CN103366836B - 核燃料芯块、制作方法及核反应堆 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种核燃料芯块、制作方法及核反应堆。该核燃料芯块至少包括从内向外布置的第一燃料区域和第二燃料区域，第二燃料区域的厚度比第一燃料区域薄得多；第一燃料区域的核燃料材料的反应性高于第二燃料区域的核燃料材料的反应性。通过将反应性较低的核燃料材料设置在反应性较高的核燃料芯块的外围，起到降低初始过剩反应性的作用，使得堆芯中的可燃毒物和/或硼酸也相应更少，利于堆芯核设计和反应性控制；或使得可以装载更多的易裂变材料，实现更长的燃料循环。而且更多的中子可被有效吸收，进而提高燃料的转化比。另外，通过将反应性较低的核燃料材料设置在核燃料芯块的最内圈，起到减少可裂变材料残留的作用，从而提高核燃料的利用率。

Description

核燃料芯块、制作方法及核反应堆

技术领域

本发明涉及核电站燃料，更具体地说，涉及一种可用于核电站中的核燃料芯块。

背景技术

易裂变材料有U233、U235和Pu239三种。但只有U235是天然存在的，U233和Pu239需要通过Th232和U238吸收一个中子后转化获得。

每次裂变放出约200Mev的能量和2-3个中子，堆芯功率决定了单位时间内的裂变数。每次裂变放出的2-3个中子，除了一个用于持续链式反应外，其余的一个多中子被堆芯结构材料吸收、泄漏、被毒物（包括裂变产物、可燃毒物、溶解在水中的硼酸和控制棒）吸收，或被Th232或/和U238吸收。每消耗一个易裂变材料生成的U233或/和Pu239的数量称为转化比，当转化比大于1时称为增殖比，即易裂变材料可以越烧越多，这就是增殖反应堆的增殖原理。压水堆的转化比约为0.6，高温气冷堆的转化比约为0.8。

对停堆换料的反应堆，初始堆芯或换料之后的堆芯都要有过剩反应性以便在所要求的循环长度内使堆芯能临界并输出能量。为了控制这些过剩反应性，使用了可燃毒物、溶解在水中的硼酸和控制棒来补偿这些过剩反应性。不停堆换料的CANDU型重水堆，使用硝酸钆做可燃毒物。

对于循环长度很长的小型堆来说，使用控制棒、可燃毒物和/或硼酸来控制过剩反应性，当硼酸浓度过大时会使慢化剂温度系数为正、控制棒插入过深则会给堆芯的功率分布带来很大的负面影响。而对于要实现超长循环长度的某些特殊小型堆来说，可燃毒物存在消耗偏快及加入太多影响易裂变材料装量的问题，使得反应性的长期有效抑制成为难题。

现有核燃料芯块的设计不管是铀、铀钚混合、铀钍混合、钚钍混合，还是含钆铀芯块，在径向上都是均匀的。核燃料芯块在燃耗的初期，燃料芯块外圈的核燃料对燃料芯块内部的核燃料有很强的自屏效应，因为燃料芯块外圈的核燃料材料拦截了大部分从慢化剂中返回的热中子。随着燃料芯块外圈核燃料材料的逐渐燃耗，核燃料芯块的自屏效应才会逐渐减弱。

核燃料芯块径向均匀设计使得新燃料的过剩反应性大，在堆芯中需要通过大量使用硼酸和/或可燃毒物以吸收过剩的中子。而这些过剩的中子本可以很有价值，因为中子可以分别使Th232和U238转化为易裂变材料U233和Pu239。

同样燃料成分组成的堆芯，过剩反应性越小，则需要的可燃毒物或/和硼酸就越少，这意味着Th232或U238吸收的中子就越多，转化成的易裂变材料U233或Pu239也越多，转化比得以增加。

芯块径向均匀设计的核燃料在卸出不用时，由于上述自屏效应的影响，在径向上越往内残留的可裂变材料越多。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，提供了一种利用核燃料的自屏效应、使燃料初始过剩反应性变小及减少可裂变材料残留的核燃料芯块及使用该核燃料芯块的核反应堆。

本发明要解决的技术问题在于，提供一种径向非均匀设计的核燃料芯块的设计方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种核燃料芯块，包括核燃料材料，所述核燃料芯块至少包括从内向外布置的第一燃料区域和第二燃料区域；所述第一燃料区域的核燃料材料的反应性高于所述第二燃料区域的核燃料材料的反应性。

