CN85105167A - 应用气体置换的谱移反应堆及控制方法 - Google Patents

Abstract

利用能谱偏移延长水慢化的核反应堆堆芯寿命的一种方法和装置，在堆芯寿命前期用具有低中子截面的气体实现堆芯中部分慢化剂的置换，而堆芯寿命后期可重新由水来取代气体。

Description

本发明概括地论述了关于压水核反应堆能谱偏移方面的问题，详细论述了应用气体置换的谱移压水核反应堆。

在典型的压水核反应堆中，对于裂变过程的控制，也就是反应性控制，是在反应堆运行过程中通过改变反应堆堆芯中中子慢化和吸收材料的数量来实现的。实现反应堆控制的一种方法，是使用含有中子吸收材料或抑制剂并插入反应堆堆芯内的控制棒。对裂变过程的控制可通过改变控制棒的数量、控制棒的尺寸及其在堆芯内的径向和轴向位置来实现。可燃吸收体（通过裂变过程）和溶解在反应堆冷却剂中的抑制剂可用来辅助进行上述控制。

为了延长堆芯寿命（二次换料之间的时间）反应堆启动时含有过量的反应性进行设计。剩余反应性按上面介绍的方法进行控制，并在持续的堆芯寿命期间逐渐地减少。在轻水压水堆中，常常用溶解于反应堆冷却剂中的可溶硼来控制初始的剩余反应性。当堆芯剩余反应性在反应堆运行过程中减少时，逐渐地排出吸收中子的硼，以便利用初始的剩余反应堆来维持裂变过程。虽然这种控制方案在持续的堆芯寿命期间提供了控制核反应堆的有效方法，但在堆芯寿命期中使用的吸收中子的硼却从反应堆堆芯中吸收掉中子并消除了反应性，这种反应性在其它情况下可在生产中加以利用。例如，反应性可用来将增殖性材料转换为钚或裂变铀，通过使后来产生的裂变材料进行裂变可进一步延长反应堆的堆芯寿命。可是，如果没有这种转换，反应性的消耗就是铀的低效率消耗，这会导致燃料费用比其它情况下更高。鉴于上述情况，使一个具有初始剩余反应性的堆芯，不用中子吸收材料消除剩余反应性，而是积极地利用剩余反应性，从而能延长堆芯寿命同时燃料总费用较低，这将是一个显著的优点。

大家知道，通过在燃料循环的第一阶段中使用“硬化”（较高的中子能量）能谱的方法，以降低剩余反应性、增加增殖性材料至裂变材料的转换;然后在燃料循环的后期使用“软化”（较低能量）中子能谱的方法，通过使以前产生的裂变物质进行裂变，来增加反应性、延长堆芯寿命，从而能降低燃料元件的浓缩度、提高生产裂变材料的转换化。应用上述原理的这样一种方法称之为能谱偏移控制，它可使反应堆的堆芯寿命得到延长，而又减少反应堆堆芯中中子吸收材料的数量。在应用这种控制方法的一个实例中，有一个用机械方法实现能谱偏移非反应堆，在堆芯的一些燃料组件内装有一些空心的置换棒（当然，这些棒会在燃料组件中排出相同体积的水），这些棒可以用机械方法提出或者穿入，以使可用的体积注入水。在堆芯寿命的早期阶段，用置换棒从堆芯中排出一部分水，使中子能谱硬化。而在后期，通过前面所说的置换棒提升或穿入从在堆芯中加进水，使中子能谱软化。专利申请号为217，054由A.J.Impink，Jr等、1980年12月1日提出申请并转让给西屋电气公司的美国专利“能谱偏移的反应堆控制方法”，揭示了这样一个用机械方法进行能谱偏移的反应堆。

实现能谱偏移的另一种方法，是在堆芯寿命的早期利用重水或氧化氘置换堆芯中等量体积的水，然后在堆芯寿命的后期逐渐地减少重水的体积并代之以平常的反应堆冷却剂。这种低效的慢化剂（重水）允许采用较低的燃料浓缩度，并得到将增殖性材料转换为裂变材料的较高转换比，这两点结合起来就可以保证降低燃料的价格和延长堆芯的寿命。

