TWI524359B - 用於沸水式反應器核燃料束之暴露促進區 - Google Patents

Description

用於沸水式反應器核燃料束之暴露促進區

本發明係關於一種包括一促進區之核燃料棒及一種包括該核燃料棒之燃料束總成。

參看圖1，為了清晰起見，在沸水核反應器壓力容器(RPV)10之剖視圖(其中部分被截去)中說明用於燃料棒及燃料總成之習知操作環境。該反應器壓力容器10具有大體圓柱形形狀，且在一端由底蓋12且在其另一端由可卸除式頂蓋14封閉。側壁16自底蓋12延伸至頂蓋14。側壁16包括上面附接有頂蓋14之頂部凸緣18。圓柱形核心側板20包圍反應器核心22。側板20在一端處由側板支撐件24支撐，且包括相對的可卸除式側板蓋26。熱在核心22內產生，核心22包括燃料束40。燃料束40包括具有可裂變材料之複數個燃料棒。舉例而言，習知燃料束40可包括10×10燃料棒矩陣。

如在圖2中說明之習知燃料棒100可具有約150英吋之長度，但可具有約120英吋、133英吋、138英吋、139英吋及145英吋之長度。習知燃料棒100填充有核燃料之燒結丸粒(例如，天然及/或濃化鈾)。核燃料可配置於習知燃料棒內，使得在燃料棒100內之不同區域(區)包括具有不同濃化度之燒結丸粒。

圖2中說明之習知核燃料棒包括三個不同區110、120及130。第一區110及第三區130大致跨越燃料棒之前6英吋及最後6英吋，且包括具有按重量計0.71% U235之天然鈾，而第二區120包括具有(例如)按重量計2.4% U235之濃化鈾。雖然圖2中說明之習知燃料棒包括具有2.4%之濃化度的第二區120，但熟習此項技術者應易於理解，習知燃料棒100之第二區120可包括按重量計高達5% U235之濃化的鈾。

眾所周知，反應器核心裝載有過多燃料及因此具有過多反應性以便經由延續數月之動力循環維持動力。為了補償此情形，與燃料棒一起在燃料束中併入可燃毒物。可燃毒物為中子吸收劑，其藉由中子吸收而轉換成具有較少中子吸收能力之材料。熟知可燃毒物為釓，通常呈氧化釓之形式。亦已知，在反應器核心內之動力分佈斜向核心之下部區域。為了補償此情形，在核心之下部區域，與燃料棒一起在燃料束中併入可燃毒物。

圖3說明含有氧化釓之習知棒200。如同在圖2中說明之習知燃料棒100，棒200亦包括三個區210、220及230。如同習知棒100，棒200之第一區210及第二區230包括天然鈾。然而，第二區220可部分或全部填充有含有氧化釓之濃化鈾。若第二區220部分填充有氧化釓，則第二區220之剩餘部分填充有濃化鈾。

圖4為習知燃料束40之一實例。如在圖4中所示，燃料束40封入複數個燃料棒100。燃料束40內之燃料棒100在下部端由下部墊板42、在中間由暫時間隔物44且在頂部由上部墊板46支撐。燃料束40亦包括：一燃料通道50，其封入複數個燃料棒100；及一提環把手52，其用於輸送燃料束40。凸片54在燃料束40之底部，凸片54允許冷卻劑流至燃料束40中及流經燃料束40。除了燃料棒100之外，習知燃料束40通常亦包括在燃料束40之中心附近的水棒，其允許冷卻劑流過以用於中子慢化。習知燃料束40亦包括含有氧化釓之棒200。

圖5A說明包括習知燃料棒(F1、F2、F3、F4及P1)之陣列、含有氧化釓之燃料棒(G1、G2及G3)之陣列及兩個水棒的燃料束40之橫截面。如在圖5A中說明之燃料束40中的燃料棒及水棒中之每一者之輪廓提供於圖5B中。舉例而言，如在圖5A中柵格點A-1處說明(且在圖5B中說明)之F1燃料棒包括對應於在圖2中說明的習知燃料棒100之第一區110之天然鈾覆蓋層。在圖5A及圖5B中，先前提及之覆蓋層佔據燃料棒F1之底部6英吋(亦即，底部6英吋包括具有按重量計0.71% U235之天然鈾)。燃料棒F1之中間部分(對應於在圖2中說明的習知燃料棒100之第二區120)為約138英吋長，且包括濃化鈾(亦即，包括按重量計2.4% U235之鈾)。燃料棒F1之頂部6英吋(對應於在圖2中說明的習知燃料棒100之第三區130)包括具有按重量計0.71% U235之天然鈾。如上所論述，習知燃料束中的燃料棒中之每一者之底部6英吋填充有具有按重量計0.71% U235之天然鈾。

