CN1898752B - 包含富集铀且不含钚的压水式核反应堆用组件 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及用于压水式核反应堆的燃料组件(3)，该组件的类型为包括放置在具有多边形外部轮廓的基本上规则网络的节点处的燃料棒，该燃料棒包含富集同位素235的铀并且在该组件用在反应堆中之前不含钚，其特征在于燃料棒分布于至少：-由具有第一核反应性的燃料棒形成的第一中心组，以及-具有严格小于第一核反应性的一种或多种核反应性的燃料棒的外部外围层(13)。
Description
技术领域
本发明涉及用于压水式核反应堆的燃料组件，该组件的类型为包括放置在具有多边形外部轮廓(contour)的基本上规则的网络的节点处的燃料棒，该燃料棒包含富集同位素235的铀并且在该组件用在反应堆中之前不含钚。
因此，本发明被用在与沸水反应堆(BWR)相反的压水式核反应堆(PWR)的组件中，并且其核燃料是富集同位素235的铀。
背景技术
这些组件参照其燃料的性质通常被称作UO2组件。
这个术语UO2的使用是与具有混合铀和钚氧化物的燃料的组件(其通常被称作MOx组件)相对的。
这种类型的MOx组件可以再利用由再处理UO2组件得到的钚。文献FR-2 693 023描述了这种类型的MOx组件。UO2组件和MOx组件具有不同的性能。尽管如此，为了使MOx和UO2组件同时装载到同一个反应堆中，这个文献提出了在MOx组件中使用具有不同钚含量的燃料棒。因而提到了“分区的”MOx组件，因为这些组件包括在其中燃料棒具有不同钚含量的区域。
正如上面所指出的，本发明并不涉及MOx组件，而是适用于没有这种类型的区域安排的UO2组件，在这种情况下同位素235的富集是均匀的。确实，文献EP-799484例如公开了UO2组件，该组件的一些单独的燃料棒掺有钆并且具有低于相邻燃料棒的富集铀235。但是，这并不是严格意义上的分区组件。
常规地，UO2组件包括支撑架，该支撑架用于在通常具有正方形底部的规则网络的节点中固定燃料棒。该支撑架包括下接头、上接头、用于连接两个接头的导管和用于固定燃料棒的栅格。
在压水式核反应堆的堆芯中，UO2组件以大约2mm的横向细微间隔彼此相邻排列。这个间隔尤其可以使组件在堆芯进行装料或者卸料的操作过程中能够上升或者下降。
冷水和慢化水在这个间隔导致的缝隙中流动并在该位置形成水层。
这类组件具有大的高度，并且可以达到3或4米。由于生产公差的原因，水层的实际厚度可能(至少局部地)不同于2mm的标称厚度。
而且，放置在反应堆中的组件在理论上会由于辐射而变形，得到例如C、S或W状的形式。
这种类型的变形会带来很多问题。在运行过程中，这种类型的变形导致更加难以插入核反应堆的控制和停止棒束到导管中。
在处理过程中，这些变形将提高组件钩挂在一起的风险，例如在反应堆堆芯装料的过程中。
UO2组件的实际性能因而至少在机械方面不同于所希望的性能。
发明内容
本发明的目的是通过提供一种上述类型的组件来克服这种问题，该组件可以降低组件在机械方面的性能与其所希望的性能存在差别的风险。
为此，本发明涉及一种上述类型的组件，其特征在于燃料棒分布于至少：
-由具有第一核反应性的燃料棒形成的第一中心组，和
-具有严格小于第一核反应性的一种或多种核反应性的燃料棒的外部外围层。
根据特定的实施方案，该组件可包括一个或多个下述特征，这些特征是单独的或者是依据所有技术上可能的组合：
-外围层的燃料棒分布于：
-第二燃料棒组，该组燃料棒沿着该网络的外部轮廓的面延伸并且具有严格小于第一核反应性的第二核反应性；和
