CN107731317A - 一种无可溶硼冷却剂的压水反应堆及其燃料组件 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种燃料组件，应用于无可溶硼冷却剂的压水反应堆中，其包括：多根粗径控制棒导向管，所述每一根粗径控制棒导向管占据2×2根燃料棒的位置，所述多根粗径控制棒导向管对称布置在所述燃料组件中，所述多根粗径控制棒导向管的数量为12至20根。相应地，本发明还公开了一种采用所述燃料组件的无可溶硼冷却剂的压水反应堆。实施本发明，在该燃料组件中由于可插入具有更大中子吸收效能的粗径控制棒，可以使反应堆堆芯具有引入较大负反应性的潜力，能提高压水反应堆的效率和安全性，并能降低成本。

Description

一种无可溶硼冷却剂的压水反应堆及其燃料组件
技术领域
本发明涉及一种压水堆核电厂反应堆设计领域，尤其涉及一种无可溶硼冷却剂的压水反应堆及其燃料组件。
背景技术
在现有的压水反应堆核电厂中，主要依靠可在堆芯上下移动的控制棒和冷却剂中可调节浓度的可溶硼作为中子吸收体对反应堆堆芯的后备反应性进行控制，另外还有布置在燃料组件中的固体可燃毒物吸收体或在燃料芯块表面覆盖薄层的可燃毒物吸收体起到辅助功能。
对于较缓慢的反应性变化，反应性控制是通过可溶硼浓度的变化实现的。这种反应性变化包括堆芯“冷态”和“热态”之间的过渡引起的慢化剂温度的变化、燃料的燃耗及其裂变产物的积累、氙的变化和钐的变化等。而对于快速的反应性变化，反应性控制是由堆内吸收体控制棒和可溶硼一起控制的，但主要是由吸收体控制棒控制的，它主要用于补偿快速的反应性变化、轴向功率分布的控制、补偿由于堆芯状态（如运行温度、功率水平）变化引起的反应性变化、必要时的反应堆停堆等。
如图1所示，示出现有的一种压水反应堆用燃料组件结构示意图，具体地，其为一种采用17×17（即燃料棒按17×17方阵排列）燃料组件（AFA3G型），其中含有24根细径控制棒导向管11’，在燃料组件的中心位置还布置一根可插入中子探测器的仪表管12，每根控制棒导向管和仪表管占据一根燃料棒的位置，其余位置设置燃料棒13。这种燃料组件的活性段即燃料芯块摞的长度为365.76cm（12英尺）。
目前而言，上述用于压水堆核电厂反应堆的燃料组件是技术成熟、运行安全的燃料组件，在国内外均有广泛应用。但是，这些应用的一个共同特点是反应堆冷却剂中均含有可溶硼作为中子吸收剂。
对于某些压水堆系统（例如小型模块化压水堆核电厂、海上可移动式压水堆核电厂），为了简化或减少系统和设备，通常不设置与可溶硼相关的系统，如化学容积控制系统、硼水补给系统、硼再循环系统等，该反应堆堆芯在正常运行时的反应性控制与调节主要依赖控制棒组件。
根据核安全法规《核动力厂设计安全规定》要求，即使在堆芯处于反应性最大的状态下，必须至少有一个系统能够独立地以足够的深度和高可靠性使反应堆保持次临界状态。这个独立的系统正是控制棒控制系统。控制棒组件的驱动机构一般安装在反应堆压力容器上封头（顶盖）上面。由于受反应堆压力容器上封头（顶盖）力学结构和控制棒驱动机构尺寸的限制，一般不可能在每个燃料组件对应的部位都布置控制棒组件。因此，例如采用含有24根细径控制棒导向管的AFA3G型，仅利用有限数量的控制棒组件，而没有可溶硼中子吸收剂的作用，将使堆芯后备反应性的控制能力严重不足，反应堆的停堆裕度和次临界度都很低。如果辅以固体可燃毒物，又将可能使反应堆的后备反应性过小，无法维持运行寿期内的临界状态。
同时，含有细径控制棒导向管的AFA3G的燃料组件还存在着刚度问题，在反应堆运行期间较容易发生弯曲变形，使控制棒插入燃料组件中时发生卡涩。
