一种液态金属冷却反应堆小型化设计的固体慢化剂材料布置形式

本发明涉及核材料和核反应堆，特别是涉及一种液态金属冷却反应堆小型化设计的固体慢化剂材料布置形式。

背景技术：

1、得益于液态金属材料良好的中子学特性、优异的载热性能，采用液态金属作为冷却剂的核反应堆可实现超长换料周期、常压安全运行、简化系统设计，在核能综合利用方面具有优势。针对深海、极地和偏远岛屿等环境下的能源供给需求，小型金属冷却反应堆具有广阔的发展前景受到世界上主要核能大国的广泛关注，并提出了多种小型液体金属冷却反应堆，如俄罗斯小型模块化铅基快堆svbr-100、韩国小型自然循环铅基快堆uranus、中国科学技术大学设计的多功能小型模块化自然循环铅冷快堆snclfr-100等。但由于液态金属的中子慢化能力较弱，快谱条件下燃料裂变截面较小，液态金属反应堆临界通常需要装载数吨燃料或高富集度燃料，使得现有液态金属冷却反应堆质量重、造价高昂，导致其反应堆经济性与灵活机动性较差。而通过添加固体慢化剂软化堆芯中子能谱，提高燃料裂变率是降低液态金属反应堆燃料装量与堆芯尺寸的有效方法之一。

2、目前反应堆中常用的慢化剂的材料中，含氢材料如zrh有着良好的慢化能力，但是在高温下有释氢现象，对于池式金属冷却反应堆来说，释氢现象对于安全性的影响要小于压水堆，但是随着氢含量的减小，zrh的慢化能力也会随之减小，不利于提高燃料燃耗深度；be及beo则是对人体有剧毒。因此如果能够选取一种合适的慢化剂，那么小型液态金属冷却反应堆的经济性和固有安全性将会得以提高。散射是使中子慢化的主要核反应过程，它有非弹性散射和弹性散射两种。在热中子反应堆内，对中子从高能慢化到低能的过程起主要作用的是弹性散射。慢化剂一般选取原子序数较小的元素，比如压水堆一般使用水作为慢化剂。硼是比较好的固体慢化剂备选方案之一。碳化硼是耐高温的固体慢化剂，熔点可达2450℃，具有密度小、化学性质稳定、硬度高、吸收中子后没有强的γ射线二次辐射、不会产生放射性同位素等优点，同时11b在天然硼中丰度高、热中子吸收截面小，是优良的固体慢化剂材料，可以提高反应堆的反应性，实现堆芯中子节省。最后，b4c作为反射层或中子吸收体材料，在现有反应堆中有着实际应用，其物性参数是经得起考验的。因此，探索基于11b4c作为固体慢化剂的小型化液态金属冷却反应堆对于降低堆芯燃料装载量或减小堆芯尺寸，提升小型液态金属冷却反应堆的经济性或进一步实现堆芯的小型化是有必要的。

技术实现思路

1、本发明的目的是针对目前液态金属冷却反应堆小型轻量化设计面临堆芯质量偏重、体积偏大问题，克服现有技术的不足，提供一种11b4c慢化金属冷却反应堆小型化设计方法及堆芯布置，以提高反应堆装置的经济性、机动灵活性和运输便捷性。

2、本发明采用的技术方案如下：一种液态金属冷却反应堆小型化设计的固体慢化剂材料布置形式，该堆芯由正六边形的燃料组件1、控制棒组件2及反射层3构成，反射层3布置在堆芯最外层包覆由燃料组件1和控制棒组件2组成的活性区，活性区燃料组件1和控制棒组件2均匀相间布置，燃料组件1由若干根燃料棒4和一层六边形状的固体慢化剂5组成，所述固体慢化剂5的材料为11b4c，布置在若干根燃料棒4的最外层。

