專利名稱:燃料組件和核反應(yīng)堆的制作方法
本發(fā)明涉及燃料組件和核反應(yīng)堆，特別是涉及一種適合于輕水慢化型核反應(yīng)堆的高轉(zhuǎn)換區(qū)使用的燃料組件和一種具有高轉(zhuǎn)換區(qū)的沸水反應(yīng)堆。
在輕水慢化型核反應(yīng)堆(下面稱為輕水堆)中使用核燃料的方法粗略地分為“一次通過”法和再處理或再循環(huán)法。采用“一次通過”法，輕水堆使用富集鈾，在這種方法中，從輕水堆取出的使用過的燃料棒中所含的燃料，無一不在輕水堆中重新使用或再循環(huán)。在再處理燃料的費用高于富集鈾的情況下，“一次通過”法或系統(tǒng)就燃料運轉(zhuǎn)費用來說是有利的。
利用“一次通過”法有效地使用燃料的一種方法是大大地提高從燃料組件得到的取出燃耗。為了達到高的燃耗，需要提高鈾235的富集度，但提高的鈾富集度會遇到下列問題在輕水堆堆芯的中心，由于新燃料組件的富集度高和取出燃耗大，存在中子無限增值因子差別大的燃料組件，從而產(chǎn)生單個燃料組件輸出功率份額比例的差別，并伴隨產(chǎn)生較大的輸出功率失調(diào)和增高的輸出功率峰值。其次，當富集度提高時，在燃耗初始階段必須控制的剩余反應(yīng)性也增高了。
日本專利未審公報NO.129594/1986(它有一個美國等同專利，為1985年11月21日提出申請的美國專利申請序號NO.800266，并有一個歐洲等同專利，為1986年6月11日公布的EPC已公開的申請NO.184134)展示了沸水堆和壓水堆，它們是輕水堆，具有能消除上述問題并通過高富集鈾實現(xiàn)高燃耗的堆芯。這些堆芯被用來改善可轉(zhuǎn)換燃料鈾238轉(zhuǎn)換成核裂變材料钚239的過程，進一步有效地燃燒在堆芯中產(chǎn)生的核裂變的钚和富集的鈾235，并按照一次通過法有效地利用核燃料。更具體地說，如圖1所示，堆芯1沿徑向由筒狀間隔件2劃分為兩個區(qū)域，這兩個區(qū)域的鈾原子數(shù)與氫原子數(shù)的比值彼此不同(此比值在下面稱為γH/U)。這樣一種堆芯1是由燃料組件A和燃料組件B組成的，每個燃料組件A如圖2所示具有小的比值γH/U(＝1.0)，每個燃料組件B具有大的比值γH/U(＝5.0)，這些組件A和B被裝入燃耗區(qū)。每個燃料組件A和B有許多根排列成規(guī)則三角形點陣的燃料棒3。燃料組件B裝有可燃毒物棒4。相反，燃料組件A沒有可燃毒物棒。在堆芯全壽命的前一半時間內(nèi)，燃料組件A被裝入管狀間隔件2內(nèi)部的高轉(zhuǎn)換區(qū)內(nèi)，并被重新配入燃料組件B。其后，在堆芯全壽命的后一半時間內(nèi)，燃料組件B被裝入管狀間隔件2外部的燃燒區(qū)內(nèi)。換言之，在堆芯全壽命的前一半期間，燃料組件被裝入γH/U較小而中子能譜較硬的區(qū)域(高轉(zhuǎn)換區(qū))，以便將可轉(zhuǎn)換燃料轉(zhuǎn)換成核裂變材料，而在堆芯全壽命的后一半期間，燃料組件被裝入γH/U較大而中子能譜較軟的區(qū)域(燃燒區(qū))，以便有效地燃燒核裂變材料。在這些過程期間的中子無限增殖對燃耗的依賴關(guān)系示于圖4。在裝入高度濃縮鈾燃料也就是新燃料組件的高轉(zhuǎn)換區(qū)，中子無限增殖因子是低的，而在裝入半繞過的燃料組件的燃燒區(qū)，中子無限增殖因子是高的。因此，有可能減小輸出失調(diào)和降低新燃料組件的剩余反應(yīng)性。
本發(fā)明的一個目的是提供一種燃料組件和一種核反應(yīng)堆，它們能夠減小隨空隙量的變化而產(chǎn)生的反應(yīng)性變化。
本發(fā)明的另一個目的是防止在上區(qū)中存在可燃毒物材料。
按照本發(fā)明所述，在燃料組件內(nèi)部由冷卻劑通道占據(jù)的體積Vc與由核燃料占據(jù)的體積VF的比值RF(RF＝Vc/VF)不大于1.5，并包括一種由在中子動能不大于1電子伏的中子能量區(qū)域內(nèi)具有至少一個共振能量的中子吸收核素組成的可燃毒物材料。中子動能不大于1電子伏的中子能量區(qū)域?qū)⒈环Q為熱中子能量區(qū)域，而具有熱中子能量區(qū)能量的中子將被稱為熱中子。
