CN103329207B - 含中子吸收剂的核燃料 - Google Patents
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Abstract
本文在此介绍和例示了用于核反应堆的多种燃料棒束。在一些实施例中，燃料棒束包括多个燃料元件。每个燃料元件具有约0.9wt%至5.0wt%之间的235U的裂变物质含量，且至少这些燃料元件其中之一是含毒物的低浓缩铀燃料元件，其中含毒物的低浓缩铀燃料元件包含浓度高于约5.0vol%的中子毒物。
Description
背景技术
核反应堆是通过核链式反应（例如核裂变）而产生能量的，在这个核链式反应中，一个自由中子被核燃料（例如，铀-235(235U)）中的裂变原子吸收。当自由中子被吸收后，裂变原子分裂成多个较轻的原子，并释放出更多的自由中子，这些自由中子被其他裂变原子吸收，从而形成核链式反应，这在业界是熟知的。核链式反应产生的热能通过多个其它处理过程转化为电能，这在业界也是熟知的。
现有适合燃烧具有低裂变物质含量水平（例如，裂变含量水平相当于天然铀）的核电反应堆已经产生出很多新的可燃核燃料来源。这些新来源包括来自反应堆的废弃铀或回收铀。无论是基于节约成本的立场，还是基于可将乏铀回收到燃料循环中的立场，这些新来源都是有吸引力的。但是，回收乏核燃料的立场与在宝贵且有限的核废料容器设施中处理乏核燃料形成鲜明的对照。
由于这些或其他原因，核燃料以及支持回收核燃料和在核反应堆中燃烧这些燃料的核燃料处理技术继续成为受欢迎的核技术补充。
发明内容
在本发明的一些实施例中，提供了核反应堆的燃料棒束，其包括多个燃料元件，每个燃料元件包括第一燃料组分和第二燃料组分。其中，第一燃料组分是回收铀，第二燃料组分是贫化铀和天然铀至少其中之一。所述第一燃料组分与所述第二燃料组分混合。其中，所述混合的第一和第二燃料组分具有低于1.2wt%的235U的第一裂变物质含量。
本发明的一些实施例提供了核反应堆的燃料棒束，其中所述燃料棒束包括含回收铀的第一燃料元件，所述第一燃料元件具有不低于0.72wt%的235U的第一裂变物质含量；以及第二燃料元件，所述第二燃料元件包含贫化铀和天然铀至少其中之一。所述第二燃料元件具有不高于0.71wt%的235U的第二裂变物质含量。
本发明的一些实施例提供了一种用于核反应堆的燃料棒束，其中所述燃料棒束包括具有235U裂变物质含量的多个燃料元件，所述燃料棒束的每个燃料元件具有约0.9wt%至5.0wt%的235U的裂变物质含量。而且，这些燃料元件至少其中之一是含毒物的低浓缩铀燃料元件，所述含毒物的低浓缩铀燃料元件包含浓度高于约5.0vol%的中子毒物。
本发明的一些实施例提供了一种操作加压重水核反应堆的方法。在该方法中，提供第一燃料棒束，所述第一燃料棒束由多个燃料元件组成，每个燃料元件具有约0.9wt%至5.0wt%的235U的裂变物质含量，这些燃料元件至少其中之一是含毒物的低浓缩铀燃料元件，所述含毒物的低浓缩铀燃料元件包含浓度高于约5.0vol%的中子毒物。所述第一燃料棒束被插入该加压重水核反应堆的压力管中。操作该加压重水核反应堆以燃烧所述燃料元件，产生至少与天然铀燃料棒束产生的功率输出一样高的功率输出，但提供负的燃料温度系数（FTC）、负的功率系数（PC）以及比使用天然铀燃料来操作所述加压重水核反应堆提供的冷却剂空泡反应性（CVR）低的冷却剂空泡反应性。
在一些实施例中，在此描述的任何一种燃料棒束和方法使用于加压重水反应堆中。其中，所述燃料棒束位于一根或多根容纳有加压流体的管内，所述加压流体流过所述燃料棒束，吸收所述燃料棒束的热量并在所述燃料棒束下游做工。
通过考虑下面的详细说明和相关附图，本发明的其他方面将变得更为明显。
附图说明
图1是根据本发明第一实施例的核燃料棒束的横截面示意图，示出了核燃料棒束内的多个可能的燃料结构。
图2是根据本发明第二实施例的核燃料棒束的横截面示意图，也示出了核燃料棒束内的多个可能的燃料结构。
图3是根据本发明第三实施例的核燃料棒束的横截面示意图，也示出了核燃料棒束内的多个可能的燃料结构。
图4是根据本发明第四实施例的核燃料棒束的横截面示意图，也示出了核燃料棒束内的多个可能的燃料结构。
图5是应用图1-4的任何一个燃料棒束的核反应堆的示意图。
具体实施方式
对本发明实施例进行描述之前，应当理解，本发明不限于以下描述所阐述的或以下附图所例示的实施例细节和元件布置。本发明可采取其他实施例并可通过不同方式被实施。
多种核燃料按照本发明多个实施例的形式公开于此。这些核燃料可用于各种不同的核反应堆，这里参考加压重水反应堆进行描述。这些反应堆可具有，例如，放置燃料的加压水平或竖直管。这样的反应堆的一个例子就是加拿大氘铀核反应堆（CanadianDeuterium Uranium,CANDU），图5示意性地显示出其中一部分。其他类型的反应堆可具有带孔的非加压水平或竖直管。
加压重水核反应堆仅是可燃烧本发明各种核燃料的反应堆的一种。因此，这种反应堆仅以实例进行描述，可以理解，本发明的各种核燃料可以在其他核反应堆中燃烧。
类似地，本发明这里所描述的各种燃料可以任何形式放置在核反应堆中用以燃烧。仅举例来说，所述燃料可装在管内或者或者可被包含在其它纵长物内(通常可称作“细棒”或“元件”，为了简化说明，在此仅称为“元件”)。本发明一些实施例中使用的元件的例子在图1-4中以标号22标示，且详述如下。如果燃料容纳在管内，所述管可由下列材料制成或包含锆、锆合金，或者在某些情况具有低中子吸收特点的其它适合的材料或材料的组合。
在核反应堆中，多个元件可共同形成一个燃料棒束。这种燃料棒束在图5中以标号14表示。每一燃料棒束14的元件在棒束中可彼此平行地延伸。如果反应堆包括多个燃料棒束14，这些燃料棒束14可被端对端的放置在压力管18中。在其他类型的反应堆中，燃料棒束14可以其它希望的方式被排布。
