燃料组件和核反应堆制造技术

一种由包含核燃料和可燃毒物材料的第一燃料棒与包含核燃料但不含可燃毒物材料的第二燃料棒组成的燃料组件。燃料组件被装入沸水型核反应堆的高转换区和周围的燃料区内。在燃料组件内比值Ｖ－［ｃ］／Ｖ－［Ｆ］不大于１．５，此处Ｖ－［ｃ］是沿燃料组件轴向每单位长度的冷却剂液流通道所占据的体积，Ｖ－［Ｆ］是每单位长度的核燃料所占据的体积。可燃毒物材料是由在等于或小于１电子伏的中子能量区内具有至少一个共振能量的中子吸收核素构成的。（*该技术在2007年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及燃料组件和核反应堆，特别是涉及一种适合于轻水慢化型核反应堆的高转换区使用的燃料组件和一种具有高转换区的沸水反应堆。在轻水慢化型核反应堆(下面称为轻水堆)中使用核燃料的方法粗略地分为“一次通过”法和再处理或再循环法。采用“一次通过”法，轻水堆使用富集铀，在这种方法中，从轻水堆取出的使用过的燃料棒中所含的燃料，无一不在轻水堆中重新使用或再循环。在再处理燃料的费用高于富集铀的情况下，“一次通过”法或系统就燃料运转费用来说是有利的。利用“一次通过”法有效地使用燃料的一种方法是大大地提高从燃料组件得到的取出燃耗。为了达到高的燃耗，需要提高铀235的富集度，但提高的铀富集度会遇到下列问题在轻水堆堆芯的中心，由于新燃料组件的富集度高和取出燃耗大，存在中子无限增值因子差别大的燃料组件，从而产生单个燃料组件输出功率份额比例的差别，并伴随产生较大的输出功率失调和增高的输出功率峰值。其次，当富集度提高时，在燃耗初始阶段必须控制的剩余反应性也增高了。日本专利未审公报NO.129594/1986(它有一个美国等同专利，为1985年11月21日提出申请的美国专利申请序号NO.800266，并有一个欧洲等同专利，为1986年6月11日公布的EPC已公开的申请NO.184134)展示了沸水堆和压水堆，它们是轻水堆，具有能消除上述问题并通过高富集铀实现高燃耗的堆芯。这些堆芯被用来改善可转换燃料铀238转换成核裂变材料钚239的过程，进一步有效地燃烧在堆芯中产生的核裂变的钚和富集的铀235，并按照一次通过法有效地利用核燃料。更具体地说，如图1所示，堆芯1沿径向由筒状间隔件2划分为两个区域，这两个区域的铀原子数与氢原子数的比值彼此不同(此比值在下面称为γH/U)。这样一种堆芯1是由燃料组件A和燃料组件B组成的，每个燃料组件A如图2所示具有小的比值γH/U(＝1.0)，每个燃料组件B具有大的比值γH/U(＝5.0)，这些组件A和B被装入燃耗区。每个燃料组件A和B有许多根排列成规则三角形点阵的燃料棒3。燃料组件B装有可燃毒物棒4。相反，燃料组件A没有可燃毒物棒。在堆芯全寿命的前一半时间内，燃料组件A被装入管状间隔件2内部的高转换区内，并被重新配入燃料组件B。其后，在堆芯全寿命的后一半时间内，燃料组件B被装入管状间隔件2外部的燃烧区内。换言之，在堆芯全寿命的前一半期间，燃料组件被装入γH/U较小而中子能谱较硬的区域(高转换区)，以便将可转换燃料转换成核裂变材料，而在堆芯全寿命的后一半期间，燃料组件被装入γH/U较大而中子能谱较软的区域(燃烧区)，以便有效地燃烧核裂变材料。在这些过程期间的中子无限增殖对燃耗的依赖关系示于图4。在装入高度浓缩铀燃料也就是新燃料组件的高转换区，中子无限增殖因子是低的，而在装入半绕过的燃料组件的燃烧区，中子无限增殖因子是高的。因此，有可能减小输出失调和降低新燃料组件的剩余反应性。本专利技术的一个目的是提供一种燃料组件和一种核反应堆，它们能够减小随空隙量的变化而产生的反应性变化。本专利技术的另一个目的是防止在上区中存在可燃毒物材料。