在體積Vc和體積VF的比值VR不大于1.5的燃料組件中，由在不大于1電子伏的中子動能區(qū)域內(nèi)具有至少一個共振能量的中子吸收核素組成的可燃毒物材料具有這樣的特征，就是當比值Rf減小時毒物材料的反應(yīng)性值大為降低。因此，在具有不大于1.5的比值R的燃料組件內(nèi)，當比值RF增高時(即空隙量是小的)，可燃毒物材料的毒物材料反應(yīng)性值增高，而當比值RF降低時，毒物材料反應(yīng)性值降低，從而使得有可能降低隨空隙率變化而產(chǎn)生的燃料組件反應(yīng)性。
在附圖中圖1是一個常規(guī)核反應(yīng)堆堆芯的截面圖;
圖2是一個被裝在圖1所示堆芯的高轉(zhuǎn)換區(qū)中的燃料組件的截面圖;
圖3是一個被裝在圖1所示堆芯的燃燒區(qū)中的燃料組件的截面圖;
圖4是表示燃耗和中子增殖因子之間關(guān)系的圖線;
圖5是表示氫原子數(shù)和鈾原子數(shù)之比與釓和硼的毒物反應(yīng)性值之間的關(guān)系的圖線;
圖6是表示空隙率和反應(yīng)性差別之間的關(guān)系的圖線;
圖7是表示冷卻狀態(tài)和操作狀態(tài)之間的反應(yīng)性差別相對于含釓燃料棒數(shù)目與燃料棒總數(shù)之比的變化的圖線;
圖8是表示釓的反應(yīng)性截面按照中子能量而變化的圖線;
圖9是表示一個按照本發(fā)明最佳實施例所述的燃料組件的縱向剖面圖;
圖10是沿圖9X-X線截取的截面圖;
圖11是表示一個裝入了圖9所示燃料組件的沸水堆的縱向剖面圖;
圖12和圖15是表示按照本發(fā)明其它實施例所述的燃料組件的縱向剖面圖;
圖13是沿圖12的ⅩⅢ-ⅩⅢ線截取的截面圖;
圖14是沿圖12的ⅩⅣ-ⅩⅣ線截取的截面圖;
圖16是沿圖15的ⅩⅥ-ⅩⅥ線截取的截面圖;
圖17是表示圖16所示燃料棒的縱向剖面圖。
本發(fā)明是在詳細研究了轉(zhuǎn)讓給本受讓人的上述日本專利未審公報NO.125959/1986的圖16(美國等同專利或歐洲等同專利的圖16)所示的沸水堆的特征的基礎(chǔ)上完成的。研究結(jié)果清楚表明，上述每個具有高轉(zhuǎn)換區(qū)和圍繞高轉(zhuǎn)換區(qū)的燃燒區(qū)的沸水堆會遇到下述問題。在沸水堆中，被用作冷卻劑和慢化劑的輕水流入堆芯下部，從而從裝入堆芯的燃料組件除去熱量。在這一過程中，輕水從非沸騰狀態(tài)轉(zhuǎn)入沸騰狀態(tài)。人們發(fā)現(xiàn)，在這一過程中存在一個問題，就是隨著裝了網(wǎng)狀燃料組件的高轉(zhuǎn)換區(qū)中輕水的密度變化而產(chǎn)生的反應(yīng)性變化，要大于常規(guī)沸水堆中的反應(yīng)性變化。同時，人們也發(fā)現(xiàn)，上述日本專利公報中提出的反應(yīng)堆的操作狀態(tài)和冷卻停止狀態(tài)之間的反應(yīng)性差別要大于常規(guī)反應(yīng)堆的反應(yīng)性差別。
本發(fā)明人進行了各種各樣研究，以便克服上述問題或困難，特別是，本發(fā)明是在發(fā)明人研究了在燃料組件被裝入沸水堆的狀態(tài)中在可燃有毒條件下可燃毒物材料的行為的基礎(chǔ)上完成的。本發(fā)明將在這些研究的基礎(chǔ)上說明。
硼(B)和釓(Gd)在常規(guī)沸水堆中用作典型的可燃毒物材料。在常規(guī)沸水堆中，使用可燃毒物材料以抑制剩余反應(yīng)性。也就是，使用毒物材料以便在燃料周期的初始階段抑制新燃料組件的剩余反應(yīng)性。
圖5表示對應(yīng)于燃料組件內(nèi)氫原子數(shù)與鈾原子數(shù)之比的硼釓毒物反應(yīng)性值。在常規(guī)的沸水堆中，在燃料組件內(nèi)在有效的燃料長度上沿燃料組件軸向每單位長度中冷卻劑通道占據(jù)的體積Vc與核燃料占據(jù)的體積V之比大于1.5(按照氫原子數(shù)與鈾原子數(shù)之比為3.0)。例如，日本專利未審公報74689/1982(對應(yīng)于1984年6月13日提出申請的美國專利申請620020)展示一種冷卻劑通道截面區(qū)域與燃料截面區(qū)域之比(它也是比值R)為1.71的燃料組件(見該公報第2頁左下欄第15和16行)，以及一種截面之比為1.9或1.9以上的燃料組件(見該公報第1頁左欄第9和10行)。如從圖5中明顯可見，在常規(guī)的沸水堆中，如果使用硼和釓，盡管空隙變化，毒物反應(yīng)性值仍然保持恒定。換言之，即使由慢化輕水(它也被用作冷卻劑)產(chǎn)生空隙而引起慢化劑密度變化，或操作狀態(tài)和冷卻停止狀態(tài)之間的溫度差發(fā)生變化，毒物反應(yīng)性值的可變范圍仍然很小。
