輕水反應堆燃料組件（替換物）、輕水反應堆和燃料組件的燃料元件制造技術

本發明專利技術涉及輕水反應堆設計，其中，釷用作燃料，特別地，涉及用于形成水冷動力反應堆中的堆芯的無夾套燃料元件組件的設計，例如ＰＷＲ型反應堆（例如，ＡＰ－１０００、ＥＰＲ等）。輕水反應堆的燃料組件（１）具有正方形形狀并且包括點火模塊（２）、圍繞所述點火模塊的轉換模塊（３）、頭部（４）、點火模塊的尾部（５）和轉換模塊的尾部（６）。點火模塊（２）的燃料元件的束布置在正方形坐標格柵的行列中并且具有四葉形輪廓，其沿著燃料元件的長度形成螺旋形間隔肋。轉換模塊（３）包括主體，添加有濃縮鈾的由釷形成的燃料元件的束布置在其中。轉換模塊的燃料元件布置在正方形坐標格柵的兩個行列中。在本發明專利技術的另一個實施例中，輕水反應堆燃料組件具有類似的設計；其中轉換模塊的燃料元件布置在正方形坐標格柵的三個行列中。本發明專利技術還涉及可在燃料組件中使用的燃料元件和使用燃料組件的ＰＷＲ型輕水反應堆（例如，ＡＰ－１０００、ＥＰＲ等）。

【技術實現步驟摘要】
【國外來華專利技術】
本專利技術通常涉及其中釷作為燃料使用的輕水核反應堆的結構元件，特別地，涉及形狀為正方形的無夾套燃料組件的結構元件，其形成水冷、水慢化動力反應堆的堆芯，這些反應堆稱作PffR型反應堆(例如，AP-1000，EPR,等)。現有技術核能在當今世界仍然是必要的能量資源。許多沒有充足礦物燃料資源的國家主要依靠核能發電。在許多其他國家，核能用作用于發電的有競爭力的資源，其同樣增加了所用能源類型的多樣性。另外，核能對實現例如治理與礦物燃料相關的環境污染(例如，酸雨和全球變暖)以及為后代保存礦物燃料起到非常重要的作用。盡管安全毫無疑問是與核反應堆的設計和運行相關的首要問題，但另一個關鍵問題包括可在核武器中使用的物質擴散的危險。這對于政府不穩定的國家來說尤為重要，這些國家擁有核武器會對世界安全產生相當大的威脅。為此，核能必須以不引起核武器擴散和由此導致的使用風險的方式產生和使用。現有的所有核反應堆產生大量通常稱作反應堆級钚的物質。例如，傳統的1000兆瓦(MW)反應堆每年產生可適于制造核武器的量級為200-300千克(kg)的反應堆級钚。因此，傳統反應堆的堆芯排出的燃料是劇烈倍增的物質，并且需要預防措施，以便確保排出的燃料不落到無權擁有它的人手中。還存在與大量儲存的武器級钚(它們在銷毀核武器時在美國(USA)和前蘇聯(USSR)的國家產生)相關的類似的安全問題。與傳統核反應堆運行相關的另一問題源于對長期放射性廢物處理的不斷需要，以及世界的天然鈾原材料資源的迅速消耗。為了解決這些問題，近年來試圖制造這樣的核反應堆，它們依靠較少量的非增殖濃縮鈾(濃縮鈾的U-235含量為20%或以下)運行并且不會產生大量例如钚的倍增物質。 國際申請W085/01826和W093/16477公開了這些反應堆的實例，其中給出了具有包含點火區和增殖區的點火增殖堆芯的反應堆，其利用釷作為燃料從增殖區產生相當高比例的能量。增殖區環繞點火區，由非增殖濃縮鈾制造的燃料棒位于點火區內。點火區燃料棒中的鈾發出被增殖區中的釷捕獲的中子，由此產生能夠核裂變的U-233，其就地燃燒并釋放用于反應堆發電設備的熱量。使用釷作為核反應堆燃料是有吸引力的，因為世界上的釷儲量遠高于鈾儲量。