寸最小化；30个混合燃料组件与6个异形氧化铍组件，构成堆芯内反射层，为堆芯提供中子慢化及各种能量中子反射能力，与外反射层在减少中子泄漏能力方面相互配合；91个正六边形标准燃料组件均匀分布在堆芯内部，为堆芯高功率区域。
进一步地，相邻两个燃料组件的中心距为102mm。
进一步地，燃料元件、氧化铍元件外径均为8.0mm，厚度为0.6mm。环形燃料芯块的外径为6.0mm，内径为4.0mm，氧化铍陶瓷小芯块外径为3.6mm。用于氧化铍元件的氧化铍陶瓷大芯块外径为6.0mm。
进一步地，标准燃料组件共包含84根外径为8.0mm的燃料棒元件，相邻燃料棒的中心距为10.0mm；导向管占用7个燃料棒位置，外径为22.0mm，壁厚为2.0mm。燃料组件盒为正六边形结构，对边距为99.0mm，厚度为1.2mm，材料为不锈钢。
进一步地，混合燃料组件共包含40根燃料元件、44根氧化铍元件和1个导向管，燃料元件、氧化铍元件分别集中布置，朝向堆芯中心方向为燃料元件区，朝向堆芯外部方向为氧化铍元件区，燃料元件、氧化铍元件的布置方式及几何参数，与标准燃料组件相同。
进一步地，异形氧化铍组件共包含40根氧化铍元件，无导向管，组件盒为等腰梯形，为标准燃料组件或混合燃料组件的1/2面积。
上述堆芯设计方法充分利用氧化铍材料的固有特性，在保证堆芯功率、燃耗寿命等条件下，显著减小堆芯几何尺寸，实现了堆芯小型化。
本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
1、本发明所述基于氧化铍慢化的金属冷却反应堆小型化设计方法，采用了环形燃料芯块嵌套氧化铍陶瓷小芯块构成的复合燃料芯块，充分利用氧化铍耐高温及中子慢化能力强等固有特性，使易裂变核燃料获得充分中子慢化，显著提高堆芯反应性，减少燃料装载量，降低堆芯几何尺寸及燃料富集度。
2、本发明所述基于氧化铍慢化的金属冷却反应堆小型化设计方法，采用了由燃料元件和氧化铍元件构成的混合燃料组件、异形氧化铍组件，形成堆芯内反射层，再与整体式金属反射层构成的堆芯外反射层相互配合，大幅度增加了堆芯中子反射能力，减少了不同能力中子的泄漏，提高了核燃料利用率，为堆芯提供了更大的中子慢化能力，从而可以增大堆芯的反应性，减少堆芯核燃料装载量，并减少堆芯几何尺寸。
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为堆芯燃料组件布置示意图；
图2为燃料元件径向示意图；
图3为标准燃料组件示意图；
图4为氧化铍元件示意图；
图5为混合燃料组件示意图；
图6为异形氧化铍组件示意图。
附图中标记及对应的零部件名称：
1-标准燃料组件，2-混合燃料组件，3-异形氧化铍组件，4-整体式金属反射层，5-环形燃料芯块，6-氧化铍陶瓷小芯块，7-燃料元件包壳，8-燃料元件，9-燃料组件盒，10-导向管，11-氧化铍陶瓷大芯块，12-氧化铍元件包壳，13-氧化铍元件，14-异形氧化铍组件盒。
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：
如图1至图6所示，一种氧化铍慢化金属冷却反应堆小型化设计方法，采用标准燃料组件1、混合燃料组件2、异形氧化铍组件3构建堆芯，具体地，反应堆堆芯由91个正六边形的标准燃料组件1、30个正六边形的混合燃料组件2、6个异形氧化铍组件3及整体式金属反射层4构成；整体式金属反射层4位于堆芯最外围，作为堆芯的外反射层，承担堆芯的快中子屏蔽及反射功能，外部为圆形，内部为不规则多边形，与内侧相邻组件外形相互匹配，使堆芯几何尺寸最小化；30个混合燃料组件2与6个异形氧化铍组件3，构成堆芯的内反射层，为堆芯提供中子慢化及各种能量中子反射能力，与外反射层在减少中子泄漏能力方面相互配合；91个正六边形的标准燃料组件1均匀分布在堆芯内部，为堆芯高功率区域。相邻标准燃料组件1的中心距为102mm。燃料元件8、氧化铍元件13的外径均为8.0mm，燃料元件包壳7厚度均为0.6mm。环形燃料芯块5的外径为6.0mm，内径为4.0mm，氧化铍陶瓷小芯块6的外径为3.6mm。用于氧化铍元件13的氧化铍陶瓷大芯块12外径为6.0mm，所述混合燃料组件2内的燃料元件8布置在靠近堆芯中心的一侧，述混合燃料组件2内的氧化铍元件13布置在远离堆芯中心的一侧，即燃料元件8区朝堆芯中心方向，氧化铍元件13区朝堆芯外方向。