相反，在比值RF不大于1.5的場合(也就是氫原子數(shù)與鈾原子數(shù)之比不大于3)，毒物反應(yīng)性值的變化硼和釓之間是大不相同的。在硼的場合下，即使比值RF不大于1.5，毒物反應(yīng)性值變化仍如常規(guī)沸水堆中一樣小，而在釓的場合下，如果比值RF不大于1.5，則如圖5中所示，毒物反應(yīng)性值變化是大的，其毒物反應(yīng)性值顯著減小。也就是，當慢化材料的密度變化時，由釓控制的反應(yīng)性大大變化，在氫原子數(shù)與鈾原子數(shù)之比不大于3.0的場合，當氫與鈾的原子數(shù)之比很小時(即比值RF很小時)，釓引起的毒物反應(yīng)性值很小，而當氫與鈾的原子數(shù)之比大時(即比值RF大時)，釓引起的毒物反應(yīng)性值也是大的。這意味著，當不產(chǎn)生孔隙和當反應(yīng)堆處于冷卻停止狀態(tài)時，由釓控制的反應(yīng)性是大的，而當空隙率大時，由釓控制的反應(yīng)性是小的。當比值RF不大于1.3時(也就是氫原子數(shù)與鈾原子數(shù)之比不大于2.6時)，這樣一種效果是明顯的。因此，最好將比值RF保持在1.3或1.3以下。
圖6表示當比值RF為1.2時含釓的燃料組件和不含釓的燃料組件之間的反應(yīng)性差別。如圖6中明顯可見，當空隙率為70%時獲得的反應(yīng)性差別大約為當空隙率為0%時獲得的反應(yīng)性差別的一半。如前所述，在比值RF不大于1.5的條件下在燃料組件中含釓的場合下，在空隙率為0%的狀態(tài)和空隙率為70%的狀態(tài)之間的反應(yīng)性差別是小的。因此，相對于燃料組件的軸向，具有低空隙率的燃料組件下部和具有高空隙率的燃料組件上部之間的反應(yīng)性差別是小的。結(jié)果，沿燃料組件軸向的輸出分布是均勻的。其次，當沸水堆處于冷卻停止狀態(tài)下時，堆芯內(nèi)不產(chǎn)生空隙，而氫原子數(shù)與鈾原子數(shù)的比值大于當沸水堆以0%的空隙率操作時獲得的比值。因此，由釓所控制的反應(yīng)性要大得多。由于這一原因，沸水堆的操作狀態(tài)和冷卻停止狀態(tài)之間的反應(yīng)性差別是很小的，從而增大了反應(yīng)堆的停止剩余容量。
圖7表示相對于燃料組件內(nèi)含釓燃料棒比率的沸水堆操作狀態(tài)和冷卻狀態(tài)之間的反應(yīng)性差別。當釓增加到全部燃料棒的10%時，沸水堆操作狀態(tài)和冷卻狀態(tài)之間的反應(yīng)性差別可以減小25%。
如上所述的作為毒物材料的硼和釓之間的特征差別，歸因于這兩種材料的中子反應(yīng)截面相對于中子吸收核素的中子能量而產(chǎn)生的變化的差別。沸水堆中毒物材料的效果依賴于熱中子能量區(qū)域中(也就是在1電子伏或1電子伏以下的中子能量條件下)中子吸收核素的反應(yīng)截面的變化曲線。
圖8表示釓的熱中子區(qū)中的反應(yīng)截面。如從圖8明顯可見，當中子能量超過0.03ev時，釓的反應(yīng)截面的下降率突然增加。這是由釓在0.03ev的中子能量位置上存在共振能量所引起的。相反，在硼的場合下，在熱中子能量區(qū)域內(nèi)不存在共振能量，因而將不出現(xiàn)上述情況，如圖5中所示，在γH/U小于1.5時，硼的毒物反應(yīng)性值突然下降。這一現(xiàn)象是由燃料的效果引起的，不是由共振引起的。這種由于中子能量而引起的反應(yīng)截面的差別會引起毒物材料效果的差別。在熱中子能量區(qū)域內(nèi)具有共振能量的中子吸收核素除釓(Gd)以外還可包括鎘(Cd)、釤(Sm)、鉭(Ta)等。這些材料的中子吸收核素可以保證具有與釓相同的效果。
現(xiàn)在說明基于上述研究的本發(fā)明的最佳實施例。
一個按照本發(fā)明的一種實施例所述的裝在沸水型核反應(yīng)堆堆芯中的高轉(zhuǎn)換區(qū)(該處比值RF不大于1.5)內(nèi)的燃料組件，將參考圖9和圖10來加以說明。
