CN103119658A - 具有改进效果的用于减轻核燃料组件严重事故的装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种被动安全装置(104)，其布置在核燃料组件(102)的上部中，所述被动安全装置包括：中子吸收材料和能够与构成组件(102)中核燃料棒(8)的包层的材料形成低熔点共熔合金的材料；以及用于将所述材料保持在组件(102)的上部中的熔断器装置(28)。

Description

具有改进效果的用于减轻核燃料组件严重事故的装置
技术领域
本发明涉及包括中子吸收材料的被动安全装置，该被动安全装置被集成到核燃料组件中。这种组件设计为放置在核反应堆的堆芯中，尤其是放置在由液态金属冷却的快中子核反应堆的中央。
背景技术
核反应堆包括设计用于当事故发生时减慢或者甚至停止核反应堆内部核反应的安全装置。为了实现这一点，核反应堆包括悬吊在堆芯之上并且在发生事故的情况下释放到堆芯中的控制棒。控制棒由中子吸收材料(通常为碳化硼)制成。控制棒例如借助于通过命令释放控制棒的链钩或电磁铁而悬吊。该安全装置是所谓主动式的，这是因为该安全装置需要待触发的外部行为。
核反应堆包括冗余安全装置(也称为备用停堆系统(SAC))，以补偿主动安全装置的不可用性。冗余安全装置根据不同物理原理而设计以使安全最大化。
另外，如上述，由控制棒形成的安全装置需要外部行为。之后，想到可以使用不要求任何外部命令的、独立触发的安全装置，称这些装置为被动安全装置。在文献FR2230984和FR2683667中公开了一种将中子吸收材料被动地插入堆芯中的安全装置。这些被动装置使用在由事故情况导致的温度升高时促使中子吸收材料掉落的熔断器。
文献FR2683667公开了在燃料棒之上的上部中包括由熔断器材料制成的基体的组件，其中在基体内部嵌入中子吸收材料的单元。当温度升高至高于给定阈值时，基体熔化且单元掉落至棒之上或棒之间，并且使裂变反应减速或中断。
当在液态金属冷却的快中子反应堆中发生事故时，在大约一秒内，很快观察到金属冷却剂局部沸腾，并且在棒周围形成包层的金属以及随后包含在包层内部的燃料熔化。金属蒸汽的膨胀促使熔化金属从包层向组件顶部移动，并且这种熔化金属随后将接触冷却区域而凝固从而形成阻塞物。
发明人已经发现，如果包含中子吸收材料的被动安全装置的熔断器机构的触发时间过长，则金属阻塞物将插入裂变核燃料与设计用于停止裂变反应的材料之间，从而使被动安全装置失效或至少延迟被动安全装置的效果。
因此，本发明的一个目的是提供克服发明人发现的以及上述的缺点的装置。
发明内容
上述目的由一种被动安全装置实现，该被动安全装置包括第一中子吸收材料，以及能够与形成阻塞物的材料(尤其是形成金属燃料棒包层的金属或金属合金)结合以形成低熔点共熔合金的第二材料。因此，当释放中子吸收材料和具有低熔点共熔合金的共熔合金材料时，这些材料掉落到阻塞物上，并且共熔合金随后形成在阻塞物与第二材料之间的界面处。在组件内的温度下，该共熔合金熔化并且第一中子吸收材料随后可以进入裂变区且中断裂变反应。
注意到共熔合金是相图上的熔点，其中混合处于液相中的最低温度。“低熔点共熔合金”表示低于钢熔点(实践中低于1400℃)的共熔合金。
在该说明的剩余部分中，能够与包层材料结合以形成低熔点共熔合金的材料称为“共熔合金材料”。
在钠冷却快中子反应堆的情况下，共熔合金材料选择为使其与钢(核燃料棒的包层通常由钢制成)中的铁结合，以形成低熔点共熔合金。
在一个特别有利的实施例中，选择高密度的共熔合金材料，从而该共熔合金材料可施加机械质量效应(mechanical mass effect)到阻塞物上以加速中子吸收材料通过阻塞物；有利地，共熔合金材料的密度高于钢的密度。
例如，在钠冷却快中子反应堆的情况下，选择在725℃和1080℃与铁共熔并且具有18950kg/m3密度的铀(优选为天然铀或贫铀)。