在本发明的核燃料芯块中，所述第一燃料区域的核燃料材料为铀或MOX；所述第二燃料区域的核燃料材料为钍。

在本发明的核燃料芯块中，所述钍为Th232。

在本发明的核燃料芯块中，所述第一燃料区域和第二燃料区域的核燃料材料均为铀或MOX，并且所述第一燃料区域的铀或MOX的富集度高于所述第二燃料区域的铀或MOX。

在本发明的核燃料芯块中，所述核燃料芯块为圆柱形芯块，所述第一燃料区域和第二燃料区域沿径向布置；或者，

所述核燃料芯块为球形芯块，所述第一燃料区域和第二燃料区域沿径向布置；或者，

所述核燃料芯块为平板形芯块，所述第一燃料区域和第二燃料区域沿厚度方向从内到外布置；

所述第二燃料区域的厚度比第一燃料区域薄，所述第二燃料区域的厚度小于或等于整个芯块厚度的五分之一。

在本发明的核燃料芯块中，所述核燃料芯块还包括设置在所述第一燃料区域内侧的第三燃料区域；所述第三燃料区域的核燃料材料的反应性低于所述第一燃料区域的核燃料材料的反应性。

在本发明的核燃料芯块中，所述核燃料芯块为圆柱形芯块，所述第三燃料区域、第一燃料区域和第二燃料区域依次沿径向由内向外布置；或者，

所述核燃料芯块为球形芯块，所述第三燃料区域、第一燃料区域和第二燃料区域沿径向由内向外布置；或者，

所述核燃料芯块为平板形芯块，所述第三燃料区域、第一燃料区域和第二燃料区域沿厚度方向由内向外布置。

在本发明的核燃料芯块中，所述第三燃料区域的核燃料材料为天然铀。

本发明还提供一种核反应堆，装载有上述任一项所述的核燃料芯块。

本发明还提供一种核燃料芯块的制作方法，包括以下步骤：

(S1)根据满足燃料管理需求的、装载有径向均匀设计核燃料芯块燃料的核反应堆堆芯的燃耗结果，确定出该堆芯寿期末各批次燃料的平均燃耗及在该燃耗下的反应性；

(S2)根据寿期末堆芯反应性相等的原则，以及径向均匀设计核燃料芯块燃料和上述权利要求1-8任一项所述的核燃料芯块燃料的燃耗与反应性的关系曲线，初步选出要采用的核燃料芯块径向非均匀设计方案；

(S3)根据所选的核燃料芯块径向非均匀设计方案，进行组件截面计算和堆芯燃耗计算；再根据计算结果对核燃料芯块径向非均匀设计方案中径向区域的划分、各径向区域核燃料材料的选择、各径向区域的铀富集度或/和MOX含量进行优化，完成燃料芯块径向非均匀设计。

实施本发明具有以下有益效果：通过将反应性较低的核燃料材料设置在核燃料芯块的外围，起到降低初始过剩反应性的作用，有利于堆芯核设计和反应性控制；能使得堆芯中的可燃毒物和/或硼酸也相应更少；从而更多的中子可被Th232或U238等吸收，转化成易裂变材料U233或Pu239等，进而提高转化比。并通过将反应性较低的核燃料材料设置在核燃料芯块的最内圈，起到减少卸料燃料中的可裂变材料残留的作用。从而提高核燃料的利用率。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明核燃料芯块的第一实施例的结构示意图；

图2是本发明核燃料芯块的第二实施例的结构示意图；

图3是现有技术燃料芯块径向均匀设计组件和本发明的非均匀设计组件的反应性随燃耗变化示意图。

具体实施方式

如图1所示，是本发明的核燃料芯块的第一实施例，该核燃料芯块包括有核燃料材料，可应用于使用可燃毒物、硼酸或控制棒控制过剩反应性堆型的核反应堆中。

该核燃料芯块包括从内向外布置的第一燃料区域11和第二燃料区域12。在本实施例中，该核燃料芯块为圆柱形芯块，第一燃料区域11和第二燃料区域12沿径向非均匀布置，第二燃料区域12包围在第一燃料区域11的外围，从而起到对第一燃料区域11的屏蔽作用。

可以理解的，核燃料芯块还可以为其他形状的燃料芯块，如球形芯块、平板形芯块等。当采用球形芯块时，第一燃料区域11和第二燃料区域12沿径向非均匀分布，保证第二燃料区域12包裹住第一燃料区域11，起到屏蔽作用；而当采用平板形芯块时，第一燃料区域11和第二燃料区域12沿厚度方向非均匀布置，并且保证第二燃料区域12包裹住第一燃料区域11，起到屏蔽作用。