一個按照最佳實施例所述的燃料組件A1包括許多根燃料棒15、控制棒導(dǎo)管25、一塊下固定板16、一塊上固定板17和定位構(gòu)架18。參考編號21表示一個手柄。燃料棒15分為燃料棒15A、15B和15C三種類型。燃料棒15A至15C分別具有富鈾燃料芯塊。含可燃毒物材料釓的氧化釓(Gd2O3)只混合在燃料棒15B的燃料芯塊中。燃料棒15A或15C不含釓。燃料棒15C被用作使上固定板17和下固定板16彼此連接的連結(jié)棒。上固定板17和下固定板16具有規(guī)則的六角形。燃料棒15A、含釓的燃料棒15B和控制棒導(dǎo)管25被分別支承于下固定板16和上固定板17的相對端部上。下固定板16具有一個圓筒形部分16A，該圓筒形部分16A通過徑向配置的連接板16B連接到外圓筒形部分16C上。手柄21被安裝在上固定板17的連接板17A上。一些燃料棒15被用來起連結(jié)棒15C的作用。連結(jié)棒15C的相對的端部可以穿過上固定板17和下固定板16。每根連結(jié)棒15C的下端上安裝了一個螺母19。一個緊固螺母20被固定到連結(jié)棒15C的上端。
燃料棒15和控制棒導(dǎo)管25由定位架18聚集成管束。燃料棒15的棒束受到安裝在上固定板17上的通道箱22的包圍。通道箱22防止用作慢化劑和冷卻劑的輕水的沸騰所產(chǎn)生的空隙沿側(cè)向浮動(朝向堆芯內(nèi)鄰近的燃料組件)。在實施例中，120根燃料棒15中的12根為含2.5(重量)%釓的燃料棒15B。每根燃料棒15B的釓濃度在燃料棒15B的整個有效長度部分上(即燃料芯塊填充區(qū)的軸向長度上)是均勻的。燃料棒15B的燃料有效長度部分的軸向長度等于燃料組件A1中其它燃料棒15的實際長度。在實施例的燃料組件A1中，輕水即冷卻劑流過的冷卻劑通道所占據(jù)的體積Vc與核燃料所占據(jù)的體積VF之比RF為1.2。此時，上述體積用燃料組件每單位軸向長度的體積來表示。每根燃料棒15的富集度為b(重量)%，并在整個燃料有效長度部分上保持均勻。如此構(gòu)造的燃料組件A1的燃耗為零，并被首先裝入核反應(yīng)堆堆芯中。輕水可以在通道箱22內(nèi)穿過下固定板16在相鄰的燃料棒之間流動，并從上固定板17流出。
在堆芯中裝入如此構(gòu)造的燃料組件A1并具有堆芯高轉(zhuǎn)換區(qū)(該處比值RF不大于1.5)的沸水堆中，在操作狀態(tài)下沿燃料組件軸向會產(chǎn)生一個空隙分布，使得空隙率在燃料組件A1的下部為0%，而空隙率在燃料組件A1的上端部約為70%。由于空隙的存在，燃料組件A1的上下部分之間會存在中子無限增殖因子的差異，而在燃料組件A1的下部會產(chǎn)生輸出峰。但是，在按照圖示實施例所述的燃料組件A1中，由于比值RF很小和包含了釓，具有低空隙率的燃料組件A1的下部中釓的反應(yīng)性值大到為其上部的3.0倍。由于這個原因，燃料組件A1的上下部分之間中子無限增殖因子的差別很小，因此有可能沿燃料組件A1的軸向使輸出分布均勻。這樣，按照本發(fā)明的實施例，有可能通過改變釓的反應(yīng)性因子來使沿軸向的輸出分布均勻，而不需要使用如美國專利4339258中所示的沿燃料組件軸向的富集分布的特殊技術(shù)。
在堆芯中裝入了燃料組件A1并具有堆芯高轉(zhuǎn)換區(qū)的沸水堆中，在冷卻狀態(tài)下在堆芯的高轉(zhuǎn)換區(qū)內(nèi)空隙將會消失。因此，在冷卻狀態(tài)下，與操作狀態(tài)相比，受釓控制的反應(yīng)性增高了。這樣，反應(yīng)堆停止剩余容量增大。與沸水堆堆芯的高轉(zhuǎn)換區(qū)中裝入已除去氧化釓的燃料組件A1的場合相比較，有可能使沸水堆的冷卻狀態(tài)和操作狀態(tài)之間的反應(yīng)性差別減小約35%，并如前所述根據(jù)含氧化釓的燃料組件顯著地改善反應(yīng)堆的停止剩余容量。
圖11表示一個裝入了上述燃料組件A1的沸水堆實施例。按照實施例所述的沸水堆50裝有一個核反應(yīng)堆壓力容器51，其頂部被一個密封蓋52緊密地封閉。在反應(yīng)堆壓力容器51中安裝了一個堆芯圍筒53。堆芯圍筒53的頂端上安裝了一個蒸汽分離器54，而在蒸汽分離器54的上部安置了一個干燥器55。在堆芯圍筒53中安裝了一個下堆芯支承板56和一個上堆芯支承板57。裝入堆芯58的燃料組件A1和燃料組件B1的上段和下段分別受下堆芯支承板56和上堆芯支承板57的支承。在下堆芯支承板56和上堆芯支承板57之間安裝了一個圓筒形間隔件62。間隔件62可以將堆芯58沿徑向分隔為中心區(qū)59和外圍區(qū)60。燃料組件A1被裝入中心區(qū)(高轉(zhuǎn)換區(qū))59，而燃料組件B1被裝入外圍區(qū)(燃燒區(qū))60。在燃料組件B1中，通過將燃料棒15的數(shù)目減少到燃料組件A1的燃料棒數(shù)目的一半的辦法使比值RF提高到約2.5。如圖3所示在燃料組件B的情況下，燃料組件B1包括含氧化釓(可燃毒物材料)的燃料棒4，以抑制剩余反應(yīng)性。兩個燃料組件B1是通過重新裝配從中心區(qū)59拆下的單個燃料組件A1而制成的。燃料棒4是在裝配燃料組件B1時為燃料組件B1新裝設(shè)的。在燃料組件B1中也裝設(shè)了許多根控制棒導(dǎo)管25。參考編號65表示一個噴射泵，它用來給堆芯58提供作為慢化劑和冷卻劑的輕水。
