CN110853774A - 一种氢化锆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

本发明公开了一种氢化锆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燃料组件、控制棒组件及异形整体式氢化锆反射层构成，所述燃料组件与控制棒组件均匀交叉布置，具有相同的外形尺寸，所述的整体式氢化锆反射层，设置有冷却孔道，布置在堆芯最外围，外侧为圆形，内侧与相邻燃料组件外形相互匹配；所述正六边形燃料组件中心仪表管内设置了圆柱状氢化锆，控制棒组件外盒及内管之间设置了环形氢化锆。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

一种氢化锆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，具体涉及一种氢化锆慢化金属冷却反应堆小型化设计方法及反应堆。
背景技术
液态金属冷却反应堆(如铅基快堆等)具有长换料周期、高固有安全性，可在常压下运行以及良好的核废料嬗变增殖潜力，成为了第IV代先进核能系统的主力堆型。金属冷却反应堆具有非常广泛的用途，尤其是在小型核动力系统、核电源系统领域，存在强烈需求。为此发展出了多种小型金属冷却反应堆概念，如美国模块式钠冷快堆SMFR和小型自然循环铅冷快堆SSTAR、俄罗斯小型铅铋快堆SVBR-75/100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。氢化锆(ZrHx)是具有较强的中子慢化能力，常被用作反应堆中子慢化或反射层材料，可以提高反应堆的反应性，实现堆芯中子节省，但氢化锆不耐高温。因此，非常有必要探索基于氢化锆材料的金属冷却反应堆堆芯小型化设计方法，充分利用氢化锆材料的中子物理，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氢化锆慢化金属冷却反应堆小型化设计方法及反应堆，降低燃料富集度并减小堆芯几何尺寸，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：
一种氢化锆慢化金属冷却反应堆小型化设计方法，采用设置有圆柱状氢化锆的燃料组件、设置有环状氢化锆的控制棒组件构建堆芯，设置有冷却孔道的异形整体式金属反射层布置在堆芯的最外围，异形整体式金属反射层的内侧面与燃料组件的外表面相互匹配，所述燃料组件和控制棒组件交错布置。
本发明通过采用设置有圆柱状氢化锆的燃料组件、设置有环状氢化锆的控制棒组件构建堆芯，降低燃料富集度并减小堆芯几何尺寸，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。
本发明所述燃料组件，由若干燃料棒、导向管、组件盒、圆柱状氢化锆构成，所述的燃料棒按照正三角形栅格排列，并与所述的燃料组件盒构成正六边形燃料组件；所述的导向管布置在燃料组件中心位置，占用若干燃料棒栅格位置，具有较强的隔热能力；所述的圆柱状氢化锆，布置在导向管内，可以为燃料组件提高较强的中子慢化能力，增大堆芯反应性，从而减少堆芯核燃料的装载量或降低核燃料富集度，减小堆芯的几何尺寸。此外，导向管内的冷却剂能够有效冷却圆柱状氢化锆，使其温度冷却剂堆芯入口温度，延长了使用寿命。
本发明所述控制棒组件，由外盒、内管、环状氢化锆构成，所述的控制棒组件外盒为正六边形，内管为圆形，所述的环形氢化锆布置在外盒与内管之间，内管为控制棒通道；所述控制棒组件布置形式，不仅可以为堆芯提高较强的中子慢化能力，增大反应性，减少核燃料装载量或降低富集度，还可以缩小堆芯几何尺寸，同时还能够有效提高控制棒的反应性控制能力，延长堆芯燃耗寿期，增加堆芯平均卸料燃耗深度。
本发明所述的异形整体式氢化锆反射层，外侧为圆柱形，内侧为复杂几何结构，与所述的燃料组件外形较好地匹配，为了降低氢化锆反射层的温度，延长其使用寿命，设置了若干不同尺寸的冷却孔道，沿径向均匀分布。所述异形整体式氢化锆反射层，不仅为堆芯提供的较强的中子慢化能力、中子反射能力，还有效减少了中子泄漏，增强了中子节省，显著提高堆芯的反应性及核燃料的利用率，从而减小堆芯的几何尺寸，满足堆芯小型化要求。
进一步地，每个组件均包括108根燃料棒，所述燃料棒的外径为8.0mm，相邻燃料棒的中心距为10.0mm；所述燃料棒芯块为富集二氧化铀或铀钚混合氧化物陶瓷燃料。
进一步地，每个燃料组件导向管占用19个燃料棒栅格位置，导向管面积约为燃料组件面积的15％，便于构建大尺寸、具有较强隔热能力、能够有效冷却所述圆柱状氢化锆的导向管。
进一步地，所述控制棒组件的外形几何尺寸与燃料组件完全相同，其内管面积约为控制棒组件面积的50％，综合考虑中子能力与控制棒中子吸收能力。
上述设计方法可以显著提高液态金属冷却反应堆的反应性、核燃料利用率及装载量，从而有效减小堆芯几何尺寸。
一种采用上述小型化设计方法设计的反应堆，所述反应堆的堆芯包含73盒燃料组件、18盒控制棒组件，燃料组件与控制棒组件具有相同的外形尺寸，最外围整体式氢化锆反射层的平均厚度为150mm；所述燃料组件和控制棒组件均为正六边形。
本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
本发明所述反应堆采用具有相同几何外形的燃料组件、控制棒组件，二者在堆芯内部均匀交叉布置。所述燃料组件中心点处设置占用若干燃料棒栅格位置的大尺寸导向管，并布置圆柱状氢化锆，可以为燃料组件提高较强的中子慢化能力，增大堆芯反应性，减少堆芯核燃料的装载量或降低核燃料富集度，减小堆芯的几何尺寸；所述的控制棒组件，在其外盒及内管之间设置了环形氢化锆，不仅提高了控制棒的反应性控制能力，还进一步增强了堆芯中子慢化能力，为进一步减少核燃料装载量及堆芯尺寸奠定了基础；所述的异形整体式氢化锆反射层，不仅强化了堆芯的中子慢化能力、中子反射能力，还有效减少了中子泄漏，显著提高堆芯的反应性及核燃料的利用率，能够较好地满足了小型化要求。
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为堆芯燃料组件类型及布置示意图；
图2为六边形燃料组件示意图；
图3为六边形控制棒组件示意图。
附图中标记及对应的零部件名称：
1-燃料组件，2-控制棒组件，3-异形整体式氢化锆反射层，4-冷却孔道，5-燃料棒，6-圆柱状氢化锆，7-导向管，8-燃料组件盒，9-环状氢化锆，10-控制棒组件外盒，11-控制棒组件内管，12-控制棒。
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3所示，一种氢化锆慢化金属冷却反应堆小型化设计方法及反应堆，堆芯由燃料组件1和控制棒组件2构成，二者在堆芯内部均匀交叉布置；堆芯最外围布置异形整体式氢化锆反射层3，其内侧与燃料组件1的形状相互匹配。所述燃料组件1的108根燃料棒5，按照正三角形栅格均匀排列，所述燃料棒5的芯块为富集二氧化铀或铀钚混合氧化物陶瓷燃料，直径为6.5mm，所述燃料棒5的包壳厚度为0.6mm，材料为不锈钢；所述燃料组件1的外方内圆的导向管7，占用19根燃料棒5栅格位置，外对边距为42.0mm，内径为35.0mm，导向管7内的圆柱形氢化锆直径为33.0mm；所述燃料组件1的燃料组件盒8，外对边距为118.0mm，厚度为2.0mm，材料为不锈钢，用以维持燃料组件形状并构成闭式冷却剂通道。所述控制棒组件2外对边距为118.0mm，控制棒组件外盒10的厚度为2.0mm，控制棒组件内管11的厚度为2.0mm，内径为40.0mm，控制棒12的直径为36.0mm。所述异形整体式氢化锆反射层3的外径为1500mm，平均厚度为150mm。
所述反应堆的堆芯由73盒正六边形的燃料组件1、12盒正六边形的控制棒组件2构成，相邻组件的中心距为120mm。所述堆芯热功率为200MW，冷却剂出入口温度为360℃/500℃，采用富集度为30.0％的UO2燃料，体功率密度为137MW/m3，线功率密度为16.5kW/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1.23m。堆芯主要设计参数见表1。
表1堆芯主要设计参数
Figure BDA0002283243910000041
Figure BDA0002283243910000051
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 (5)

