轻水反应堆燃料组件（替换物）、轻水反应堆和燃料组件的燃料元件制造技术

本发明专利技术涉及轻水反应堆设计，其中，钍用作燃料，特别地，涉及用于形成水冷动力反应堆中的堆芯的无夹套燃料元件组件的设计，例如ＰＷＲ型反应堆（例如，ＡＰ－１０００、ＥＰＲ等）。轻水反应堆的燃料组件（１）具有正方形形状并且包括点火模块（２）、围绕所述点火模块的转换模块（３）、头部（４）、点火模块的尾部（５）和转换模块的尾部（６）。点火模块（２）的燃料元件的束布置在正方形坐标格栅的行列中并且具有四叶形轮廓，其沿着燃料元件的长度形成螺旋形间隔肋。转换模块（３）包括主体，添加有浓缩铀的由钍形成的燃料元件的束布置在其中。转换模块的燃料元件布置在正方形坐标格栅的两个行列中。在本发明专利技术的另一个实施例中，轻水反应堆燃料组件具有类似的设计；其中转换模块的燃料元件布置在正方形坐标格栅的三个行列中。本发明专利技术还涉及可在燃料组件中使用的燃料元件和使用燃料组件的ＰＷＲ型轻水反应堆（例如，ＡＰ－１０００、ＥＰＲ等）。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术通常涉及其中钍作为燃料使用的轻水核反应堆的结构元件，特别地，涉及形状为正方形的无夹套燃料组件的结构元件，其形成水冷、水慢化动力反应堆的堆芯，这些反应堆称作PffR型反应堆(例如，AP-1000，EPR,等)。现有技术核能在当今世界仍然是必要的能量资源。许多没有充足矿物燃料资源的国家主要依靠核能发电。在许多其他国家，核能用作用于发电的有竞争力的资源，其同样增加了所用能源类型的多样性。另外，核能对实现例如治理与矿物燃料相关的环境污染(例如，酸雨和全球变暖)以及为后代保存矿物燃料起到非常重要的作用。尽管安全毫无疑问是与核反应堆的设计和运行相关的首要问题，但另一个关键问题包括可在核武器中使用的物质扩散的危险。这对于政府不稳定的国家来说尤为重要，这些国家拥有核武器会对世界安全产生相当大的威胁。为此，核能必须以不引起核武器扩散和由此导致的使用风险的方式产生和使用。现有的所有核反应堆产生大量通常称作反应堆级钚的物质。例如，传统的1000兆瓦(MW)反应堆每年产生可适于制造核武器的量级为200-300千克(kg)的反应堆级钚。因此，传统反应堆的堆芯排出的燃料是剧烈倍增的物质，并且需要预防措施，以便确保排出的燃料不落到无权拥有它的人手中。还存在与大量储存的武器级钚(它们在销毁核武器时在美国(USA)和前苏联(USSR)的国家产生)相关的类似的安全问题。与传统核反应堆运行相关的另一问题源于对长期放射性废物处理的不断需要，以及世界的天然铀原材料资源的迅速消耗。为了解决这些问题，近年来试图制造这样的核反应堆，它们依靠较少量的非增殖浓缩铀(浓缩铀的U-235含量为20%或以下)运行并且不会产生大量例如钚的倍增物质。 国际申请W085/01826和W093/16477公开了这些反应堆的实例，其中给出了具有包含点火区和增殖区的点火增殖堆芯的反应堆，其利用钍作为燃料从增殖区产生相当高比例的能量。增殖区环绕点火区，由非增殖浓缩铀制造的燃料棒位于点火区内。点火区燃料棒中的铀发出被增殖区中的钍捕获的中子，由此产生能够核裂变的U-233，其就地燃烧并释放用于反应堆发电设备的热量。使用钍作为核反应堆燃料是有吸引力的，因为世界上的钍储量远高于铀储量。此外，如上所述的两种反应堆是非增殖性的，因为最初装填的燃料和每个燃料循环结束时排出的燃料都不适于制造核武器。这通过只使用非增殖浓缩铀作为点火区燃料实现，在此期间，选择最小限度形成钚的慢化剂/燃料体积比。少量非增殖浓缩铀添加到增殖区中，在增殖区中，U-238组分与增殖循环结束时剩余的U-233均勻混合并且使U-233 “变性”(改变其自然属性)，因此，它变得不再适合于制造核武器。令人遗憾的是，上述两种反应堆设计都不是真正的“非增殖型”。特别地，人们发6现，这两种设计都导致点火区的增殖钚形成水平超过了最低可能的水平。使用具有内部或中央增殖区和外部环绕增殖区的圆形点火区不能确保反应堆像“非增殖”反应堆那样运行， 因为薄圆形点火区具有相应较小的“光学厚度”，使得(中子的)点火区光谱在内部和外部增殖区的极高穿透力光谱上占主要地位。这致使点火区中产生更多份额的超热中子，并且产生倍增钚，在数量上与最低量相比更大。另外，从运行参数的参考标准看，前面两种反应堆设计都没有进行优化。例如，点火区和增殖区中的慢化剂/燃料体积比对于在点火区产生最低数量的钚来说尤为关键，以便确保在点火区中从燃料棒释放适当数量的热量以及实现增殖区内钍到U-233的最佳转化。