圖5A及圖5B亦說明包括氧化釓的習知燃料棒之一實例。舉例而言，位於柵格點D-4處(且具有在圖5B中說明之輪廓)的G1說明具有含有按重量計0.71% U235之天然鈾之下部覆蓋層的燃料棒。下部覆蓋層對應於圖3中說明之第一區210。G1之中間部分包括含有4.9%濃化鈾之燃料。中間部分對應於圖3中說明之第二區220。如所說明，G1之該中間部分包括一包括按重量計8%氧化釓之部分及一不包括任何氧化釓之部分。G1之頂部6英吋填充有具有按重量計0.71% U235之天然鈾。天然鈾之此頂部覆蓋層對應於在圖3中說明之第三區230。

實例實施例係關於一種新的燃料棒及一種使用該燃料棒之燃料束。

根據本發明之一實例實施例，一種燃料棒可包括在該燃料棒之一促進區中的第一濃化鈾，其中該促進區可直接配置於該燃料棒之一底部。該燃料棒亦可包括在該燃料棒之一第二區中的第二濃化鈾，其中該第二區配置於該促進區上。該燃料棒亦可包括在該燃料棒之一第三區中的天然鈾，其中該第三區配置於該第二區上。在此實例實施例中，在該促進區中之該濃化鈾的一濃化百分比為至少百分之一。

根據本發明之另一實例實施例，一種燃料束可包括一第一燃料棒。該第一燃料棒可包括在該第一燃料棒之一促進區中的第一濃化鈾，其中該第一燃料棒之該促進區直接配置於該第一燃料棒之底部。該燃料棒亦可包括在該第一燃料棒之一第二區中的第二濃化鈾，其中該第一燃料棒之該第二區配置於該第一燃料棒之該促進區上。該燃料棒亦可包括在該第一燃料棒之一第三區中的天然鈾，其中該第一燃料棒之該第三區配置於該第一燃料棒之該第二區上。在此實例實施例中，在該第一燃料棒之該促進區中之該濃化鈾的一濃化百分比為至少百分之一。

自結合隨附圖式之以下詳細描述，本發明之實例實施例將被更清晰地理解。

現在將參看隨附圖式更充分地描述本發明之實例實施例，在該等隨附圖式中，展示了實例實施例。然而，本發明可以不同形式來體現，且不應解釋為限於本文中所闡述之實施例。更確切而言，提供此等實施例，使得本發明將透徹且完整，且將充分地將本發明之範疇傳達至熟習此項技術者。在諸圖式中，可能為了清晰起見而誇示組件之大小。

應理解，當將一元件或層稱為「在另一元件或層上」、「連接至另一元件或層」或「耦接至另一元件或層」時，其可直接在另一元件或層上、連接至另一元件或層或耦接至另一元件或層，或可存在介入元件或層。相比而言，當將一元件稱為「直接在另一元件或層上」、「直接連接至另一元件或層」或「直接耦接至另一元件或層」時，不存在介入元件或層。如本文中所使用，術語「及/或」包括相關聯之列出項中之一或多者的任何及所有組合。

應理解，雖然術語「第一」、「第二」等可在本文中用以描述各種元件、組件、區域、層及/或區段，但此等元件、組件、區域、層及/或區段不應受此等術語限制。此等術語僅用以區分一元件、組件、區域、層及/或區段與另一元件、組件、區域、層及/或區段。因此，在不脫離實例實施例之教示的情況下，可將以下所論述之第一元件、組件、區域、層或區段稱為第二元件、組件、區域、層或區段。

為易於描述，可在本文中使用諸如「在......之下」、「下方」、「下部」、「上方」、「上部」及其類似術語之空間相對術語以描述如諸圖中所說明之一個元件或特徵與另一(其他)元件或特徵之關係。應理解，空間相對術語意欲涵蓋使用或操作中之裝置的除諸圖中描繪之定向外的不同定向。舉例而言，若翻轉諸圖中之裝置，則描述為在其他元件或特徵「下方」或「之下」之元件將被定向於在其他元件或特徵「上方」。因此，例示性術語「下方」可包含上方及下方兩種定向。可以其他方式定向裝置(旋轉90度或處於其他定向)，且相應地解譯本文中使用之空間相對描述詞。

