技术领域
[0001] 本
发明涉及
核反应堆技术领域，具体涉及一种轴向倒换料金属冷却反应堆及管理方法。
背景技术
[0002] 基于闭式
铀钚
燃料循环体系，液态金属冷却反应堆在核燃料嬗变及核燃料增殖方面具有较强的能
力，对于核能可持续发展具有重要作用。为此，世界各国发展出了多种类型不同功率规模的液态金属冷却反应堆，如美国模
块式
钠冷快堆SMFR、日本钠冷快堆JSFR、俄罗斯钠冷快堆BN600/800、中国钠冷快堆CFR600、俄罗斯小型铅铋冷却SVBR-75/100和纯铅冷却BREST-OD-300快堆、欧洲铅冷ELSY快堆等，目前已有部分液态金属冷却反应堆进入
原型堆验证阶段。液态金属冷却反应堆系统压力略高于常压，反应堆
堆芯入口
温度在330℃以上，出口温度在500℃以上，燃料为高富集度UO2或MOX燃料，
中子能谱为快谱。与轻
水堆相比，液态金属冷却反应堆具有体
平均功率密度大、中子
泄漏大等显著特征。由于液态金属冷却反应堆通常采用
控制棒控制堆芯后备
反应性，即从堆芯顶部插入，导致堆芯上部功率份额较低，堆芯下部功率份额较高。因此，循环末期，堆芯燃耗分布非常不均匀，
燃料组件上部燃耗浅、下部燃耗深，降低了燃料组件的平均卸料燃耗深度，严重影响了金属冷却反应堆核燃料嬗变与增殖能力及其经济性。因此，非常有必要探索更优的液态金属冷却反应堆堆芯燃料管理方法，用以提高堆芯平均卸料深度，降低燃料组件的轴向燃耗分布不均匀性，在不突破燃料组件设计限值条件下，提高燃料组件的使用寿命及堆芯平均卸料燃耗深度。
发明内容
[0003] 本发明的目的在于提供一种轴向倒换料金属冷却反应堆及管理方法，解决现有液态金属冷却反应堆轴向燃耗分布不均匀性问题，在不改变现有燃料组件燃耗限值条件下，提高燃料组件使用寿命，提高堆芯平均卸料燃耗深度，增强核燃料嬗变及增殖能力。
[0004] 本发明通过下述技术方案实现：
[0005] 一种轴向倒换料金属冷却反应堆，所述反应堆的堆芯结构为整体式正六边形通道，所述正六边形组件通道包括控制棒组件通道和燃料组件通道，所述控制棒组件通道和燃料组件通道均匀交错布置，以提高堆芯的后备反应性控制能力；所述燃料组件通道内沿轴向
叠加布置3盒燃料组件；控制棒组件通道内设置
导向管，所述导向管内插入由7根由控制棒中子吸收体构成的控制棒组件；堆芯外侧设置整体式金属反射层，整体式金属反射层的内侧与整体式正六边形通道相互匹配，控制棒从反应堆的顶部插入堆芯内部，堆芯外围、顶部为低功率区域，堆芯中下部为高功率区域。
[0006] 本发明通过将堆芯经历若干燃耗循环、位于各组件通道最底部、达到或接近燃耗限值燃料组件，从堆芯卸出，通道内剩余燃料组件依次下移，并将新燃料组件从堆芯顶部装入相应燃料组件通道；然后，针对堆芯的最底层、
中间层燃料组件进行径向倒换料，以展平径向功率分布为前提条件，深燃耗燃料组件向堆芯外围转移，浅燃耗燃料组件向堆芯内部转移。如此，大幅度降低了堆芯功率峰因子，使堆芯三维功率分布及燃耗分布更加平坦，在燃料组件的燃耗设计限值范围内，增加了堆芯平均卸料燃耗深度，显著提高了燃料组件的使用寿命及核燃料的利用率，增强了燃料经济性及市场竞争力。
[0007] 进一步地，本发明所述燃料组件由若干燃料棒、
定位管和仪表管构成，所述燃料棒、定位管按照正三
角形栅格排列，构成正六边形燃料组件；所述定位管布置在燃料组件6个角点处，管壁厚度为1.0mm～3.0mm，用于维持燃料组件的几何形状，以及组件通道内轴向各燃料组件的精准对齐；所述仪表管布置在燃料组件的中心
位置，占用7个棒栅位置，仪表管的管壁厚度为1.0mm～3.0mm，用于插入各类测量仪器并承担燃料组件重量。
[0008] 本发明所述控制棒组件通道内插入外方内圆控制棒组件导向管，并在导向管内布置1束由7根棒状中子吸收体构成的控制棒，不仅可以有效增加控制棒吸收体的外表面积，提高中子吸收能力，增强堆芯反应性控制能力，还可以降低控制棒组件重量。
[0009] 进一步地，反应堆的堆芯由163个正六边形通道构成，包括18个控制棒组件通道、145个燃料组件通道。相邻六边形通道的中心距为139mm，所述燃料组件通道壁厚为2.0mm，控制棒组件通道壁厚为3.0mm～6.0mm。
[0010] 一种轴向倒换料金属冷却反应堆的管理方法，其特征在于，包括以下步骤：
[0011] 1)燃料组件通道最底层为经过若干燃耗循环的燃耗较深的燃料组件，最顶层为燃耗较浅的燃料组件；达到设计限值或使用寿命的最底层深燃耗燃料组件从燃料组件通道卸出堆芯后，通道内轴向剩余燃料组件依次下移，新燃料组件从各通道的顶部装入；
[0012] 2)堆芯各燃料组件通道的最低层以及中间层燃料组件进行径向倒换料，即最低层燃料组件之间相互交换所在燃料组件通道，中间层燃料组件之间相互交换所在燃料组件通道，燃耗较深的燃料组件转移至堆芯外围的燃料组件通道内，燃耗较浅的燃料组件转移至堆芯内部燃料组件通道内。
[0013] 本发明与
现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