研究表明，在这些国际申请中指明的优选慢化剂/燃料比值在点火区内过高，在增殖区内过低。前述堆芯设计在点火区燃料元件中使用非增殖浓缩铀时也不是特别有效。因此， 每个点火区燃料循环结束时排出的燃料棒因而包含许多残留铀，从而有必要对其进行处理以便在另一堆芯中重复使用。申请W093/16477中披露的反应堆还需要复杂的反应堆机械控制电路，这使得其不适合用于传统反应堆堆芯的重新装备。同样，申请W085/01826中披露的反应堆堆芯不能容易地转换为传统堆芯，因为它的设计参数与传统堆芯的设计参数不兼容。最后，上述两种反应堆设计都特别地构思为使非增殖浓缩铀及钍一起燃烧并且不适于使用大量钚。因此，这两种设计都不能确保解决所储存累积钚的问题。专利RU2176826公开了具有堆芯的反应堆，所述堆芯包括多个点火和转换区，其均包含中央点火区。每个点火区包括点火区燃料元件和围绕点火区的圆形增殖区，所述燃料元件由包含铀-235和铀-238的能够核裂变的物质制成。反应堆还包括增殖区的增殖燃料元件，其主要包含体积为10%或以下的钍和浓缩铀，点火区慢化剂(其中，慢化剂/燃料体积比的取值范围为2. 5到5. 0)和增殖区慢化剂(其中，慢化剂/燃料比的取值范围为 1. 5-2. 0)。因此，每个点火区燃料元件包括铀-锆(U-Zr)合金，点火区占每个点火和转换区的总体积的25-40%。已知反应堆从经济保证了最佳操作，而并非“增殖”。该反应堆可用于消耗大量钚和钍，不会同时产生组成增殖物质的废物产物。因此，该反应堆产生明显少得多的高放射性废物产物，从而减少对长期废物储存场所的需要。然而，这种反应堆中使用的点火和转换区不适合于在上述已有的PWR型轻水反应堆(例如，AP-1000、EI3R等)中使用。专利RU2222837的说明书中披露了一种轻水反应堆燃料组件，其与先前所述的反应堆类似，特别地，它具有正方形横截面，这使得可能将该燃料组件(由点火和转换区组成)安装在传统的轻水反应堆中。然而，除了指出组件横截面的形状之外，上述书中不包含关于在不对反应堆设计进行任何类型改变的情况下有助于它安装在已有PWR型的轻水反应堆(例如， AP-1000、EPR等)中的组件结构变型的信息。专利RU2294570公开了一种轻水反应堆燃料组件，其包括燃料元件束、容纳在隔片格栅中的导管、下部喷嘴和上部喷嘴，其中，隔片格栅还通过沿着燃料组件长度定位的部件互连到下部喷嘴，而上部喷嘴包括上部和下部连接板、位于这些板之间的筒夹和弹簧组件；这里，上部喷嘴筒夹具有外部肋，其突出部通过边缘互连，其下部通过多孔板互连。已知的燃料组件属于无夹套燃料组件设计，因此形成VVER-1000型的水冷、水慢化动力反应堆的堆芯，并且由于刚性提高和上部喷嘴的长度减少，以及燃料元件束和上部喷嘴之间的自由空间扩大和同时燃料元件长度增大，从而具有增强的性能。这使得增加利用具有高燃烧百分比的燃料进行燃料组件的装填成为可能，从而提高了反应堆堆芯功率以及燃料组件操作时间。然而，本组件中的所有燃料元件由轻水反应堆中常用的裂变物质制成；因此，前述缺陷为具有该类型组件的反应堆所固有-产生大量反应堆级钚。此外，本组件适用于 VVER-1000型反应堆；即，它具有六边形横截面，其不与PWR型反应堆(例如，AP-1000、EPR 等)中使用的燃料组件的形状匹配。本专利技术的目的包括制造燃料组件，一方面，其在容纳钍作为燃料的增殖区产生其动力的相当大的部分并且不产生在使用期间构成增殖物质的废物。另一方面，它可以在无需大量改动的情况下放入已有的PWR型轻水反应堆(例如，AP-1000、Era等)中。
技术实现思路
根据本专利技术的一个实施例，本目的通过一种轻水核反应堆燃料组件实现，其在平面图中具有本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．一种用于轻水核反应堆的燃料组件，其在平面图中具有正方形形状并且包括：点火区，包括在横截面中布置在正方形坐标格栅的行列中的点火燃料元件的束；每个点火燃料组件包含具有浓缩铀或钚的内核；转换区，围绕上述点火区并且包括增殖燃料元件的束，每个增殖燃料元件包含陶瓷钍；这些增殖燃料元件在横截面中布置在正方形坐标格栅的行列中，位于两个正方形环内。