煤球炉式核反应堆装料法和适用于此法的煤球炉式核反应堆制造技术

对煤球炉式反应堆装燃料，开始以裂变材料含量高的燃料作部分装填，使其达到临界状态如预定功率，然后以渐增的用过燃料补充渐减的新燃料．根据反应堆的大小和规模，在十或几十工作年后需从上面卸料，其可能性在于利用了一个带有呈正方形栅格状排列的凹孔的底面板，通过此板可限定水平方向上的球间距离，使加在炉壁上的力的分布变小，另外这压力也可通过圆锥形的炉壁体而变小．特别是在大的反应堆中还在堆芯配置了用于吸收中心的石墨棒．（*该技术在2005年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
体专利技术是关于用裂变材料含量不同的球形燃料元件装填煤球炉式核反应堆的方法和适用于此法的煤球炉式核反应堆。煤球炉式核反应堆的特点是能够连续地从反应堆中卸出球形燃料元件，也就是说，从反应堆压力容器中撤出球状燃料元件。新的燃料元件则通过反应堆壳壁反射层内的装料管而填入。装料和卸料都是在反应堆全功率运行状态下连续进行的，或者确切地说，是准连续进行的。两次装料之间的时间间隔是如此之短，以至基本不会出现反应性的波动，这种波动必须通过追加入的中子吸收材料予以调节补偿。间隔时间的长短在几秒钟到几天之间。在这种类型的反应堆中，可以实现有利的功率密度分布和较高的效率。当然，在全功率运行状态下卸出燃料元件是需要较为昂贵的技术设备的。反应堆压力容器的外廓高度须达1～2米，以便能够包容漏斗状的球形燃料元件排出口、球体隔开装置和压力闸门。这些设备在进行修理时，是难以接近的。此外，移出所卸下的高放射性元件的设备也是耗资很大，因为必须进行遥控处理和振荡。卸料设备的运行和维护以及燃料元件的连续运出需要有固定的熟练工作人员。众所周知，还有另一种间歇式(非连续的)装料的核反应堆。每隔一定时间，譬如一年中有几天或几周将停堆、冷却和减压，以便更换燃料元件。在两次装料过程之间的运行周期内，必须使用中子吸收剂，以调节补偿受燃料元件燃耗影响的反应性变化。通常采用附加的控制棒，如冷却材料中的硼酸或可燃的中子吸收材料。使用这些吸收材料可加重中子的耗费，从而降低转换率和增殖率。这种中子吸收材料的使用中，有时会由于控制棒从反应堆中错误地抽出而产生一定的安全风险。本专利技术的基本任务是提供这样一种反应堆装料方法，采用它不仅消除了经济上的缺点和所熟知的“间歇运行”的风险，而且也可避免运行状态下的复杂的卸料操作。上述目的按照本专利技术可通过下述操作达到间歇式地卸出球形燃料元件;在向反应堆装填燃料元件时，开始先用裂变材料含量相当高的燃料元件装填部份空心区，以便达到临界状态和预定的功率。随着燃料元件的燃耗增加，为补偿堆芯中裂变材料含量的减少，要连续地或准连续地补加燃料元件，直至充满空心区。为此要求有一个合适的煤球炉式的反应堆，其设计特点是开始是部份装料，以后视燃耗情况而再补加装料。从详细的权项要求中还可进一步推知其他特点。在这种装料方式中，首次装料这样安排若堆芯空心区开始是部分装料，适当的比例是1/4～2/3，特别是用燃料元件填满空心区的1/3时，则在反应堆的预定功率条件下可达到临界状态(有效增殖因数Ke＝1)。在随后的反应堆运行期间，将连续或准连续地装填新的燃料元件，而且需要适中地保持临界状态条件。当反应堆的堆芯空心区最后完全被填满时，则使反应堆停止运行，实施冷却和减压，然后将所有的燃料元件同时全部卸出。这种方式的卸料约在运行2～5年后进行一次，而在低功率密度反应堆情况下(这种反应堆可设计成热电厂)，则可在运行15～30年后进行一次卸料。对于这种一次全部卸出装料的方式，使用堆芯底部的球形卸料装置是有利的，但不是非要不可的。不用它，堆芯空白区也可借助于一种机械升降输送装置或按照吸尘器原理从上面被倒空。这种卸料装置可逐步地用于按这种方式运行的各种反应堆的倒空。它们的生产成本相应地由各种反应堆的能耗费所决定，同样也取决于运行费和人员费，后两种费用是由于使用这些装置而需支付的。在这种装料方式中，燃料元件的卸出要比普通的装料方式中的卸料操作大为简化，因为核反应堆被停止运行，加以冷却和减压。但同时，煤球炉式反应堆与其他反应堆相比还保持有自己的优点，即不需使用中子吸收材料来限制由燃料燃烧循环所产生的过剩的反应堆。从经济观点所要力求达到的是在这种新型装料方式中，能够提供与采用普通装料方式的反应堆运转情况下相同的热功率。由于堆芯空心区开始只是部分装料，因而初始状态下的中等功率密度(与堆芯空心区完全充满时相比)必将增大。在此为了避免超过每个燃料元件的许可功率(5.7千瓦/球)，在充满球形燃料元件的堆内容积中，应尽可能使功率密度呈现均匀的空间分布。这可通过下述的装料方式实现开始装料时，至少要使用两种裂变材料含量不同的燃料元件。“初次装料”中，下面三分之二装填裂变材料含量比平均值低约12%的燃料元件;而上面三分之一则装填裂变材料含量高24%左右的燃料元件。从经济观点还要进一步力争达到在堆芯实施卸料时，燃料元件的燃耗平均值应与普通卸料方式中达到的燃耗相同(70～100兆瓦·日/公斤(重金属))。在一项设计估算中表明，当补加的燃料元件中的裂变材料含量比初始部分装料的裂变材料含量平均值高约1.9倍时，上述目标即可达到。对用裂变材料含量相同的燃料元件缓慢装填反应堆的计算模拟表明，每天所必需的新燃料元件装载速率在运行周期趋近结束时将越来越小，而燃料球的单位功率负荷在开始和趋近结束时都比较高。为解决这一问题，也可用裂变材料含量不同的球形燃料元件进行补加装料。一项预先计算的计算机模拟可求得最佳的燃料元件负荷及其裂变材料含量。在上述的堆芯要长时间停止运行的装料方式中(这与煤球炉式反应堆中的燃料球连续循环不同)，燃料球的密度会逐渐增高，即单位体积内的燃料球数目增加。因此，在小型堆中，有控制棒和应急停堆棒置于周围的反射层中。而不再能受石墨反射层调节的较大的反应堆中，最好装有一个或几个圆柱形或胁状的石墨嵌入部件，其中可加入中子吸收剂。这种圆柱形结构较之通常的煤球炉式反应堆的结构大为简单，因为没有球座向排出通道的经常运动，因此不存在相应的力的作用或影响。按照本专利技术，当燃料球在堆芯中较长时间停留时，应适当缓慢地填入燃料球，并采取措施使燃料球尽可能有序地填入堆芯的空心区。在这种情况下，形成燃料球致密的装载、高功率密度和燃料球上压力负荷的均匀分布。借助于堆芯空心区的正方形栅格和凹陷的底部使装料有序地填入，由此，在装填燃料球时(从最低处开始)，将可能形成最佳的排列。为解决由于热变化引起的球膨胀和过了寿命期的燃耗问题，凹陷底部的凹坑之间的间距以最小为佳，比燃料球直径大1～8%，最好是大5%。正方形栅格一凹坑排列较之想象中最佳的六角形燃料球排列具有如下优点在将第一层球与其他燃料球迭加起来时，存在最佳层(每层的中心在下层的四个燃料球上面)，是标定层。因此，在向堆芯装料时，自然而然地就可得到燃料球的空间密度最大的尽可能好的排列有序状态，形成小于45°的六角形致密充填的多层结构，理论上可求得充填系数为0.74。燃料球直径的空心区直径的显著差别允许圆柱形空心区靠近壁面处存在一定的无序状态。可是，如果那样的话，空心区横断面和内壁还是能够适应地形成燃料球的有序排列状态。这样，壁面的大小可按照对燃料球尺寸的整数倍数来确定，并用竖直的肋条加固，因此也能形成与壁相邻的有序的燃料球层。为了避免在边缘区域内不必要促成燃料球的不稳定状态(如垂直竖立于底层之上的位错层燃料球的排列)，在肋条间形成的沟槽的曲率半径应大于燃料球半径，如图4所示。作为实例，图4显示的是一个八角形堆芯的水平(部分)横断面，通过两种不同类型的堆壁A和B，将堆芯有序地加以限制。A型堆用所勾画出的竖直肋条适当装配，而B型堆壁如勾画的那样可用平滑或竖直加肋予以装配。在空白区的长方形的一般Zn个角(n＝2，3，4，…)的横断面上，所需的加肋结构也按类似的方法简单地产生。一般，根本文档来自技高网...