本文中描述之實施例將參考平面圖及/或橫截面圖，作為理想的示意圖。因此，可取決於製造技術及/或容限來修改視圖。因此，實例實施例不限於在視圖中展示之實例實施例，而是包括基於製造程序形成的組態之修改。因此，在諸圖中例證之區域具有示意性特性，且在諸圖中展示的區域之形狀例證元件之特定形狀或區域，且不限制實例實施例。

如上所論述，習知燃料棒100包括一第一區區域110及一第三區區域130(其中之每一者的長度為約6英吋)，其包括天然鈾。然而，申請人已發現，用濃化鈾替換佔據習知燃料棒100之第一區110的天然鈾顯著增加在燃料束之替換必要前燃料束可操作的循環之數目。

圖6說明根據本發明之一實例實施例的燃料棒300。如圖6中所示，實例燃料棒300包括在燃料棒之底部的促進區310、第二區320及在棒之頂部的第三區330。第二區320可包括濃化鈾，例如，具有按重量計大於0.71% U235之鈾。第三區330可為約6英吋長，且可填充有天然鈾。第一區310亦可具有6英吋之長度L，然而，實例實施例不限於此，例如，促進區310之長度L可大於、等於或小於6英吋。

促進區310可包括濃化至少多達百分之一(按重量計1% U235)之濃化鈾。在圖6中，X%表示第二區320中U235之重量百分比，且Y%表示促進區310中U235之重量百分比。在實例實施例中，Y%大於或等於1%。舉例而言，若第二區320包括3%濃化鈾(按重量計3% U235)，則促進區310可包括具有1%或更大濃化鈾之鈾(Y%1%)。因此，圖2中說明之習知燃料棒100與根據此實例實施例之燃料棒300之間的主要差異在於，燃料棒300包括促進區310，該促進區310包括在燃料棒300之底部的濃化鈾，而非在燃料棒300之底部的天然鈾之下部覆蓋層。

圖7說明根據另一實例實施例之燃料棒400。在此實例實施例中，燃料棒400包括氧化釓。如同在圖6中說明之燃料棒300，棒400亦可包括三個區：促進區410、第二區420及第三區430。棒400之第三區430包括天然鈾，且可為約6英吋長。然而，促進區410及第二區420可包括含有氧化釓之濃化鈾。在圖7中，A%及B%表示按重量計分別在促進區410及第二區420中存在的氧化釓之百分比。在圖7中，X%表示第二區420中U235之重量百分比，且Y%表示促進區410中U235之重量百分比。在此實例實施例中，Y%大於或等於1%。在此實例實施例中，促進區410中之氧化釓之百分比重量A%可低於、等於或大於第二區420中之氧化釓之百分比重量B%。

圖8A說明包括具有圖6中說明之燃料棒300之組態的燃料棒F1-F4及圖7中說明之燃料棒400之組態的燃料棒G1-G3之陣列的燃料束40'之橫截面(參見圖8A)。燃料束40'亦包括水棒WR。燃料棒中之每一者之輪廓提供於圖8B中。舉例而言，如在圖8B中說明之F1燃料棒包括幾乎跨越燃料棒之整個長度的濃化鈾(按重量計2.4% U235)，其中棒之頂部6英吋填充有具有按重量計0.71% U235之天然鈾。參看圖6及圖8B，F1之濃化鈾區表示促進區310及第二區320兩者，且進一步表示X%=Y%=2.4%之實例。此外，燃料棒F1之頂部6英吋對應於圖6中說明之第三區330。作為另一實例，如在8B中說明之F2燃料棒包括幾乎跨越燃料棒之整個長度的濃化鈾(按重量計3.2% U235)，其中棒F2之頂部6英吋填充有具有按重量計0.71% U235之天然鈾。參看圖6，F2之濃化鈾區對應於燃料棒300之促進區310及第二區320，且進一步表示X%=Y%=3.2%之狀況。如在先前實例中，燃料棒F2之頂部6英吋對應於圖6中說明之第三區330。

圖8B亦說明如圖7中說明的含有氧化釓之燃料棒之一實例。舉例而言，G1說明具有三個區之燃料棒。第一區佔據燃料棒之底部6英吋，且包括具有按重量計4.9% U235之濃化鈾。此區對應於圖7中說明之促進區410。然而，燃料棒G1之底部6英吋亦包括按重量計2%氧化釓。燃料棒G1之接下來的138英吋包括具有按重量計4.9% U235之濃化鈾。然而，此區之僅底部48英吋包括按重量計8%氧化釓，而接下來的90英吋僅包括具有按重量計4.9% U235之濃化鈾。燃料棒G1之頂部6英吋包括天然鈾。如熟習此項技術者將認識到，燃料棒G1表示X%=Y%=4.9%、A%=2%且B=8%之狀況。