在實施例的中心區(qū)59中，沿堆芯軸向每單位長度的比值RF為1.2，而在實施例的外圍區(qū)中，沿堆芯軸向每單位長度的比值RF為2.5。在裝入中心區(qū)59的相鄰燃料組件A1之間或裝入外圍區(qū)60的相鄰燃料組件B1之間，基本上沒有氣體或沒有輕水。如果想要在燃料組件之間特別是在高轉(zhuǎn)換區(qū)內(nèi)即中心區(qū)59內(nèi)形成水隙，就必須在設(shè)計燃料組件時確定燃料組件A1內(nèi)部的比值RF和燃料組件A1之間的水隙寬度，使得比值RF1不大于1.5，或者最好是1.3。比值RF1是高轉(zhuǎn)換區(qū)內(nèi)沿軸向每單位長度上由冷卻劑通道占據(jù)的體積Vc1與由核燃料占據(jù)的體積VF1的比值Vc1/VF1。
在反應(yīng)堆壓力容器51底部的鏡部上固定了一個控制棒驅(qū)動機構(gòu)(未圖示)?？刂瓢魧?dǎo)管63裝設(shè)在反應(yīng)堆壓力容器51內(nèi)，并同時安裝在控制棒驅(qū)動機構(gòu)上方的通過控制棒驅(qū)動機構(gòu)的延伸線上?？刂瓢?4的下端可拆式地連接在控制棒驅(qū)動機構(gòu)上?？刂瓢?4是棒束型的，例如如圖7所示的日本專利未審公報129594/1986中的那種棒束型?？刂瓢?4可以在控制棒導(dǎo)管63內(nèi)上下移動。控制棒64裝設(shè)的比例為每三個燃料組件A1和B1裝設(shè)一根控制棒64。每根控制棒64的吸收棒向上延伸。從下部起，每根控制棒64的吸收棒被插入安置在中心區(qū)59或外圍區(qū)60中的燃料組件A1或B1的控制棒導(dǎo)管63中，或從導(dǎo)管63中移出。
當裝入中心區(qū)59中的燃料組件A1達到極限燃耗Ea時(見圖4)，裝配入燃料組件A1的燃料棒15就被從燃料組件中移去，并被用作燃料組件B1的組成棒。而后，組成燃料組件B1的燃料棒15被裝入比值RF較大的外圍區(qū)，并連續(xù)地燃燒到燃耗Eb。
在一個四燃料周期期間，裝入中心區(qū)59的燃料組件A1和裝入外圍區(qū)60的燃料組件B1存在于各自的區(qū)域中。每個燃料組件A1中所含的釓量在第一燃料周期內(nèi)被耗盡，而中心區(qū)59中四分之一的燃料組件A1在完成第一燃料周期操作后被新的燃料組件A1(含釓)所替換。因此，中心區(qū)中四分之一的燃料組件A1含有釓。有必要替換燃料，使含釓的燃料組件均勻地排列在中心區(qū)59中。同樣，燃料組件B1的釓量是這樣選擇的，使得它在一個燃料周期期間耗盡，而燃料組件B1如燃料組件A1的情況下一樣地被新的燃料組件所替換。如果需要，燃料組件A1內(nèi)的釓量可以調(diào)整到在第二燃料周期期間耗盡。
在與上述實施例相應(yīng)的沸水型核反應(yīng)堆中，在中心區(qū)即高轉(zhuǎn)換區(qū)59中沿軸向的輸出分布被設(shè)計成均勻的，而由于冷卻狀態(tài)和操作狀態(tài)之間反應(yīng)性差別的縮小，反應(yīng)堆停止剩余容量被大大地改善了。這些效果歸因于這一事實，就是存在輕水的高轉(zhuǎn)換區(qū)的比值RF不大于1.5，并且在這一高轉(zhuǎn)換區(qū)中存在釓。最好高轉(zhuǎn)換區(qū)的RF不大于1.3。為了滿足這一條件，有可能大大增強可由釓量獲得的效果。