此外，如上所述的兩種反應堆是非增殖性的，因為最初裝填的燃料和每個燃料循環結束時排出的燃料都不適于制造核武器。這通過只使用非增殖濃縮鈾作為點火區燃料實現，在此期間，選擇最小限度形成钚的慢化劑/燃料體積比。少量非增殖濃縮鈾添加到增殖區中，在增殖區中，U-238組分與增殖循環結束時剩余的U-233均勻混合并且使U-233 “變性”(改變其自然屬性)，因此，它變得不再適合于制造核武器。令人遺憾的是，上述兩種反應堆設計都不是真正的“非增殖型”。特別地，人們發6現，這兩種設計都導致點火區的增殖钚形成水平超過了最低可能的水平。使用具有內部或中央增殖區和外部環繞增殖區的圓形點火區不能確保反應堆像“非增殖”反應堆那樣運行， 因為薄圓形點火區具有相應較小的“光學厚度”，使得(中子的)點火區光譜在內部和外部增殖區的極高穿透力光譜上占主要地位。這致使點火區中產生更多份額的超熱中子，并且產生倍增钚，在數量上與最低量相比更大。另外，從運行參數的參考標準看，前面兩種反應堆設計都沒有進行優化。例如，點火區和增殖區中的慢化劑/燃料體積比對于在點火區產生最低數量的钚來說尤為關鍵，以便確保在點火區中從燃料棒釋放適當數量的熱量以及實現增殖區內釷到U-233的最佳轉化。研究表明，在這些國際申請中指明的優選慢化劑/燃料比值在點火區內過高，在增殖區內過低。前述堆芯設計在點火區燃料元件中使用非增殖濃縮鈾時也不是特別有效。因此， 每個點火區燃料循環結束時排出的燃料棒因而包含許多殘留鈾，從而有必要對其進行處理以便在另一堆芯中重復使用。申請W093/16477中披露的反應堆還需要復雜的反應堆機械控制電路，這使得其不適合用于傳統反應堆堆芯的重新裝備。同樣，申請W085/01826中披露的反應堆堆芯不能容易地轉換為傳統堆芯，因為它的設計參數與傳統堆芯的設計參數不兼容。最后，上述兩種反應堆設計都特別地構思為使非增殖濃縮鈾及釷一起燃燒并且不適于使用大量钚。因此，這兩種設計都不能確保解決所儲存累積钚的問題。專利RU2176826公開了具有堆芯的反應堆，所述堆芯包括多個點火和轉換區，其均包含中央點火區。每個點火區包括點火區燃料元件和圍繞點火區的圓形增殖區，所述燃料元件由包含鈾-235和鈾-238的能夠核裂變的物質制成。反應堆還包括增殖區的增殖燃料元件，其主要包含體積為10%或以下的釷和濃縮鈾，點火區慢化劑(其中，慢化劑/燃料體積比的取值范圍為2. 5到5. 0)和增殖區慢化劑(其中，慢化劑/燃料比的取值范圍為 1. 5-2. 0)。因此，每個點火區燃料元件包括鈾-鋯(U-Zr)合金，點火區占每個點火和轉換區的總體積的25-40%。已知反應堆從經濟保證了最佳操作，而并非“增殖”。該反應堆可用于消耗大量钚和釷，不會同時產生組成增殖物質的廢物產物。因此，該反應堆產生明顯少得多的高放射性廢物產物，從而減少對長期廢物儲存場所的需要。然而，這種反應堆中使用的點火和轉換區不適合于在上述已有的PWR型輕水反應堆(例如，AP-1000、EI3R等)中使用。專利RU2222837的說明書中披露了一種輕水反應堆燃料組件，其與先前所述的反應堆類似，特別地，它具有正方形橫截面，這使得可能將該燃料組件(由點火和轉換區組成)安裝在傳統的輕水反應堆中。然而，除了指出組件橫截面的形狀之外，上述書中不包含關于在不對反應堆設計進行任何類型改變的情況下有助于它安裝在已有PWR型的輕水反應堆(例如， AP-1000、EPR等)中的組件結構變型的信息。