3、具体地，一种液态金属冷却反应堆小型化设计的固体慢化剂材料布置形式，该堆芯由正六边形的燃料组件1、控制棒组件2及反射层3构成，反射层3布置在堆芯最外层包覆由燃料组件2和控制棒组件2组成的活性区，活性区均匀相间布置30个燃料组件1和7个控制棒组件2；燃料组件3由19根燃料棒4和固体慢化剂5组成，所述固体慢化剂5的材料为11b4c，布置在19根燃料棒4的最外层；燃料棒4由燃料芯块9、上端塞6、下端塞14、气隙10、上绝热层8、下绝热层12、上气腔7、下气腔13和包壳11组成。目前通常将硼砂制成硼酸后对10b进行富集，再用于制造中子吸收材料10b4c，本发明利用富集10b后剩余的11b，沿用10b4c的成熟生产工艺制成固体慢化剂材料11b4c。

4、进一步地，中空正六棱柱结构的11b4c不影响燃料组件内部结构，可单独进行更换，同时高能快中子在到达11b4c固体慢化剂5前已经与燃料棒包壳11发生非弹性散射而降低能量，在较低能区的快中子与固体慢化剂发生弹性散射成为热中子。

5、本发明中，11b4c固体慢化剂5增强了堆芯对于快中子的慢化能力，同时提高了中子反射能力、降低了堆芯中子泄漏率，提高了堆芯中子通量密度，可以降低燃料富集度/燃料装载量或者减小堆芯几何尺寸，有利于液态金属冷却反应堆的小型化和轻量化。

6、进一步地，11b来源于中子吸收材料10b4c制造过程中硼酸溶液富集10b后剩下的产物，成本低廉而且易得，化学稳定性好，具有良好的耐腐蚀性能，11b4c的生产可沿用成熟的10b4c制造技术，制造成本与制造难度低。

7、进一步地，堆芯由30个正六边形燃料组件1、7个控制棒组件2及反射层3组成。

8、进一步地，燃料组件1包含19根燃料棒4和一层中空正六棱柱结构的11b4c固体慢化剂5。

9、进一步地，相邻两个燃料组件1的中心距为91mm。

10、进一步地，11b4c固体慢化剂5内部对边距离为69.8mm，外部对边距离为86mm，高度为1900mm，相邻燃料棒4中心距为15.12mm。

11、进一步地，燃料棒4由燃料芯块9、上端塞6、下端塞14、气隙10、上绝热层8、下绝热层12、上气腔7、下气腔13、包壳11组成，其中燃料芯块9、上端塞6、下端塞14均为圆柱体。

12、进一步地，燃料芯块9由pu、tu和n组成，各核素质量分数分别为19.3%、75%和5.7%，燃料密度为10.91g/cm3，燃料芯块9半径为6mm，高为1600mm。

13、进一步地，上绝热层8、下绝热层12半径为6.1mm，上下端绝热层厚度相同，均为10mm。

14、进一步地，在燃料芯块9与包壳11之间填充氦气，内半径为6mm，外部半径6.1mm，气隙10厚度为0.1mm；在上下两端绝热层与端塞、包壳11之间填充氦气，氦气半径为6.1mm，上/下气腔高度不同，上气腔7高度为40mm，下气腔13高度为180mm。

15、进一步地，其余部分为燃料棒包壳11与上端塞6、下端塞14，包壳11厚度为2mm，上/下端塞厚度为30mm，材料为ht-9。

16、上述堆芯设计方法充分利用11b4c材料的固有特性，在保证堆芯功率、换料周期等条件下，能够显著减小堆芯尺寸和燃料装载量，有利于实现液态金属冷却反应堆小型化及轻量化。

17、与现有的技术相比，本发明的优点在于：

18、（1）、本发明所述利用11b4c作为固体慢化剂，可以有效提升中子利用率、堆芯功率，显著提高堆芯反应性，在相同堆芯功率和换料周期的情况下可以降低燃料富集度、减少燃料装载量以及减少堆芯尺寸，使得反应堆装置具有更小的临界尺寸和燃料装载量。

19、（2）、本发明所述11b4c中的11b来源于中子吸收材料10b4c制造过程中硼酸溶液富集10b后剩下的产物，成本低廉而且易得，化学稳定性好，具有良好的耐腐蚀性能，同时11b对热中子的吸收截面极小，仅有0.005靶。

20、（3）、本发明所述11b4c的同位素材料10b4c在反应堆中应用广泛，物理化学性质能够满足在环境苛刻的反应堆中长期使用，对人无毒害。