作為包括氧化釓的燃料棒之另一實例，燃料棒G3包括含有大致跨越燃料棒之底部前6英吋之濃化鈾(按重量計4.9% U235)之第一區。此區亦包括按重量計約2%氧化釓。該棒之接下來的138英吋包括具有按重量計8%氧化釓之濃化鈾(按重量計4.9% U235)。燃料棒G3之頂部6英吋僅包括天然鈾。如熟習此項技術者將認識到，燃料棒G3表示X%=Y%=4.9%、A%=2%且B%=8%之狀況。

作為包括氧化釓的燃料棒之又一實例，燃料棒G2包括含有大致跨越燃料棒之底部前6英吋之濃化鈾(按重量計4.9% U235)之第一區。與燃料棒G1及G3之對應區不同，此區僅包括濃化鈾。燃料棒G2之接下來的138英吋包括具有按重量計8%氧化釓之濃化鈾(按重量計4.9% U235)。燃料棒G2之頂部6英吋僅包括天然鈾。如熟習此項技術者將認識到，燃料棒G2表示X%=Y%=4.9%、A%=0%且B%=8%之狀況。

圖9及圖10表示包括800個燃料束的反應器核心之模擬結果。歸因於對稱性，僅模型化該核心之四分之一。更具體言之，圖9及圖10表示使用習知及新開發之燃料及燃料束棒設計的反應器核心之平衡循環。舉例而言，圖9表示利用圖5A及圖5B中說明之燃料束40的核心之平衡循環，且圖10表示利用根據實例實施例之燃料棒設計300及400及燃料束40'的核心之平衡循環。

如可在圖9中看出，當在反應器核心中使用習知束40時，平衡循環中的新燃料束(在柵格中由字元「0」識別)、燃燒一次之燃料束(在柵格中由字元「1」識別)及燃燒兩次之燃料束(在柵格中由字元「2」識別)的數目分別為384、384及32。然而，當核心裝載有根據實例實施例之燃料束40(見圖10)時，新燃料束、燃燒一次之燃料束及燃燒兩次之燃料束的數目分別為356、356及88。簡言之，當使用根據實例實施例之燃料束設計40'而非習知燃料束40時，燃燒兩次之燃料束的數目增加約175%，且新燃料束及燃燒一次之燃料束的數目減少7%。此等結果指示使用新開發之燃料棒300及400的新開發之燃料束設計40'提供優於習知技術之顯著改良。

簡言之，移除在燃料束之底部的天然鈾覆蓋層允許在實現效率之淨增益的方面減小分批量(新燃料束之數目)。此情形並不顯然應為如此，且事實上為反直覺的。熟習此項技術者將預期到，將大量高價值、高反應性鈾直接置放在核心之中子洩漏最高的底部上會導致效率損失。然而，在澈底調查後，移除底部覆蓋層之效率損失多數由所得分批量之減小的效率增益抵銷。

雖然實例實施例已特別地參考其實例實施例進行了展示及描述，但一般熟習此項技術者將理解，在不脫離下列申請專利範圍之精神及範疇的情況下，可於其中進行形式及細節上之各種改變。

10．．．反應器壓力容器(RPV)