因此，基于上述因素考虑，如何在无可溶硼冷却剂的压水反应堆使反应堆堆芯具有引入较大负反应性的潜力、增大反应堆的停堆裕度和次临界度、提高堆芯后备反应性的控制能力，以及提高燃料组件的刚度是一个急待解决的问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，提供一种无可溶硼冷却剂的压水反应堆及其使用的燃料组件，可提高压水反应堆的效率和安全性，并能降低成本。
本发明所采用的技术方案在于，提供一种无可溶硼冷却剂的压水反应堆用燃料组件，其特征在于，包括：多根粗径控制棒导向管，所述每一根粗径控制棒导向管占据2×2根燃料棒的位置，所述多根粗径控制棒导向管对称布置在所述燃料组件中，所述多根粗径控制棒导向管的数量为12至20根，所述多根粗径控制棒导向管中插入有粗径控制棒束。
其中，所述燃料组件为其燃料棒分别按17×17或15×15方阵排列的燃料组件，在所述燃料组件的中心栅格位置布置有中子探测器仪表管或燃料棒。
其中，所述每一粗径控制棒导向管的最大外径不超过2.50cm，所述粗径控制棒导向管的壁厚处于0.05cm至0.10cm之间。
其中，所述每一粗径控制棒导向管分为上下两部分，所述导向管内径沿轴向为变径结构，所述粗径控制棒导向管上部分具有第一壁厚，其下部分具有第二壁厚；所述第一壁厚小于所述第二壁厚，且在所述上下两个内径之间设有锥形缓冲过渡段。
其中，在所述粗径控制棒导向管中插入有粗径控制棒束，所述粗径控制棒束具有金属包壳管，所述金属包壳管中封装有控制棒吸收体，所述控制棒吸收体的最大直径为2.10cm。
其中，所述控制棒吸收体为银-铟-镉合金棒，或者为下部为银-铟-镉合金棒、上部为碳化硼棒材料合成的控制棒吸收体。
其中，所采用的燃料芯块摞的长度范围为80cm至366cm之间。
相应地，本发明还提供一种无可溶硼冷却剂的压水反应堆，其采用前述的压水反应堆用燃料组件。
实施本发明实施例，具有如下有益效果：
本发明公开的一种无可溶硼冷却剂的压水反应堆用燃料组件，其通过将12至20根粗径控制棒导向管对称布置在所述燃料组件中，每根控制棒导向管占据2×2根燃料棒的位置。该燃料组件可插入具有更大中子吸收效能的粗径控制棒，使反应堆堆芯具有引入较大负反应性的潜力，可增大反应堆的停堆裕度和次临界度，提高堆芯后备反应性的控制能力和安全性；并能提高燃料组件的刚度和降低建设及运行成本。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是现有的一种压水反应堆用燃料组件结构示意图；
图2是本发明提供的一种无可溶硼冷却剂的压水反应堆用燃料组件第一实施例的结构示意图；
图3是图2中粗径控制棒导向管的截面示意图;
图4是本发明提供的一种无可溶硼冷却剂的压水反应堆用燃料组件第二实施例的结构示意图；
图5是本发明提供的一种无可溶硼冷却剂的压水反应堆用燃料组件第三实施例的结构示意图；
图6是一种System80型压水反应堆用燃料组件结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
参考附图描述本发明的实施例，附图中类似的元件标号代表类似的元件。
如图2所示，示出了本发明提供的一种无可溶硼冷却剂的压水反应堆用燃料组件第一实施例的结构示意图；在该实施例中，示出了一种17×17型压水堆用燃料组件横截面示意图（01A型），具体地，该压水反应堆为无可溶硼冷却剂的压水反应堆，该压水堆用燃料组件包括：
