CN110867261B - 多类型芯块混合装载金属冷却反应堆及管理方法 - Google Patents

多类型芯块混合装载金属冷却反应堆及管理方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了多类型芯块混合装载金属冷却反应堆及管理方法，所述反应堆的堆芯外围布置慢化型组件、次外围布置增殖型燃料组件，堆芯内部区域布置功率型燃料组件，所述慢化型组件由若干慢化型元件构成，所述慢化型元件包括包壳，包壳内设置氢化锆金属块；所述增殖型燃料组件由若干增殖型燃料元件构成，所述增殖型燃料元件包括包壳，包壳内两端布置氧化铍陶瓷芯块，中间布置天然二氧化铀燃料芯块；所述功率型燃料组件由若干功率型燃料元件构成，所述功率型燃料元件包括包壳，包壳内两端布置氧化铍陶瓷芯块，中间布置钚铀混合氧化物燃料芯块。本发明解决了现有金属冷却反应堆燃料装载量大、利用率低等问题。

Description

多类型芯块混合装载金属冷却反应堆及管理方法
技术领域
本发明涉及核反应堆技术领域，具体涉及多类型芯块混合装载金属冷却反应堆及管理方法。
背景技术
各种类型的快中子能谱液态金属冷却反应堆，在核燃料嬗变及增殖方面具有良好的发展潜力，也是国际第IV代先进核能系统的主力堆型。目前，世界各国已发展出了大量液态金属冷却快中子反应堆设计方案，部分已进入工程验证阶段，例如：美国钠冷快堆SMFR及PRISM、日本钠冷快堆JSFR、俄罗斯钠冷快堆BN600、中国钠冷快堆CFR600、俄罗斯铅铋快堆SVBR-75/100等。液态金属冷却快中子能谱反应堆系统运行压力略高于常压，燃料为铀钚混合氧化物燃料(MOX)。由于液态金属反应堆采用强中子吸收不锈钢作为包壳材料、快中子能谱，导致堆芯燃料需要较高239Pu富集度及较大装载量，才能维持反应堆运行，远高于同等功率密度的轻水堆，严重影响了液态金属冷却反应堆增殖能力提升。因此，非常有必要探索更优的液态金属冷却反应堆设计，提高燃料利用率，降低高富集燃料的装载量，增强液态金属冷却反应堆的燃料经济性及竞争优势。
发明内容
本发明的目的在于提供多类型芯块混合装载金属冷却反应堆，解决现有液态金属冷却反应堆堆芯铀钚混合氧化物(MOX)燃料装载量大、利用率偏低等关键问题，提高液态金属冷却反应堆的燃料经济性。
本发明通过下述技术方案实现：
多类型芯块混合装载金属冷却反应堆，所述反应堆的堆芯外围布置慢化型组件、次外围布置增殖型燃料组件，堆芯内部区域布置功率型燃料组件，所述慢化型组件由若干慢化型元件按照正三角形栅格排列构成，所述慢化型元件包括包壳，所述慢化型元件的包壳内全部设置为氢化锆金属块，实现最大装载量，减少径向快中子泄漏；所述增殖型燃料组件由若干增殖型燃料元件按照正三角形栅格排列构成，所述增殖型燃料元件包括包壳，所述增殖型燃料元件的包壳内两端布置氧化铍陶瓷芯块，中间布置天然二氧化铀燃料芯块，减少轴向中子泄漏量并提高天然二氧化铀燃料的中子俘获能力；所述功率型燃料组件由若干功率型燃料元件按照正三角形栅格排列构成，所述功率型燃料元件包括包壳，所述功率型燃料元件的包壳内两端布置氧化铍陶瓷芯块，减少轴向中子泄漏，中间布置铀钚混合氧化物燃料芯块或富集二氧化铀燃料芯块，提高燃料的平均燃耗深度。