继续参考图5，当反应堆10处于工作时，重水冷却剂26流过燃料棒束14以冷却燃料元件，移除裂变过程中产生的热量。本发明的核燃料也可用在其热传输和慢化剂系统中具有不同液体/气体组合的压力管反应堆中。无论如何，从核燃料吸收热量的冷却剂26可将该热量传递至下游设备（例如，蒸汽发生器30）以驱动原动机（例如，涡轮34）以产生电能。
于1996年4月25日申请的加拿大第2,174,983号专利申请描述了用于核反应堆的燃料棒束的几种实例，这些燃料棒束可包括本文所述的任一核燃料。加拿大第2,174,983号专利申请的内容以引用的方式结合于本专利中。
本发明的各种核燃料可以与一种或多种其他材料结合使用（例如，混合）。无论单独使用或与其他材料结合使用，所述核燃料可以为颗粒形、粉体形、其他合适形状或者形状的组合。在一些实施例中，本发明的燃料采取棒状形式，比如棒状燃料压成希望的形状、棒状燃料包含在其他材料基质中等。另外，根据本发明的燃料组成的燃料元件可包括管、棒和/或其他类型元件的组合。
如下文更详细的描述，本发明不同实施例的燃料可以包括不同的核燃料组合，例如贫化铀(depleted uranium,DU)、天然铀(natural uranium,NU)以及再加工或回收铀(recycled uranium,RU)的不同组合。除非另有说明，如说明书和所附权利要求中所用到的，包括在核燃料中的材料组成的“百分比”是指重量百分比。此外，如本文所定义的，DU具有从近似0.2wt%到近似0.5wt%（包括近似0.2wt%和近似0.5wt%）的235U的裂变物质含量。NU具有近似0.71wt%的235U的裂变物质含量。RU具有近似0.72wt%到近似1.2wt%（包括近似0.72wt%和近似1.2wt%）的235U的裂变物质含量。
回收铀
再处理或回收铀（RU）是由使用轻水堆（LWRs）的核电生产中产生的乏燃料制造而成的。乏燃料中含有极少量的铀。因此，乏燃料的化学再处理后分离出来的铀，这在业界称为再处理或回收铀。天然铀（NU）仅含有三种同位素234U、235U和238U。然而，在LWR中辐照和冷却后，得到的RU具有与天然铀不同的同位素组成。具体而言，RU包括四种并不存在于天然铀中的额外的铀同位素236U、232U、233U和237U(一般视为杂质)。因此，这四种额外的同位素的出现可以被视为RU的标志。
也应当理解的是，RU的同位素组成与许多因素有关，例如辐照之前的燃料（即，新燃料）的初始235U含量、燃料的来源、燃烧燃料的反应堆的类型、反应堆内的燃料的辐照历史（例如，包括燃耗）以及辐照后的燃料的冷却和存储时间。例如，绝大多数辐照后燃料会在特别设计的池中经过至少5年时间的冷却以确保辐射安全。然而，冷却时间可被延长至10至15年或更久。
RU经常包含由燃料包壳、燃料参杂以及用在RU上的分离和净化方法引入的化学杂质（例如，钆（Gadolinum））。这些化学杂质可能包括非常少量的超铀同位素(transuranicisotope)，例如，钚(Plutonium)-238(238Pu)、239Pu、240Pu、241Pu、242Pu、镎(Neptunium)-237(237Np)、镅(Americium)-241(241Am)、锔(Curium)-242(242Cm)以及裂变产物，例如，锆-95/铌-95(95Zr/95Nb)、钌(Ruthenium)-103(103Ru)、106Ru、铯(Cesium)-134(134Cs)、137Cs和锝(Technetium)-99(99Tc)。经常出现在RU中的其他杂质包括铝(Aluminum(Al))、硼(Boron(B))、镉(Cadmium(Cd)),钙(Calcium(Ca)),炭(Carbon(C))、氯(Chlorine(Cl))、铬(Chromium(Cr))、铜(Copper(Cu))、镝(Dysprosium(Dy))、氟(Flourine(F))、铁(Iron(Fe))、镁(Magnesium(Mg))、锰(Manganese(Mn))、钼(Molybdenum(Mo))、镍(Nickel(Ni))、氮(Nitrogen(N))、磷(Phosphorous (P))、钾(Potassium(K))、硅(Silicon(Si))、钠(Sodium(Na))、硫(Sulphur(S))和钍(Thorium(Th))。
贫化铀
如上所述，贫化铀(DU)具有从近似0.2wt%到近似0.5wt%（包括近似0.2wt%和近似0.5wt%）的235U的裂变物质含量。DU主要是由同位素铀-238(238U)和铀-235(235U)构成的铀。与之相比，天然铀（NU）包括近似99.28wt%的238U、近似0.71wt%的235U和近似0.0054wt%的234U。DU是铀浓缩的副产品，一般所含的235U和234U低于天然铀的三分之一。DU还包括各种杂质，例如，铝(Al)、硼(B)、镉(Cd)、钙(Ca)、碳(C)、氯(Cl)、铬(Cr)、铜(Cu)、镝(Dy)、氟(F)、钆(Gd)、铁(Fe)、镁(Mg)、锰(Mn)、钼(Mo)、镍(Ni)、氮(N)、磷(P)、钾(K)、硅(Si)、钠(Na)、硫(S)和钍(Th)。
混合燃料
应当了解到，在许多应用中，许多核燃料的铀含量太高或太低，使得这些燃料无法在多种核反应堆中燃烧。类似地，RU(234U、235U、236U和238U)的组成以及通常出现在RU中的上述杂质(232U、233U和237U)使RU无法作为许多反应堆的可行的燃料。然而，本案的发明人已经发现，通过混合RU和DU，所得到的核燃料的235U裂变物质的含量可达到作为新燃料在许多核反应堆中燃烧可接受的范围，这些反应堆例如（但不限于）是加压重水核反应堆（例如，具有水平燃料管（例如CANDU反应堆中的管）的加压重水核反应堆）。类似的结果可以通过混合RU和NU得到，在得到的核燃料中，235U裂变物质的含量被降低至作为新燃料燃烧可接受的范围。
