一种具备反应性补偿功能的快堆组件

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

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。

在一实施方式中，所述反应性补偿区域内，沿其径向由内至外依次设有内侧包壳、所述慢化剂结构、气隙、所述可燃毒物结构、外侧包壳，所述内侧包壳的内腔、所述外侧包壳与所述金属外套管之间的空间均填充有金属冷却剂。

在一实施方式中，所述金属外套管横截面形状为六边形，每层所述燃料棒层中的多根所述燃料棒以六边形的方式等间隔均匀设置于所述金属外套管外。

在一实施方式中，在轴向方向上，所述燃料棒内燃料高度、所述可燃毒物结构中可燃毒物的高度及所述慢化剂结构中慢化剂高度均相同。

本发明第二方面提供了一种具备反应性补偿功能的小堆堆芯，所述小堆堆芯包括堆芯燃料组件，所述堆芯燃料组件为上述的具备反应性补偿功能的快堆组件。

本发明第三方面提供了一种具备反应性补偿功能的设计方法，包括对所述快堆组件补偿能力进行优化。

在一实施方式中，所述快堆组件中可燃毒物为碳化硼；

对所述快堆组件补偿能力进行优化包括以下步骤：对碳化硼中

对碳化硼中

本发明与现有技术相比，具有以下有益效果：

1、本发明实施例提供的具备反应性补偿功能的快堆组件中，慢化剂结构和可燃毒物结构联合布置于反应补偿区域内，通过慢化剂的慢化作用提升可燃毒物的中子吸收能力，强化了可燃毒物的反应性控制补偿能力，实现剩余反应性的有效吸收。

2、本发明实施例提供的具备反应性补偿功能的小堆堆芯，以具备反应性补偿功能的快堆组件作为燃料组件，能够减少控制棒组件数量，消除堆芯内部的控制棒组件，实现了反应性有效补偿、且同时提升了堆芯安全性。

3、本发明实施例提供的具备反应性补偿功能的快堆组件中，可燃毒物结构中的可燃毒物材料(碳化硼)中

附图说明

图1为本发明提供的具备反应性补偿功能的快堆组件的结构示意图；

图2为本发明提供的具备反应性补偿功能的小堆堆芯的结构示意图；

图3为图1模型在给定条件下，不同初始

图4为基于图1模型的堆芯在给定条件下，堆芯采用无补偿组件和采用本发明具备反应性补偿功能的快堆组件寿期k

图中：1、燃料棒；2、金属冷却剂；3、内侧包壳；4、外侧包壳；5、气隙；6、慢化剂结构；7、可燃毒物结构；8、金属外套管；9、反射层组件；10、具备反应性补偿功能的快堆组件。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

实施例1

参照图1所示，本实施例提供了一种具备反应性补偿功能的快堆组件，所述反应性补偿快堆组件包括反应性补偿区域、金属外套管8、及燃料棒区域，金属外套管8的内腔为反应性补偿区域，燃料棒区域设置于所述金属外套管8外，金属外套管8内设置为反应性补偿区域，所述反应性补偿区内布置有慢化剂结构和可燃毒物结构，慢化剂结构有慢化剂6制成，可燃毒物结构由可燃毒物7制成。

所述燃料棒区域包括沿组件径向方向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1沿所述金属外套管8周向等间隔环绕布置形成。

参照图1所示，所述反应性补偿区域内沿其径向由内至外依次设有内侧包壳3、所述慢化剂结构6、气隙5、所述可燃毒物结构7、外侧包壳4，所述内侧包壳3的内腔、所述外侧包壳4与所述金属外套管8之间的空间均填充有金属冷却剂2。

在一实施方式中，慢化剂结构可以为慢化剂6制成的环形结构，可燃毒物结构为可燃毒物7制成的环形结构。

在反应性补偿区域内，可燃毒物结构和慢化剂结构的联合布置，目的是通过局部的慢化作用，提升可燃毒物吸收中子能力。可燃毒物材料为碳化硼(B

参照图1所示，可燃毒物结构7呈环状加载在外层，慢化剂结构6呈环状安装在可燃毒物内侧，慢化剂材料的体积可通过调节其内径实现。

本发明采用的慢化剂材料是金属氢化物材料(如氢化锆ZrHx、氢化钇YHx、氢化钙CaHx等)。这种材料具有含氢密度高，慢化比大的特点，适合于在局部区域内产生良好的中子慢化效果，增强可燃毒物材料的中子吸收能力。本发明采用的可燃毒物材料是碳化硼(B

本实施例中，燃料棒1中

参照图2所示，本实施例中还提供了一种具备反应性补偿功能的小堆堆芯，内部四圈组件由具备反应性补偿功能的快堆组件10组成堆芯燃料组件，堆芯燃料组件形成堆芯燃料组件区域。

具备反应性补偿功能的快堆组件10中，所述燃料棒内燃料高度、所述可燃毒物结构中可燃毒物的高度及所述慢化剂结构中慢化剂高度均相同。

在堆芯不同位置的具备反应性补偿功能的快堆组件，以及组件内的不同轴向位置，具有不同的中子注量水平。中子的注量水平越高，对补偿能力的要求越高，通过增加可燃毒物加载量(提升

∑

但是，过多的

另一方面，

根据(1)、(2)，对于一个确定的中子注量水平，能够确定一个合适的

进一步地，依据不同的中子注量水平，能够相应确定不同的最优

考虑到堆芯内中子注量在径向和轴向的分布不均性，可按照以上方法，根据堆芯径向每个组件，以及每个组件内轴向高度的中子注量水平，重复该优化计算，相应确定不同的中子注量水平下的最佳初始

表1不同中子注量对应的优化

按照以上方法确定的堆芯

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。