其中，该第一燃料区域11的核燃料材料的反应性高于第二燃料区域12的核燃料材料的反应性。在本实施例中，该第一燃料区域11的半径为0.378cm（当然，其半径可以根据需要进行调整在0.30cm-0.45cm之间），核燃料材料为富集度4.45%的二氧化铀，，其反应性较佳，以输出适当的能量。

该第二燃料区域12的半径为0.418cm（当然，其半径可以根据需要进行调整在0.30cm-0.50cm之间），核燃料材料为钍，其中的Th232可以转化为易裂变材料U233，并利用自屏效应，起到屏蔽第一燃料区域11内的核燃料材料的作用，从而使得燃料的初始过剩反应性变小，从而使得堆芯中的可燃毒物和/或硼酸也相应减少，更多的中子被Th232和/或U238吸收，转化成的易裂变材料U233或Pu239也越多，转化比将比传统燃料芯块的转化比大；能提高燃料利用率。

在本实施例中，第二燃料区域12的厚度比第一燃料区域11薄得多，该第二燃料区域12的厚度小于或等于整个芯块厚度的五分之一，并由反应性较低的核材料构成（如钍或天然铀），对内层燃料起反应性屏蔽的作用，以降低新燃料的反应性；而第一燃料区域11为芯块中反应性最高的区域，易裂变材料的富集度最大，体积份额也最大。

可以理解的，第一燃料区域11和第二燃料区域12的核燃料材料均可以使用铀或MOX，只要保证第一燃料区域11的铀或MOX的富集度高于第二燃料区域12的铀或MOX，以使得第二燃料区域12能够屏蔽第一燃料区域11，降低初始过剩反应性即可。

本发明的核燃料芯块的非均匀设计，在低燃耗阶段其反应性比现有均匀设计的反应性小，在高燃耗阶段优化后的径向非均匀设计方案的反应性会比现有均匀设计的反应性大（以氧化铀燃料堆芯为例，假设天然铀及分离功的等效总量不变）。

上述特点使得装载径向非均匀设计核燃料芯块燃料的堆芯在燃料循环的大部分时间内的转化比比装载现有径向均匀设计核燃料芯块燃料的堆芯的转化比更高，最后使得循环长度更长；也可以减小铀的平均富集度使循环长度不变，使堆芯达到所需的循环长度。

如图2所示，是本发明的核燃料芯块的第二实施例，其与上一实施例的区别在于，在第一燃料区域11的内侧还设有第三燃料区域13，该区域的半径为0.15cm（当然，其半径可以根据需要进行调整在0.10cm-0.20cm之间），核材料为天然铀。该第三燃料区域13的核燃料材料的反应性低于第一燃料区域11的核燃料材料的反应性，从而形成由内到外反应性先升高再降低的结构，以便既利用核燃料芯块的自屏效应降低初始过剩反应性，又能避免核燃料芯块中心区域易裂变材料残留高的浪费，以充分利用核燃料材料。

该第三燃料区域13的核燃料材料可以为天然铀、或富集度低于第一燃料区域11的铀和/或MOX等。该第三燃料区域13为芯块的中心区域，反应性比第一区域11的反应性低（如由天然铀组成），从而降低卸料时的可裂变材料残留。

当然，整个核燃料芯块可以为圆柱形芯块，第三燃料区域13、第一燃料区域11和第二燃料区域12依次沿径向非均匀布置；或者，核燃料芯块为球形芯块，第三燃料区域13、第一燃料区域11和第二燃料区域12沿径向非均匀布置；或者，核燃料芯块为平板形芯块，第三燃料区域13、第一燃料区域11和第二燃料区域12沿厚度方向非均匀布置。

上述核燃料芯块可以与对应的燃料管理需求配合，以提高燃料利用率，具体步骤包括：

(S1)根据满足燃料管理需求的、装载现有技术的径向均匀设计核燃料芯块燃料的核反应堆堆芯的燃耗结果，确定出该堆芯寿期末各批次燃料的平均燃耗及在该燃耗下的反应性，示意图见图3；

(S2)根据寿期末堆芯反应性相等（由各批次组件在寿期末批次燃料燃耗的反应性按组件数量和位置系数加权平均获得，边缘组件的位置系数小）的原则，以及现有核燃料芯块燃料与本发明的核燃料芯块燃料燃耗与反应性的关系曲线，示意图见图3，初步选出要采用的核燃料芯块径向非均匀设计方案；