当压水核反应堆能谱偏移控制的原理以多种形式存在时，就存在着通过提供一定的装置和方法更有效地实现这一原理的进一步要求，要求这些装置和方法比较简单、总价格低廉、适应于现有的商用核反应堆、并能进一步提高核反应堆的安全性。

因此，本发明的主要目的是为压水反应堆提供装置和方法，其中包括在堆芯寿命期内改变反应堆冷却水体积的装置，这些装置在堆芯寿命的早期置换一部分水，然后当堆芯寿命降低时逐渐地恢复原始的反应堆冷却剂。

从这目的出发，本发明归结为在液体慢化的核反应堆中实现中子能谱偏移的一种方法，这种方法的特点是：在堆芯寿命的早期，部分堆芯充以具有低中子截面的气体;而在堆芯寿命的后期，上述气体再由上述慢化剂取代。

在压力容器外部设置一个气/水系统，用以供给和补充高压的气体和水。最好设置一个无动力的压力平衡控制系统，该系统使反应堆内气体和水之间的压差降低到近于0，以保证压力容器内气体连接管组件的完整性。

通过对附图中表示的推荐的具体装置（仅作为例子）作下述说明，将会使本发明变得更加容易理解，其中：

图1是装有本发明一个具体装置的反应堆压力容器的部分剖面示意图;

图2是图1的燃料组件的剖面图;

图3是图1的堆芯剖面示意图;

图4是供图1的谱移反应堆用的气体系统和水系统的原理图;

图5是可供图1具体装置使用的另一种燃料组件的剖面图;

图6是装有本发明另一个具体装置的反应堆压力容器的部分剖面示意图。

现在来参看图1，图中从原理上说明本发明的一个装置，该装置包括有一个用气体置换实现谱移的反应堆。燃料组件一般用数字10表示，它包括有许多燃料棒可以布置成20×20的正方结构，相邻燃料棒11之间的栅距或间隔相等。燃料棒11包含有细长的圆柱形金属管，内含燃料芯块，金属管每一个端部都由适当成形的端塞密封。这样一种燃料棒在技术上是众所周知的。在沿燃料组件10的长度方向的不同位置上对栅格板（图上未表示）进行定位，栅格板用来以适当间距（栅距）使燃料棒11相互隔开，还用来使反应堆冷却剂按照同燃料棒11的传热关系进行循环。对于这种栅格板的更详细的说明可在美国专利3，379，617号和3，379，619号中找到，这两份专利均授与H.N.安德鲁斯（Andrews）并已转让给西屋电气公司。

图2描述了燃料棒11的正方形阵列，图2上也表示了最好用锆制成的25根套管12。每一根套管12占用4根燃料棒11的空间并取代了4根燃料棒。因此，总共有300根燃料棒11。套管12布置成5×5正方形阵列，相邻套管12之间的栅距相等。在圆周内标以“X”符号的4根套管12包括有导向套管12a，它适用于安装控制棒束（未在图1、图2中表示），这些控制棒束用来控制裂变过程，维持堆芯在临界状态;中央的套管12b用用于测量。

图3是图1中堆芯的剖面示意图。由图中可见，总共有213根燃料组件10，其中132根适用于安装控制棒束。用对角线X表示的燃料组件10a表示在这些位置使用了控制棒束（图上未表示）。实际上，燃料组件10与燃料组件10a是相同的。因此，虽然并不是每一个燃料组件10都安装控制棒束，但都装有导向套管12a。这样，堆芯内所有燃料组件可以互换。应当注意到，图3中表示的布置规定了两个相互并排的燃料组件10a的每一个的位置，这样布置可允许将两根控制棒束连接到单个控制棒驱动机构上，从而减少了驱动机构的数量而又提供适当的控制棒价值。围板13围绕着燃料组件10和10a，而堆芯吊篮筒体14又围住围板13。并且，和压水反应堆技术中的典型情况一样，压力容器50内包括有堆芯和所有有关的部件。

