多类型燃料组件混合装载金属冷却反应堆及管理方法
技术领域
[0001] 本
发明涉及
核反应堆技术领域，具体涉及多类型
燃料组件混合装载金属冷却反应堆及管理方法。
背景技术
[0002] 液态金属冷却反应堆，采用闭式燃料循环，在核废料嬗变及核燃料增殖方面具有良好的发展潜
力、较高的安全性及经济性，属于第IV代先进核能系统。目前，相对完善的液态金属冷却快堆方案有：美国
钠冷快堆SMFR、日本钠冷快堆JSFR、俄罗斯钠冷快堆BN600、中国钠冷快堆CFR600、俄罗斯铅基快堆SVBR-75/100、欧洲
铅冷快堆ELSY等。由于液态金属反应堆采用强
中子吸收不锈
钢作为包壳材料、
快中子能谱，导致
堆芯需要较大的燃料装量及较高的富集度，才能维持堆芯处于
临界状态，远高于同等功率规模的压
水堆或沸水堆，严重影响了液态金属冷却反应堆的经济性及市场竞争力。因此，非常有必要探索更优的液态金属冷却反应堆设计方法，提高燃料利用率，降低富集
铀燃料的装载量，增强液态金属冷却反应堆的燃料经济性和市场竞争力。
发明内容
[0003] 本发明的目的在于提供多类型燃料组件混合装载金属冷却反应堆，采用天然铀燃料替代部分富集铀燃料，以解决现有液态金属冷却反应堆面临的富集铀燃料装载量大、燃料经济性低等问题。在保证堆芯功率、线功率
密度等设计参数条件下，提高燃料的利用率，降低燃料装载量及富集度，提高燃料经济性，降低燃料成本。
[0004] 本发明通过下述技术方案实现：
[0005] 多类型燃料组件混合装载金属冷却反应堆，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，所述通道包括内部燃料组件通道、外部燃料组件通道、
控制棒组件通道，所述内部燃料组件通道、外部燃料组件通道、控制棒组件通道在轴向上设置有多盒燃料组件，所述外部燃料组件通道设置在内部燃料组件通道外围，所述控制棒组件通道与内部燃料组件通道交叉布置，所述外部燃料组件通道内全部布置天然铀燃料组件，所述内部燃料组件通道的上端和下端布置天然铀燃料组件、中间布置富集铀燃料组件。
[0006] 本发明中堆芯外围、顶部及底部为低功率边界区域，堆芯中心为高功率区域。
[0007] 本发明通过在堆芯外围、底部及顶部等低功率区，布置低成本天然铀燃料组件，替代高成本富集铀燃料组件，经历多个循环再从堆芯卸出，而富集铀燃料组件布置在内部区域，经历单个循环之后，卸出高燃耗燃料组件，再装入对应数量的富集铀燃料组件，从而大幅度降低了新组件、富集铀组件的装载量，显著提高了燃料利用率及经济性。如此，本发明提高了燃料的利用效率，降低燃料装载量及燃料富集度，解决了现有液态金属冷却反应堆堆芯燃料装载量大、富集度高、燃料利用率低等问题。
[0008] 进一步地，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，减少中子
泄漏，提高中子经济性，减少燃料消耗，所述整体式蜂窝状正六边形组件通道的底部设置有流量分配器，提高内部高富集度燃料组件的冷却剂流量，减少外部天然铀燃料组件的冷却剂流量，从而提高反应堆运行安全性。
[0009] 所述整体式金属反射层用于维持芯组件通道形状，所述流量分配器分配正六边形组件通道底部的冷却剂，有效控制堆芯高功率密度区域的冷却剂
温度。
[0010] 进一步地，天然铀燃料组件和富集铀燃料组件的总高度相同且小于等于0.5m。
[0011] 即天然铀燃料组件和富集铀燃料组件使用的燃料棒较短，利于燃料棒的安装与固定，能够幅简化燃料组件结构并提高了堆芯装载方案的设计灵活性。
[0012] 进一步地，天然铀燃料组件和富集铀燃料组件均包括呈上下对称设置的上
定位架和下定位架，所述上定位架和下定位架之间通过
支撑管连接，所述上定位架和下定位架之间设置有若干燃料棒，所述燃料棒、支撑管按照正三
角形栅格排列，构成六边形燃料组件。
[0013] 燃料组件采用了较短的燃料棒，利用支撑管及两端定位架进行径向、轴向定位，相邻燃料棒间距能够在0.8mm～3.0mm范围内实现自由调节，大幅简化燃料组件结构。
[0014] 进一步地，为了保证燃料组件几何形状的
稳定性，支撑管布置在燃料组件的6个角点及中心点，承担燃料组件的定位等功能，支撑管的管壁较厚为1.0mm～3.0mm。
[0015] 由于本发明在堆芯外围、底部及顶部等低功率区，布置低成本天然铀燃料组件，可以经历多个循环之后再从堆芯卸出，进一步减少燃料组件的使用量，而高成本富集铀燃料组件布置在内部区域，提高燃料的利用效率。
[0016] 一种多类型燃料组件混合装载金属冷却反应堆的管理方法，包括以下步骤：
[0017] 1)、燃料组件布置：外部燃料组件通道布置N盒天然铀燃料组件；内部燃料组件通道的两端布置天然铀燃料组件、中间布置富集铀燃料组件，共N盒燃料组件；控制棒组件通道布置N盒控制棒组件；
[0018] 2)、燃料组件循环后卸出：布置在堆芯高功率区域的富集铀燃料组件，经历单个或两个燃料循环之后从堆芯卸出，并装入相应数量的富集铀燃料组件，而布置在堆芯低功率区的天然铀燃料组件，经历多个燃料循环再从堆芯卸出。