在一个非常有利的示例中，选择还与钢结合以形成低熔点共熔合金的中子吸收材料。可以选择纯铪、合金铪或铪-铀合金，且在铪-铀合金中，铪是吸收剂，铪具有高密度并且与铀形成合金，铪与包层中的钢结合以形成低熔点共熔合金。
则本发明的主要目的是提供一种可以放置在核燃料组件顶部附近的被动安全装置，所述被动安全装置包括：
中子吸收材料和能够与形成组件中核燃料棒的包层的材料形成低熔点共熔合金的材料；以及
熔断器装置，其用于将所述材料保持在所述组件中高位置。
非常有利地，能够形成低熔点共熔合金的材料的至少一部分为中子吸收材料。
优选地，能够形成低熔点共熔合金的材料具有高于或等于制造包层的材料的密度的高密度，例如当包层由钢制造时，形成低熔点共熔合金的材料具有超过7000kg/m3的高密度。
在一个示例实施例中，所述包层由钢制造并且形成低熔点共熔合金的材料由天然铀或贫铀制成。
在另一个示例实施例中，所述包层由钢制造并且形成低熔点共熔合金的材料是纯铪或合金铪。所述略合金铪可以包含不超过20％质量的合金材料。所述合金材料例如可以是镍、铬、硼或钨。
在另一个示例实施例中，所述包层由钢制造并且形成低熔点共熔合金的材料是天然铀-铪合金或贫铀-铪合金。所述铀-铪合金可以包括不超过45％原子的天然铀或贫铀。
根据一个实施例的被动安全装置，包括可以沿着组件的轴线布置的管；在该管中，所述中子吸收材料和能够与制造包层的材料结合以形成低熔点共熔合金的材料为安装在导线上的分离单元的形式，所述导线将从组件的顶端悬吊，所述导线包括下熔断器停止装置。
在另一个示例实施例中，所述中子吸收材料和能够与所述包层中材料结合以形成低熔点共熔合金的材料为在低熔点基体中分散的单元，所述基体包括与组件的轴线共轴的中央通道。该装置有利地可以包括由基体围绕并且与中央通道相邻的内部保持壳，所述内部保持壳包括钻孔。
本发明的另一目的是提供一种核燃料组件，包括外壳、核燃料棒和根据本发明的被动安全装置。
本发明的另一目的是提供一种核反应堆，包括彼此相邻设置的多个根据本发明的组件。本反应堆优选地是钠冷却快中子反应堆。
附图说明
在阅读以下说明并且参照附图之后，将更好地理解本发明，其中：
图1示意性示出了安装有根据本发明第一实施例的被动安全装置的组件的纵向剖视图；
图2示意性示出了安装有根据本发明第二实施例的被动安全装置的组件的纵向剖视图。
具体实施方式
图1非常示意性地示出了包括根据第一实施例的被动安全装置4的核燃料组件2。
该组件包括：外壳6，该外壳6具有纵轴线X、通常具有六边形的横截面；以及大体布置在所述外壳的中间部分内的核燃料棒8。
该组件通常通过其低部分10(称为所述组件的底部)安装到支撑该组件及其他组件的堆芯栅板(未示出)中，并且该堆芯栅板向这些组件提供液态金属冷却剂。该组件在下部中包括液态金属入口12，并且在上部中包括液态金属出口14，液态金属由泵输送。因此，液态金属从组件底部向顶部循环并且从棒提取由裂变反应产生的热量。
根据本发明的被动安全装置4布置在组件的顶部15中。在示出的示例中，被动安全装置包括沿着所述组件的纵轴线X布置的管17，在该管中放置中子吸收材料(以下称为“吸收剂”)。吸收剂和用于共熔的材料16为围绕悬吊在组件顶端的导线20安装的圆柱形单元的形式。导线20包括下停止装置22以保持圆柱形单元16。该停止装置22为熔断器，换句话说，停止装置22在给定条件下熔化，从而释放圆柱形单元，使其可以沿着导线20在棒之间掉落。熔化可能由于温度增加或者中子通量增加所导致。在由中子通量增加所导致的情况下，可在熔断器停止装置附近放置小量易裂变材料，从而在出现反应异常增加或冷却减少时，由所述小量易裂变材料释放的热量将导致上述熔化。
在本说明的剩余部分中，我们将考虑钠冷却快中子反应堆的示例，然而，本发明显然可用于由除了钠之外的液态金属冷却剂冷却的所有快中子反应堆，并且可用于需要使用被动安全装置的所有反应堆。