再来参考图1，燃料组件包括有顶端件15和底端件16，除了用作引导反应堆冷却剂输入和输出流量的联腔这一正常功能外，顶端件15和底端件16还用作燃料棒11和套管12的结构支撑、燃料组件10的侧向定位、束缚住燃料棒、燃料操作工具等，所有这些在技术上大家都知是知道的。在本发明中，顶端件15和底端件16还包括有反应堆冷却剂置换气体的上部总管17、下部总管18、入口连接管19和出口连接管20。上部总管17和下部总管18与20根套管12相连接，但不与4根导向套管12a也不与测量套管12b相连接。下部总管18中的通路21密封连接到19根套管12的下端，并接到出口20。流道22密封连接到一根套管12的下端并接到入口19。顶端件17中的通路23密封连接到全部20根套管12的上端。可在相应的端件16和17上适当地进行深钻而形成通路21和23，而对其端部进行焊接密封以保证气密密封。套管12可以刻上螺纹并密封焊接到底端件16上，可以用法兰连接并密封焊接到顶端件15上，从而在提高结构支撑的同时保证了气密封接。导向套管12a和测量套管12b可以穿过顶端件15，例如用一根连接套管固定到顶端件15，而导向套管12a和测量套管12b可以胀接到该连接套管上。导向套管12a和测量套管12b的下端可以采取和套管12大致相同的方法固定到底端件16上。但是如前所述，套管12a和12b不流通接到通路21、22或23上。

经过修改的常用的下部堆芯支撑板可同本发明一起使用，这样一种堆芯支撑板的部分示意图表示于图1中。如图所示，堆芯支撑板24并不是本发明所必需的，它是用锻造或铸造的约为18英吋厚的不锈钢部件，该部件固定到堆芯围板14上。气体输入流通道25和气体输出流道26可以用深孔钻在堆芯支撑板24上钻出。输入流道25连接到堆芯内燃料组件10的每一个位置上已经存在的上升管27上，该上升管27可以刻上螺纹并密封焊接到堆芯支撑板24上。同样地，输出流道26密封连接到在每一个燃料组件10位置处的上升管28上。气体连接管道29和30分别装在上升管29与出口20之间以及上升管30与入口19之间，用来提供它们之间的密封连接。密封连接管29和30是彼此相同的，它们包括有一个由适当的弹簧力加载的线接触密封（例如球形接合和锥形接合），和一个在线接触密封移位的情况下限制输入和输出液流泄漏的活塞环故障密封。

管线31和管线32分别包括有水进/气出和气进/水出流道，管线31和32密封连接到下部堆芯支撑板24上。图1表示了一种可使气体输入管线和气体输出管线穿过压力容器并密封连接到该容器上的方法，图1中所示的这种方法还允许在反应堆压力容器50和下部堆芯支撑板24之间有不同的热膨胀。

运行时，图1至图3所示的气体置换系统按如下方式进行工作。在堆芯寿命的初期，需要减少剩余反应性并增加增殖性材料至裂变材料的转换，就进行反应堆部分冷却剂的气体置换。使气体（如氦气）通过气进/水出管线32进入压力容器50，然后，气体流过下部堆芯支撑板24中的流道25，在那里，气体同时向上流过每一根气体输入上升管27，通过连接管30进入下部总管18中的输入流道管22。从下部总管18，气体沿着每个燃料组件10中单根气体上升管或套管12c向上流动。当然，在气体上升时，就置换了气体上升管12c中的反应堆冷却水。然后，气体充满上部总管17中的通路23，并沿着19根套管12中的每一根向下流动。这样流动时，气体靠重力置换套管12中包含的反应堆冷却水。最后，气体到达下部总管18中的通路21，经过出口20流出，流过连接管29进入下部堆芯支撑板24中的流道26。于是，气体通过气出/水进管线31流出压力容器50。一旦气体已经充满所有的套管12c和12，除了补充任何可能产生的泄漏外，气体便停止流动。就这样，在每个燃料组件10内反应堆冷却剂的相当大部分已被具有很小中子吸收特性的气体所置换。对于图1至图3所示之系统，可以计算出大约产生21%的水-铀比变化。使用一个燃料棒位置作为测量套管来代替套管16b，然后套管12b可同19根套管12一起用作为气体置换，那么这一水-铀比值还将会进一步增加。