无论是与DU还是NU混合，RU都可以使用任何现有的方法混合，例如（但不限于）使用酸溶液或干混法。
在一些实施例中，本发明的核反应堆燃料包括第一燃料组分RU和第二燃料组分DU，RU和DU已经混合在一起以具有低于1.2wt%的235U的组合裂变物质含量。在这种燃料中，RU可具有近似0.72wt%至近似1.2wt%的235U的裂变物质含量。在其它实施例中，这些燃料中的RU可具有近似0.8wt%至近似1.1wt%的235U的裂变物质含量。在其它实施例中，这些燃料中的RU可具有近似0.9wt%至近似1.0wt%的235U的裂变物质含量。在其它实施例中，这些燃料中的RU可具有近似0.9wt%的235U的裂变物质含量。在每个上述实施例中，这些燃料中的DU可具有近似0.2wt%至近似0.5wt%的235U的裂变物质含量。
因此，在一些实施例中，通过混合较低235U裂变物质含量的DU与较高235U裂变物质含量的RU，所得到的混合RU/DU核燃料可具有小于1.0wt%的235U的裂变物质含量。在其它实施例中，所得到的混合RU/DU核燃料可具有低于0.8wt%的235U的裂变物质含量。在其它实施例中，所得到的混合RU/DU核燃料可具有低于0.72wt%的235U的裂变物质含量。在其它实施例中，所得到的混合RU/DU核燃料还可具有近似0.71wt%的235U的裂变物质含量，从而通过混合RU与DU得到裂变物质含量与天然铀相当的燃料。
在一些实施例中，本发明的核反应堆燃料包括第一燃料组分RU和第二燃料组分NU，RU和NU已经混合在一起以具有低于1.2wt%的235U的组合裂变物质含量。在这些燃料中，RU可具有近似0.72wt%至近似1.2wt%的235U的裂变物质含量。在其它实施例中，这些燃料中的RU可具有近似0.8wt%至近似1.1wt%的235U的裂变物质含量。在其它实施例中，这些燃料中的RU可具有近似0.9wt%至近似1.0wt%的235U的裂变物质含量。在其它实施例中，这些燃料中的RU可具有近似0.9wt%的235U的裂变物质含量。
因此，在一些实施例中，通过混合较低235U裂变物质含量的NU与较高235U裂变物质含量的RU，所得到的混合RU/NU核燃料可具有小于1.0wt%的235U的裂变物质含量。在其它实施例中，所得到的混合RU/NU核燃料可具有低于0.8wt%的235U的裂变物质含量。在其它实施例中，所得到的混合RU/NU核燃料可具有低于0.72wt%的235U的裂变物质含量。在其它实施例中，所得到的混合RU/NU核燃料可具有近似0.71wt%的235U的裂变物质含量，从而通过混合RU与NU得到裂变物质含量与天然铀相当的燃料。
在一些实施例中，RU与DU和NU两者混合以产生235U裂变物质含量或者含量范围与上述介绍的混合RU/DU和混合RU/NU核燃料相同的燃料。在这些例子中，RU的235U裂变物质含量或者含量范围以及DU的235U裂变物质含量或者含量范围可与上述介绍的实施例中的相同。
根据本发明的各实施例的核燃料可包括可燃毒物（BP）。例如，在此描述的任何一种核燃料可包括RU和DU与一种可燃毒物（BP）的混合物，或者RU和NU与一种可燃毒物（BP）的混合物。该可燃毒物可与本文描述的各种RU/DU混合物、RU/NU混合物和RU/DU/NU混合物进行混合。
燃料棒束构造
核燃料混合（如上所述）是一种利用本来不可用的RU产生新核燃料的强大方式。然而，这种混合只是使RU能够用在许多类型的反应堆（包括加压重水反应堆）中燃烧的其中一种方式。在许多应用中，至少部分依赖于这些混合燃料在燃料棒束中的位置，在此描述的混合RU燃料可被高效地使用在燃料棒束中。而且，RU甚至可以在不进行上述混合的情况下成功地使用在燃料棒束中。相反，当RU被包含在燃料棒束的特定位置，具有一定的235U裂变物质含量，和/或与DU和/或NU结合使用以形成多个目标组合时，所得到的燃料棒束具有高度期望的特性。这些特性包括更好地燃耗控制和低冷却剂空泡反应性（如下所述）。
图1-4例示了用在核反应堆（例如图5所示的加压重水反应堆10）中的核燃料的各种实施例。具体而言，图1-4例示了位于压力管18内的燃料棒束14的多个实施例的横截面示意图。图1-4例示的燃料结构只是举例说明，应当理解的是，图1-4的燃料棒束也可以具有其它的燃料结构，这些其它的燃料结构属于本发明的精神和范围内。也应当指出的是，参考图1-4描述的各种燃料（RU、DU、NU、RU/DU混合物、RU/NU混合物以及RU/DU/NU混合物）的特性（包括235U裂变物质含量和235U裂变物质含量范围）已经在前面提供。
重水冷却剂26容纳在压力管18内，占据燃料棒束14的燃料元件22之间的子通道（subchannel）。这些燃料元件22可以包括中间元件38、第一组多个元件42、第二组多个元件46和第三组多个元件50。其中，这些第一组多个元件42从中间元件38径向向外设置，这些第二组多个元件46从第一组多个元件42径向向外设置，而这些第三组多个元件50从第二组多个元件46径向向外设置。应当理解的是，在其它实施例中，该燃料棒束14可包括更少或更多的元件，且可包括以不同于图1-4所示的方式配置的多个元件。例如，这些燃料元件22可被定位成在一个或多个平面内相互平行，这些元件可被排列成具有方块形状或其它横截面形状的矩阵或阵列，这些元件也可呈其它任何图案化或无图案化排列。压力管18、燃料棒束14和/或燃料元件22也可构造成任何形状和尺寸。例如，这些压力管18、燃料棒束14和燃料元件22可具有任何期望的横截面形状（不同于图1-5所示的圆形）和尺寸。举另一个例子，燃料棒束14内的燃料元件22可具有任何相对尺寸（不同于图1-4所示的燃料元件22具有相同的尺寸或两种尺寸版本）。