12．．．反應器壓力容器之底蓋

14．．．反應器壓力容器之頂蓋

16．．．反應器壓力容器之側壁

18．．．反應器壓力容器之頂部凸緣

20．．．核心側板

22．．．核心

24．．．側板支撐件

26．．．側板蓋

40．．．習知燃料束

42．．．下部墊板

44．．．間隔物

46．．．上部墊板

50．．．燃料通道

52．．．提環把手

54．．．凸片

100．．．習知燃料棒

110．．．包括天然鈾之習知燃料棒區

120．．．包括濃化鈾之習知燃料棒區

130．．．包括天然鈾之習知燃料棒區

200．．．含有氧化釓之棒

210．．．包括天然鈾之棒區

220．．．包括濃化鈾及氧化釓之棒區

230．．．包括天然鈾之棒區

300．．．根據一實例實施例之燃料棒

310．．．促進區

320．．．第二區

330．．．第三區

400．．．根據實例實施例之燃料棒

410．．．促進區

420．．．第二區

430．．．第三區

A%．．．促進區中的氧化釓之重量百分比

B%．．．第二區中的氧化釓之重量百分比

F1．．．習知燃料棒

F2．．．習知燃料棒

F3．．．習知燃料棒

F4．．．習知燃料棒

G1．．．含有氧化釓之燃料棒

G2．．．含有氧化釓之燃料棒

G3．．．含有氧化釓之燃料棒

L．．．長度

P1．．．習知燃料棒

WR．．．水棒

X%．．．第二區中的U235之重量百分比

Y%．．．促進區中的U235之重量百分比

圖1為習知反應器壓力容器之視圖，其中為了清晰起見，區段被移除；

圖2為習知燃料棒之視圖；

圖3為含有氧化釓之習知燃料棒之視圖；

圖4為習知燃料束之視圖；

圖5A為習知燃料束之橫截面；

圖5B說明包括於圖5A中所說明之習知燃料束中的棒之各種輪廓；

圖6為根據本發明之第一實例實施例的燃料棒之視圖；

圖7為根據本發明之第二實例實施例的第二燃料棒之視圖；

圖8A為使用根據實例實施例之燃料棒的燃料束之橫截面；

圖8B說明包括於圖8A中所說明之燃料束中的棒之各種輪廓；

圖9說明使用習知燃料束之核心電腦模擬之結果；及

圖10說明使用併有根據本發明之實例實施例之燃料棒的燃料束之核心電腦模擬之結果。

300．．．根據實例實施例之燃料棒

310．．．促進區

320．．．第二區

330．．．第三區

L．．．長度

X%．．．第二區中的U235之重量百分比

Y%．．．促進區中的U235之重量百分比

Claims (14)

1. 一種燃料束，其包含：一第一燃料棒，該第一燃料棒包括在該第一燃料棒之一促進區中的第一濃化鈾，該促進區具有一第一平均組成，該第一燃料棒之該促進區包含一第一可燃毒物且構成該第一燃料棒之一第一最底部分，在該第一燃料棒之該促進區中之該第一濃化鈾之一濃化比為至少百分之一，在該第一燃料棒之一第二區中的第二濃化鈾，該第二區具有一第二平均組成，該第一燃料棒之該第二區配置於該第一燃料棒之該促進區上，該第二區之該第二平均組成與該促進區之第一平均組成不同，及在該第一燃料棒之一第三區中的天然鈾，該第三區具有一第三平均組成，該第一燃料棒之該第三區直接配置於該第一燃料棒之該第二區上，該促進區之一長度相等於該第三區之一長度，該第三區之該第三平均組成與該促進區之第一平均組成及該第二區之第二平均組成不同。
2. 如請求項1之燃料束，其進一步包含：一第二燃料棒，該第二燃料棒包括在該第二燃料棒之一促進區中的第三濃化鈾，該第二燃料棒之該促進區直接配置於該第二燃料棒之一底部，在該第二燃料棒之一第二區中的第四濃化鈾，該第 二燃料棒之該第二區配置於該第二燃料棒之該促進區上，及在該第二燃料棒之一第三區中的天然鈾，該第二燃料棒之該第三區配置於該第二燃料棒之該第二區上，其中在該第二燃料棒之該促進區中之該第三濃化鈾的一濃化百分比等於或大於在該第二燃料棒之該第二區中之該第四濃化鈾的一濃化百分比，且該第二燃料棒之該促進區及該第二區中之至少一者包括一第二可燃毒物。
3. 如請求項2之燃料束，其中該第二可燃毒物為氧化釓。
4. 如請求項2之燃料束，其中該第一燃料棒及該第二燃料棒之該等第三區具有約6英吋之一長度。
5. 如請求項2之燃料束，其中該第一燃料棒及該第二燃料棒之該等第二區直接在該第一燃料棒及該第二燃料棒之該等促進區上。
6. 如請求項2之燃料束，其中該第二燃料棒之該促進區不包括該第二可燃毒物。
7. 如請求項2之燃料束，其中該第二燃料棒之該促進區及該第二區包括該第二可燃毒物。
8. 如請求項7之燃料束，其中在該促進區中之該第二可燃毒物之一重量百分比小於在該第二區中之該第二可燃毒物之一重量百分比。
9. 如請求項2之燃料束，其中該第一及第二燃料棒係經構形以在一反應器核心產出約48%之批量。
10. 如請求項1之燃料束，其中在該第一燃料棒之該促進區中之該第一濃化鈾之該濃化比約為百分之一。
11. 如請求項1之燃料束，其中在該第一燃料棒之該促進區中之該第一濃化鈾之該濃化比係小於在該第一燃料棒知該第二區之該第二濃化鈾之一濃化比。
12. 如請求項1之燃料束，其中該第二區具有一濃化度，該第二區之該濃化度係大於該促進區之一濃化度。
13. 如請求項1之燃料束，其中該促進區之該長度係大約為6英吋。
14. 如請求項1之燃料束，其中該第一可燃毒物為氧化釓。