上面描述的气体置换系统提供了许多用重水谱移反应堆或机械谱移反应堆所没有实现的优点。这一系统提供了一个气阱，因为它是由上部总管18密封的。因此，在外部气体系统失效的情况下，套管12只能慢慢地注水（通过气体吸收），这就防止了意外的反应性快速引入。另外，反应堆冷却水可以用较小的气体流量以一种完全可控制、可预测的方式从套管12中置换出来，因为轻的气体会上升到上部总管17，在那里它可被收集并形成一个明显的气-液界面，使冷却水通过每一根套管12排出去。这一点是通过单根上升套管12c较小截面积来帮助实现的，这可使原来包含在套管内的水很容易被吹走。反过来，套管12c这样小的截面积可使它在堆芯寿命的后期很容易再回充水。

关于上升管12c和套管12的再充水问题，当需要增加反应性时，可用气体注入时相同的可预测的方式使冷却水再注入到堆芯中，但使用相反的流动过程。另一个优点是连接管组件29和30处于相同的堆芯高度上，这实际上消除了两个组件间的外部压差。因此，即使组件有少量泄漏，也不会有有效的外部力推动冷却水使之通过封闭的气体体积引起快速的反应性引入。

应用气体置换的谱移反应堆需要一个气体系统和反应堆冷却水系统，以实现能谱偏移的功能，图4表示了一个这样的系统。系统包括了用于供给和补充高压气体、供给高压水、气体的回收贮存和重复使用、水的回收和重复使用、以及指示反应堆压力容器50内气体或水的泄漏的各种装置。

供给堆芯的气体通过气进/水出管线32进入反应堆压力容器50。管线32连接到热交换器51，用来在气体进入反应堆压力容器50前对之进行加热。热交换器51通常连接到气体贮存罐52、均压器53的气体侧60和气体补给源54。气体贮存罐52还连接到冷水供给系统55和冷的化学与容积控制系统下泄管线56，如图4所示。

供给堆芯的水进/气出管线31进入反应堆压力容器50，该管线连接到热水供给系统62。供水装置还包括连接到热的化学与容积控制系统下泄管63的一根排水管。系统内包括有泄漏探测器56、57和58，它们装在适当位置，以便能指出堆芯内、燃料组件10内气体或水的任何泄漏或者热水供给系统62的任何泄漏。泄漏探测器的出口连接到稳压器卸压箱64。

如图示和上述说明，气/水系统利用气体与反应堆冷却水之间的“被动”压力平衡控制，以便通过将任何压差特别是气体连接管组件29和30的压差降到近于0来提高反应堆压力容器50内的气/水系统的完整性。均压器53可以包括有一个罐或一个竖管，它们将水系统和气体系统相互连接起来并保持一个气-水分界面，也就是在液体体积之上有一个气体体积。均压器53的水侧59在燃料组件输入口61处连接到反应堆冷却剂供给源。反应堆冷却剂供给压力的任何波动将引起由均压器53液位变化反映出来的波动从而压缩或扩张气体体积60并维持气体系统和水系统之间的压力平衡。

应用气体置换的谱移反应堆的运行操作情况如下：在将反应堆提升到热停止工况时使用正常的反应堆启动程序，这时，堆芯内的所有套管、总管和流道等均注满含硼水。将高压气体（例如氦气）渐渐地引进套管12内，而含硼水则通过热的化学与容积控制系统下泄管63被排出，这是通过用冷水供给系统55来的高压水来压缩和置换贮存罐52中的气体来实现的。然后提升控制棒，降低硼浓度，反应堆提升功率。除了可能发生少量的气体泄漏并通过气体补给源54补充以外，无动力的气/水系统保持被动状态。堆芯内可能产生的这些泄漏由除气系统排出（利用热的化学与容积控制系统下泄管63），这在技术上是大家熟悉的。反应堆带功率运行大约持续三分之二的正常燃料循环周期，然后使反应堆降低到热停堆工况并用热的化学与容积控制系统62来的含硼水置换出套管12中的气体。将置换出的气体回收并贮存罐52内供下次燃料循环重复使用。然后使反应堆恢复功率，并继续运行其余三分之一的燃料循环周期。在燃料循环的末尾，可加入新燃料并重复上述过程。