在图1和图2的实施例中，例示了一种具有37个元件的燃料棒束，其中所有燃料元件22都具有一致的横截面尺寸（或者说直径（在这些元件具有圆形横截面形状的情况下））。图1和图2中的这些第一组多个元件42包括相互平行的6个元件，排列成基本上呈圆形的图案。图1和图2中的这些第二组多个元件46包括12个相互平行的元件，排列成基本上呈圆形的图案。图1和图2中的这些第三组多个元件50包括相互平行的18个元件，排列成基本上呈圆形的图案。该中间元件38、第一组多个元件42、第二组多个元件46和第三组多个元件50同轴设置，使得所有这些元件22都相互平行。应当理解的是，图1和图2中表示元件22的大致圆形位置的线条仅用作例示用途，其并不必然表明这些元件22被拴在一起或以其它方式结合在一起以形成一种特别的排列。
图3和图4所示的实施例例示了包括43个元件的燃料棒束14。图3和图4中的这些第一组多个元件42包括相互平行的7个元件，排列成基本上呈圆形的图案。图3和图4中的这些第二组多个元件46包括14个相互平行的元件，排列成基本上呈圆形的图案。图3和图4中的这些第三组多个元件50包括相互平行的21个元件，排列成基本上呈圆形的图案。该中间元件38、第一组多个元件42、第二组多个元件46和第三组多个元件50同轴设置，使得所有这些元件22都相互平行。该中间元件38和每个第一组的元件42都具有第一横截面尺寸（或者说直径（在这些元件具有圆形横截面形状的情况下）），而每个第二组的元件46和第三组的元件50都具有第二横截面尺寸（或者说直径（在这些元件具有圆形横截面形状的情况下）），其中第二横截面尺寸不同于第一横截面尺寸。具体而言，该第一横截面尺寸大于第二横截面尺寸。在这方面，术语“横截面形状”是指一个平面沿垂直于所提到的物体的纵轴线的方向穿过该物体所得到的横截面形状。也应当理解的是，图3和图4中表示元件22的大致圆形位置的线条仅用作例示用途，其并不必然表明这些元件被拴在一起或以其它方式结合在一起以形成一种特定的排列。
在一些实施例中，图1-4中的每个燃料元件22包括一个填充有核燃料的管。该管可由下列材料制成或包括下列材料：锆（zirconium）、锆合金或在一些情况下具有低中子吸收特点的其它合适材料或材料组合。该管可填充前述一种或多种材料，例如仅填充核燃料或与其它材料一起填充。所填充的材料可以呈颗粒状、粉末状或其它合适的形态或者多种形态组合。在其它实施例中，每个燃料元件22包括一根棒，该棒由一种或多种材料形成（例如仅由核燃料形成或与其它材料一起形成），例如包含在其它材料基质内的核燃料。而且，在一些实施例中，燃料棒束14内的燃料元件22可包括管和棒和/或其它包含燃料的元件的组合，且燃料元件22可采用其它适合特定应用的构造。
如图1-4所示，这些燃料元件22可以包括各种核燃料组合，例如贫化铀（DU）、天然铀（NU）和再处理或回收铀（RU）的组合。首先参考图1，所示的燃料棒束14包括37个元件。图1的中间元件38包括具有第一裂变物质含量(即，(RU/DU)1)的RU和DU的混合物和/或DU和可燃毒物（BP）的混合物和/或DU。如上所述，不同材料的混合物（在此一般以斜线“/”表示）可以使用任何现有的方法得到，例如（但不限于）使用酸溶液或干混法。参考图1，这些第一组多个元件42包括具有第二裂变物质含量(即，(RU/DU)2)的RU和DU的混合物。这些第二组多个元件46包括具有第三裂变物质含量(即，(RU/DU)3)的RU和DU的混合物和/或具有第一裂变物质含量（即，NU1）的NU。这些第三组多个元件50包括具有第四裂变物质含量(即，(RU/DU)4)的RU和DU的混合物和/或具有第二裂变物质含量（即，NU2）的NU。
在图1的实施例中（以及本申请的其它附图中的实施例），已经混合在一起的材料以斜线“/”表示。然而，在每个这样的实施例中，这些元件的替代燃料结构包括使用仅含有一种上述指出的燃料的燃料元件22，但与含有其它指出的燃料的燃料元件22结合使用。这些不同燃料类型（例如，在同一环元件22中）的元件22可以替换上述具有不同类型燃料混合物的元件22或与之结合使用。
例如，图1中的那一环(RU/DU)2元件22表示第一组多个元件36中的每个所示元件22是RU和DU的混合物。然而，可替换地或者在此基础之上，该第一组多个元件36可包括一个或多个RU元件和一个或多个DU元件。所得到的含RU或DU的燃料元件22可排列成其它构造，例如排列成绕燃料棒束14的具有变化圆周位置的交替图案。
在一些实施例中，图1的燃料棒束14中的RU/DU混合物的235U裂变物质含量大体相同（各环都大体相同，或者在离燃料棒束14中心的不同径向距离的位置上都大体相同）。在其它实施例中，燃料棒束14中的RU/DU混合物的235U裂变物质含量在环与环之间变化，或者随离燃料棒束14的中心的径向距离不同而变化。例如，图1的中间元件38、这些第一组多个元件42、这些第二组多个元件46和这些第三组多个元件50至少其中之一包含的RU/DU混合物的裂变物质含量可与一个或多个其它元件包含的混合物的裂变物质含量不同。在一些实施例中，图1的中间元件38包含的(RU/DU)1混合物的235U百分比一般低于第一组多个元件42包含的(RU/DU)2混合物的235U百分比，第一组多个元件42包含的(RU/DU)2混合物的235U百分比一般低于第二组多个元件46包含的任何(RU/DU)3混合物的235U百分比，第二组多个元件46包含的任何(RU/DU)2混合物的235U百分比一般低于第三组多个元件50包含的任何(RU/DU)4混合物的235U百分比。因此，燃料棒束14含有的核燃料的235U裂变物质含量可从燃料棒束14的中心沿径向向外的方向递增。然而，在其他实施例中，该235U裂变物质含量可从燃料棒束14的中心沿径向向外的方向递减。