多根粗径控制棒导向管11，所述每一根粗径控制棒导向管占据2×2根燃料棒的位置，所述多根粗径控制棒导向管11对称布置在所述燃料组件中，所述多根粗径控制棒导向管的数量为12至20根，在图2中示出了16根粗径控制棒导向管11。具体地，所述16根粗径控制棒导向管011占据下列行、列栅格的位置：行2-3、列6-7；行2-3、列11-12；行3-4、列3-4；行3-4、列14-15；行6-7、列2-3；行6-7、列6-7；行6-7、列11-12；行6-7、列15-16；行11-12、列2-3；行11-12、列6-7；行11-12、列11-12；行11-12、列15-16；行14-15、列3-4；行14-15、列14-15；行15-16、列6-7；行15-16、列11-12。其中，中心栅格位置（行9、列9的地方）可以设置中子探测器仪表管12，而在其余栅格中均设置燃料棒13，可以理解的是，在其他的实施例中，在中心栅格位置也可以设置燃料棒13。
其中，所采用的燃料芯块摞的长度范围为80cm至366cm之间。
其中，如图3所示，在所述粗径控制棒导向管11中插入有粗径控制棒束，所述粗径控制棒束具有金属包壳管111，所述金属包壳管111中封装有控制棒吸收体113，所述控制棒吸收体113的最大直径为2.10cm，在所述粗径控制棒导向管11与所述金属包壳管111之间存在水隙110，在所述金属包壳管111与所述控制棒吸收体113之间存在气隙112，在一个例子中，所述金属包壳管111可采用不锈钢材料。
其中，在一个例子中，所述控制棒吸收体113为银-铟-镉合金棒；而在其他的例子中，其亦可以是下部为银-铟-镉合金棒、上部为碳化硼棒材料合成的控制棒吸收体。
具体地，在一个例子中，每一粗径控制棒导向管11的最大外径不超过2.50cm，所述粗径控制棒导向管的壁厚处于0.05cm至0.10cm之间。
进一步地，在一个例子中，所述每一粗径控制棒导向管11分为上下两部分，所述粗径控制棒导向管11内径沿轴向为变径结构，其中，所述粗径控制棒导向管11上部分具有第一壁厚，其下部分具有第二壁厚；所述第一壁厚小于所述第二壁厚，且在所述上下两个内径之间设有锥形缓冲过渡段。在一个例子中，所述第一壁厚优选为0.053cm，所述第二壁厚优选为0.065cm。可以理解的是，粗径控制棒束在插入所述每一粗径控制棒导向管11的过程中，在水隙110的作用下，在所述第一壁厚处插入速率较快，可以实现快速控制压水堆堆芯的后备反应性；在紧接着插入所述第二壁厚处时，可以使粗径控制棒束获得比第一壁厚处更大的水阻力，从而可以更大可能地减小粗径控制棒束对所述燃料组件上部结构部件的碰撞，确保燃料组件的完整性。
如图4所示，示出了本发明提供的一种无可溶硼冷却剂的压水反应堆用燃料组件第二实施例的结构示意图；在该实施例中，示出了一种17×17型压水堆用燃料组件横截面示意图（01B型），该压水堆用燃料组件与第一实施例的主要的区别在于述粗径控制棒导向管11的设置位置有所不同，具体地，在该实施例中，16根粗径控制棒导向管11占据下列行、列栅格的位置：行3-4、列3-4；行3-4、列6-7；行3-4、列11-12；行3-4、列14-15；行6-7、列3-4；行6-7、列6-7；行6-7、列11-12；行6-7、列14-15；行11-12、列3-4；行11-12、列6-7；行11-12、列11-12；行11-12、列14-15；行14-15、列3-4；行14-15、列6-7；行14-15、列11-12；行14-15、列14-15。同样，在中心栅格位置（行9、列9）处可以设置中子探测器仪表管12，也可以设置燃料棒13；其余栅格均为燃料棒13。其中，粗径控制棒导向管11的结构特征可以参考前述对图2和图3的描述，在此不进行详述。