前面描述的应用气体置换的谱移反应，采用的另一种燃料组件10表示于图5中。这一装置使用较小的气体置换套管65以及较小的导向套管66，这些套管一对一替代燃料棒67。在这一装置中，燃料组件排成19×19阵列。共有52根气体置换套管65，28根导向套管66和1根测量套管68。采用较小的套管具有在燃料慢化剂栅格内空泡比较均匀分散的优点，并且由于较小的水隙而降低核峰值。

代替使气体进入燃料组件的底部，本发明试图使气体从燃料组件的顶部引入，这一装置概略地表示于图6中，它基本上是图1所示装置的倒置。气体输入连接管69和输出连接管70位于燃料组件的顶部，气体输入管69连接到浸入管71，而浸入管71则穿过上部总管72并进入气体置换套管73中。类似地，在气出/水进套管75中设置浸入管74，它连接到输出连接管70。这一配置保证了燃料组件内具有如图1装置中提供的密闭的气体体积。通过上部堆芯支撑板78中流道76和77将气体供给到燃料组件和从中流出来。进入燃料组件的气体流过浸入管71并沿着套管73向上进到上部总管72。从上部总管72出来，气体向下流过其余的套管80，就这样，使套管73和80的水排空。然后，气体流过浸入管74、出口连接管70，进入出口流道77，最后流出压力容器。

上述发明使用氦气作为置换气体。选择氦气是因为它的中子截面很低，也因为它有很低的密度，从而可以忽略它的慢比效应。也可以使用其它气体来替换，这些气体包括氢气、水蒸汽、氮气和氩气等，还可以使用其它一些虽然没有逐一提出但打算包括在本发明范围内的气体。

Claims (9)

1、在液体慢化的核反应堆中使中子能谱发生偏移的一种方法，其特征在于：在堆芯寿命的初期，部分的反应堆堆芯充以具有低中子截面的气体，该气体在堆芯寿命后期中由上述慢化剂所置换。

2、按照权利要求1建立的一种方法，其特征在于：为了置换慢化剂，将上述气体引入到许多同燃料棒一起在堆芯内广泛布置的慢化剂置换单元中去。

3、按照权利要求2建立的一种方法，其特征在于：将上述气体引入到上述慢化剂置换单元的第一个单元的下端，而上述慢化剂则通过上述第一个单元的上端排出。

4、按照权利要求3建立的一种方法，其特征在于：用上述气体使慢化剂至少从其余慢化剂置换单元的第二个单元中排出，这是通过将上端来的慢化剂通过上述第二个下端进行排放来实现的。上述各置换单元的上端是流通连接的，由此将上述气体密闭在上述各慢化剂置换单元内。

5、按照权利要求4建立的一种方法，其特征在于将慢化剂重新引进上述第二个单元的下端，使上述慢化剂沿着第二个单元向上流并进入第一个单元的上端，再使上述慢化剂从上述第一个单元的下端排出。

6、适用于液体慢化核反应堆的能谱偏移装置，其特征在于：有许多细长的中孔棒广泛地分散于上述堆芯内的燃料棒之间，这些中孔棒在其上端部是流通连接的。在上述各中孔棒中至少有一根的下端设置有第一根密封连接管，第二根密封连接管通常连接到其余中孔棒的下端。上述第一根密封连接管还接到一个气源上，而上述第二根密封连接管还接到一个慢化剂供给源上。

7、按照权利要求6建立的一个装置，其特征在于：上述第一根密封二根密封连接管设置在上述中孔管下端并处在实际上相同的堆芯水平位置上。

8、按照权利要求6或7的一个装置，其特征在于：用于平衡上述中孔管内气体与堆芯内液体慢化剂压力的装置，从而实际上消除了它们之间的任何压差。

9、按照权利要求8建立的一个装置，其特征在于：上述压力平衡装置包含有一个上述气体和上述慢化剂相连通的容器，由此在该容器内保持一个气-水分界面，这一分界面按照上述慢化剂的压力波动而相应地升高或降低。

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