类似地，图1的实施例中使用的任何NU的裂变物质含量可大体相同或者随离燃料棒束14的中心的距离不同而产生变化。例如，第二组多个元件46包含的任何NU1的235U百分比一般低于第三组多个元件50包含的任何NU2的235U百分比。可选择地，第三组多个元件50包含的任何NU2的235U百分比一般低于第二组多个元件46包含的任何NU1的235U百分比。
而且，在一些实施例中，一个特定燃料元件22的特定裂变物质含量可在这些元件42、元件46和元件50的其中之一种或多种元件中变化（例如，在燃料棒束14内沿圆周方向变化）或沿着燃料棒束14的纵向长度上变化。而且，BP也可包含在图1的任何或所有燃料元件22中，例如包含在所示的中间元件38内。
下列燃料棒束结构是基于图1例示的燃料棒束实施例，作为具有特别期望的特性的燃料棒束的例子，并非用于限制本发明的范围或者根据图1可预期的其它可能的实施例。此处所使用的术语“环”包括仅仅一个中间元件这种情形。
范例 #1
中间元件:RU/DU
第一环元件42: RU/DU
第二环元件46: RU/DU
第三环元件50: RU/DU
范例 #2
中间元件:(RU/DU)1
第一环元件42: (RU/DU)2
第二环元件46: (RU/DU)3
第三环元件50: (RU/DU)4
其中，(RU/DU)2的235U裂变物质含量高于(RU/DU)1的235U裂变物质含量，(RU/DU)3的235U裂变物质含量高于(RU/DU)1和/或(RU/DU)2的235U裂变物质含量，和/或(RU/DU)4的235U裂变物质含量高于(RU/DU)1、(RU/DU)2和/或(RU/DU)3的235U裂变物质含量。
范例 #3
中间元件:(RU/DU)1
第一环元件42: (RU/DU)2
第二环元件46: (RU/DU)3
第三环元件50:NU
其中，(RU/DU)2的235U裂变物质含量高于(RU/DU)1的235U裂变物质含量，(RU/DU)3的235U裂变物质含量高于(RU/DU)1和/或(RU/DU)2的235U裂变物质含量。
范例 #4
中间元件:(RU/DU)1
第一环元件42: (RU/DU)2
第二环元件46:NU
第三环元件50: (RU/DU)3
其中，(RU/DU)2的235U裂变物质含量高于(RU/DU)1的235U裂变物质含量，(RU/DU)3的235U裂变物质含量高于(RU/DU)1和/或(RU/DU)2的235U裂变物质含量。
范例 #5
中间元件:(RU/DU)1
第一环元件42: (RU/DU)2
第二环元件46:NU
第三环元件50:NU
其中，(RU/DU)2的235U裂变物质含量高于(RU/DU)1的235U裂变物质含量。
图2例示了另一个具有37个元件的燃料棒束14的实施例。图2的中间元件38包括具有第一裂变物质含量（即，RU1）的RU和/或具有第一裂变物质含量（即，DU1）的DU。图2的第一组多个元件42包括具有第二裂变物质含量（即，RU2）的RU和/或具有第二裂变物质含量（即，DU2）的DU。第二组多个元件46包括具有第三裂变物质含量（即，RU3）的RU。第三组多个元件50包括具有第四裂变物质含量(即，RU4)的RU。
每个元件22包含的RU的235U裂变物质含量可大体相同和/或具有变化。在图2的RU的235U裂变物质含量具有变化的那些实施例中，这种变化可以随离燃料棒束的中心的径向距离变化而变化和/或随燃料棒束14内的圆周位置的变化而变化，且这种变化可以存在于图2的任何或所有环之间，和/或存在于任何环的任何或所有圆周位置。例如，在一些实施例中，中间元件38包含的RU1的235U百分比一般低于第一组多个元件42包含的RU2的235U百分比，第一组多个元件42包含的RU2的235U百分比一般低于第二组多个元件46包含的RU3的235U百分比，和/或第二组多个元件46包含的RU3的235U百分比一般低于第三组多个元件50包含的RU4的235U百分比。因此，在一些实施例中，燃料棒束14的核燃料的235U裂变物质含量从燃料棒束14的中心沿径向向外的方向递增。然而，在一些实施例中，该235U裂变物质含量从燃料棒束14的中心沿径向向外的方向递减。
应当理解的是，即使当图2的燃料棒束14包含的RU的裂变物质含量以任何一种上述介绍的方式进行变化，每个燃料元件22的235U裂变物质含量一般仍然在近似0.72wt%与近似1.2wt%之间（包括0.72wt%和1.2wt%）。仅仅作为举例，中间元件38包含的RU1的裂变物质含量从上述针对RU定义的范围中进行选择，第一组多个元件42包含的RU2的裂变物质含量也从上述定义的相同范围中进行选择，但是可以与所选择的中间元件38的裂变物质含量不同。
类似地，图2的实施例中使用的任何DU的裂变物质含量可大体相同或具有变化---随离燃料棒束14的中心的径向距离的变化而变化或随燃料棒束14内的圆周位置变化而变化。这里也是仅仅作为举例，中间元件38包含的任何DU1的235U百分比可一般低于第二组多个元件42包含的任何DU2的235U百分比。可选择地，第二组多个元件42包含的任何DU2的235U百分比可一般低于中间元件38包含的任何DU1的235U百分比。
而且，在一些实施例中，一个特定燃料元件22的特定裂变物质含量可在这些元件42、元件46和元件50的其中之一种或多种元件中变化（例如，在燃料棒束14内沿圆周方向变化）或沿着燃料棒束14的纵向长度上变化。而且，BP也可包含在图2的任何或所有燃料元件22中。
下列燃料棒束14结构是基于图2例示的燃料棒束实施例，作为具有特别期望的特性的燃料棒束14的例子，但并非用于限制本发明的范围或者根据图2可预期的其它可能的实施例。此处所使用的术语“环”包括仅仅一个中间元件这种情形。
范例 #6
中间元件:DU1
第一环元件42: DU2
第二环元件46: RU1
第三环元件50: RU2
其中DU2的235U裂变物质含量高于DU1的235U裂变物质含量，RU2的235U裂变物质含量高于RU1的235U裂变物质含量。