[0014] 本发明充分考虑高功率密度金属冷却反应堆，由于控制棒插入堆芯导致的堆芯轴向功率分布及燃耗分布的不均匀性，沿堆芯轴向布置3层燃料组件，最底层为经过若干燃耗循环的旧燃料组件，最顶层为装入堆芯的新燃料组件。旧燃料组件从各燃料组件通道卸出后，通道内轴向剩余燃料组件依次下移，新燃料组件从各通道顶部装入。新燃料组件具有较大的剩余反应性，能够增加堆芯上部功率份额，旧燃料组件剩余反应性较小，能够降低堆芯下部功率份额，从而有效展平堆芯轴向功率分布及燃耗分布。其次，针对堆芯每层燃料组件，进行径向倒换料，深燃耗燃料组件转移至堆芯外围，浅燃耗燃料组件转移至堆芯内部，进一步地展平燃料组件燃耗深度。如此，本发明有效展平了堆芯轴向及径向功率分布，使燃料组件的燃耗更加均匀，在不突破燃料组件燃耗设计限值条件下，大幅度延长了燃料组件使用寿命，增加了燃料组件的使用寿命以及堆芯的平均卸料燃耗深度，从而显著提高金属冷却反应堆的核燃料嬗变与增殖能力及其燃料经济性。
附图说明
[0015] 此处所说明的附图用来提供对本发明
实施例的进一步理解，构成本
申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
[0016] 图1为堆芯通道及装载布置示意图；
[0017] 图2为控制棒组件通道示意图；
[0018] 图3为六边形燃料组件示意图；
[0019] 图4为燃料组件通道轴向布置示意图。
[0020] 附图中标记及对应的零部件名称：
[0021] 1-整体式金属反射层，2-燃料组件通道，3-控制棒组件通道，4-导向管，5-控制棒中子吸收体，6-控制棒组件，7-定位管，8-燃料棒，9-仪表管，10-燃料组件。
具体实施方式
[0022] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
[0023] 实施例1：
[0024] 如图1-图4所示，一种轴向倒换料金属冷却反应堆，所述反应堆的堆芯结构为整体式蜂窝状正六边形组件通道，共包含163个正六边形通道，包括145个燃料组件通道2和18个控制棒组件通道3，堆芯外部为整体式金属反射层1。控制棒组件通道3内布置形状为“外方内圆”的控制棒组件的导向管4，内径为125mm。相邻六边形通道的中心距为139mm，所述燃料组件通道2、控制棒组件通道3的壁厚均为2.0mm。所述燃料组件通道2在轴向上设置有3盒燃料组件10；所述整体式蜂窝状正六边形组件通道的外侧设置整体式金属反射层1，整体式金属反射层1的平均厚度为150mm，堆芯主要结构及反射层材料均为不锈
钢；所述燃料组件10活性区高度为300.0mm，上下两端管座高度均为30.0mm；所述燃料组件10由若干燃料棒8、定位管7和仪表管9构成，所述燃料棒8、定位管7按照正三角形栅格排列，构成六边形燃料组件；所述定位管7布置在燃料组件的6个角点处，管壁厚度为1.0mm～3.0mm；所述仪表管9位于燃料组件10的中心位置，占用若干燃料棒8栅格位置，管壁厚度为2.0mm～3.0mm，可以插入各类测量仪表、可燃毒物棒等；所述导向管4、燃料棒包壳8、定位管7、仪表管9的材料均为
不锈钢。
[0025] 所述的燃料棒8的外径为8.0mm，包壳厚度为0.60mm，芯体直径为7.6mm，芯体材料为富集二
氧化铀或铀钚
混合氧化物燃料；所述控制棒中子吸收体5的直径为30.0mm，控制棒组件6的外径为120mm。所述的轴向倒换料液态金属冷却反应堆热功率为300MW，外接圆直径为1310mm，燃料活性区总高度为900mm，体功率密度为135.5MW/m3，循环长度1500等效满功率天。堆芯主要设计参数见表1。
[0026] 一种如实施例1所述的轴向倒换料金属冷却反应堆的轴向倒换料方法，包括以下步骤：
[0027] 1)沿堆芯轴向布置3层燃料组件分别为X-1、X-2和X-3，最底层为经过若干燃耗循环的燃耗较深的燃料组件X-3，最顶层为燃耗较浅的燃料组件X-1。燃料组件X-3从各燃料组件通道卸出后，通道内轴向剩余燃料组件X-1、X-2依次下移，即X-1、X-2燃料组件编号转换为X-2、X-3燃料组件，新燃料组件从各通道顶部装入，编号为X-1。新燃料组件具有较大的剩余反应性，能够增加堆芯上部功率份额，旧燃料组件剩余反应性较小，能够降低堆芯下部功率份额，从而有效展平堆芯轴向功率分布及燃耗分布；
[0028] 2)针对堆芯每层燃料组件，进行径向倒换料，各通道X-2燃料组件之间相互交换，X-3燃料组件之间相互交换，燃耗较深的燃料组件转移至堆芯外围，燃耗较浅的燃料组件转移至堆芯内部，进一步地展平燃料组件燃耗深度。
[0029] 表1 堆芯主要设计参数
[0030]
[0031]
[0032] 以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何
修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