【技术保护点】
用裂变材料含量不同的球形燃料元件装填反应堆的方法，其特点是：间歇式地卸出球形燃料元件；在向反应堆装填燃料元件时，开始先用裂变材料含量相对高的燃料元件装填部分空心区，以便达到临界状态和预定的功率，随着燃料元件的燃耗增加，为补偿堆芯中裂变材料的减少，要连续地或准连续地补加燃料元件，直至完全填满空心区。

【技术特征摘要】
1.用裂变材料含量不同的球形燃料元件装填反应堆的方法，其特点是间歇式地卸出球形燃料元件；在向反应堆装填燃料元件时，开始先用裂变材料含量相对高的燃料元件装填部分空心区，以便达到临界状态和预定的功率，随着燃料元件的燃耗增加，为补偿堆芯中裂变材料的减少，要连续地或准连续地补加燃料元件，直至完全填满空心区。2.按照权利要求1提出的方法，具有如下特点开始对堆芯是部分装填燃料元件，占的体积比例为1/4到2/3，以1/3为最佳。3.按照权利要求1或2提出的方法，其特点是初始部分装料中，下面三分之二和上面三分之一所装填的燃料元件中裂变材料含量，分别比作为初始部分装料产生临界状态基础的平均裂变材料含量值低约12%和高约24%。4.由上述权利要求提出的方法，具有如下特点补加的燃料元件中裂变材料含量比初始部分装料时的燃料元件的裂变材料平均含量高1.5到2.5倍。5.由上述权利要求提出的方法，具有如下特点堆芯卸料从上面开始进行。6.由上述权利要求提出的方法，具有如下特点用燃料元件向堆芯进行有序的装填。7.采用上述权利要求所提出的装料法的煤球炉式反应堆，其特点是开始是部分装料，随后则视燃耗情况进行补加装料。8.由权利要求7所提出的煤球炉式反应堆，具有如述特点燃料球的取出设备在空心区上端。9.由权利要求8提出的煤球炉式反应堆，具有下述特点存在一个支持堆芯有序装填燃料元件的带凹坑的底面。10....

【专利技术属性】
技术研发人员：埃伯哈特托伊谢特，克劳斯阿恩哈斯，赫尔穆特格温，
申请(专利权)人：于利奇研究中心有限公司，
类型：发明
国别省市：DE[德国]