图3的实施例与上述图1的实施例实质上类似，不同之处在于燃料棒束14是一个具有43个元件的燃料棒束，且具有非均匀尺寸的燃料元件22。由于这些中间、第一组、第二组和第三组多个元件38、42、46和50的核燃料分布分别类似于图1中的元件，因此，对于图3的实施例（以及可能的替代实施例）的细节可参考上述结合图1的描述。
下列燃料棒束结构是基于图3例示的燃料棒束实施例，且作为具有特别期望的特性的燃料棒束的例子，但并非用于限制本发明的范围或者根据图3可预期的其它可能的实施例。此处所使用的术语“环”包括仅仅一个中间元件这种情形。
范例 #7
中间元件:RU/DU
第一环元件42: RU/DU
第二环元件46: RU/DU
第三环元件50: RU/DU
范例 #8
中间元件:RU/DU
第一环元件42: RU/DU
第二环元件46: RU/DU
第三环元件50: NU
范例 #9
中间元件:RU/DU
第一环元件42: RU/DU
第二环元件46: NU
第三环元件50: RU/DU
范例 #10
中间元件:DU/BP
第一环元件42: (RU/DU)1
第二环元件46: (RU/DU)2
第三环元件50: (RU/DU)3
其中，(RU/DU)2的235U裂变物质含量高于(RU/DU)1的235U裂变物质含量，(RU/DU)3的235U裂变物质含量高于(RU/DU)2和/或(RU/DU)1的235U裂变物质含量。
范例 #11
中间元件:DU
第一环元件42: (RU/DU)1
第二环元件46: (RU/DU)2
第三环元件50: (RU/DU)3
其中，(RU/DU)2的235U裂变物质含量高于(RU/DU)1的235U裂变物质含量，(RU/DU)3的235U裂变物质含量高于(RU/DU)2和/或(RU/DU)1的235U裂变物质含量。
范例 #12
中间元件:DU/BP
第一环元件42: (RU/DU)1
第二环元件46: (RU/DU)2
第三环元件50:NU
其中，(RU/DU)2的235U裂变物质含量高于(RU/DU)1的235U裂变物质含量。
范例 #13
中间元件:DU/BP
第一环元件42: (RU/DU)1
第二环元件46: NU
第三环元件50: (RU/DU)2
其中，(RU/DU)2的235U裂变物质含量高于(RU/DU)1的235U裂变物质含量。
图4的实施例与上述图2的实施例实质上类似，不同之处在于，如上所述，燃料棒束14是一个具有43个元件的燃料棒束，且具有非均匀尺寸的燃料元件22。由于这些中间、第一组、第二组和第三组多个元件38、42、46和50的核燃料分布分别类似于图2，因此，对于图4的实施例（以及可能的替代实施例）的细节可参考上述结合图2的描述。
下列燃料棒束结构是基于图4例示的燃料棒束实施例，且作为具有令人特别满意的特性的燃料棒束的例子，但并非用于限制本发明的范围或者根据图4可预期的其它可能的实施例。此处所使用的术语“环”包括仅仅一个中间元件这种情形。
范例 #14
中间元件:DU/BP
第一环元件42: RU
第二环元件46: RU
第三环元件50: RU
范例 #15
中间元件:DU
第一环元件42: RU
第二环元件46: RU
第三环元件50: RU
范例 #16
中间元件:DU
第一环元件42: DU
第二环元件46: RU
第三环元件50: RU
图3和图4的实施例给出了燃料元件的具体数量、燃料元件排列（例如，在所示的实施例中的元件环）、燃料元件尺寸和燃料元件相对尺寸在本发明的范围内可以如何变化的例子。在一些实施例中，核燃料的235U裂变物质含量从燃料棒束14的中心沿径向向外的方向递减。在其它实施例中，该235U裂变物质含量从燃料棒束14的中心沿径向向外的方向递增。
在重水冷却反应堆中，当冷却剂产生空泡时，中子增殖率上升。例如，当冷却剂开始沸腾时，冷却剂产生空泡。冷却剂空泡反应性是一个反应堆中子增殖能力的衡量指标。这种现象归因于正的冷却剂空泡反应性，其可能在针对不同场合的所有反应堆中发生。本发明可以显著降低冷却剂空泡反应性，也可以提供负的燃料温度系数和/或负的功率系数。
以上描述和附图所例示的实施例仅是以举例的方式加以呈现，不能被视为对本发明的概念和原理的限制。因此，本领域技术人员应当认识到，在不偏离本发明的精神和范围的前提下，可以对所例示的元件和他们的构造和排列进行一些变化。例如，在各种描述和/或例示的实施例中，RU和DU混合物进一步与不同类型的核燃料或其它材料进行混合以产生具有所希望的裂变物质含量的核燃料。例如，RU和DU（单独的RU和DU或者RU/DU混合物）可与稍浓缩铀（SEU）和低浓缩铀（LEU）混合。在此所定义的SEU具有从近似0.9wt%到近似3wt%（包括近似0.9wt%和近似3wt%）的235U的裂变物质含量，LEU具有从近似3wt%到近似20wt%（包括近似3wt%和近似20wt%）的235U的裂变物质含量。
另外，在此描述的实施例也可以用于比目前压力管反应堆中所使用的压力管大或小的压力管，也可以用于未来的压力管反应堆。而且，本发明也可以应用于具有不同元件数量和排列的燃料棒束，并不限于43个元件和37个元件的燃料棒束设计和排列（例如图1-4所示的范例）。例如，虽然图3和图4的实施例在所示的燃料棒束14中使用两种不同元件尺寸，而图1和图2的实施例在所示的燃料棒束14中使用相同的元件尺寸，应当理解的是，在本发明的精神和范围内，在此描述的任何一个燃料棒束在燃料棒束内的不同环和/或不同圆周位置具有相同或不同尺寸的元件。作为另一个例子，更大尺寸的元件并不一定仅设置在燃料棒束14的第一和/或第二环中。在其它实施例中，这些相对较大尺寸的元件设置在燃料棒束14的径向上靠外的环（例如，径向上最外环和/或与之相邻的环）。
获得降低的或负的CVR的燃料棒束构造