如图5所示，示出了本发明提供的一种无可溶硼冷却剂的压水反应堆用燃料组件第三实施例的结构示意图；在该实施例中，示出了一种15×15型压水堆用燃料组件横截面示意图（02A型），该压水堆用燃料组件与第一实施例的主要的区别在于述粗径控制棒导向管11的设置位置有所不同，具体地，在该实施例中，其中， 16根粗径控制棒导向管11占据下列行、列栅格的位置：行2-3、列6-7；行2-3、列9-10；行3-4、列3-4；行3-4、列12-13；行6-7、列2-3；行6-7、列6-7；行6-7、列9-10；行6-7、列13-14；行9-10、列2-3；行9-10、列6-7；行9-10、列9-10；行9-10、列13-14；行12-13、列3-4；行12-13、列12-13；行13-14、列6-7；行13-14、列9-10。在中心栅格位置（行8、列8）处可以设置中子探测器仪表管12，也可以设置燃料棒13；其余栅格均为燃料棒13。其中，粗径控制棒导向管11的结构特征可以参考前述对图2和图3的描述，在此不进行详述。
可以理解的是，在压水反应堆领域，可以通过kinf和来度量堆芯后备反应性和其负反应性增量。其中，无限介质中的反应性增殖系数kinf是堆芯后备反应性的一种度量方式，增殖系数kinf越大，意味着堆芯后备反应性越大；而是反映单个燃料组件在控制棒束全部抽出（ARO）和控制棒束全部插入（ARI）两种工况的kinf的负反应性增量（反应性单位为pcm，1pcm=10-5）。
通过使用蒙特卡罗软件计算分析，对单个燃料组件进行了ARO和ARI两种工况的kinf计算。计算时，对比的燃料组件富集度采用4.45%，本发明的燃料组件反应性与之在ARO工况下相近，可溶硼浓度为0mg/kg，其他输入参数如热功率、结构材料组分也相同，目的是使不同的燃料组件具有可比性。
表1给出了利用本发明的一种含有16根粗径控制棒的燃料组件01A型（即图2示出的结构）和01B型（即图4示出的结构）和含24根细径控制棒的17×17型AFA3G燃料组件（即图1示出的结构）在无限介质中的增殖系数kinf计算结果比较。
表1 本发明01A型和01B型燃料组件增殖系数比较
从表1的计算结果比较中可以看出，本发明的17×17型单个燃料组件01A型和01B型通过插入16根粗径控制棒束可获得比插入24根细径控制棒束的AFA3G燃料组件分别多引入2.92倍和2.70倍的负反应性。
同时，为了验证含有粗径控制棒的数量对kinf和的影响，以本发明所提出的燃料组件与另一种16×16型（System80型）压水堆用燃料组件进行比较。如图6所示，示出了一种System80型压水反应堆用燃料组件结构示意图；在该实施例中，该压水堆用燃料组件设置有5根粗径控制棒导向管，该5根粗径控制棒导向管占据下列行、列栅格的位置：行4-5、列4-5；行4-5、列12-13；行8-9、列8-9；行12-13、列4-5；行12-13、列12-13。在中心栅格位置（行8-9、列8-9）处设置中子探测器仪表管；其余栅格均为燃料棒。
表2给出了本发明的一种含有16根粗径控制棒的燃料组件02A型（即图5示出的结构）和含有5根粗径导向管的16×16型System80型燃料组件（即图6示出的结构）在无限介质中的增殖系数kinf计算结果比较。
表2 本发明02A型燃料组件增殖系数比较
从表2计算结果比较中可以看出，本发明的15×15型单个燃料组件02A型通过插入16根粗径控制棒束可获得比插入4根粗径控制棒束的System80型燃料组件多引入6.49倍的负反应性；甚至由于System80型燃料组件只有4根控制棒束，当全部插入时都无法达到次临界状态，对于全堆芯而言，限于控制棒组件的数量，则情况更甚，必须通过设置其他中子吸收手段（如可溶硼和固体可燃毒物）以及降低燃料富集度来克服，故图6中的System80型燃料组件只能设置于采用可溶硼冷却剂的压水反应堆中。
申请人认为，根据上述计算结果可以充分证明：