按照本专利技术所述，在燃料组件内部由冷却剂通道占据的体积Vc与由核燃料占据的体积VF的比值RF(RF＝Vc/VF)不大于1.5，并包括一种由在中子动能不大于1电子伏的中子能量区域内具有至少一个共振能量的中子吸收核素组成的可燃毒物材料。中子动能不大于1电子伏的中子能量区域将被称为热中子能量区域，而具有热中子能量区能量的中子将被称为热中子。在体积Vc和体积VF的比值VR不大于1.5的燃料组件中，由在不大于1电子伏的中子动能区域内具有至少一个共振能量的中子吸收核素组成的可燃毒物材料具有这样的特征，就是当比值Rf减小时毒物材料的反应性值大为降低。因此，在具有不大于1.5的比值R的燃料组件内，当比值RF增高时(即空隙量是小的)，可燃毒物材料的毒物材料反应性值增高，而当比值RF降低时，毒物材料反应性值降低，从而使得有可能降低随空隙率变化而产生的燃料组件反应性。在附图中图1是一个常规核反应堆堆芯的截面图;图2是一个被装在图1所示堆芯的高转换区中的燃料组件的截面图;图3是一个被装在图1所示堆芯的燃烧区中的燃料组件的截面图;图4是表示燃耗和中子增殖因子之间关系的图线;图5是表示氢原子数和铀原子数之比与钆和硼的毒物反应性值之间的关系的图线;图6是表示空隙率和反应性差别之间的关系的图线;图7是表示冷却状态和操作状态之间的反应性差别相对于含钆燃料棒数目与燃料棒总数之比的变化的图线;图8是表示钆的反应性截面按照中子能量而变化的图线;图9是表示一个按照本专利技术最佳实施例所述的燃料组件的纵向剖面图;图10是沿图9X-X线截取的截面图;图11是表示一个装入了图9所示燃料组件的沸水堆的纵向剖面图;图12和图15是表示按照本专利技术其它实施例所述的燃料组件的纵向剖面图;图13是沿图12的ⅩⅢ-ⅩⅢ线截取的截面图;图14是沿图12的ⅩⅣ-ⅩⅣ线截取的截面图;图16是沿图15的ⅩⅥ-ⅩⅥ线截取的截面图;图17是表示图16所示燃料棒的纵向剖面图。本专利技术是在详细研究了转让给本受让人的上述日本专利未审公报NO.125959/1986的图16(美国等同专利或欧洲等同专利的图16)所示的沸水堆的特征的基础上完成的。研究结果清楚表明，上述每个具有高转换区和围绕高转换区的燃烧区的沸水堆会遇到下述问题。在沸水堆中，被用作冷却剂和慢化剂的轻水流入堆芯下部，从而从装入堆芯的燃料组件除去热量。在这一过程中，轻水从非沸腾状态转入沸腾状态。人们发现，在这一过程中存在一个问题，就是随着装了网状燃料组件的高转换区中轻水的密度变化而产生的反应性变化，要大于常规沸水堆中的反应性变化。同时，人们也发现，上述日本专利公报中提出的反应堆的操作状态和冷却停止状态之间的反应性差别要大于常规反应堆的反应性差别。本专利技术人进行了各种各样研究，以便克服上述问题或困难，特别是，本专利技术是在专利技术人研究了在燃料组件被装入沸水堆的状态中在可燃有毒条件下可燃毒物材料的行为的基础上完成的。本专利技术将在这些研究的基础上说明。硼(B)和钆(Gd)在常规沸水堆中用作典型的可燃毒物材料。在常规沸水堆中，使用可燃毒物材料以抑制剩余反应性。也就是，使用毒物材料以便在燃料周期的初始阶段抑制新燃料组件的剩余反应性。图5表示对应于燃料组件内氢原子数与铀原子数之比的硼钆毒物反应性值。在常规的沸水堆中，在燃料组件内在有效的燃料长度上沿燃料组件轴向每单位长度中冷却剂通道占据的体积Vc与核燃料占据的体积V之比大于1.5(按照氢原子数与铀原子数之比为3.0)。例如，日本专利未审公报74689/1982(对应于1984年6月13日提出申请的美国专利申请620020)展示一种冷却剂通道截面区域与燃料截面区域之比(它也是比值R)为1.71的燃料组件(见该公报第2页左下栏第15和16行)，以及一种截面之比为1.9或1.9以上的燃料组件(见该公报第1页左栏第9和10行)。