-第三燃料棒组，该组燃料棒布置在该网络的外部轮廓的角处，并且具有严格小于第二核反应性的第三核反应性。
-对于燃料棒网络的外部轮廓的每个面来说，第二组从所讨论面的一个角延伸到另一个角，并且第三组只包括在燃料棒网络的外部轮廓的角处布置的燃料棒；
-各组的燃料棒的不同核反应性通过在燃料棒中不同的铀235质量来获得；
-各组的燃料棒的不同核反应性通过具有不同的铀235富集度的燃料棒来获得；
-第一组的燃料棒具有第一铀235富集度e1；
-第二组的燃料棒具有严格小于第一富集度e1的第二铀235富集度e2；并且
-第三组的燃料棒具有严格小于第二富集度e2的第三铀235富集度e3；
-第二富集度e2为e1-0.8％至e1-0.2％；
-第三富集度e3为e1-1.8％至e1-0.6％；并且
-第一富集度为3％-6％。
本发明还涉及核反应堆堆芯，其特征在于它包括上述的燃料组件。
附图说明
通过阅读仅仅作为实例给出并且参考了附图的以下描述可以更好地理解本发明，其中：
-图1是表示根据本发明的核反应堆的四分之一堆芯的平面示意图，
-图2是表示图1堆芯的燃料组件之一中燃料棒分布的平面示意图，
-图3A和3B是表示在分别根据现有技术的组件和图2的组件中对于2mm厚水层的功率分布的示意图，
-图4A和4B是对于7mm厚水层的与图3A和3B相类似的示意图，
-图5A和5B是对于12mm厚水层的与图3A和3B相类似的示意图，和
-图6是表示本发明变化形式的与图2类似的图。
具体实施方式
图1示出了压水式核反应堆(PWR)的堆芯1的四分之一部分。这种反应堆因而通过加压水冷却和慢化。常规地，堆芯1具有4级对称性，对称轴用点划线表示。
堆芯1包括燃料组件3，所述燃料组件3以相互横向的间隔彼此相邻排列。由此在组件3之间产生的缝隙用冷却和慢化水来填充。因此，组件3由在组件3的整个高度上延伸的水层5横向限定边界。
通常，这些水层5的标称厚度是2mm。
组件3是UO2组件，它具有富集同位素235的铀作为核燃料。在组件3用在堆芯1中之前，组件3的燃料因而不含钚。
组件3的通用结构是常规结构，因此并未对其进行详细描述。需要简单回顾的是，每个组件3包括燃料棒和支撑架，该支撑架用于在基本上规则的网络的节点处支撑和固定这些燃料棒。
在图2的实例中，该规则网络具有正方形底部和正方形外部轮廓。
该支撑架常规地包括下接头、上接头和用于连接两个接头的导管6，该导管6用于容纳控制堆芯1运行的控制棒束的棒。
该支撑架还包括用于在规则网络的节点处固定燃料棒的栅格7。这些栅格7常规地包括交错的板组，它们用于限定以规则排列的节点为中心的单元9的范围。每个单元9用于容纳燃料棒或者导管6，中心单元9本身容纳仪表管11。
在图2的实例中，固定栅格7每边包括17个单元9。该网络的外部轮廓因而是包括17个侧边单元的正方形。在其它变化形式中，单元9的数目可以是不同的，例如14×14或者15×15。
燃料棒因而分布在三个组中，即：
-第一中心组，该组燃料棒占据在图2中以空白示出的单元9，
-第二侧边燃料棒组，该组燃料棒占据在图2中以十字叉示出的单元9，
-第三角燃料棒组，该组燃料棒占据在图2中以阴影线示出的单元9。
在所示的实例中，第一组包括200根燃料棒。除去燃料棒的外围层13，这个第一组占据了整个燃料棒网络。
这个第一组因而对应于具有15个侧边单元的正方形，包括由导管6和仪表管11占据的25个单元9。
这个第一组的燃料棒包含用作核燃料的具有第一富集度e1的富集同位素235的铀。这个第一富集度e1是大约4.11％。这个富集度被定义为同位素235与这些燃料棒的核燃料中存在的铀总量的质量比。
第二组燃料棒包括60根棒，它们分布在外围层13的四个面15上。