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种用于轻水核反应堆的燃料组件，其在平面图中具有正方形形状并且包括点火区，包括在横截面中布置在正方形坐标格栅的行列中的点火燃料元件的束；每个点火燃料组件包含具有浓缩铀或钚的内核；转换区，围绕上述点火区并且包括增殖燃料元件的束，每个增殖燃料元件包含陶瓷钍； 这些增殖燃料元件在横截面中布置在正方形坐标格栅的行列中，位于两个正方形环内。2.如权利要求1所述的燃料组件，包括多个导向通道，所述导向通道布置在点火区内以与用于PWR型核反应堆的燃料组件控制棒的导管的位置匹配，从而确保它们的互换性。3.如权利要求2所述的燃料组件，包括24个导向通道，所述24个导向通道布置在点火区内以与用于PWR型核反应堆的17X17个燃料组件控制棒的24个导管的位置匹配，从而确保它们的互换性。4.如权利要求1所述的燃料组件，其中，所述点火燃料元件中的每一个点火燃料元件具有四叶形轮廓，其形成螺旋形间隔肋。5.如权利要求4所述的燃料组件，其中，在燃料组件的横截面中，转换区的燃料元件位于由19行和19列组成的正方形坐标格栅的两个最外面的行列中，而点火燃料元件位于由 13行和13列组成的正方形坐标格栅的行列中。6.如权利要求5所述的燃料组件，包括具有正方形横截面形状并使点火区的燃料元件与转换区的燃料元件分开的通道。7.如权利要求6所述的燃料组件，包括连接至所述通道的点火区的下部喷嘴。8.如权利要求7所述的燃料组件，包括支架结构，所述支架结构紧固到点火区的下部喷嘴上以用于固定点火燃料元件。9.如权利要求6所述的燃料组件，包括固定到通道的上部的导向格栅，以便于点火燃料元件的定位，从而使其自由的轴向移动成为可能。10.如权利要求5所述的燃料组件，其中，点火燃料元件的数目为144。11.如权利要求5所述的燃料组件，其中，增殖燃料元件的数目为132。12.如权利要求1所述的燃料组件，其中，转换区包括转换区的下部喷嘴，以及纵向布置的角形元件和若干个纵向布置的支杆；以此，转换区的下部喷嘴刚性连接到上述角形元件和支杆上，从而形成转换区的框架结构。13.如权利要求12所述的燃料组件，其中，角形元件的数目等于四个。14.如权利要求13所述的燃料组件，其中，支杆的数目等于四个。15.如权利要求12所述的燃料组件，包括固定到间隔格栅的框架结构上的间隔格栅； 在每个格栅的中央区域具有用于在其中容纳点火区的开口。16.如权利要求1所述的燃料组件，包括用于连接点火区和转换区的装置，以便于它们作为单一装置共同插入核反应堆的堆芯中和从堆芯中取出。17.如权利要求16所述的燃料组件，其中，用于连接点火区和转换区的装置制造成可拆卸的，从而确保分开点火区和转换区的可能性。18.如权利要求1所述的燃料组件，其尺寸和形状、以及中子和热液压性质与用于PWR 型反应堆的传统燃料组件的尺寸和形状、以及中子和热液压性质匹配，从而保证它们的互换性。19.如权利要求18所述的燃料组件，当在不对反应堆设计进行任何额外改变的情况下，燃料组件代替用于PWR型核反应堆的传统燃料组件放入核反应堆中时，该燃料组件的输出功率位于用于利用传统燃料组件运行的反应堆的设计极限范围之内。20.一种用于轻水核反应器的燃料组件，其在平面图内具有正方形形状并且包括点火区，包括在横截面中布置在正方形坐标格栅的行列中的点火燃料元件的束；每个点火燃料元件包含具有浓缩铀或钚的内核；转换区，围绕上述点火区并且包括增殖燃料元件的束，每个增殖燃料元件包含陶瓷钍； 这些增殖燃料元件在横截面中布置在正方形坐标格栅的行列中，位于三个正方形环内。21.如权利要求20所述的燃料组件，包括多个导向通道，一部分导向通道位于点火区内，而剩余导向通道位于转换区内；以此，所有导管定位成与用于PWR型核反应堆的燃料组件控制棒的导管的位置相匹配，从而保证它们的互换性。22.如权利要求21所述的燃料组件，包括24个导向通道，所述24个导向通道一部分位于点火区内，而剩余通道位于转换区内；所有24个导管布置成与用于PWR型核反应堆的 17X17燃料组件的24个控制棒匹配，从而保证它们的互换性。23.如权利要求20所述的燃料组件，其中，所述点火燃料元件中的每一个点火燃料元件具有四叶形轮廓，其形成螺旋形间隔肋。24.如权利要求23所述的燃料组件，其中，在燃料组件的横截面内，点火区和转换区的燃料元件布置在正方形坐标格栅的17行和17列中；点火燃料元件布置在位于该格栅中间部分内的11行和11列中。25.如权利要求24所...

【专利技术属性】
技术研发人员：S·M·巴什基尔采夫，
申请(专利权)人：钍能源股份有限公司，
类型：发明
国别省市：US