本发明所述慢化型组件，无导向管，布置在堆芯最外围，作为反应堆的慢化及发射层材料，以氢化锆材料的辐照限值为依据进行更换，充分利用氢化锆的慢化能力；所述增殖型燃料组件无导向管，布置在堆芯次外围，作为反应堆的增殖区及反应堆低功率密度区，以天然铀燃料的燃耗限值为依据进行倒换料，实现燃料增殖最大化；所述功率型燃料组件布置在堆芯内部，作为反应堆高功率密度区，以铀钚混合氧化物(MOX)燃料的燃耗限值为依据进行倒换料。
本发明所述反应堆共采用了具有较强慢化能力的氢化锆金属块、耐高温且具有较好慢化能力的氧化铍陶瓷块、用于增殖的天然二氧化铀陶瓷芯块、富集二氧化铀或钚铀混合氧化物陶瓷芯块等，构建了不同功能类型的燃料元件及燃料组件，形成了独特的液态金属冷却反应堆堆芯装载方案，充分利用了液态金属冷却反应堆的固有中子学特性，显著提高了液态金属冷却反应堆的平均卸料燃耗、燃料利用率及转换比，增强了液态金属冷却反应堆的竞争力。
进一步地，增殖型燃料元件两端的氧化铍陶瓷芯块数量相同；所述功率型燃料元件上端的氧化铍陶瓷芯块数量大于下端的氧化铍陶瓷芯块数量，以增加堆芯上部功率份额，使轴向功率分布更加平坦。
进一步地，慢化型元件的外径为9.0mm，相邻慢化型元件的棒间距为1.0mm。
进一步地，增殖型燃料元件外径为9.0mm，相邻增殖型燃料元件的棒间距为1.0mm。
进一步地，功率型燃料元件外径为8.0mm，相邻功率型燃料元件的棒间距为2.0mm。
本发明的慢化型元件、增殖型燃料元件由于功率密度非常小，故采用较大的棒径及较小的棒间距，功率型燃料组件由于功率密度非常高，故采用较小的棒径及较大的棒间距，以降低燃料中心温度，保证高功率燃料元件的安全性。
进一步地，功率型燃料元件的中心区域布置有导向管，所述导向管内布置有控制棒，结构简单且反应性控制能力强。
所述导向管布置在中心区，占用若干栅格位置，为外六边内圆形；所述控制棒由若干棒状中子吸收体构成，在相同几何尺寸条件下，可以获得更大的反应性控制能力。
进一步地，反应堆堆芯由253盒正六边形组件构成，最外圈布置慢化型组件，以提高堆芯的中子反射及慢化能力，减少快中子泄漏，共54盒组件；次外圈布置增殖型燃料组件，与慢化型组件相邻，充分吸收慢化型组件形成的热中子，共72盒；堆芯内部为功率型组件，形成高功率密度、高燃耗区域，共127盒。
进一步地，慢化型组件、增殖型燃料组件和功率型燃料组件的外形尺寸相同，便于堆芯进行倒换料及堆内结构设计制造。
进一步地，堆芯的外围设置整体式金属反射层，所述整体式金属反射层用于维持整个堆芯的形状，并强化堆芯中子反射能力，提高反应堆燃料经济性。
一种多类型芯块混合装载金属冷却反应堆的管理方法，包括以下步骤：
1)、慢化型组件布置在堆芯的外围，达到辐照限值或使用年限后，卸出堆芯并装入新的慢化型组件；
2)、增殖型燃料组件布置在堆芯的次外围，达到特定燃耗深度后，卸出堆芯，没有达到特定燃耗深度的增殖型燃料组件，则向与功率型燃料组件相邻的位置进行倒换料；
3)、功率型燃料组件布置在堆芯的中心区域，经历若干燃料循环达到燃耗限值后，从堆芯卸出，没有达到燃耗限值的功率型燃料组件向堆芯中心转移，新的功率型燃料组件布置在旧的功率型燃料组件的外围。
慢化型组件布置在堆芯最外围，用以提高堆芯反应性，采用与增殖型燃料组件和功率型燃料组件相同的几何参数，大幅提高堆芯装载方案的设计灵活性。增殖型燃料组件处于功率型燃料组件及慢化型组件的中间位置，既能提高堆芯的燃料转换比，又能降低堆芯的中子泄漏。上述管理方法能够充分利用各个燃料组件。
