[发明专利]多类型芯块混合装载金属冷却反应堆及管理方法

说明书

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。

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。