[0019] 本发明与
现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
[0020] 1、本发明通过在堆芯外围、底部及顶部等低功率区，布置低成本的天然铀燃料组件，经历多个循环之后再从堆芯卸出，减少了燃料组件使用量，而高成本的富集铀燃料组件布置在内部区域，经历单个循环之后，卸出高燃耗的燃料组件，再装入对应数量的未经燃耗的富集铀燃料组件，从而大幅度降低了新组件、富集铀组件的装载量，显著提高了燃料利用率及经济性。如此，本发明提高了燃料的利用效率，降低燃料装载量及富集度，解决了现有液态金属冷却反应堆堆芯燃料装载量大、富集度高、燃料利用率低等问题。
[0021] 2、本发明燃料组件采用了较短的燃料棒，利用支撑管及两端定位架进行燃料组件的径向和轴向定位，大幅简化了燃料组件结构并提高了堆芯方案的设计灵活性。
附图说明
[0022] 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：
[0023] 图1为六角形燃料组件径向示意图；
[0024] 图2为六角形燃料组件轴向示意图；
[0025] 图3为堆芯通道及装载布置示意图；
[0026] 图4为内部通道燃料组件布置示意图；
[0027] 图5为外围通道燃料组件布置示意图。
[0028] 附图中标记及对应的零部件名称：
[0029] 1-燃料棒，2-支撑管，3-上定位架，4-下定位架，5-外部燃料组件通道，6-内部燃料组件通道，7-控制棒组件通道，8-整体式金属反射层，9-天然铀燃料组件，10-富集铀燃料组件，11-流量分配器。
具体实施方式
[0030] 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。
[0031] 实施例1：
[0032] 如图1至图5所示，多类型燃料组件混合装载金属冷却反应堆，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253个六边形通道，包括132个内部燃料组件通道6(B类通道)、102个外部燃料组件通道5(A类通道)、19个控制棒组件通道7，外部燃料组件通道5(A类通道)的冷却剂流量约为内部燃料组件通道6(B类通道)的20％，相对较低，控制棒组件通道7为“外方内圆”形状，内径为135mm，相邻六边形通道的中心距为139mm，所述内部燃料组件通道6、外部燃料组件通道5、控制棒组件通道7的壁厚均为2.0mm。所述内部燃料组件通道6、外部燃料组件通道5、控制棒组件通道7在轴向上设置有5盒燃料组件，所述外部燃料组件通道5设置在内部燃料组件通道6外围，所述控制棒组件通道7与内部燃料组件通道6交叉布置，所述外部燃料组件通道5布置5和天然铀燃料组件9，所述内部燃料组件通道6的上端和下端布置天然铀燃料组件9、中间布置3盒富集铀燃料组件10，所述富集铀燃料组件10中235U富集度小于等于16％；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8，置整体式金属反射层8的平均厚度为150mm，堆芯结构及反射层材料均为
不锈钢，所述整体式蜂窝状正六边形组件通道的底部设置有流量分配器11；所述天然铀燃料组件9和富集铀燃料组件10的总高度相同且小于等于0.5m；所述天然铀燃料组件9和富集铀燃料组件10均包括呈上下对称设置的上定位架3和下定位架4，所述上定位架3和下定位架4之间通过支撑管2连接，所述上定位架3和下定位架4之间设置有若干燃料棒1，所述燃料棒1、支撑管2按照正三角形栅格排列，构成六边形燃料组件；所述支撑管2布置在燃料组件的6个角点及中心点处；所述支撑管2的管壁厚度为1.0mm～3.0mm。
[0033] 一种如实施例1所述的多类型燃料组件混合装载金属冷却反应堆的管理方法，包括以下步骤：
[0034] 1)、燃料组件布置：外部燃料组件通道5布置5盒天然铀燃料组件9；内部燃料组件通道6的两端各布置1盒天然铀燃料组件9、中间布置3盒富集铀燃料组件10，235U富集度为16％，共5盒燃料组件；控制棒组件通道7布置5盒控制棒组件，堆芯共装载396盒富集铀燃料组件；
[0035] 2)、燃料组件循环后卸出：布置在堆芯高功率区域的富集铀燃料组件10，经历单个或两个燃料循环之后从堆芯卸出，具体地，中心处富集铀燃料组件10经历单个循环即从堆芯卸出，其余富集铀燃料组件10达到燃耗限值即从堆芯卸出，并装入相应数量的富集铀燃料组件10，而布置在堆芯低功率区的天然铀燃料组件9，经历多个燃料循环，达到寿命之后，再从堆芯卸出，详细参数见表1。
[0036] 表1液态金属冷却反应堆堆芯主参数
[0037]
[0038]
[0039] 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。