标准燃料组件1共包含84根外径为8.0mm的燃料棒元件8，相邻燃料元件的中心距为10.0mm；导向管10占用7个燃料棒位置，外径为22.0mm，壁厚为2.0mm。燃料组件盒9为正六边形结构，对边距为99.0mm，厚度为1.2mm。混合燃料组件2共包含40根燃料元件8、44根氧化铍元件13和1个导向管10，燃料元件8、氧化铍元件13分别集中布置，朝堆芯中心方向为燃料元件区，朝堆芯外部方向为氧化铍元件区，燃料元件8、氧化铍元件13的布置方式及几何参数，与标准燃料组件1相同。异形氧化铍组件3共包含40根氧化铍元件13，无导向管8，异形氧化铍组件盒14为等腰梯形，为标准燃料组件1或混合燃料组件2的1/2面积。所述环形燃料芯块5为高富集度二氧化铀陶瓷燃料，235U富集度小于40％，或为铀钚混合氧化物燃料，239Pu的质量含量小于40％。所述的燃料元件包壳7、燃料组件盒9、导向管10、氧化铍元件包壳12、异形氧化铍组件盒14等材料均为不锈钢。
所述堆芯热功率为200MW，冷却剂出入口温度分别为360℃/500℃，采用富集度为40.0％的高富集度二氧化铀燃料，体功率密度为225MW/m3，线功率密度为18.2kW/m，燃耗寿期为1000等效满功率天，堆芯活性区高度仅为0.8m，径向最大外接圆直径仅为1.25m。堆芯主要设计参数见表1。
表1堆芯主参数
Figure BDA0002283246450000051
Figure BDA0002283246450000061
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。

Claims (8)

1.一种氧化铍慢化金属冷却反应堆小型化设计方法，其特征在于，采用标准燃料组件(1)、混合燃料组件(2)、异形氧化铍组件(3)构建堆芯，所述混合燃料组件(2)和异形氧化铍组件(3)布置在堆芯最外圈，构成堆芯内反射层，所述标准燃料组件(1)布置在堆芯内部，构成堆芯高功率密度区；所述混合燃料组件(2)内的燃料元件(8)布置在靠近堆芯中心的一侧，所述混合燃料组件(2)内的氧化铍元件(13)布置在远离堆芯中心的一侧；整体式金属反射层(4)构成堆芯外反射层，与堆芯内反射层相邻，整体式金属反射层(4)内侧面与堆芯内反射层的外表面相互匹配。
2.根据权利要求1所述的一种氧化铍慢化金属冷却反应堆小型化设计方法，其特征在于，所述燃料元件(8)由氧化铍陶瓷小芯块(6)、环形燃料芯块(5)、燃料元件包壳(7)构成，环形燃料芯块(5)嵌套氧化铍陶瓷小芯块(6)构成复合芯块。
3.根据权利要求1所述的一种氧化铍慢化金属冷却反应堆小型化设计方法，其特征在于，所述氧化铍元件(13)由氧化铍陶瓷大芯块(11)、氧化铍元件包壳(12)构成。
4.根据权利要求1所述的一种氧化铍慢化金属冷却反应堆小型化设计方法，其特征在于，所述标准燃料组件(1)由燃料元件(8)、导向管(10)、燃料组件盒(9)构成，若干燃料元件(8)按正三角形栅格布置在燃料组件盒(9)内，导向管(10)位于燃料组件盒(9)的中心区域。
5.根据权利要求1所述的一种氧化铍慢化金属冷却反应堆小型化设计方法，其特征在于，所述混合燃料组件(2)由燃料元件(8)、导向管(10)、氧化铍元件(13)和燃料组件盒(9)构成，燃料元件(8)和氧化铍元件(13)按照正三角形栅格排列布置在燃料组件盒(9)内；导向管(10)位于燃料组件盒(9)的中心区域；燃料元件(8)与氧化铍元件(13)数量之比约为1:1。
6.根据权利要求1所述的一种氧化铍慢化金属冷却反应堆小型化设计方法，其特征在于，所述异形氧化铍组件(3)由若干氧化铍元件(13)、异形氧化铍组件盒(14)构成，若干氧化铍元件(13)按照正三角形栅格排列布置在异形氧化铍组件盒(14)内，异形氧化铍组件(3)的外形与相邻的混合燃料组件(2)相匹配。
7.根据权利要求1-6任一项所述的一种氧化铍慢化金属冷却反应堆小型化设计方法，其特征在于，所述准燃料组件(1)和混合燃料组件(2)均为正六边形，所述异形氧化铍组件(3)为等腰梯形。
8.一种采用权利要求1-7任一项所述的一种氧化铍慢化金属冷却反应堆小型化设计方法设计的反应堆，其特征在于，所述反应堆的堆芯由91个准燃料组件(1)、30个混合燃料组件(2)、6个异形氧化铍组件(3)及整体式金属反射层(4)构成。
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