現(xiàn)在參考圖12至圖14來說明被裝入高轉(zhuǎn)換區(qū)(該處比值R不大于1.5)的燃料組件的另一實施例。在按照實施例所述的燃料組件A2中，包括b根燃料棒15D，每根具有比其它燃料棒15A至15C為短的燃料有效長度部分，以減小燃料組件A2內(nèi)的壓力損失。每根燃料棒15D的上端位于從燃料組件A2的燃料有效長度部分的下端到燃料組件A2的燃料有效長度部分總長的三分之一。燃料棒15B的總數(shù)為6根，而燃料棒15B和15D每根包含2.5(重量)%的氧化釓。氧化釓濃度在燃料棒15B和15D的燃料有效長度部分的整個長度上保持恒定。燃料棒15A至15D的富集度在燃料有效長度部分的整個長度上保持為6(重量)%的恒定值。在這樣一種燃料組件A2中，下部(在截面ⅩⅢ-ⅩⅢ處)的燃料棒15的數(shù)目為120，而上部(在截面ⅩⅣ-ⅩⅣ處)的燃料棒15的數(shù)目為114。在存在燃料棒15D的燃料組件A2的下部沿軸向每單位長度的比值RF為1.20，在不存在燃料棒15D而燃料棒15的總數(shù)較小的燃料組件A2的上部比值RF為1.35。這個實施例保證具有圖9所示實施例中獲得的同樣效果。此外，圖12至圖14所示的實施例可以擁有下述優(yōu)點。就是，與不使用具有燃料有效長度部分的燃料棒15D的情況相比，燃料組件A2上部的平均空隙率是小的，同時沿軸向的輸出分布比不使用燃料棒15D的場合要更為均勻。按照本實施例所述的燃料組件A2的可燃毒物材料的含量是由下述概念確定的。如前所述，一種含有在等于或小于0.1電子伏的中子能量區(qū)中具有至少一個共振能量的中子吸收核素的可燃毒物材料，在慢化劑量大的情況下具有高的反應(yīng)性，而在慢化劑小的情況下具有低的反應(yīng)性。也就是，在比值RF等于或小于1.5的條件下，在沸水堆正常操作狀態(tài)下空隙率很小的燃料組件下部中，可燃毒物材料具有反應(yīng)性控制效應(yīng)，但這一控制效應(yīng)在燃料組件的上部是小的。這一現(xiàn)象被用來確定燃料組件A2下部中可燃毒物材料的量，以便獲得在操作狀態(tài)下更為均勻的輸出分布。另一方面，因為在沸水堆的冷卻狀態(tài)下不存在空隙分布，所以燃料組件的可燃毒物材料的量，特別是燃料組件上部的钚累積量，增高了。因而測定燃料組件上部的可燃毒物材料的量是重要的。因此，測定了燃料組件上部的可燃毒物材料的量，使得反應(yīng)堆停止剩余容量可以滿足設(shè)計標準。在這樣的基本概念的基礎(chǔ)上，在圖12所示的實施例中，12根含氧化釓的燃料棒(燃料棒15B和15D)被配置在燃料組件下部，以使輸出分布均勻，而至少6根含氧化釓的燃料棒被配置在燃料組件的上部，以產(chǎn)生令人滿意的反應(yīng)堆停止剩余容量。
現(xiàn)在參考圖15至圖17來說明按照本發(fā)明又一種實施例所述的燃料組件。圖15所示的燃料組件A3的外觀與圖9所示的燃料組件A1的外觀相同。按照本實施例所述的燃料組件A3使用12根含氧化釓的燃料棒15E，代替燃料組件A1的12根含氧化釓的燃料棒15B。燃料組件A3的其它結(jié)構(gòu)與燃料組件A1相同。現(xiàn)在參考圖17說明本實施例中使用的燃料棒15E的細部結(jié)構(gòu)。燃料棒15E有一根兩端用上端塞31A和下端塞31B封住的密封管30，密封管填充了兩種燃料芯塊32和33。燃料芯塊32和33是用燒結(jié)二氧化鈾制成的，每個芯塊的富集度為6(重量)%。每個燃料芯塊32和33含氧化釓。燃料芯塊32的氧化釓濃度為2(重量)%，而燃料芯塊33的氧化釓濃度為3(重量)%。在燃料棒15E中，燃料芯塊33從燃料棒15E的燃料有效長度部分的下端裝到相應(yīng)于整個燃料有效長度部分一半的位置(在下部)，而燃料芯塊32從一半位置裝到燃料有效長度部分的上端(在上部)。在圖17中，L1表示燃料有效長度部分的總長度，L2表示相應(yīng)于燃料有效長度部分的總長度的一半。上下部分的氧化釓濃度沿每個部分的軸向保持恒定，在燃料棒15E內(nèi)部的燃料有效部分上端的上方形成一個充氣室35。在這個室35中安置了一個壓下燃料芯塊的卷簧34。燃料棒15A除了芯塊不包含氧化釓的特性外，其結(jié)構(gòu)與圖17所示的燃料棒15E相同。燃料棒15A的燃料有效長度部分的長度與燃料棒15E的相等，這些燃料棒在燃料有效長度部分的總長度上具有6(重量)%的恒定濃度。
如上所述，氧化釓的反應(yīng)性在具有大空隙率的燃料組件上部是小的。因此，如果氧化釓沿燃料組件的軸向均勻配置，就存在氧化釓的燃燒在燃料組件的上部中慢下來的趨勢。在燃耗已經(jīng)顯露的階段，如果可燃毒物材料僅僅留在燃料組件上部，燃料組件上下部之間的反應(yīng)性差別由于燃料組件上部的反應(yīng)性抑制效應(yīng)而增大，造成輸出峰值沿軸向的增高?？紤]到此種狀況，按照本實施例所述，燃料組件上部的氧化釓濃度做成小于燃料組件下部的氧化釓濃度，使得氧化釓的殘留時間在燃料組件的上下部分之間保持恒定。利用這一種結(jié)構(gòu)，有可能保證如圖12所示的實施例的效果，同時減小燃料組件上下部分之間的空隙反應(yīng)性的差別，并消除燃料組件上部中可燃毒物材料的殘余量。