如上所述，所希望的是降低加压重水核反应堆（例如，CANDU反应堆）中的冷却剂空泡反应性（CVR），甚至是提供负的CVR。加拿大第2097412号专利提供了降低（特别是CANDU反应堆中的）冷却剂空泡反应性的技术背景，这件加拿大专利以全文引用的方式结合于本案中。中子吸收剂或“毒物”可与裂变物质一起包含在燃料棒束中以降低或完全抵消正的CVR值。例如，毒物可在任何一种燃料棒束14（包括图1和图2的37元件燃料棒束和图3和图4的43元件棒束）的一个或多个元件22中与一种或多种类型的可裂变铀混合。该毒物可以是可燃毒物（例如，镝（dysprosium）或者钆（gadolinium））或者不可燃毒物（例如，铪（hafnium））。为了补偿该毒物的中子吸收效应，与通常使用在CANDU反应堆中的无毒物天然铀相较，含毒物的核燃料中有必要增加可裂变材料。为了满足特定燃料燃耗目标和CVR，在构造燃料棒束14时可以使用分级的浓缩方案。
在一种构造中，图1和图2提供了一种37个元件的燃料棒束，每个燃料元件22具有大约0.9wt%至5.0wt%的235U的裂变物质含量，且至少一个燃料元件22是一种含毒物的低浓缩铀燃料，该含毒物的低浓缩铀燃料包括浓度高于大约5.0vol%的中子毒物。换句话说，所有的燃料元件22都符合“稍浓缩”，且可以符合或包含“低浓缩”铀。在一些构造中，该至少一个含毒物的低浓缩铀燃料元件的裂变物质含量为至少约3.0wt%的235U，更具体而言，可以在约3.0wt%至约3.5wt%之间。该至少一个含毒物的低浓缩铀燃料元件的中子毒物含量可以在约5.0vol%至约8.0vol%之间。在一个特别的例子中，该至少一个含毒物的低浓缩铀燃料元件的235U裂变物质含量为约3.21wt%，而该至少一个含毒物的低浓缩铀燃料元件的中子毒物含量为约6.82vol%。在这个特别的例子中，中子毒物可以是镝（dysprosium）。该中子毒物也可以是镝与另外一种可燃毒物（例如钆（gadolinium））的混合物。
在以上例子中，除了本发明范围内的其它构造之外，该燃料棒束14的至少一个含毒物的低浓缩铀燃料元件包括该棒束的中间元件38和紧邻并环绕该中间元件38的每个第一组燃料元件42。燃料棒束14的其余燃料元件22（即，第二和第三组多个燃料元件46、50）为不含毒物的燃料元件，置于该含毒物的低浓缩燃料元件38、42的径向外侧。每个不含毒物的燃料元件46、50的235U裂变物质含量不超过含毒物的低浓缩燃料元件38、42的裂变物质含量，至少一些不含毒物的燃料元件46、50的235U裂变物质含量低于含毒物的低浓缩燃料元件38、42的裂变物质含量。
在一些构造中，第二组多个燃料元件46的裂变物质含量高于第三组多个燃料元件50的裂变物质含量。例如，第二组多个裂变物质含量46可具有约3.0wt%至约3.5wt%的235U的裂变物质含量，且第三组多个燃料元件50可具有低于约2.0wt%的235U的裂变物质含量。更具体而言，第二组多个燃料元件46可具有约3.18wt%的235U的裂变物质含量，第三组多个燃料元件50可具有约1.73wt%的235U的裂变物质含量。
在其它构造中，所有燃料元件22的裂变物质含量可与含毒物的低浓缩铀燃料元件的相同，或者可以至少高于上述具体例子中的含量水平。为了维持低的CVR（即，低于天然铀燃料棒束的CVR），以及在一些情况下具有负的CVR，随着裂变物质含量水平高于上述具体例子中的含量水平，该含毒物的低浓缩铀燃料元件38、42可以具有高于6.82vol%的毒物含量。例如，相对于该裂变物质含量，含毒物的低浓缩铀燃料元件38、42的中子含量可以增加至约20vol%。
虽然上述介绍的燃料元件的材料可以通过浓缩天然铀以获得预期的裂变物质含量的方式产生，但替代源可以提供燃料供给弹性。为了限制在特定燃料元件22中产生预定235U裂变物质含量所必需的浓缩量以及为了利用替代铀来源，一定量的低浓缩铀可与一定量的天然铀、回收铀和贫化铀其中任何一种混合。例如，为了制造235U裂变物质含量为3.21wt%的含毒物的低浓缩铀燃料元件，少量235U裂变物质含量高于3.21wt%的低浓缩铀可与回收铀（其235U裂变物质含量为约0.72wt%至1.2wt%）混合。如果该低浓缩铀中含有足够的235U，则该混合物可包括回收铀和/或至少天然铀和贫化铀其中之一。
当作为燃料使用在加压重水核反应堆时，例如上述介绍的燃料棒束提供的冷却剂空泡反应性（CVR）和燃料温度系数（FTC）低于一个等同天然铀燃料棒束的对应CVR和FTC，而不会降低功率输出。这种燃料棒束可提供负的CVR、负的FTC以及负的功率系数（PC）。这种类型的燃料棒束的CVR对燃料燃耗并不十分敏感。例如，上述介绍的燃料棒束可在中等燃耗条件下产生-3mk的CVR值。
为了利用包括含毒物的低浓缩铀燃料元件的燃料棒束，具有上述介绍的特征的燃料棒束（或者多个类似的燃料棒束）被插入加压重水核反应堆的其中一个压力管18内，然后该反应堆运行以燃烧该燃料。当在反应堆中燃烧时，该燃料棒束产生的功率输出至少与天然铀燃料棒束产生的相同，但其提供了负的CVR、负的FTC以及负的PC。因此，一旦冷却剂在压力管内产生空泡，该燃料棒束的反应性实际上降低。通过将一个或多个天然铀燃料棒束替换成包括含毒物的低浓缩铀燃料元件，含毒物的低浓缩铀燃料元件也可以作为设计用以燃烧天然铀燃料的反应堆的燃料。该反应堆的运行不需要区分装入的燃料棒束是何种类别，使得该反应堆没有必要针对不同的燃料进行重新设计。包括含毒物的低浓缩铀燃料元件的替换燃料棒束提供了与天然铀类似的性能，但提高了安全系数。通过利用回收铀和/或贫化铀，该替换燃料棒束也可以降低对新天然铀供应的依赖。
在一些构造中，一个或多个压力管18每个都填充与上述介绍的燃料棒束类似的燃料棒束。例如，每个压力管18可同时容纳12个燃料棒束。由于包含低浓缩铀和中子毒物的燃料棒束的栅格无限介质增殖系数K∞（lattice k-infinity）高于类似天然铀燃料棒束的栅格无限介质增殖系数K∞，因此传统的8棒束换料方案（8-bundle-shift fueling scheme）无法使用。但是，可使用4棒束或者2棒束换料方案。而且，组合棒束（例如混合2和4棒束或混合4和8棒束）换料方案可以被使用。压力管18可以在核反应堆的运行过程中（即，无需停堆）利用任何一种上述方案进行换料操作。