1.一种氢化锆慢化金属冷却反应堆小型化设计方法，其特征在于，采用设置有圆柱状氢化锆(6)的燃料组件(1)、设置有环状氢化锆(9)的控制棒组件(2)构建堆芯，设置有冷却孔道(4)的异形整体式金属反射层(3)布置在堆芯的最外围，异形整体式金属反射层(3)的内侧面与燃料组件(1)的外表面相互匹配，所述燃料组件(1)和控制棒组件(2)交错布置。
2.根据权利要求1所述的一种氢化锆慢化金属冷却反应堆小型化设计方法，其特征在于，所述燃料组件(1)由若干燃料棒(5)、导向管(7)、燃料组件盒(8)、圆柱状氢化锆(6)构成，所述导向管(7)布置在燃料组件(1)的中心位置，所述的燃料棒(5)按照正三角形栅格均匀排列在导向管(7)外围，所述导向管(7)内插入圆柱状氢化锆(6)。
3.根据权利要求1所述的一种氢化锆慢化金属冷却反应堆小型化设计方法，其特征在于，所述控制棒组件(2)由控制棒组件外盒(10)、控制棒组件内管(11)、环状氢化锆(9)构成，所述控制棒组件外盒(10)为正六边形，控制棒组件内管(11)为圆形，所述环状氢化锆(9)布置在控制棒组件外盒(10)与控制棒组件内管(11)之间，控制棒组件内管(11)为控制棒(12)的通道。
4.一种采用权利要求1-3任一项所述一种氢化锆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，所述反应堆的堆芯包含73盒燃料组件(1)、18盒控制棒组件(2)，燃料组件(1)与控制棒组件(2)具有相同的外形尺寸。
5.根据权利要求4所述的反应堆，其特征在于，所述燃料组件(1)和控制棒组件(2)均为正六边形。
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