專利RU2294570公開了一種輕水反應堆燃料組件，其包括燃料元件束、容納在隔片格柵中的導管、下部噴嘴和上部噴嘴，其中，隔片格柵還通過沿著燃料組件長度定位的部件互連到下部噴嘴，而上部噴嘴包括上部和下部連接板、位于這些板之間的筒夾和彈簧組件；這里，上部噴嘴筒夾具有外部肋，其突出部通過邊緣互連，其下部通過多孔板互連。已知的燃料組件屬于無夾套燃料組件設計，因此形成VVER-1000型的水冷、水慢化動力反應堆的堆芯，并且由于剛性提高和上部噴嘴的長度減少，以及燃料元件束和上部噴嘴之間的自由空間擴大和同時燃料元件長度增大，從而具有增強的性能。這使得增加利用具有高燃燒百分比的燃料進行燃料組件的裝填成為可能，從而提高了反應堆堆芯功率以及燃料組件操作時間。然而，本組件中的所有燃料元件由輕水反應堆中常用的裂變物質制成；因此，前述缺陷為具有該類型組件的反應堆所固有-產生大量反應堆級钚。此外，本組件適用于 VVER-1000型反應堆；即，它具有六邊形橫截面，其不與PWR型反應堆(例如，AP-1000、EPR 等)中使用的燃料組件的形狀匹配。本專利技術的目的包括制造燃料組件，一方面，其在容納釷作為燃料的增殖區產生其動力的相當大的部分并且不產生在使用期間構成增殖物質的廢物。另一方面，它可以在無需大量改動的情況下放入已有的PWR型輕水反應堆(例如，AP-1000、Era等)中。
技術實現思路
根據本專利技術的一個實施例，本目的通過一種輕水核反應堆燃料組件實現，其在平面圖中具有本文檔來自技高網...

【技術保護點】
１．一種用于輕水核反應堆的燃料組件，其在平面圖中具有正方形形狀并且包括：點火區，包括在橫截面中布置在正方形坐標格柵的行列中的點火燃料元件的束；每個點火燃料組件包含具有濃縮鈾或钚的內核；轉換區，圍繞上述點火區并且包括增殖燃料元件的束，每個增殖燃料元件包含陶瓷釷；這些增殖燃料元件在橫截面中布置在正方形坐標格柵的行列中，位于兩個正方形環內。

【技術特征摘要】
【國外來華專利技術】1.一種用于輕水核反應堆的燃料組件，其在平面圖中具有正方形形狀并且包括點火區，包括在橫截面中布置在正方形坐標格柵的行列中的點火燃料元件的束；每個點火燃料組件包含具有濃縮鈾或钚的內核；轉換區，圍繞上述點火區并且包括增殖燃料元件的束，每個增殖燃料元件包含陶瓷釷； 這些增殖燃料元件在橫截面中布置在正方形坐標格柵的行列中，位于兩個正方形環內。2.如權利要求1所述的燃料組件，包括多個導向通道，所述導向通道布置在點火區內以與用于PWR型核反應堆的燃料組件控制棒的導管的位置匹配，從而確保它們的互換性。3.如權利要求2所述的燃料組件，包括24個導向通道，所述24個導向通道布置在點火區內以與用于PWR型核反應堆的17X17個燃料組件控制棒的24個導管的位置匹配，從而確保它們的互換性。4.如權利要求1所述的燃料組件，其中，所述點火燃料元件中的每一個點火燃料元件具有四葉形輪廓，其形成螺旋形間隔肋。5.如權利要求4所述的燃料組件，其中，在燃料組件的橫截面中，轉換區的燃料元件位于由19行和19列組成的正方形坐標格柵的兩個最外面的行列中，而點火燃料元件位于由 13行和13列組成的正方形坐標格柵的行列中。6.如權利要求5所述的燃料組件，包括具有正方形橫截面形狀并使點火區的燃料元件與轉換區的燃料元件分開的通道。