Claims (26)
1.一种用于核反应堆的燃料棒束，所述燃料棒束包括：
具有235U裂变物质含量的多个燃料元件，其中所述燃料棒束的每个燃料元件具有约0.9wt％至约5.0wt％的235U的裂变物质含量，且这些燃料元件至少其中之一是含毒物的低浓缩铀燃料元件，所述含毒物的低浓缩铀燃料元件包含浓度高于约5.0vol％的中子毒物，
当作为燃料使用在加压重水核反应堆时，所述燃料棒束提供的冷却剂空泡反应性(CVR)和燃料温度系数(FTC)低于一个等同天然铀燃料棒束的对应CVR和FTC，而不会降低功率输出。
2.如权利要求1所述的燃料棒束，其中所述至少一个含毒物的低浓缩铀燃料元件的裂变物质含量为至少约3.0wt％的235U。
3.如权利要求2所述的燃料棒束，其中所述至少一个含毒物的低浓缩铀燃料元件的裂变物质含量为约3.0wt％至约3.5wt％的235U。
4.如权利要求1所述的燃料棒束，其中所述至少一个含毒物的低浓缩铀燃料元件中的中子毒物浓度是在约5.0vol％至约8.0vol％之间。
5.如权利要求4所述的燃料棒束，其中所述至少一个含毒物的低浓缩铀燃料元件中的裂变物质含量为约3.21wt％的235U，所述至少一个含毒物的低浓缩铀燃料元件中的中子毒物浓度为约6.82vol％，所述中子毒物是镝。
6.如权利要求1所述的燃料棒束，其中所述至少一个含毒物的低浓缩铀燃料元件包括中间燃料元件和第一组多个燃料元件，所述中间燃料元件沿燃料棒束轴线延伸，所述第一组多个燃料元件紧邻且围绕所述中间燃料元件，其中所述燃料棒束的其余燃料元件为不含毒物的燃料元件，所述不含毒物的燃料元件位于所述含毒物的低浓缩铀燃料元件的径向外侧。
7.如权利要求6所述的燃料棒束，其中每个不含毒物的燃料元件的235U裂变物质含量不高于所述含毒物的低浓缩铀燃料元件的裂变物质含量，至少一些不含毒物的燃料元件的235U裂变物质含量低于所述含毒物的低浓缩铀燃料元件的裂变物质含量。
8.如权利要求7所述的燃料棒束，其中所述不含毒物的燃料元件包括第二组多个燃料元件和第三组多个燃料元件，所述第二组多个燃料元件紧邻且围绕所述第一组多个燃料元件，所述第三组多个燃料元件紧邻且围绕所述第二组多个燃料元件，其中所述第二组多个燃料元件的的裂变物质含量高于所述第三组多个燃料元件的裂变物质含量。
9.如权利要求8所述的燃料棒束，其中所述第二组多个燃料元件具有约3.0wt％至约3.5wt％的235U的裂变物质含量，所述第三组多个燃料元件具有低于约2.0wt％的235U的裂变物质含量。
10.如权利要求9所述的燃料棒束，其中所述第二组多个燃料元件具有约3.18wt％的235U的裂变物质含量，所述第三组多个燃料元件具有约1.73wt％的235U的裂变物质含量。
11.如权利要求1至10中任意一项所述的燃料棒束，其中所述至少一个含毒物的低浓缩铀燃料元件包括低浓缩铀与至少下列物质其中之一的混合物以得到预定的235U裂变物质含量：天然铀、回收铀和贫化铀。
12.如权利要求1至10中任意一项所述的燃料棒束，其中每个所述燃料元件包括稍浓缩铀和低浓缩铀至少其中之一与至少下列物质其中之一的混合物以得到预定的235U裂变物质含量：天然铀、回收铀和贫化铀。
13.如权利要求1至10中任意一项所述的燃料棒束，其中所述燃料棒束包括总共37个具有基本上均匀的尺寸的燃料元件。
14.如权利要求1至10中任意一项所述的燃料棒束，其中所述燃料棒束包括总共43个燃料元件，所述至少一个含毒物的低浓缩铀燃料元件包括8个位于中央的增大的燃料元件。
15.如权利要求1至10中任意一项所述的燃料棒束，其中所述中子毒物包括至少一个可燃中子毒物。
16.如权利要求15所述的燃料棒束，其中所述中子毒物包括镝。
17.如权利要求15所述的燃料棒束，其中所述中子毒物包括钆。
18.如权利要求1至10中任意一项所述的燃料棒束，其中所述中子毒物是不可燃中子毒物。
19.如权利要求1所述的燃料棒束，其中所述燃料棒束提供负的CVR、负的FTC和负的功率系数(PC)。
20.一种操作加压重水核反应堆的方法，该方法包括：
提供第一燃料棒束，所述第一燃料棒束由多个燃料元件组成，每个燃料元件具有约0.9wt％至5.0wt％的235U的裂变物质含量，至少这些燃料元件其中之一是含毒物的低浓缩铀燃料元件，所述含毒物的低浓缩铀燃料元件包含浓度高于约5.0vol％的中子毒物；
将所述第一燃料棒束插入该加压重水核反应堆的压力管中；以及
操作该加压重水核反应堆以燃烧所述燃料元件，产生至少与天然铀燃料棒束产生的功率输出一样高的功率输出，但提供负的燃料温度系数(FTC)、负的功率系数(PC)以及比使用天然铀燃料来操作所述加压重水核反应堆提供的冷却剂空泡反应性(CVR)低的冷却剂空泡反应性。
21.如权利要求20所述的方法，其中所述第一燃料棒束被插入以替换天然铀燃料棒束。
22.如权利要求20或21所述的方法，还包括在所述压力管内填充与所述第一燃料棒束类似的12个燃料棒束。
23.如权利要求22所述的方法，还包括在所述核反应堆运行过程中以4棒束换料方式为所述压力管换料。
24.如权利要求22所述的方法，还包括在所述核反应堆运行过程中以2棒束换料方式为所述压力管换料。
25.如权利要求22所述的方法，还包括在所述核反应堆运行过程中以混合2和4棒束换料方式为所述压力管换料。
26.如权利要求22所述的方法，还包括在所述核反应堆运行过程中以混合4和8棒束换料方式为所述压力管换料。
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