CN101632132A - 包括具有两种钆含量的棒的压水式核反应堆用组件 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于压水式核反应堆的燃料组件(1)，该组件包括具有第一钆质量含量的第一核燃料棒(15)和具有第二钆质量含量的第二核燃料棒(17)。该第二含量大于该第一含量。该第一质量含量严格地大于2％。

Description

包括具有两种钆含量的棒的压水式核反应堆用组件
本发明涉及用于压水式核反应堆的燃料组件，该组件包括具有第一钆质量含量的第一核燃料棒和具有第二钆质量含量的第二核燃料棒，该第二含量大于该第一含量。
钆是一种中子毒物，当它在核燃料组件中使用时起到两个作用。
首先，由于它吸收中子，因此它可以降低堆芯在全部或部分换装新燃烧组件之后的初始反应性。钆的逐渐消失补偿燃料的逐渐消耗。
其次，通过在核反应堆堆芯中使用适当分布的含钆燃料组件，可以使功率的径向分布更加规律，并且这贯穿于换料之前的堆芯的整个运行周期中。
最初，人们使用其中毒物棒均具有相同的氧化钆(Gd2O3)质量含量(通常为5％-12％)的核燃料组件。
不过已经发现，对于长持续时间的使用周期来说，尤其是对于大于18个月或24个月的使用周期来说，这种组件无法实现对堆芯的令人满意的管理。
文献EP-0799484则提出了一种具有两种不同氧化钆质量含量的组件。该文献利用了下面的事实，也即一旦含量超过大约1％，由钆提供的初始抗反应性并不与其含量成比例，而是随着含量非常缓慢地增加。
这个文献因而教导了使用具有0.5％-2％的第一氧化钆质量含量的第一种棒和具有5％-12％的第二质量含量的第二种棒。第一种棒可以令人满意地降低初始反应性。而且，由于其低含量，其抗反应性从反应堆周期开始起非常快速地下降，使得第一种棒在该周期余下的时间内并不妨碍功率的径向分布，而该分布由第二毒物棒控制。
不过已经发现，这种燃料组件在特别长的使用周期中无法使得堆芯得到完全令人满意的管理。
尤其是，这种组件导致绝对值非常小的慢化剂的负温度系数。
需要回顾的是，这个系数衡量慢化剂(也即在反应堆的一回路中循环的冷却水)在堆芯中温度升高时吸收中子的能力的提高。可以说这个系数衡量堆芯自身停堆的能力。
另外，已经发现，径向功率峰值因数Fxy可以在该周期的过程中升高至高于其初始值(也即其在该周期开始时的值)。
需要回顾的是，该径向功率峰值因数Fxy是由堆芯中的棒发出的最大功率与堆芯中的棒发出的平均功率之间的比值。这个因数衡量在堆芯中的棒之间存在的功率的不平衡。
这种因数Fxy提高至高于其初始值的情况使得对反应堆操作者的管理约束复杂化，为了更加舒适，反应堆操作者希望在该周期开始时达到该最大不平衡。
本发明的目的是通过更安全更简单地管理压水式核反应堆的堆芯来解决这些问题。
为此，本发明提供一种用于压水式核反应堆的燃料组件，该组件包括具有第一钆质量含量的第一核燃料棒和具有第二钆质量含量的第二核燃料棒，该第二含量大于该第一含量，该组件的特征在于该第一质量含量严格地大于2％。
根据具体的实施方案，该组件可包括下述特征中的一种或多种特征，这些特征是单独的，或者是任何可能的技术特征组合：
-该第一质量含量大于或等于2.1％，
-该第一质量含量大于或等于2.2％，
-该第一质量含量大于或等于2.5％，
-该第一质量含量大于或等于3％，
-该第一质量含量大于或等于4％，
-该第一质量含量大于或等于5％，和
-该第一质量含量大于或等于8％。
通过阅读仅仅作为实例给出并且参考了附图的以下描述可以更好地理解本发明。
-图1是表示根据本发明的第一类组件中的燃烧棒的分布的平面图，
-图2所示为在分别具有富集4.50％铀235(实线所示曲线)和3.90％铀235(虚线所示曲线)的氧化物燃料的两种组件中棒的抗反应性随着其钆含量的变化，
-图3与图1类似，表示根据本发明的第二类组件，
-图4表示在核反应堆的四分之一堆芯中的图1和3的组件的可能的分布。
图1示出了用于压水式核反应堆(PWR)的第一类组件1。
这种组件1的通用结构是常规结构，因此并未对其进行详细描述。需要简单回顾的是，组件1包括核燃料棒和支撑架，该支撑架用于在通常具有正方形底部的规则排列的节点处固定这些核燃料棒。
该支撑架包括下接头、上接头和用于连接两个接头的导管5，该导管5用于容纳控制核反应堆堆芯运行的棒束的棒。
该支撑架还包括固定核燃料棒的栅格7。这些栅格7常规地包括交错的板组，它们用于限定以规则排列的节点为中心的单元9的范围。每个单元9用于容纳燃料棒(它们中的大多数并未在图1中示出)或者导管5，中心单元9容纳仪表管11。
在图1的实例中，固定栅格7每边包括17个单元9。在其它变化形式中，该单元的数目可以是不同的，例如14x14或者15x15。
在图1中所示为空的单元9实际上容纳了无钆的核燃料棒。通常，这些燃料棒含有富集同位素235至2.5质量％的氧化铀。