（1）由于吸收体棒本身的中子“自屏”作用，吸收体棒外表面对中子的吸收能力大于吸收体的内区。吸收体棒外表面积越大，即吸收体棒直径越大，吸收中子的能力就越强，故本发明的燃料组件有利于增大无可溶硼冷却剂的压水反应堆的停堆裕度和次临界度，不但提高了堆芯后备反应性的控制能力和安全性，还简化或减少了系统和设备，降低了核电厂的建造成本；
（2）由于堆芯后备反应性控制能力的提高，反应堆堆芯可以提高本发明的燃料组件中U-235的富集度，进一步增大后备反应性，从而延长堆芯换料周期，增加反应堆运行循环长度（如从18个月增加到2年至4年或更长）；或者在保持运行循环长度不变的情况下，可提高反应堆的输出功率，降低核电厂的发电成本，提高核电厂的经济性；
（3）与含有4根粗径控制棒导向管的System80型燃料组件相比，本发明的16根粗径控制棒束不仅大大提高了其对燃料组件后备反应性的控制能力，而且这16根粗径控制棒在燃料组件内的位置分布也经过了大量计算结果的评估分析，使控制棒的吸收效应在燃料组件内能够均匀分布，从而使中子的吸收区域更均阔，也使燃料组件内的径向功率分布更平展；
（4）与含有24根细径控制棒导向管的AFA3G型燃料组件和含有4根粗径控制棒导向管的System80型燃料组件相比，本发明含有较多根粗径控制棒导向管的燃料组件具有更大的刚度和抗弯曲变形能力，在反应堆运行期间使控制棒容易顺利地完全插入燃料组件中而不发生卡涩，进一步提高堆芯安全性能。
故申请人认为，本发明实施例具有如下有益效果：
本发明公开的一种无可溶硼冷却剂的压水反应堆用燃料组件，其通过将12至20根粗径控制棒导向管对称布置在所述燃料组件中，每根控制棒导向管占据2×2根燃料棒的位置。该燃料组件可插入具有更大中子吸收效能的粗径控制棒，使反应堆堆芯具有引入较大负反应性的潜力，可增大反应堆的停堆裕度和次临界度，提高堆芯后备反应性的控制能力和安全性；并能提高燃料组件的刚度和降低建设及运行成本。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种燃料组件，应用于无可溶硼冷却剂的压水反应堆中，其特征在于，包括：
多根粗径控制棒导向管，所述每一根粗径控制棒导向管占据2×2根燃料棒的位置，所述多根粗径控制棒导向管对称布置在所述燃料组件中，所述多根粗径控制棒导向管的数量为12至20根，所述多根粗径控制棒导向管中插入有粗径控制棒束。
2.如权利要求1所述的一种燃料组件，其特征在于，所述燃料组件为其燃料棒分别按17×17或15×15方阵排列的燃料组件，在所述燃料组件的中心栅格位置布置有中子探测器仪表管或燃料棒。
3.如权利要求2所述的一种燃料组件，其特征在于，所述每一粗径控制棒导向管的最大外径不超过2.50cm，所述粗径控制棒导向管的壁厚处于0.05cm至0.10cm之间。
4.如权利要求1至3任一项所述的一种燃料组件，其特征在于，所述每一粗径控制棒导向管分为上下两部分，所述导向管内径沿轴向为变径结构，所述粗径控制棒导向管上部分具有第一壁厚，其下部分具有第二壁厚；所述第一壁厚小于所述第二壁厚，且在所述上下两个内径之间设有锥形缓冲过渡段。
5.如权利要求4所述的一种燃料组件，其特征在于，在所述粗径控制棒导向管中插入有粗径控制棒束，所述粗径控制棒束具有金属包壳管，所述金属包壳管中封装有控制棒吸收体，所述控制棒吸收体的最大直径为2.10cm。
6.如权利要求5所述的一种燃料组件，其特征在于，所述控制棒吸收体为银-铟-镉合金棒，或者为下部为银-铟-镉合金棒、上部为碳化硼棒材料合成的控制棒吸收体。
7.如权利要求6所述的一种燃料组件，其特征在于，其中所采用的燃料芯块摞的长度范围为80cm至366cm之间。
8.一种无可溶硼冷却剂的压水反应堆，其特征在于，其采用如权利要求1至7任一项所述的燃料组件。
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