更具体地，对于燃料棒网络的每个外部面15来说，位于所讨论面15的两根角燃料棒之间的15根燃料棒属于第二组。
第二组的燃料棒包含作为核燃料的具有第一富集度e2的富集同位素235的铀。这个第二同位素235富集度e2是大约3.7％。
第三组包括占据燃料棒网络的外部角(也就是外围层13的角)的4根燃料棒。第三组的燃料棒的核燃料具有约2.8％的第三铀235富集度。
外围层13的每个面15在其两端因而包括第三组的两根燃料棒，余下的则包括第二组的燃料棒。该网络的剩余部分由第一组的燃料棒占据。在组件3的外围上连续延伸的外围层13的燃料棒因而具有比该组件中心燃料棒的富集度要低的富集度。
具有类似形状但同位素235的富集度不同的第一、第二和第三组的燃料棒因而包含不同质量的同位素235。
因此，组件3在使用之前具有“分区的”构造，其中角燃料棒具有低核反应性，在这些角之间沿着外部面5布置的燃料棒具有中等核反应性，而在该网络的中心布置的其它燃料棒具有高核反应性。
正如现在将要提出的，这种类型的分区布置可以保证组件3的各自中子性能，甚至是在组件3的实际几何尺寸相对于其标称几何尺寸有所不同时。
图3因而示出了根据现有技术具有富集同位素235的铀的燃料组件(也就是说其所有燃料棒均具有相同的富集度)中的线功率密度(puissance linéique)的分布。围绕着所讨论组件的水层5的厚度假定为均匀的并且等于2mm，即标称值。应当指出，在Y轴上的功率值相对于组件中的平均线功率密度已进行了标准化。这个功率分布已经针对150MWj/t的损耗(épuisement)进行了计算，该损耗对应于被称作“氙平衡周期的开始”的组件操作循环中的周期。这是功率分布被认为最不均匀的时刻。
在图3A的情况下，功率分布是均匀的，并且对应于组件中最大线功率密度与组件中的平均线功率密度之比的形状因子(facteur deforme)是大约1.053。大约为1的形状因子值证实功率分布是均匀的并且是令人满意的。
图3B是针对图2所示组件3的类似图。由这个图可以看出，第三组燃料棒，也就是在组件角部的燃料棒的线功率密度远低于第一组的中心燃料棒的线功率密度，这是由于第三组燃料棒的低核反应性造成的。同样地，由沿着组件3的外部面15布置的第二组燃料棒所提供的线功率密度处于由第一组燃料棒(即组件3中心的燃料棒)所提供的线功率密度和由第三组角燃料棒中的燃料棒所提供的线功率密度之间。
因而，形状因子是大约1.068。它因而略高于现有技术中的形状因子。但是，功率因子的值保持可以接受，并且图2的组件3完全适合用在核反应堆中。
图4A和4B对应于图3A和3B，但水层具有7mm的均匀厚度。
可以看到，在现在技术(图4A)的组件的情况下，形状因子显著增加，达到1.186的值。功率分布因而高度的不均匀，这在核反应堆堆芯中是要必须避免的。
这种情况据推断可以解释为：在层5区域中的水的厚度越大，对中子的延缓程度越大，使得位于侧边的燃料棒，更甚至是位于角部的燃料棒更加地暴露在热中子下，该热中子能够带来裂变，因而产生功率。
由图4B可以看出，图2所示组件3的区域布置使得在组件3的角处和沿着其外部面15的线功率密度降低，以实现更加均匀的分布。形状因子因而达到1.078的数值，这是完全令人满意的。
如图5A和5B所示，甚至对于水层5更大的均匀厚度(例如12mm)来说，可以看到相同的现象。在根据现在技术的组件的情况下，形状因子因而是1.342，而在图2所示组件3中则是1.181。
采用图2所示组件3的结构因而可以确保其功率分布更均匀，即使是在水层5具有偏离其标称值的厚度(虽然仅仅是局部地)时，更不会在水层5的厚度对应于该标称值时明显地损害这种分布。
