[发明专利]一种具备反应性补偿功能的快堆组件

说明书

本发明公开了一种具备反应性补偿功能的快堆组件，其包括金属外套管、位于金属外套管内的反应性补偿区域、位于金属外套管外的燃料棒区域；反应性补偿区域内设有慢化剂结构和可燃毒物结构；燃料棒区域内设有沿金属外套管径向方向由内至外依次设置的多层燃料棒层。本发明提供的快堆组件中，通过慢化剂结构和可燃毒物结构联合布置，确保可燃毒物材料足够的中子吸收能力，实现剩余反应性的有效吸收；采用该具备反应性补偿功能的快堆组件为基本单元构建具备反应性补偿功能的小堆堆芯，有效减少控制棒组件数量，取消了堆芯内部的控制棒组件，实现了反应性有效补偿，同时提升了堆芯安全性。

技术领域

本发明属于核反应堆设计技术领域，具体涉及一种具备反应性补偿功能的快堆组件。

背景技术

金属冷却反应堆，是指以液态金属(如铅、铅铋、钠等)作为堆芯冷却剂的快中子反应堆系统。长寿期小型金属冷却反应堆(以下简称“长寿期小堆”)，功率一般不超过300MWe，能够在较长的时间(≥5年)内稳定运行而无需进行燃料更换或倒料操作。长寿期小堆适用于偏远区域、孤立海岛和海上设施的供电、供能，以及陆上机动电源等场景，应用灵活；相比于水，金属冷却剂具有高热导率，高沸点，高密度等优势，通过合理的堆芯设计能够显著提升堆芯的固有安全性；同时，长寿期、小型化的特点能够降低反应堆在建造、运行过程中的成本，提升经济性。综上所述，长寿期小堆有良好发展潜力。

核反应堆通过堆芯内易裂变核素(如²³⁵U)的链式裂变反应来产生能量。稳定的核反应堆运行需要实现自续链式核反应，即通过控制手段吸收剩余反应性，维持堆芯临界，此时反应堆的反应性为零(ρ＝0)。常见的控制手段包括控制棒，可燃毒物等。其中，控制棒通过插入堆芯吸收堆芯内的剩余反应性。可燃毒物控制是通过引入具有高中子吸收截面的核素(如¹⁰B，¹⁵⁷Gd等)来吸收剩余反应性，目前在压水堆中有成熟的应用。但对于快堆，传统的可燃毒物核素吸收截面在快中子能谱下很低，难以起到有效的反应性吸收作用，因而应用受限。大型金属冷却快堆，具有良好增殖特性及相对较少的中子泄漏，其寿期内反应性波动较小，且堆芯有充足的空间来布置控制棒，因而其寿期反应性补偿通过控制棒易于实现。

长寿期小堆相对大型金属冷却快堆，在寿期反应性补偿上有所不同。首先，长寿期要求堆芯初装燃料富集度较高，导致寿期初的剩余反应性很高，寿期内反应性波动很大(可达几千pcm)。为了有效的控制反应性，需要相应增加控制棒数量并提升单个控制棒组件的价值，然而小型堆空间紧凑，无法像大型钠冷快堆那样，在堆芯内布置大量控制棒组件。有限的控制棒数量下，过高的控制棒价值一方面会造成堆芯功率严重畸变，另一方面存在高安全风险：一旦发生控制棒意外弹出事故，大量反应性引入堆芯会引发严重事故，乃至堆芯熔化。

发明内容

针对现有技术中的前述问题，本发明提供一种具备反应性补偿功能的快堆组件，通过可燃毒物和慢化剂联合布置，提升可燃毒物在快堆能谱下的中子吸收能力，实现剩余反应性的有效吸收，以减少控制棒数量，特别是取消堆芯内部的控制棒组件，实现反应性有效补偿和提升堆芯安全性的目的。

本发明第一方面提供了一种具备反应性补偿功能的快堆组件，所述具备反应性补偿功能的快堆组件包括金属外套管、位于所述金属外套管内的反应性补偿区域、位于所述金属外套管外的燃料棒区域；

所述反应性补偿区域内设有慢化剂结构和可燃毒物结构；所述慢化剂结构中包括慢化剂，所述可燃毒物结构中包括可燃毒物；

所述燃料棒区域内设有沿金属外套管径向方向由内至外依次设置的多层燃料棒层，每层所述燃料棒层由多根燃料棒沿金属外套管周向等间隔环绕布置形成。

在一实施方式中，所述慢化剂为金属氢化物，所述可燃毒物为碳化硼。

在一实施方式中，所述慢化剂为氢化锆、氢化钇、氢化钙中的至少一种制成。