本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
1、本发明所述反应堆共采用了具有较强慢化能力的氢化锆金属块、耐高温且具有较好慢化能力的氧化铍陶瓷块、用于增殖的天然二氧化铀陶瓷芯块、富集二氧化铀或钚铀混合氧化物陶瓷芯块等，构建了不同功能类型的燃料元件及燃料组件，形成了独特的液态金属冷却反应堆堆芯装载方案，充分利用了液态金属冷却反应堆的固有中子学特性，显著提高了液态金属冷却反应堆的平均卸料燃耗、燃料利用率及转换比，增强了液态金属冷却反应堆的竞争力。
2、本发明的慢化型元件、增殖型燃料元件采用了较大的棒径及较小的棒间距，而功率型燃料组件采用了较小的棒径及较大的棒间距，提高了慢化材料和增殖型燃料的装载量并降低了冷却剂流量，同时提高了功率型燃料的冷却剂流量并保证燃料元件安全，进而有效利用了冷却剂，进一步降低堆芯装载量和提高转换比。
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为功率型元件示意图；
图2为慢化型元件示意图；
图3为增殖型元件示意图；
图4为慢化型组件示意图；
图5为增殖型燃料组件示意；
图6为功率型燃料组件示意图；
图7为堆芯装载方案示意图。
附图中标记及对应的零部件名称：
1-钚铀混合氧化物燃料芯块，2-氧化铍陶瓷芯块，3-包壳，4-氢化锆金属块，5-天然二氧化铀燃料芯块，6-慢化型元件，7-增殖型燃料元件，8-功率型燃料元件，9-导向管，10-控制棒，11-慢化型组件，12-增殖型燃料组件，13-功率型燃料组件。
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7所示，多类型芯块混合装载金属冷却反应堆，所述反应堆的堆芯外围布置慢化型组件11、次外围布置增殖型燃料组件12，堆芯内部区域布置功率型燃料组件13，所述慢化型组件11由若干慢化型元件6按照正三角形栅格排列构成，所述慢化型元件6包括包壳3，所述慢化型元件6的包壳3内设置氢化锆金属块4，慢化型元件6的棒径为9.0mm，包壳为不锈钢，厚度为0.65mm，芯块直径为7.5mm，该型元件全部装载氢化锆金属块4，总高度为1000mm；所述增殖型燃料组件12由若干增殖型燃料元件7按照正三角形栅格排列构成，所述增殖型燃料元件7包括包壳3，所述增殖型燃料元件7的包壳3内两端布置氧化铍陶瓷芯块2，中间布置天然二氧化铀燃料芯块5，增殖型燃料元件7的棒径为9.0mm，包壳材料为不锈钢，厚度为0.65mm，芯块直径为7.5mm，该型元件上端氧化铍陶瓷芯块2高度为150mm，中间天然二氧化铀燃料芯块5高度为700mm，下端氧化铍陶瓷芯块2高度为150mm；所述功率型燃料组件13由若干功率型燃料元件8按照正三角形栅格排列构成，所述功率型燃料元件8包括包壳3，所述功率型燃料元件8的包壳3内两端布置氧化铍陶瓷芯块2，中间布置钚铀混合氧化物燃料芯块1，该型元件上部氧化铍陶瓷芯块2的高度为150mm，中间钚铀混合氧化物燃料芯块1的高度为800mm，下端氧化铍陶瓷芯块2的高度为50mm，功率型燃料元件8的棒径为8.0mm，包壳材料为不锈钢，厚度为0.65mm，芯块直径为6.5mm，35Pu富集度约为16.0％。
其中，慢化型组件11共包含217根外径为9.0mm的慢化型元件6，棒间距为1.0mm，按照正三角形栅格排列，构成正六边形组件，对边距为148.6mm.