图2所示组件3可以降低中子对组件的机械变形或者它们的生产公差的影响。
在某些情况下，组件3还可以包括(尤其是在其第一组中)含中子毒物如钆的棒。所涉及的棒所具有的铀235富集度则可以小于或等于其所属组中的富集度。
在图6所示的变化形式中，除了四个角燃料棒之外，第三组还包括八个直接与外围层13相邻的燃料棒。第三组燃料棒因而包含12个燃料棒。
但是发现这种变化形式不太有利，因为如果水层的厚度等于标称厚度，则它会更明显地损害功率分布。
在优选的变化形式中，第二富集度e2可以是e1-0.8％至e1-0.2％，并且第三富集度e3可以是e1-1.8％至e1-0.6％。
第一富集度e1优选为3％-6％。
在一个变化形式中，第二和第三组还可以由具有相同的铀235富集度的燃料棒形成。也就是说，e2和e3是相等的。具有低反应性的燃料棒则占据了全部的外围层13，并且形成在组件3的外围连续延伸的组。
在另一个变化形式中，在燃料棒的各组中的各种核反应性可以不通过不同的铀235富集度来实现，而是通过不同的燃料棒直径来实现，这也允许在不同组的燃料棒中实现不同质量的铀235。
第一组的燃料棒因而具有第一直径，第二组的燃料棒具有严格小于第一直径的第二直径，而第三组的燃料棒具有小于或者等于第二直径的第三直径。在第一、第二和第三组的燃料棒中所含的同位素235的质量因而较小，正如它们的核反应性一样。
更一般地，可以在组件内排列燃料棒以形成具有多边形外部轮廓而非正方形的网络。
Claims (10)
1.压水式核反应堆的燃料组件(3)，该组件为如下类型的组件，这种类型的组件包括放置在基本上规则的网络的节点处的燃料棒，该网络具有多边形外部轮廓，该燃料棒包含富集同位素235的铀并且在该组件用在反应堆中之前不含钚，其特征在于燃料棒分布于至少：
-由具有第一核反应性的燃料棒和任选的含中子毒物的棒形成的第一中心燃料棒组，和
-燃料棒的外部外围层(13)，外部外围层(13)的燃料棒分布于：
-第二燃料棒组，该组燃料棒沿着该网络的外部轮廓的面(15)延伸并且具有严格小于第一核反应性的第二核反应性；和
-第三燃料棒组，该组燃料棒布置在该网络的外部轮廓的角处，并且具有严格小于第二核反应性的第三核反应性。
2.如权利要求1所述的燃料组件，其中对于该网络的外部轮廓的每个面(15)来说，第二燃料棒组从所讨论面的一个角延伸到另一个角，并且其中第三燃料棒组只包括在该网络的外部轮廓的角处布置的燃料棒。
3.如权利要求1或2所述的燃料组件，其中各燃料棒组的燃料棒的不同核反应性通过在燃料棒中不同的铀235质量来获得。
4.如权利要求3所述的燃料组件，其中各燃料棒组的燃料棒的不同核反应性通过具有不同的铀235富集度的燃料棒来获得。
5.如权利要求4所述的燃料组件，其中：
-第一中心燃料棒组的燃料棒具有第一铀235富集度e1；
-第二燃料棒组的燃料棒具有严格小于第一富集度e1的燃料棒的第二铀235富集度e2；和
-第三燃料棒组的燃料棒具有严格小于第二富集度e2的燃料棒的第三铀235富集度e3。
6.如权利要求5所述的燃料组件，其特征在于第二富集度e2为e1-0.8％至e1-0.2％。
7.如权利要求5所述的燃料组件，其特征在于第三富集度e3为e1-1.8％至e1-0.6％。
8.如权利要求5所述的燃料组件，其特征在于第一富集度e1为3％-6％。
9.如权利要求1或2所述的燃料组件，其特征在于该网络具有正方形外部轮廓。
10.核反应堆堆芯，其特征在于它包括上述权利要求中任一项的燃料组件(3)。
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