在钠冷却快中子反应堆中，燃料棒包层由钢，即主要由铁构成的金属合金制成。
根据本发明，材料将掉落在熔化钢阻塞物上以与制造包层的钢，特别是与铁形成低熔点共熔合金(eutectic)。
在第一示例实施例中，材料是金属形式的天然铀或贫铀。然后计划将铀与吸收剂(例如，硼或钆)相结合，该吸收剂将在被动安全装置中实现吸收材料的常规功能。
铀在725℃和1080℃与铁形成共熔合金。因此，当铀与通过包层熔化形成的阻塞物中的钢接触时，铀与铁结合以形成具有725℃或1080℃熔点的共熔合金，该共熔合金在事故温度条件下部分熔化，从而使吸收剂通向裂变燃料区。
注意到，纯铁的熔化温度是大约1550℃，且熔化包层中的钢在温度为大约1500℃的“冷却区”中再次凝固。因此，由铁和铀形成的共熔合金在该冷却区容易熔化。
包层可以由奥氏体钢或氧化物弥散强化(ODS)钢制成。它们的熔化温度在1400℃与1500℃之间。
铀还具有比钢更高的高密度，当铀掉落到熔化钢阻塞物上时，铀具有使阻塞物弱化的金属质量效应(metal mass effect)，该阻塞物在考虑的温度下更易于蠕变。在环境温度下，铀的密度为18950kg/m3。
铀的吸收特性不充分，但是铀执行燃料稀释功能。优选地，选择缺少235裂变同位素的铀，使富含235裂变同位素浓缩的铀和形成燃料的钚稀释，从而减少临界风险。
在另一个示例实施例中，吸收剂为天然铀与铪的合金或为贫铀与铪的合金。
该合金以与铀相似的方式作用于阻塞物；该合金以与铀相似的方式而与钢形成低熔点共熔合金。该合金还具有高密度，这是因为铪的密度为13300kg/m3。
另外，相比单独的铀，该合金的优越之处在于：该合金直接具有中子吸收特性，这是因为铪具有吸收特性。
该合金还减少了由不是非常易混合或不可混合的熔化混合铀和钚氧化物相(phase)与包层熔化金属钢相之间的熔析(segregation)导致的临界风险。该低的易混合性减少了促使临界风险减少的稀释效应。
该合金，特别是铪因其氧化-还原(oxydo-reduction)特性作用于熔化混合铀和钚氧化物燃料。铪相对于铀具有还原特性；铪比铀和钚更具有还原性。因此，当铪与铀氧化物接触时，部分铀氧化物还原为铀而铪被氧化为二氧化铪。
由此形成的金属铀与由铪、铀且主要由与其先前具有低易混合性的熔化钢构成的金属相混合。二氧化铪与剩余的浓缩铀和钚氧化物混合。
首先，液态金属相与液态氧化物相处于少临界中子结构：通过金属相的钢对金属铀(和/或钚)进行稀释，并且通过氧化物相的二氧化铪进行衰减。
其次，氧化铀的还原能够使部分燃料转移到其中处于较小比例的金属相。燃料相也是由二氧化铪的出现和一些氧化铀的去除所导致的“稀释”。
例如，合金可以包含直到45％的铀原子。
在另一个示例实施例中，使用纯铪或例如包含如合金材料质量的5或10％且不超过质量的20％的略合金铪。
铪具有13300kg/m3的、超过钢的高密度，即使超过铀和铀-铪合金的熔点，同样形成低熔点共熔合金。非常有利地，铪具有比铀-铪合金更大的吸收能力。
例如，可以使用铪和钨、铪和铬、铪和硼或铪和镍合金。铪和镍合金具有这一优点，即：其与钢(且尤其与铁)形成很低熔点的共熔合金。
图2示出另一个示例实施例；组件102配备了根据本发明的被动安全装置104，该被动安全装置如图1中装置4一样被布置在组件的顶部附近。
装置104具有环形形状，其中冷却剂可以通过与组件102的轴线共轴的中央通道。
装置包括：与以上描述相同的一种或多种材料16，例如，与吸收剂相关联的铀、贫铀-铪合金、纯铪或略合金铪；以及熔断器装置，该熔断器装置在正常操作条件下将所述材料保持在高位置，而在异常操作条件下(即，当堆芯中温度并且因此冷却剂中的温度增加时)允许所述材料朝所述包层掉落。
有利地，这些熔断器保持装置24由其中材料16以离散单元的形式嵌入的基体26形成。
在示出的示例中，基体26由具有钻孔30的内部保持壳28围绕以允许单元16通过。基体则容纳在组件的外壳6与内部保持壳28之间。