如从图5中明显可见，在常规的沸水堆中，如果使用硼和钆，尽管空隙变化，毒物反应性值仍然保持恒定。换言之，即使由慢化轻水(它也被用作冷却剂)产生空隙而引起慢化剂密度变化，或操作状态和冷却停止状态之间的温度差发生变化，毒物反应性值的可变范围仍然很小。相反，在比值RF不本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种被装入反应堆堆芯的燃料组件，其特征是：它包括许多根填充了核燃料的燃料棒，一对固定每根上述燃料棒两端用的上下固定板，以及在上述燃料棒之间形成的冷却剂液流通道，冷却剂从上述燃料组件的下部流到上部，在上部中产生空隙，在上述燃料组件内部比值Ｖｃ／Ｖ↓〔Ｆ〕不大于１．５，此处Ｖｃ是沿燃料组件轴向每单位长度的冷却剂液流通道所占据的体积，Ｖ↓〔Ｆ〕是每单位长度的核燃料所占据的体积，而一部分燃料棒包含由在１电子伏或小于１电子伏的中子能量区域内具有至少一个共振能量的中子吸收核素构成的可燃毒物材料。

【技术特征摘要】
JP 1986-8-1 179970/861.一种被装入反应堆堆芯的燃料组件，其特征是它包括许多根填充了核燃料的燃料棒，一对固定每根上述燃料棒两端用的上下固定板，以及在上述燃料棒之间形成的冷却剂液流通道，冷却剂从上述燃料组件的下部流到上部，在上部中产生空隙，在上述燃料组件内部比值Vc/VF不大于1.5，此处Vc是沿燃料组件轴向每单位长度的冷却剂液流通道所占据的体积，VF是每单位长度的核燃料所占据的体积，而一部分燃料棒包含由在1电子伏或小于1电子伏的中子能量区域内具有至少一个共振能量的中子吸收核素构成的可燃毒物材料。2.如权利要求1所述的燃料组件，其中上述中子吸收核素包括从钆、镉、钐、钽组成的一组核素中选定的一种。3.如权利要求1所述的燃料组件，其中上述比值Vc/VF不大于1.3。4.如权利要求1所述的燃料组件，其中上述核燃料是铀。5.一种被装入反应堆堆芯的燃料组件，其特征是它包括许多根填充了核燃料的燃料棒，一对固定每根上述燃料棒两端用的上下固定板，以及在上述燃料棒棒之间形成的冷却剂液流通道，冷却剂从上述燃料组件的下部流到上部，在上部中产生空隙，在上述燃料组件内部比值Vc/VF不大于1.5，此处Vc是沿燃料组件轴向每单位长度的冷却剂液流通道所占据的体积，一部分燃料棒包含由在1电子伏或小于1电子伏的中子能量区域内具有至少一个共振能量的中子吸收核素构成的可然毒物材料，而在包含上述可燃毒物材料的燃料棒中，上述可燃毒物材料被包含在上述燃料棒的填充了上述核燃料的区域的整个轴向长度内。6.如权利要求5所述的燃料组件，其中上述中子吸收核素包括从钆、镉、钐、钽组成的一组核素中选定的一种。7.如权利要求5所述的燃料组件，其中上述比值Vc/VF不大于1.3。8.一种被装入反应堆堆芯的燃料组件，其特征是它包括许多根填充了核燃料的燃料棒，一对固定每根上述燃料棒两端用的上下固定板，以及在上述燃料棒之间形成的冷却剂液流通道，冷却剂从上述燃料组件的下部流到上部，在上部中产生空隙，在上述燃料组件内部比值Vc/VF不大于1.5，此处Vc是沿燃料组件轴向每单位长度的冷却剂液流通道所占据的体积，VF是每单位长度的核燃料所占据的体积，一部分燃料棒包含由在1电子伏或小于1电子伏的中子能量区域内具有至少一个共振能量的中子吸收核素构成的可燃毒物材料，而包含上述可燃毒物材料的燃料棒包括第一燃料棒和具有比上述第一燃料棒更短的轴向长度的第二燃料棒。9.如权利要求8所述的燃料组件，其中上述第一燃料...

【专利技术属性】
技术研发人员：森本裕一，丸山博见，青山肇男，瑞庆览笃，别所泰典，松本知行，石井佳彦，藤村幸治，内川贞夫，
申请(专利权)人：株式会社日立制作所，
类型：发明
国别省市：JP[日本]