(S3)根据所选的核燃料芯块径向非均匀设计方案，进行堆芯燃耗计算；再根据计算结果对核燃料芯块径向非均匀设计方案中径向区域的划分、各径向区域核燃料材料的选择、各径向区域的铀富集度或/和MOX含量进行优化，燃料芯块径向非均匀设计示意图见图2。

该方法适用于使用可燃毒物、硼酸或控制棒控制过剩反应性的堆型。

以使用可燃毒物和控制棒控制过剩反应性，且每次换料时堆芯全部换成新燃料的小型堆为例，对核燃料芯块径向非均匀设计方案的示范性实施例进行如下阐述。

(B1)先根据满足燃料管理需求的装载现有技术设计核燃料芯块燃料堆芯的燃耗结果确定出该堆芯寿期末各批次燃料的平均燃耗及在该燃耗下的反应性；

(B2)因为每次换料时堆芯全部换成新燃料，所以堆芯中的燃料不存在多次入堆的问题。在初步选择各批次核燃料芯块径向非均匀设计方案时，只需使各批次燃料在寿期末批次燃料燃耗的反应性与核燃料芯块径向均匀设计燃料在寿期末批次燃料燃耗的反应性保持一致即可；

(B3)根据所选的各批次核燃料芯块径向非均匀设计方案，进行堆芯燃耗计算；再根据计算结果对各批次的核燃料芯块径向非均匀设计方案进行优化。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (9)

1.一种核燃料芯块，包括核燃料材料，其特征在于，所述核燃料芯块至少包括从内向外布置的第一燃料区域和第二燃料区域；所述第一燃料区域的核燃料材料的反应性高于所述第二燃料区域的核燃料材料的反应性；所述核燃料芯块还包括设置在所述第一燃料区域内侧的第三燃料区域；所述第三燃料区域的核燃料材料的反应性低于所述第一燃料区域的核燃料材料的反应性。

2.根据权利要求1所述的核燃料芯块，其特征在于，所述第一燃料区域的核燃料材料为铀或MOX；所述第二燃料区域的核燃料材料为钍。

3.根据权利要求2所述的核燃料芯块，其特征在于，所述钍为Th232。

4.根据权利要求1所述的核燃料芯块，其特征在于，所述第一燃料区域和第二燃料区域的核燃料材料均为铀或MOX，并且所述第一燃料区域的铀或MOX的易裂变材料的富集度高于所述第二燃料区域。

5.根据权利要求1-4任一项所述的核燃料芯块，其特征在于，所述核燃料芯块为圆柱形芯块，所述第一燃料区域和第二燃料区域沿径向布置；或者，

所述核燃料芯块为球形芯块，所述第一燃料区域和第二燃料区域沿径向布置；或者，

所述核燃料芯块为平板形芯块，所述第一燃料区域和第二燃料区域沿厚度方向从内到外布置；

所述第二燃料区域的厚度比第一燃料区域薄，所述第二燃料区域的厚度小于或等于整个芯块厚度的五分之一。

6.根据权利要求1所述的核燃料芯块，其特征在于，所述核燃料芯块为圆柱形芯块，所述第三燃料区域、第一燃料区域和第二燃料区域依次沿径向由内向外布置；或者，

所述核燃料芯块为球形芯块，所述第三燃料区域、第一燃料区域和第二燃料区域沿径向由内向外布置；或者，

所述核燃料芯块为平板形芯块，所述第三燃料区域、第一燃料区域和第二燃料区域沿厚度方向由内向外布置。

7.根据权利要求1所述的核燃料芯块，其特征在于，所述第三燃料区域的核燃料材料为天然铀。

8.一种核反应堆，其特征在于，装载有权利要求1-7任一项所述的核燃料芯块。

9.一种核燃料芯块的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：

(S1)根据满足燃料管理需求的、装载有径向均匀设计核燃料芯块燃料的核反应堆堆芯的燃耗结果，确定出该堆芯寿期末各批次燃料的平均燃耗及在该燃耗下的反应性；

(S2)根据寿期末堆芯反应性相等的原则，以及径向均匀设计核燃料芯块燃料和上述权利要求1-7任一项所述的核燃料芯块燃料的燃耗与反应性的关系曲线，初步选出要采用的核燃料芯块径向非均匀设计方案；

(S3)根据所选的核燃料芯块径向非均匀设计方案，进行组件截面计算和堆芯燃耗计算；再根据计算结果对核燃料芯块径向非均匀设计方案中径向区域的划分、各径向区域核燃料材料的选择、各径向区域的铀富集度或/和MOX含量进行优化，完成燃料芯块径向非均匀设计。