按照本實施例，燃料組件上部中每根含有可燃毒物材料的燃料棒的數(shù)目與燃料組件下部的相同。但是，通過如圖12所示實施例的情況下根據(jù)上下部分各自所需的反應(yīng)性控制量來使用燃料棒15的辦法，可以適應(yīng)燃料組件上下部分之間含可燃毒物材料的燃料棒數(shù)目彼此不同的情況。
在上述實施例中，釓被用作可燃毒物材料，但也可以不用釓，而使用其它的中子吸收核素，也就是Cd、Sm、Ta來獲得同一效果。
在圖12和圖15所示的實施例中，可以將各自相應(yīng)的燃料組件A2和A3裝入圖11所示的中心區(qū)即高轉(zhuǎn)換區(qū)中，來代替燃料組件A1。
同樣，堆芯可以由燃料組件A1、A2和A3組成，它不但可以構(gòu)成具有高轉(zhuǎn)換區(qū)和燃燒區(qū)的沸水堆，也可以構(gòu)成僅有高轉(zhuǎn)換區(qū)的高轉(zhuǎn)換型沸水堆。
在上述實施例中，可燃毒物材料是以燃料芯塊添加物的形式使用的。但是，可燃毒物材料可以被用來加入到除水劑中，以減少燃料組件內(nèi)部的慢化劑量，或是被用來加入到固體慢化劑棒中，以使燃料組件內(nèi)的慢化效應(yīng)均勻。此時，核燃料和可燃毒物材料彼此分離，以進一步增強燃料組件的安全性。
在與上述實施例相應(yīng)的各個燃料組件中，燃料組件本身的比值RF不大于1.5，而燃料組件被裝入比值不大于1.5的堆芯區(qū)中，從而使得能夠完成由在等于或小于1電子伏的中子能量區(qū)中具有至少一個共振能量的中子吸收核素所組成的可燃毒物材料的功能，也就是如前所述對應(yīng)于空隙率的反應(yīng)性控制的功能。同樣，在上述組件A1、A2和A3中，在將核燃料裝入堆芯時使用富集的二氧化鈾作核燃料，但钚不是富集的。
按照本發(fā)明所述，有可能減小隨空隙率變化而產(chǎn)生的反應(yīng)性的差別，并且有可能增大反應(yīng)堆停止剩余容量。
權(quán)利要求
1.一種被裝入反應(yīng)堆堆芯的燃料組件，其特征是它包括許多根填充了核燃料的燃料棒，一對固定每根上述燃料棒兩端用的上下固定板，以及在上述燃料棒之間形成的冷卻劑液流通道，冷卻劑從上述燃料組件的下部流到上部，在上部中產(chǎn)生空隙，在上述燃料組件內(nèi)部比值Vc/VF不大于1.5，此處Vc是沿燃料組件軸向每單位長度的冷卻劑液流通道所占據(jù)的體積，VF是每單位長度的核燃料所占據(jù)的體積，而一部分燃料棒包含由在1電子伏或小于1電子伏的中子能量區(qū)域內(nèi)具有至少一個共振能量的中子吸收核素構(gòu)成的可燃毒物材料。
2.如權(quán)利要求
1所述的燃料組件，其中上述中子吸收核素包括從釓、鎘、釤、鉭組成的一組核素中選定的一種。
3.如權(quán)利要求
1所述的燃料組件，其中上述比值Vc/VF不大于1.3。
4.如權(quán)利要求
1所述的燃料組件，其中上述核燃料是鈾。
5.一種被裝入反應(yīng)堆堆芯的燃料組件，其特征是它包括許多根填充了核燃料的燃料棒，一對固定每根上述燃料棒兩端用的上下固定板，以及在上述燃料棒棒之間形成的冷卻劑液流通道，冷卻劑從上述燃料組件的下部流到上部，在上部中產(chǎn)生空隙，在上述燃料組件內(nèi)部比值Vc/VF不大于1.5，此處Vc是沿燃料組件軸向每單位長度的冷卻劑液流通道所占據(jù)的體積，一部分燃料棒包含由在1電子伏或小于1電子伏的中子能量區(qū)域內(nèi)具有至少一個共振能量的中子吸收核素構(gòu)成的可然毒物材料，而在包含上述可燃毒物材料的燃料棒中，上述可燃毒物材料被包含在上述燃料棒的填充了上述核燃料的區(qū)域的整個軸向長度內(nèi)。
6.如權(quán)利要求
5所述的燃料組件，其中上述中子吸收核素包括從釓、鎘、釤、鉭組成的一組核素中選定的一種。
7.如權(quán)利要求
5所述的燃料組件，其中上述比值Vc/VF不大于1.3。