其中，增殖型燃料组件12共包含217根外径为9.0mm的增殖型燃料元件7，棒间距为1.0mm，按照正三角形栅格排列，构成正六边形组件，对边距为148.6mm。
其中，功率型燃料组件13共包含198根外径为8.0mm的功率型燃料元件8，棒间距为2.0mm，按照正三角形栅格排列，构成正六边形组件，燃料组件对边距为148.6mm，与慢化型组件11、增殖型燃料组件12的几何尺寸相同。位于功率型燃料组件13中心区的导向管9，占用了19个栅格位置，为“外六边内圆”形状，导向管9的对边距为44.5mm，内径为40.0mm。导向管9内设置控制棒10，控制棒10由7根外径为10.0mm的中子吸收体构成
如图7所示，金属冷却反应堆堆芯布置方案，共布置253盒正六边形组件，相邻组件中心距为150mm，其中：54盒慢化型组件11，布置在堆芯的最外围区域，承担中子慢化及反射层作用；72盒增殖型燃料组件12，布置在堆芯的次外围区域，承担了燃料增殖及反射层作用；127盒功率型燃料组件13，为反应堆的高功率密度区。用于维持堆芯通道形状的整体式金属反射层平均厚度为150mm。堆芯结构及整体式反射层材料均为不锈钢。
一种如实施例1所述的多类型芯块混合装载金属冷却反应堆的管理方法，包括以下步骤：
1)、燃料组件布置：依次将慢化型组件11、增殖型燃料组件12和功率型燃料组件13布置在堆芯的外围堆芯(“C”区)、次外围(堆芯“A”区)和中心区域(堆芯“K”区)，不同类型的燃料组件不同交叉布置；
2)、燃料组件循环后卸出：慢化型组件11达到辐照限值或使用年限后，卸出堆芯并装入新的慢化型组件11，增殖型燃料组件12达到特定燃耗深度后，卸出堆芯，没有达到特定燃耗深度的增殖型燃料组件12，则向与功率型燃料组件13相邻的位置进行倒换料；功率型燃料组件13经历若干燃料循环达到燃耗限值后，从堆芯卸出，没有达到燃耗限值的功率型燃料组件13移至堆芯中心，新的功率型燃料组件13布置在旧的功率型燃料组件13的外围。详细参数见表1。
表1液态金属冷却反应堆堆芯主参数
Figure BDA0002282983940000051
Figure BDA0002282983940000061
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 (6)

1.多类型芯块混合装载金属冷却反应堆，其特征在于，所述反应堆的堆芯外围布置慢化型组件(11)、次外围布置增殖型燃料组件(12)，堆芯内部区域布置功率型燃料组件(13)，所述慢化型组件(11)由若干慢化型元件(6)按照正三角形栅格排列构成，所述慢化型元件(6)包括包壳(3)，所述慢化型元件(6)的包壳(3)内设置氢化锆金属块(4)；所述增殖型燃料组件(12)由若干增殖型燃料元件(7)按照正三角形栅格排列构成，所述增殖型燃料元件(7)包括包壳(3)，所述增殖型燃料元件(7)的包壳(3)内两端布置氧化铍陶瓷芯块(2)，中间布置天然二氧化铀燃料芯块(5)；所述功率型燃料组件(13)由若干功率型燃料元件(8)按照正三角形栅格排列构成，所述功率型燃料元件(8)包括包壳(3)，所述功率型燃料元件(8)的包壳(3)内两端布置氧化铍陶瓷芯块(2)，中间布置钚铀混合氧化物燃料芯块(1)。
2.根据权利要求1所述的多类型芯块混合装载金属冷却反应堆，其特征在于，所述增殖型燃料元件(7)两端的氧化铍陶瓷芯块(2)数量相同；所述功率型燃料元件(8)上端的氧化铍陶瓷芯块(2)数量大于下端的氧化铍陶瓷芯块(2)数量。
3.根据权利要求1所述的多类型芯块混合装载金属冷却反应堆，其特征在于，所述功率型燃料元件(8)的中心区域布置有导向管(9)，所述导向管(9)内布置有控制棒(10)。
4.根据权利要求1-3任一项所述的多类型芯块混合装载金属冷却反应堆，其特征在于，所述慢化型组件(11)、增殖型燃料组件(12)和功率型燃料组件(13)的外形尺寸相同。
5.根据权利要求1-3任一项所述的多类型芯块混合装载金属冷却反应堆，其特征在于，所述堆芯的外围设置整体式金属反射层。
6.一种如权利要求1-5任一项所述的多类型芯块混合装载金属冷却反应堆的管理方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)、慢化型组件(11)布置在堆芯的外围，达到辐照限值或使用年限后，卸出堆芯并装入新的慢化型组件(11)；
2)、增殖型燃料组件(12)布置在堆芯的次外围，达到特定燃耗深度后，卸出堆芯，没有达到特定燃耗深度的增殖型燃料组件(12)，则向与功率型燃料组件(13)相邻的位置进行倒换料；
3)、功率型燃料组件(13)布置在堆芯的中心区域，经历若干燃料循环达到燃耗限值后，从堆芯卸出，没有达到燃耗限值的功率型燃料组件(13)向堆芯中心转移，新的功率型燃料组件(13)布置在旧的功率型燃料组件(13)的外围。
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GR01 Patent grant
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