[發明專利]一種氧化鈹慢化金屬冷卻反應堆小型化設計方法及反應堆

有效

• 申請號: 201911149878.0
• 申請日: 2019-11-21
• 公開（公告）號: CN110827998B
• 公開（公告）日: 2021-05-18
• 發明（設計）人: 夏榜樣;孫偉;嚴明宇;余紅星;柴曉明;李松蔚;李文杰
• 申請（專利權）人: 中國核動力研究設計院
• 主分類號: G21C1/16
• 分類號: G21C1/16;G21C5/02;G21C5/12;G21C11/06
• 代理公司: 成都行之專利代理事務所(普通合伙) 51220
• 代理人: 唐邦英

本發明公開了一種氧化鈹慢化金屬冷卻反應堆小型化設計方法及反應堆，所述反應堆的堆芯由標準燃料組件、混合燃料組件、異形氧化鈹組件構成，所述混合燃料組件和異形鈹組件布置在堆芯最外圈，構成堆芯內反射層，所述標準燃料組件布置在堆芯內部，構成堆芯高功率密度區；所述標準燃料組件和混合燃料組件的燃料元件芯塊為環形燃料芯塊和氧化鈹陶瓷小芯塊構成的復合芯塊，所述混合燃料組件和氧化鈹組件的氧化鈹棒元件芯塊為氧化鈹陶瓷大芯塊。本發明解決了現有液態金屬冷卻小型反應堆設計中面臨的燃料富集度高、臨界質量大、堆芯幾何尺寸無法有效減小等問題。

技術領域

本發明涉及核反應堆技術領域，具體涉及一種氧化鈹慢化金屬冷卻反應堆小型化設計方法及反應堆。

背景技術

液態金屬冷卻劑反應堆，例如鈉冷快堆(SFR)、鉛冷快堆(LFR)等，在核燃料嬗變與增殖方面的獨特優勢，成為了第IV代先進核能系統的主力堆型。由于液體金屬冷卻反應堆在功率密度、燃耗壽期方面具有獨特優勢，針對不同用途及不同應用場景，發展出了多種類型的小型液體金屬冷卻反應堆，如俄羅斯小型鉛鉍冷卻SVBR-75/100、美國小型自然循環SSTAR純鉛冷卻快堆等。由于液態金屬反應堆采用強中子吸收體不銹鋼作為包殼材料以滿足較高的冷卻劑溫度及較強的腐蝕，而且液體金屬的中子慢化能力非常弱，因而堆芯需要較高的燃料富集度，甚至需要達到90％以上，才能維持堆芯處于臨界狀態，遠高于同等功率規模的輕水堆(小于20％)，導致小型液態金屬冷卻反應堆的經濟性極差。若降低燃料富集度，則堆芯幾何尺寸會比較大，嚴重影響了液態金屬冷卻反應堆的小型化及應用。氧化鈹(BeO)是耐高溫固體慢化劑，具有密度小、化學性質穩定等優點，常被用作反應堆慢化材料，可以提高反應堆的反應性，實現堆芯中子節省。因此，非常有必要探索基于氧化鈹材料的金屬冷卻反應堆堆芯小型化設計方法，充分利用氧化鈹材料的中子物理及化學特性，進一步縮小金屬冷卻反應堆堆芯幾何尺寸并降低燃料富集度，提高反應堆設計性能。

發明內容

本發明的目的在于提供一種氧化鈹慢化金屬冷卻反應堆小型化設計方法及反應堆，解決現有小型液態金屬冷卻反應堆設計中面臨的燃料富集度高、臨界質量大、堆芯幾何尺寸無法有效減小等技術問題。

本發明通過下述技術方案實現：

一種氧化鈹慢化金屬冷卻反應堆小型化設計方法，采用標準燃料組件、混合燃料組件、異形氧化鈹組件構建堆芯，所述混合燃料組件和異形氧化鈹組件布置在堆芯最外圈，構成堆芯內反射層，所述標準燃料組件布置在堆芯內部，構成堆芯高功率密度區；所述混合燃料組件內的燃料元件布置在靠近堆芯中心的一側，所述混合燃料組件內的氧化鈹元件布置在遠離堆芯中心的一側；整體式金屬反射層構成堆芯外反射層，與堆芯內反射層相鄰，整體式金屬反射層內側面與堆芯內反射層的外表面相互匹配。

本發明所述標準燃料組件和混合燃料組件的燃料元件芯塊為環形燃料芯塊嵌套氧化鈹陶瓷小芯塊構成的復合芯塊，所述混合燃料組件和氧化鈹組件的氧化鈹棒元件芯塊為氧化鈹陶瓷大芯塊。

本發明所述燃料元件的芯塊沿徑向分為內外兩區，內區為氧化鈹陶瓷小芯塊，外區為環形燃料芯塊，充分利用氧化鈹耐高溫及中子慢化能力強等固有特性，使易裂變核燃料獲得充分中子慢化，顯著提高堆芯反應性，減少燃料裝載量，降低堆芯幾何尺寸。所述燃料元件的包殼材料為不銹鋼。

本發明所述氧化鈹棒元件，與燃料元件具有相同的幾何形狀及尺寸，芯塊為氧化鈹陶瓷大芯塊，包殼材料為不銹鋼

進一步地，所述燃料元件由氧化鈹陶瓷小芯塊、環形燃料芯塊、燃料元件包殼構成，環形燃料芯塊嵌套氧化鈹陶瓷小芯塊構成復合芯塊。

進一步地，氧化鈹元件由氧化鈹陶瓷大芯塊、氧化鈹元件包殼構成。

進一步地，標準燃料組件，由若干燃料元件、1個導向管及正六邊形燃料組件盒構成，燃料元件按照正三角形柵格均勻排列布置在燃料組件盒內，導向管位于燃料組件盒的中心區域，占用若干柵格位置，燃料組件盒用于控制標準燃料組件的形狀，并構成閉式冷卻劑通道；導向管內可插入控制棒、可燃毒物棒或測量儀器。