8.一種被裝入反應(yīng)堆堆芯的燃料組件，其特征是它包括許多根填充了核燃料的燃料棒，一對固定每根上述燃料棒兩端用的上下固定板，以及在上述燃料棒之間形成的冷卻劑液流通道，冷卻劑從上述燃料組件的下部流到上部，在上部中產(chǎn)生空隙，在上述燃料組件內(nèi)部比值Vc/VF不大于1.5，此處Vc是沿燃料組件軸向每單位長度的冷卻劑液流通道所占據(jù)的體積，VF是每單位長度的核燃料所占據(jù)的體積，一部分燃料棒包含由在1電子伏或小于1電子伏的中子能量區(qū)域內(nèi)具有至少一個共振能量的中子吸收核素構(gòu)成的可燃毒物材料，而包含上述可燃毒物材料的燃料棒包括第一燃料棒和具有比上述第一燃料棒更短的軸向長度的第二燃料棒。
9.如權(quán)利要求
8所述的燃料組件，其中上述第一燃料棒具有一個核燃料填充區(qū)，其軸向長度等于包含上述核燃料但不包含可燃毒物材料的其它燃料棒內(nèi)的核燃料填充區(qū)的軸向長度。
10.如權(quán)利要求
9所述的燃料組件，其中上述第一燃料棒在上述燃料填充區(qū)的整個軸向長度上包含上述可燃毒物材料。
11.如權(quán)利要求
8所述的燃料組件，其中上述中子吸收核素包括從釓、鎘、釤、鉭組成的一組核素中選定的一種。
12.如權(quán)利要求
8所述的燃料組件，其中上述比值Vc/VF不大于1.3。
13.一種被裝入反應(yīng)耗耗芯的燃料組件，其特征是它包括許多根填充了核燃料的燃料棒，一對固定每根上述燃料棒兩端用的上下固定板，以及在上述燃料棒之間形成的冷卻劑液流通道，冷卻劑從上述燃料組件的下部流到上部，在上部中產(chǎn)生空隙，在上述燃料組件內(nèi)部比值Vc/VF不大于1.5，此處Vc是沿燃料組件軸向每單位長度的冷卻劑液流通道所占據(jù)的體積，VF是每單位長度的核燃料所占據(jù)的體積，一部分燃料棒包含由在1電子伏或小于1電子伏的中子能量區(qū)域內(nèi)具有至少一個共振能量的中子吸收核素構(gòu)成的可燃毒物材料，而包含上述可燃毒物材料的每根燃料棒分為上區(qū)和下區(qū)，下區(qū)中的上述可燃毒物材料的含量大于上區(qū)中上述可燃毒物材料的含量。
14.如權(quán)利要求
13所述的燃料組件，其中上述包含上述可燃毒物材料的燃料棒在核燃料填充區(qū)的整個軸向長度上包含上述可燃毒物材料，而包含可燃毒物材料的燃料棒的上述核燃料填充區(qū)的軸向長度等于其它燃料棒的軸向長度。
15.如權(quán)利要求
13所述的燃料組件，其中上述中子吸收核素包括從釓、鎘、釤、鉭組成的一組核素中選定的一種。
16.如權(quán)利要求
13所述的燃料組件，其中上述比值Vc/VF不大于1.3。
17.一種具有包括一個高轉(zhuǎn)換區(qū)的反應(yīng)堆堆芯的反應(yīng)堆，在高置換區(qū)中有許多個燃料組件，每個組件包括許多根填充了核燃料的燃料棒，在高轉(zhuǎn)換區(qū)中冷卻劑可以從下部流到上部，上部中產(chǎn)生空隙，上述反應(yīng)堆包括一種改進，就是在上述高轉(zhuǎn)換區(qū)中比值Vc1/VF1不大于1.5，此處Vc1是沿上述高轉(zhuǎn)換區(qū)軸向每單位長度的冷卻劑液流通道所占據(jù)的體積，VF1是每單位長度的核燃料所占據(jù)的體積，裝在上述高轉(zhuǎn)換區(qū)中的每個上述燃料組件包括上述燃料棒，一對固定上述燃料棒的兩端用的上下固定板，以及在上述燃料棒之間形成的冷卻劑液流通道，在上述燃料組件內(nèi)部比值Vc/VF不大于1.5，此處Vc是沿燃料組件軸向每單位長度的冷卻劑液流通道所占據(jù)的體積，VF是每單位長度的核燃料所占據(jù)的體積，而一部分燃料棒包含由在1電子伏或小于1電子伏的中子能量區(qū)域內(nèi)具有至少一個共振能量的中子吸收核素構(gòu)成的可燃毒物材料。
專利摘要
一種由包含核燃料和可燃毒物材料的第一燃料棒與包含核燃料但不含可燃毒物材料的第二燃料棒組成的燃料組件。燃料組件被裝入沸水型核反應(yīng)堆的高轉(zhuǎn)換區(qū)和周圍的燃燒區(qū)內(nèi)。在燃料組件內(nèi)比值V
文檔編號G21C3/30GK87105267SQ87105267
公開日1988年2月17日 申請日期1987年8月1日
發(fā)明者森本裕一, 丸山博見, 青山肇男, 瑞慶監(jiān)篤, 別所泰典, 石井佳彥, 藤村幸治, 內(nèi)川貞夫 申請人:株式會社日立制作所導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan