CN102282626A - 混合氧化物燃料组件 - Google Patents

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Abstract

一种加压水核反应堆燃料组件，其设计成燃烧混合氧化物燃料，所述混合氧化物燃料采用燃料棒中的完全环形的燃料芯块堆叠，并且所述组件内的径向富集分区设计成使得组件内的棒功率分布相对平滑而与相邻组件的特性无关。

Description

混合氧化物燃料组件
技术领域
本发明一般地涉及加压水反应堆燃料组件，并且更具体地涉及这种利用混合氧化物燃料的燃料组件。
背景技术
用处于压力下的水冷却的核反应堆发电系统的初级侧包括闭合回路，所述闭合回路与用于产生有用能量的次级侧隔离且与其有热交换关系。初级侧包括：封装堆芯内部结构的反应堆容器，所述堆芯内部结构支承多个包含可裂变材料的燃料组件；热交换蒸汽发生器中的初级回路；用于循环加压水的加压器、泵以及管道的内体积，这些管道将各蒸汽发生器和各泵独立地连接至反应堆容器。包括连接至容器的管道系统、蒸汽发生器和泵在内的初级侧各部件形成初级侧的环路。
为了说明目的，图1示出简化的核反应堆初级系统，其包括大致柱形反应堆压力容器10，该容器具有封装核堆芯14的外壳封头12。诸如水的液体反应堆冷却剂由泵16泵送通过堆芯14而进入容器10中，在所述堆芯14处热能被吸收并且被排放到热交换器18(典型地称为蒸汽发生器)，在所述热交换器中热转移到利用回路(未示出)，例如蒸汽驱动涡轮发电机。反应堆冷却剂然后回到泵16，完成初级环路。典型地，多个上述的环路通过反应堆冷却剂管道系统20连接至单个反应堆容器10。
图2中更详细地示出示例性反应堆设计。除了包括多个平行、竖直、协同延伸的燃料组件22的堆芯14以外，为了本说明的目的，其它的容器内部结构可以分成下内部结构24和上内部结构26。在传统的设计中，下内部结构的功能是支承、排列并导引堆芯部件和仪器以及指引容器内的流动。上内部结构约束燃料组件22(为简单起见，在该图中仅示出所述燃料组件22中的两个)或对其提供辅助约束，并且支承且导引诸如控制棒28的仪器和部件。在图2中所示的示例性反应堆中，冷却剂通过一个或多个进口喷嘴30进入反应堆容器10，向下流动通过容器和堆芯筒32之间的环形空间，在下增压部34中转过180°，向上通过下支承板37和下堆芯板36，而绕组件通过，其中燃料组件22位于下堆芯板36上。在某些设计中，下支承板37和下堆芯板36由与下支承板37处于同一高度的单个结构(即，下堆芯支承板)代替。通过堆芯和围绕区域38的冷却剂流量通常很大，在大约6.1米每秒的速度下每分钟1.19×106升的量级。所产生的压降和摩擦力趋向于使燃料组件升起，该运动受到包括圆形上堆芯板40在内的上内部结构限制。离开堆芯14的冷却剂沿着上堆芯板40的下侧流动并向上通过多个穿孔42。冷却剂然后向上径向地流到一个或多个出口喷嘴44。
上内部结构26可以从容器或容器封头支承，并且包括上支承组件46。载荷主要通过多个支承柱48在上支承组件46和上堆芯板40之间传递。支承柱排列在选择的燃料组件22和上堆芯板40中的穿孔42上方。
可直线运动的控制棒28典型地包括中子毒物棒的多脚架组件52和驱动轴50，所述中子毒物棒由控制棒导管54导引通过上内部结构26并进入对准的燃料组件22中。导管固定地结合到上支承组件46并且由压配合到上堆芯板40的顶部中的开口销56连接。销结构用于方便导管组装和更换(如果有必要)，并且确保尤其在地震或其它高负荷意外条件下主要由支承柱48而不是导管54承担堆芯负荷。该支承柱布置有助于在可能有害地影响控制棒插入能力的意外条件下延迟导管变形。
图3是以竖向缩短形式表示的总体以附图标记22指示的燃料组件的正视图。燃料组件22是用在加压水反应堆中的类型并且具有结构骨架，所述结构骨架在其下端处包括底部喷嘴58。底部喷嘴58将燃料组件22支承在核反应堆的堆芯区域14中的下堆芯支承板36上。除了底部喷嘴58以外，燃料组件22的结构骨架还包括在其上端处的顶部喷嘴62、以及在底部喷嘴58和顶部喷嘴62之间纵向延伸且在相对两端处刚性附装至这两个喷嘴的多个导管或套管55。
燃料组件22还包括沿导引套管55(也称为导管)轴向间隔开且安装到该导引套管上的多个横向栅格64、以及横向间隔开且由栅格64支承的有组织阵列的细长燃料棒66。虽然在图3中不能看到，但是栅格64传统地由正交的带形成，所述正交的带交织成装蛋箱图案，四条带的相邻界面限定大约正方形的支承单体，通过所述支承单体将燃料棒66彼此以横向间隔的关系支承。在许多传统的设计中，将弹簧和凹座压制到形成支承单体的带的相对的壁中。弹簧和凹座径向地延伸到支承单体中并且在弹簧和凹部之间捕获燃料棒；在燃料棒覆层上施加压力以将燃料棒保持在适当的位置中。而且，组件22具有位于其中央的仪器管68，所述仪器管在底部喷嘴58和顶部喷嘴62之间延伸并且被安装到这两个喷嘴或被这两个喷嘴捕获。借助这些部件设置，组件22形成为能够不破坏部件装配而方便操纵的整体单元。
如上所述，燃料组件22中成阵列的燃料棒66由沿燃料组件长度间隔开的栅格64保持相互间隔的关系。每个燃料棒66都包括多个核燃料芯块70，并且在其相对两端处由上端塞72和下端塞74封闭。芯块70由布置在上端塞72和芯块堆叠的顶部之间的增压弹簧76维持成堆叠。传统地，在顶部芯块70和上端塞72之间的芯块堆叠上方是增压区60，所述增压区预备用于积聚反应堆操作过程中燃料燃耗期间所产生的裂变气体。由可裂变材料构成的燃料芯块70负责用于产生反应堆的反应功率。包围芯块的覆层68起屏障的作用以防止裂变副产物进入冷却剂和进一步污染反应堆系统。
为了控制裂变过程，多个控制棒28可在位于燃料组件22中的预定位置处的导引套管55中往复运动。具体地，位于顶部喷嘴62上方的棒束控制机构80支承控制棒28。控制机构80具有带内螺纹的柱形毂构件82，所述柱形毂构件具有多个径向延伸的锚爪或臂52。每个臂52都与控制棒28相互连接，以便使控制棒机构80可操作，以在联接至控制棒毂82的控制棒驱动轴50的动力下使控制棒在导引套管54中竖直运动，从而控制燃料组件22中的裂变过程，这些都是以已知方式进行的。
由于核武器的退役产生过量的钚。国家科学院对于过量武器级的钚的处置所推荐的一个选择是转化成乏燃料。在该方法中，过量的武器钚转化成氧化钚(PuO2)并且在没有再加工为用于现有核反应堆的燃料的情况下以混合氧化物(PuO2-UO2)的形式使用。这样产生“抗扩散的”的乏燃料形式，该形式满足国家科学院所推荐的“乏燃料标准”。这对于发电效用是非常有吸引力的，因为这减少了用于给发电设备供以动力的核反应堆的核燃料的成本。例如，欧洲公用事业要求文献(European Utility Requirements Document)认为下一代欧洲无源设备反应堆芯设计应当针对UO2燃料组件进行优化，为允许高达50％的混合氧化物(MOX)燃料组件预作安排。MOX在堆芯设计中的使用将在关键物理学参数和安全分析假定方面具有显著的影响。此外，MOX燃料棒设计也必须考虑到对于在其预期寿命期间维持燃料棒的完整性很重要的燃料性能标准。MOX方法要求：1)守恒的、实用的堆芯性能特征，其与用于当前的铀堆芯设计的特征类似；2)与当前许可的传统铀堆芯设计相比，该技术应通过避免对安全余量的任何侵蚀而最小化许可风险；3)最小化或总体上避免对设备操作的影响；以及4)最大化从MOX燃料吸取的能量以提供最好的经济性。
因此，期望一种将满足标准并且基本上可与100％UO2堆芯设计互换的核堆芯和燃料棒设计。
发明内容
本发明通过提供一种设计成燃烧MOX燃料的新型加压水反应堆燃料组件而实现上述目的。该燃料组件利用传统的燃料组件骨架和以下燃料棒，所述燃料棒具有沿着燃料棒的管状覆层的一部分堆叠在所述一部分内的串联布置的混合氧化物燃料芯块。混合氧化物芯块中的至少基本全部都具有固体物质的环形空隙，管状覆层的轴线延伸通过该环形空隙。覆层在任一端部处用端塞气密地密封，并且在覆层内位于端塞和混合氧化物燃料芯块堆叠之间的内部区域的其余部分限定形成一个或者多个气体增压部。增压部与各燃料芯块中的环形部协作以用于收集在燃料燃耗期间所产生的裂变气体。各燃料芯块中的环形部的直径是大约1mm至4mm，并且优选地是2mm至4mm。
在一个优选的实施例中，混合氧化物燃料元件不含有任何可燃吸收剂。在具有较高的可裂变Pu装料的另一个实施例中，燃料组件内的某些棒可以含有可燃吸收剂。根据本发明，在后一个实施例中，含有可燃吸收剂的棒可以包括掺杂有诸如Gd2O3的可燃吸收剂的“尾料”或者“天然”铀。优选地，在燃料芯块的堆叠的各端部处在燃料芯块堆叠和端塞之间限定形成增压部，用于收集裂变气体。
优选地，燃料组件中的间隔排列的多个燃料棒以径向富集(enrichment)分区图案布置，其中燃料棒的重量百分数富集量随着一个燃料棒从一个区域到下一个区域地从燃料组件的中心径向向外运动而减少。期望地，径向富集分区图案具有至少三个区域。优选地，相对重量/百分数富集量对于中心区域是大约1.00，对于中间区域是大约0.65，并且对于外周边区域是大约0.45。在本发明的17×17燃料棒组件排列实施例中，中心区域优选地具有大约72个燃料棒，中间区域具有大约128个燃料棒，并且外周边区域具有大约64个燃料棒。优选地，外周边区域由包围燃料组件的一行外周边的燃料棒构成。
附图说明
从以下参照附图阅读的优选实施例的说明，可以得到对本发明的进一步理解，附图中：
图1是可以应用本发明的核反应堆系统的简化示意图；
图2是可以应用本发明的核反应堆容器和内部部件的局部剖视图；
图3是以竖向缩短形式示出的燃料组件的局部剖视图，其中为了清楚拆除了某些部件；
图4是示出根据本发明构造的燃料棒的一个实施例的局部剖视图；
图5是燃料组件的中间轴向截面的平面图，示出了本发明的径向富集分区图案；
图6是没有和具有8个Gd2O3棒的UO2组件与根据本发明设计的MOX组件的反应性的图解比较；
图7是示出四分之一堆芯循环对称的混合MOX/UO2堆芯设计装载图案的图表。
具体实施方式
UO2和MOX燃料的混合氧化物堆芯具有在全UO2堆芯中没有的两种设计挑战。首先，在相同的线性加热速率(即，相同的每英尺燃料棒的千瓦数的功率)下，MOX燃料棒相对于UO2燃料棒在升高的温度下操作。这在MOX燃料棒中导致较高的裂变气体释放速率和较高的棒内部压力，限制了燃料的有用寿命。与UO2燃料大约62MWd/kg U至75MWd/kg U相比较，MOX燃料的限制排放燃耗在40MWd(兆瓦日)/kg HM(千克重金属)至50MWd/kg HM的量级。在高功率密度堆芯中，该燃耗限制可以约束换装燃料之间的循环次数，MOX组件可以操作两个循环或者至多三个循环。第二个设计挑战起因于UO2和MOX组件之间的中子通量谱中的较大变化。UO2组件基本上用作相邻MOX组件的强热中子源，这可以导致MOX燃料中过大的功率峰值，除非燃料棒和格子适当地进行设计。
某些传统的包层(blanket)UO2组件利用在燃料芯块堆叠的下8”(20.32厘米)和上8”(20.32厘米)中具有环形芯块的燃料棒。如参见图4，本发明利用在燃料棒66的覆层68的整个活动区上都具有环形开口82的芯块78。在一个实施例中，活动区从下端塞74延伸到上高部84，所述上高部84与上端塞72间隔以形成增压部88，所述增压部与芯块78的组合环形部82一起形成用于收集在燃料燃耗期间所产生的裂变气体的储存器。中央环形部82用于两个目的。在第一种情况下，环形部提供额外的燃料棒增压体积以适应MOX燃料的较高的裂变气体释放速率。其次，环形部82降低燃料芯块78的峰值和平均温度，减小了裂变气体释放速率。这些益处的组合将允许环形MOX燃料棒获得显著高于典型固体核燃料棒的辐照量。虽然可能能够满足在堆叠的下端部处利用若干固体燃料芯块以增加活性燃料体积的反应堆的操作规范，但是分析表明优选的是沿着芯块堆叠的整个长度在全部芯块78中具有环形开口82。环形部的尺寸是在提供更加活性的材料并从而提供更多的功率输出或减小温度与提供更大的裂变气体收集体积以降低燃料棒的内部压力之间权衡得到的，分析表明优选的是使环形部82的直径大约在1mm和4mm之间，并且更优选地在2mm和4mm之间。假定沿着与标准Westinghouse电气公司LLC环形包层芯块具有相同几何比例的燃料芯块堆叠的整个长度的环形MOX芯块的个案研究证明，环形MOX燃料棒能够获得70MWd/kg HM的辐照量，而不超出大约15.5MPa的反应堆冷却系统操作压力。
在另一个优选的实施例中，如图4中所示，燃料棒在燃料堆叠86的底部和下端塞74之间设有第二增压部90，以进一步容纳燃料燃耗期间所产生的裂变气体。燃料堆叠由支座(standoff)92支承而与下端塞74间隔开，该支座在2008年3月24日提交的美国专利申请12/053,771中更加详细地说明且转让给本申请的受让人。
本发明利用在组件内的MOX棒的可裂变pu含量的径向变化，如图5中所示。图5示出示例性的17×17燃料组件的图，其中在导管(GT)和仪器管(IT)附近的燃料位置中示出相对的可裂变Pu富集。对于组件22采用径向富集分区以允许增加将MOX组件放置在反应堆芯中的灵活性。在没有径向富集分区的情况下，将MOX组件与UO2组件直接相邻放置，会使周边行的燃料棒的功率大大增加，可能导致超出其由安全分析所支持的峰值因子。该设计将在MOX组件内使用三种不同富集量的富集分区。三种不同的棒类型的相对富集量被设定成使得组件内棒功率分布相对平滑而与相邻组件的特性无关，这又导致对于相同的组件平均功率具有较低的峰值因子。由于相对于未划分区域的组件提高了峰值与平均功率的比，所以MOX组件可以采用较高的平均功率，这意味着MOX棒可以装载较高的可裂变Pu含量。在具有MOX和UO2燃料组件的混合物的堆芯中，这意味着对于相同的堆芯能量输出，UO2燃料的富集量可以减少，这就减少了UO2燃料成本。如图5中所示，优选的径向分区的相对可裂变钚富集的重量/百分数在中心区域中是1.00，在中间包层中是0.65，并且在包围燃料组件22的靠外行的周边包层中是0.45。
图6是没有和具有8个Gd2O3的UO2组件与上述MOX组件设计的反应性的图解比较。UO2和MOX组件设计在大约34GWD/MTM(千兆瓦日/公吨金属)的组件辐照量下具有几乎相同的反应性。这相当接近于在两个操作循环之后UO2燃料的组件平均辐照量。MOX组件将在其第二个操作循环期间超过该辐照量。
图7中示出四分之一堆芯循环对称的混合MOX/UO2堆芯设计装载图案。48组件的供应区域被分成两个子区域：具有24个4.05重量/百分数235U的组件的ZU；和具有24个如图5中所示分区的组件的Z-MOX。另外，各ZU组件的顶部和底部八英寸(20.32厘米)是3.2重量/百分数235U的轴向包层。图7中也示出每ZU组件的Gd2O3棒的数量，总共每个供应区域使用642重量/百分数和648重量/百分数棒。具有Gd2O3棒的各ZU组件使用两种棒类型的组合。Z-MOX组件没有Gd2O3棒。在具有较高的可裂变Pu装料的另一个实施例中，MOX燃料组件内的某些棒可以含有可燃吸收剂。在后一实施例中，含有可燃吸收剂的燃料棒可以包括掺杂有诸如Gd2O3的可燃吸收剂的“尾料”或者“天然”铀。
使用完全环形MOX燃料棒与径向富集分区的组合使得能够用50％MOX燃料组件替换全UO2堆芯，而不会导致有害的性能损失。使用允许负载随动的“机械匀布(mechanical shim)”或者MSHIM堆芯功率分布控制策略来增强堆芯的操作。MSHIM和目前这一代设备中的传统操作模式之间的主要差异在于，MSHIM用控制棒运动来代替在日常机动期间对可溶硼浓度的频繁操纵，由此减少循环期间所产生的废水量，并大大简化化学体积和控制系统的设计。为Tavg(平均温度)和轴向功率形状控制而运动的控制库(control bank)彼此独立并且在Westinghouse AP 1000中是通过棒控制系统自动地控制在额定热功率的15％以上，由此简化负载随动机动以及基本装载操作。
虽然已经详细描述本发明的具体实施例，但本领域中的技术人员将应理解，根据所公开的全部教导可对这些细节进行各种修改和替换。因此，所公开的具体实施例仅表示示例且不限定本发明的范围，本发明的范围将由所附权利要求的全部范围及其任何和全部等同方案所给出。

Claims (19)

1.一种核燃料组件，所述核燃料组件包括间隔排列的多个燃料棒，至少部分的所述燃料棒包括：
细长的管状覆层，所述细长的管状覆层在第一端部和第二端部之间的轴向方向上延伸预选的长度；
第一端塞，所述第一端塞气密地密封所述管状覆层的第一端部；
第二端塞，所述第二端塞气密地密封所述管状覆层的第二端部；以及
串联布置的混合氧化物燃料芯块，所述串联布置的混合氧化物燃料芯块沿着第一长度的管状覆层堆叠在所述第一长度的管状覆层内，至少基本全部的所述混合氧化物燃料芯块都具有固体物质的环形空隙，所述管状覆层的轴线延伸通过所述环形空隙，所述第一长度小于所述预选的长度以限定能够收集裂变气体的增压部。
2.根据权利要求1所述的燃料组件，其中，所述混合氧化物燃料芯块全部具有由所述管状覆层的轴线延伸通过的环形部。
3.根据权利要求1所述的燃料组件，其中，所述环形部的直径在大约1mm和4mm之间。
4.根据权利要求3所述的燃料组件，其中，所述环形部的直径在大约2mm和4mm之间。
5.根据权利要求1所述的燃料组件，其中，所述增压部与所述第一端塞相邻。
6.根据权利要求5所述的燃料组件，包括与所述第二端塞相邻的第二增压部。
7.根据权利要求1所述的燃料组件，没有任何可燃吸收剂。
8.根据权利要求1所述的燃料组件，其中，所述间隔排列的多个燃料棒按径向富集分区图案布置，所述燃料棒的重量百分数富集量随着一个燃料棒从一个区域到下一个区域从所述燃料组件的中心径向向外运动而减少。
9.根据权利要求8所述的燃料组件，其中，所述径向富集分区图案具有至少三个区域。
10.根据权利要求9所述的燃料组件，其中，所述重量/百分数富集量对于中心区域是大约1.00，对于中间区域是大约0.65，并且对于外周边区域是大约0.45。
11.根据权利要求9所述的燃料组件，包括正方形排列的17×17个燃料棒，其中，中心区域具有大约72个燃料棒，中间区域具有大约128个燃料棒，并且外周边区域具有大约64个燃料棒。
12.根据权利要求9所述的燃料组件，其中，外周边区域由包围所述燃料组件的一行外周边的燃料棒构成。
13.根据权利要求9所述的燃料组件，其中，三个径向区域包括以如下图案围绕多个导管(GT)和仪器管(IT)布置的中心区域(cz)、中间区域(iz)和外部区域(oz)：
Figure FDA0000047909220000021
Figure FDA0000047909220000031
14.一种核燃料棒，包括：
细长的管状覆层，所述细长的管状覆层在第一端部和第二端部之间的轴向方向上延伸预选的长度；
第一端塞，所述第一端塞气密地密封所述管状覆层的第一端部；
第二端塞，所述第二端塞气密地密封所述管状覆层的第二端部；以及
串联布置的混合氧化物燃料芯块，所述串联布置的混合氧化物燃料芯块沿着第一长度的管状覆层堆叠在所述第一长度的管状覆层内，至少基本全部的所述混合氧化物燃料芯块都具有固体物质的环形空隙，所述管状覆层的轴线延伸通过所述环形空隙，所述第一长度小于所述预选的长度以限定形成能够收集裂变气体的增压部。
15.根据权利要求14所述的核燃料棒，其中，所述混合氧化物燃料芯块全部具有由所述管状覆层的轴线延伸通过的环形部。
16.根据权利要求14所述的核燃料棒，其中，所述环形部的直径在大约1mm和4mm之间。
17.根据权利要求16所述的核燃料棒，其中，所述环形部的直径在大约2mm和4mm之间。
18.根据权利要求14所述的核燃料棒，其中，所述增压部与所述第一端塞相邻。
19.根据权利要求18所述的核燃料棒，包括与所述第二端塞相邻的第二增压部。
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