7.如權利要求6所述的燃料組件，包括連接至所述通道的點火區的下部噴嘴。8.如權利要求7所述的燃料組件，包括支架結構，所述支架結構緊固到點火區的下部噴嘴上以用于固定點火燃料元件。9.如權利要求6所述的燃料組件，包括固定到通道的上部的導向格柵，以便于點火燃料元件的定位，從而使其自由的軸向移動成為可能。10.如權利要求5所述的燃料組件，其中，點火燃料元件的數目為144。11.如權利要求5所述的燃料組件，其中，增殖燃料元件的數目為132。12.如權利要求1所述的燃料組件，其中，轉換區包括轉換區的下部噴嘴，以及縱向布置的角形元件和若干個縱向布置的支桿；以此，轉換區的下部噴嘴剛性連接到上述角形元件和支桿上，從而形成轉換區的框架結構。13.如權利要求12所述的燃料組件，其中，角形元件的數目等于四個。14.如權利要求13所述的燃料組件，其中，支桿的數目等于四個。15.如權利要求12所述的燃料組件，包括固定到間隔格柵的框架結構上的間隔格柵； 在每個格柵的中央區域具有用于在其中容納點火區的開口。16.如權利要求1所述的燃料組件，包括用于連接點火區和轉換區的裝置，以便于它們作為單一裝置共同插入核反應堆的堆芯中和從堆芯中取出。17.如權利要求16所述的燃料組件，其中，用于連接點火區和轉換區的裝置制造成可拆卸的，從而確保分開點火區和轉換區的可能性。18.如權利要求1所述的燃料組件，其尺寸和形狀、以及中子和熱液壓性質與用于PWR 型反應堆的傳統燃料組件的尺寸和形狀、以及中子和熱液壓性質匹配，從而保證它們的互換性。19.如權利要求18所述的燃料組件，當在不對反應堆設計進行任何額外改變的情況下，燃料組件代替用于PWR型核反應堆的傳統燃料組件放入核反應堆中時，該燃料組件的輸出功率位于用于利用傳統燃料組件運行的反應堆的設計極限范圍之內。20.一種用于輕水核反應器的燃料組件，其在平面圖內具有正方形形狀并且包括點火區，包括在橫截面中布置在正方形坐標格柵的行列中的點火燃料元件的束；每個點火燃料元件包含具有濃縮鈾或钚的內核；轉換區，圍繞上述點火區并且包括增殖燃料元件的束，每個增殖燃料元件包含陶瓷釷； 這些增殖燃料元件在橫截面中布置在正方形坐標格柵的行列中，位于三個正方形環內。21.如權利要求20所述的燃料組件，包括多個導向通道，一部分導向通道位于點火區內，而剩余導向通道位于轉換區內；以此，所有導管定位成與用于PWR型核反應堆的燃料組件控制棒的導管的位置相匹配，從而保證它們的互換性。22.如權利要求21所述的燃料組件，包括24個導向通道，所述24個導向通道一部分位于點火區內，而剩余通道位于轉換區內；所有24個導管布置成與用于PWR型核反應堆的 17X17燃料組件的24個控制棒匹配，從而保證它們的互換性。23.如權利要求20所述的燃料組件，其中，所述點火燃料元件中的每一個點火燃料元件具有四葉形輪廓，其形成螺旋形間隔肋。24.如權利要求23所述的燃料組件，其中，在燃料組件的橫截面內，點火區和轉換區的燃料元件布置在正方形坐標格柵的17行和17列中；點火燃料元件布置在位于該格柵中間部分內的11行和11列中。25.如權利要求24所...

【專利技術屬性】
技術研發人員：S·M·巴什基爾采夫，
申請(專利權)人：釷能源股份有限公司，
類型：發明
國別省市：US