[发明专利]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

说明书

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。

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。