[发明专利]基于提高燃料利用率的液态金属冷却反应堆及管理方法

说明书

本发明公开了基于提高燃料利用率的液态金属冷却反应堆及管理方法，所述反应堆的堆芯外围布置低温强慢化组件、次外围布置高温强慢化组件，堆芯内部区域交叉布置高功率控制棒组件和高功率强慢化组件。本发明根据液态金属冷却快堆的固有中子学特性、功率及燃耗分布特点，构建了不同功能及用途的组件：用于堆芯最外围减少中子泄漏的低功率燃料组件、用于堆芯内部的高功率燃料组件及控制棒组件，形成了独特的液态金属冷却快堆堆芯装载方案，显著提高了液态金属冷却快堆的平均卸料燃耗、核燃料转换比，增强了液态金属冷却快堆闭式铀‑钚燃料循环体系的工程可实现性。

技术领域

本发明涉及核反应堆技术领域，具体涉及基于提高燃料利用率的液态金属冷却反应堆及管理方法。

背景技术

采用闭式铀-钚燃料循环体系的液态金属冷却反应堆，在核废料嬗变及核燃料增殖方面具有巨大的发展潜力，如钠冷快堆(SFR)、铅(铋)冷快堆(LFR)等，对核燃料的可持续发展具有重要意义。此外，液态金属冷却反应堆还具有较高的安全性及经济性，因而成为了第IV代先进核能系统的主力堆型。由于液态金属无中子慢化能力，导致堆芯高富集铀钚氧化物燃料或二氧化铀燃料的装载量较高。为了满足安全性要求，液态金属反应堆通常采用强中子吸收不锈钢作为包壳材料，影响了堆芯的燃料经济性。同时，液态金属冷却快堆的中子泄漏大，也会降低燃料利用率。上述原因导致金属快堆的闭式铀-钚循环核燃料的增殖能力与理论值相比存在较大差距，因而非常有必要探索核燃料利用率更高的液态金属冷却快堆堆芯设计方法，提高核燃料增殖能力，强化闭式铀-钚核燃料循环体系的工程可实现性。

发明内容

本发明的目的在于提供基于提高燃料利用率的液态金属冷却反应堆及管理方法，提高核燃料的增殖能力，强化现有液态金属冷却快堆闭式铀-钚循环的工程可实现性。

本发明通过下述技术方案实现：

基于提高燃料利用率的液态金属冷却反应堆，所述反应堆的堆芯最外围布置一圈低功率燃料组件，堆芯内部区域交叉布置控制棒组件和高功率燃料组件，所述低功率燃料组件和高功率燃料组件均为由定位管、仪表管、天然二氧化铀燃料棒元件和铀钚氧化物燃料棒元件构成的六边形燃料组件；所述高功率燃料组件中天然二氧化铀燃料棒元件布置两圈，所述铀钚氧化物燃料棒元件布置在两圈天然二氧化铀燃料棒元件之间，所述低功率燃料组件中天然二氧化铀燃料棒元件布置一圈，所述铀钚氧化物燃料棒元件布置在天然二氧化铀燃料棒元件内侧；所述控制棒组件为由定位管、铀钚氧化物燃料棒元件和导向管构成的六边形燃料组件，所述导向管设置在六边形燃料组件的中心位置，该导向管内设置环状控制棒。

与现有国内外液态金属冷却快堆方案相比，本发明根据液态金属冷却快堆的固有中子学特性、功率及燃耗分布特点，构建了具有独特布置形式的燃料组件和控制棒组件，形成了独特的液态金属冷却反应堆堆芯装载方案，显著降低了铀钚氧化物燃料的装载量，提高了平均卸料燃耗，增强了金属冷却快堆闭式铀-钚燃料循环的工程可实现性。

进一步地，高功率燃料组件中的定位管、仪表管、天然二氧化铀燃料棒元件和铀钚氧化物燃料棒元件具有相同的外形及尺寸，按照正三角形栅格排列，构成正六边形燃料组件，其中，定位管位于六边形燃料组件的六个角点处，仪表管位于六边形燃料组件的中心处，天然二氧化铀燃料棒元件位于燃料组件的内部和最外围，铀钚氧化物燃料棒元件位于天然二氧化铀燃料棒元件围成的环形区域。针对金属冷却快堆功率密度高等特点，设计了上述天然二氧化铀燃料棒元件与铀钚氧化物燃料棒元件相互嵌套布置方案，使燃料组件内部及堆芯径向功率分布更为平坦，更加有效地利用铀钚氧化物燃料棒元件释放的快中子，减少堆芯快中子被结构材料吸收。