基体26由传导热量的材料制成，但是其熔点在考虑的压力下远低于冷却剂的沸点。例如，基体可以是铝、铝合金、氧化铝纤维加强铝或碳化硅加强铝。例如，内部壳可以由不锈钢制成。
图2中的被动安全装置起到以下作用：当冷却剂的温度达到预定值时，基体熔化，释放单元16，该单元通过钻孔30并且掉落到熔化钢阻塞物上。该掉落后的操作与前述操作相同，在此不再重复。
有利地，堆芯熔体(corium)收集器(未示出)设置在组件下面以回收在组件熔化期间形成的堆芯熔体；这些收集器或者由布置于每个组件下方的托盘组成，或者由布置于器皿底部的一个或多个托盘组成。
托盘优选地包含能够对包含在堆芯熔体中的熔化燃料起作用的吸收剂。特别有利地，可以在这些收集器中放置纯铪或略合金铪，铪如上所述引起部分燃料的还原，使其转移到金属相，因此减少了临界风险。
例如，收集器包括在正常操作条件下保护铪的盖，当熔化堆芯熔体流过时则该盖破裂。例如，在收集器中，铪可以呈条状。
因此，本发明可以显著地改进在吸收剂与核燃料之间形成接触的被动安全装置的效率，尽管金属阻塞物存在于被动安全装置与棒之间。
显然，代替两种材料的合金，可以设想使用纯铀单元和纯铪单元。

Claims (15)

1.一种被动安全装置(4、104)，其设计为放置在核燃料组件(2、102)的顶部附近，所述被动安全装置包括：
中子吸收材料和能够与形成组件中核燃料棒(8)的包层的材料形成低熔点共熔合金的材料；以及
熔断器装置，其用于将所述材料保持在所述组件(2、102)中高位置。
2.根据权利要求1所述的被动安全装置，其中，所述能够形成低熔点共熔合金的材料的至少一部分为中子吸收材料。
3.根据权利要求1或2所述的被动安全装置，其中，所述能够形成低熔点共熔合金的材料具有高于或等于制造包层的材料的密度的高密度，例如当包层由钢制造时，形成低熔点共熔合金的材料具有超过7000kg/m3的高密度。
4.根据前述权利要求中任一项所述的被动安全装置，其中，所述包层由钢制造并且形成低熔点共熔合金的材料由天然铀或贫铀制成。
5.根据权利要求3所述的被动安全装置，其中，所述包层由钢制造并且所述形成低熔点共熔合金的材料为纯铪或合金铪。
6.根据权利要求5所述的被动安全装置，其中，所述略合金铪包含不超过20％质量的合金材料。
7.根据前述权利要求所述的被动安全装置，其中，所述合金材料为镍、铬、硼或钨。
8.根据权利要求3所述的被动安全装置，其中，所述包层由钢制造并且所述形成低熔点共熔合金的材料为天然铀-铪合金或贫铀-铪合金。
9.根据权利要求8所述的被动安全装置，其中，所述铀-铪合金包括不超过45％原子的天然铀或贫铀。
10.根据权利要求1-9中任一项所述的被动安全装置，包括可以沿着所述组件(2)的轴线(X)布置的管(17)；在该管中，所述中子吸收材料和能够与制造包层的材料结合以形成低熔点共熔合金的材料为安装在导线(20)上的分离单元的形式，所述导线(20)将从组件的顶端悬吊，所述导线包括下熔断器停止装置(22)。
11.根据权利要求1-9中任一项所述的被动安全装置，其中，所述中子吸收材料和能够与所述包层中材料结合以形成低熔点共熔合金的材料为在低熔点基体(26)中分散的单元的形式，所述基体包括与所述组件的轴线共轴的中央通道。
12.根据权利要求11所述的被动安全装置，包括由所述基体围绕并且与所述中央通道相邻的内部保持壳(328)，所述内部保持壳(28)包括钻孔(30)。
13.一种核燃料组件，包括外壳、核燃料棒和根据前述权利要求中任一项所述的被动安全装置。
14.一种核反应堆，包括彼此相邻布置的多个根据前述权利要求所述的组件。
15.根据前述权利要求所述的核反应堆，所述反应堆为钠冷却快中子反应堆。
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