除了这些非毒物燃料棒之外，燃料组件1还包括毒物核燃料棒。
更具体地，它包括4个具有第一氧化钆质量含量的第一种棒15和16个具有第二氧化钆质量含量的第二种棒17，该第二含量高于该第一含量。第一种棒15用十字叉标识，而第二种棒用阴影线标识。
正如在EP0799484中所指出并且在附图2中所示出的，含钆棒的初始效率并不随着其氧化钆质量含量的数值而线性变化。
例如，由图2可以看出，对于最初富集4.50％铀235的棒来说，由1％钆提供的抗反应性略高于500pcm(十万分之一)，而由8％钆提供的抗反应性仅仅是大约750pcm。初始钆含量以8比1的比率下降因此使得抗反应性只是以大约1.5比1的比率下降。以虚线画出的曲线示出了当使用富集3.9％的铀235时，情况也是如此。利用不同铀235富集度(例如2.5％铀235的含量)也观察到了类似的性能。
这就是为什么专利EP 0799484教导使用小于2％的第一钆质量含量的原因。
与该教导相反，这里的第一氧化钆(Gd2O3)含量是5质量％，而第二含量是10质量％。棒15和17还富集2.5质量％的铀235。
数值模拟已经显示出，图1的组件1能够使核反应堆堆芯得到更简单更可靠地控制。为此已经模拟了利用第一类组件1以及图3所示的第二类组件21装料的堆芯的运行。
与第一类组件1不同，这些组件21只包括8个棒17。棒15和17在组件21中的分布在图3中示出。
图4示出了核反应堆的堆芯23的四分之一部分，可以看到它具有4级对称性。在图4中用点划线表示两个对称轴。
因此，仅由图4本身即可推导出堆芯23的整个结构。
白色的正方形表示在该周期开始时更新的组件，并且它是第一类组件1和第二类组件21。可以看到，组件21放置在堆芯的外围。该堆芯23总共具有52个组件1和20个组件21。
略微暗的正方形表示已经经历了一个周期并且将要开始其第二个周期的组件。
更暗的正方形对应于已经经历了两个周期并且将开始其第三个且最后一个周期的组件。
堆芯23可以导致一个相对长的周期，通常为具有大约488fped(全功率等效天数)长度的周期。
在该周期开始时，径向功率峰值因数Fxy具有约1.465的数值，而慢化剂的温度系数是-3.7pcm/℃。
因数Fxy的初始数值因而特别高，并且尤其大于使用依据专利EP0799484教导的组件时的相应值。
另外，第一种棒15耗尽钆所需的时间高于在专利EP 0799484情况下的相应时间。
因而，在该周期的过程中因数Fxy的增加发生得要晚得多，并且与径向功率峰值因数Fxy的初始数值相比具有小得多的幅度。
这两个效果是由于第一种棒15中严格大于2％的第一含量而引起的，这尤其可受益于较长持续时间的第一种棒15的毒化作用。
因此，堆芯23的操作更加简单，这是因为径向功率峰值因数Fxy的最大值更确定地出现在该周期的开始时。
类似地，慢化剂的温度系数非常低，即它具有高绝对值，因而保证了在堆芯23运行时提高的安全性，而不需要在一回路中循环的冷却剂中的高初始硼浓度。
更一般地，本发明可通过使用严格大于2％，例如2.1％、2.2％、2.5％、3％、4％、5％、6％、7％、8％或者更大的数值作为第一氧化钆(Gd2O3)质量含量来实施。
已经发现，最佳的结果是利用范围在4％-6％的数值获得的。
大于第一含量的第二氧化钆(Gd2O3)含量的范围例如可以是5％-15％。它因而可以是5％、6％、7％、8％、9％、10％、11％、12％、13％、14％或者15％。
棒15和17的数目也可以不同于如上所述的数目。因而，例如可以使用包括8个棒15和12个棒17的组件1，具有8个棒15和8个棒17的组件21，非必需地使用具有8个棒15和4个棒17的其它组件。
一般地，含钆组件在堆芯23中的数目和布置可不同于图4中所示的情况。
类似地，含钆棒15和17的铀235的含量可不同于不含任何钆的棒的铀235的含量，例如可以更小一些。
更一般地，该核燃料可包括富集同位素235和/或钚的氧化铀。

Claims (8)

1.一种用于压水式核反应堆的燃料组件(1，21)，该组件包括具有第一钆质量含量的第一核燃料棒(15)和具有第二钆质量含量的第二核燃料棒(17)，该第二含量大于该第一含量，该组件的特征在于该第一质量含量严格地大于2％。
2.权利要求1的组件，其特征在于，该第一质量含量大于或等于2.1％。
3.权利要求2的组件，其特征在于，该第一质量含量大于或等于2.2％。
4.权利要求3的组件，其特征在于，该第一质量含量大于或等于2.5％。
5.权利要求4的组件，其特征在于，该第一质量含量大于或等于3％。
6.权利要求5的组件，其特征在于，该第一质量含量大于或等于4％。
7.权利要求6的组件，其特征在于，该第一质量含量大于或等于5％。
8.上述权利要求之一的组件，其特征在于，该第一质量含量大于或等于8％。
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