含中子吸收剂的核燃料制造技术

本文在此介绍和例示了用于核反应堆的多种燃料棒束。在一些实施例中，燃料棒束包括多个燃料元件。每个燃料元件具有约0.9wt%至5.0wt%之间的235U的裂变物质含量，且至少这些燃料元件其中之一是含毒物的低浓缩铀燃料元件，其中含毒物的低浓缩铀燃料元件包含浓度高于约5.0vol%的中子毒物。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】含中子吸收剂的核燃料
技术介绍
核反应堆是通过核链式反应（例如核裂变）而产生能量的，在这个核链式反应中，一个自由中子被核燃料（例如，铀-235(235U)）中的裂变原子吸收。当自由中子被吸收后，裂变原子分裂成多个较轻的原子，并释放出更多的自由中子，这些自由中子被其他裂变原子吸收，从而形成核链式反应，这在业界是熟知的。核链式反应产生的热能通过多个其它处理过程转化为电能，这在业界也是熟知的。现有适合燃烧具有低裂变物质含量水平（例如，裂变含量水平相当于天然铀）的核电反应堆已经产生出很多新的可燃核燃料来源。这些新来源包括来自反应堆的废弃铀或回收铀。无论是基于节约成本的立场，还是基于可将乏铀回收到燃料循环中的立场，这些新来源都是有吸引力的。但是，回收乏核燃料的立场与在宝贵且有限的核废料容器设施中处理乏核燃料形成鲜明的对照。由于这些或其他原因，核燃料以及支持回收核燃料和在核反应堆中燃烧这些燃料的核燃料处理技术继续成为受欢迎的核技术补充。
技术实现思路
在本专利技术的一些实施例中，提供了核反应堆的燃料棒束，其包括多个燃料元件，每个燃料元件包括第一燃料组分和第二燃料组分。其中，第一燃料组分是回收铀，第二燃料组分是贫化铀和天然铀至少其中之一。所述第一燃料组分与所述第二燃料组分混合。其中，所述混合的第一和第二燃料组分具有低于1.2wt%的235U的第一裂变物质含量。本专利技术的一些实施例提供了核反应堆的燃料棒束，其中所述燃料棒束包括含回收铀的第一燃料元件，所述第一燃料元件具有不低于0.72wt%的235U的第一裂变物质含量；以及第二燃料元件，所述第二燃料元件包含贫化铀和天然铀至少其中之一。所述第二燃料元件具有不高于0.71wt%的235U的第二裂变物质含量。本专利技术的一些实施例提供了一种用于核反应堆的燃料棒束，其中所述燃料棒束包括具有235U裂变物质含量的多个燃料元件，所述燃料棒束的每个燃料元件具有约0.9wt%至5.0wt%的235U的裂变物质含量。而且，这些燃料元件至少其中之一是含毒物的低浓缩铀燃料元件，所述含毒物的低浓缩铀燃料元件包含浓度高于约5.0vol%的中子毒物。本专利技术的一些实施例提供了一种操作加压重水核反应堆的方法。在该方法中，提供第一燃料棒束，所述第一燃料棒束由多个燃料元件组成，每个燃料元件具有约0.9wt%至5.0wt%的235U的裂变物质含量，这些燃料元件至少其中之一是含毒物的低浓缩铀燃料元件，所述含毒物的低浓缩铀燃料元件包含浓度高于约5.0vol%的中子毒物。所述第一燃料棒束被插入该加压重水核反应堆的压力管中。操作该加压重水核反应堆以燃烧所述燃料元件，产生至少与天然铀燃料棒束产生的功率输出一样高的功率输出，但提供负的燃料温度系数（FTC）、负的功率系数（PC）以及比使用天然铀燃料来操作所述加压重水核反应堆提供的冷却剂空泡反应性（CVR）低的冷却剂空泡反应性。在一些实施例中，在此描述的任何一种燃料棒束和方法使用于加压重水反应堆中。其中，所述燃料棒束位于一根或多根容纳有加压流体的管内，所述加压流体流过所述燃料棒束，吸收所述燃料棒束的热量并在所述燃料棒束下游做工。通过考虑下面的详细说明和相关附图，本专利技术的其他方面将变得更为明显。附图说明图1是根据本专利技术第一实施例的核燃料棒束的横截面示意图，示出了核燃料棒束内的多个可能的燃料结构。图2是根据本专利技术第二实施例的核燃料棒束的横截面示意图，也示出了核燃料棒束内的多个可能的燃料结构。图3是根据本专利技术第三实施例的核燃料棒束的横截面示意图，也示出了核燃料棒束内的多个可能的燃料结构。图4是根据本专利技术第四实施例的核燃料棒束的横截面示意图，也示出了核燃料棒束内的多个可能的燃料结构。图5是应用图1-4的任何一个燃料棒束的核反应堆的示意图。具体实施方式对本专利技术实施例进行描述之前，应当理解，本专利技术不限于以下描述所阐述的或以下附图所例示的实施例细节和元件布置。本专利技术可采取其他实施例并可通过不同方式被实施。多种核燃料按照本专利技术多个实施例的形式公开于此。这些核燃料可用于各种不同的核反应堆，这里参考加压重水反应堆进行描述。这些反应堆可具有，例如，放置燃料的加压水平或竖直管。这样的反应堆的一个例子就是加拿大氘铀核反应堆（CanadianDeuteriumUranium,CANDU），图5示意性地显示出其中一部分。其他类型的反应堆可具有带孔的非加压水平或竖直管。加压重水核反应堆仅是可燃烧本专利技术各种核燃料的反应堆的一种。因此，这种反应堆仅以实例进行描述，可以理解，本专利技术的各种核燃料可以在其他核反应堆中燃烧。类似地，本专利技术这里所描述的各种燃料可以任何形式放置在核反应堆中用以燃烧。仅举例来说，所述燃料可装在管内或者或者可被包含在其它纵长物内(通常可称作“细棒”或“元件”，为了简化说明，在此仅称为“元件”)。本专利技术一些实施例中使用的元件的例子在图1-4中以标号22标示，且详述如下。如果燃料容纳在管内，所述管可由下列材料制成或包含锆、锆合金，或者在某些情况具有低中子吸收特点的其它适合的材料或材料的组合。在核反应堆中，多个元件可共同形成一个燃料棒束。这种燃料棒束在图5中以标号14表示。每一燃料棒束14的元件在棒束中可彼此平行地延伸。如果反应堆包括多个燃料棒束14，这些燃料棒束14可被端对端的放置在压力管18中。在其他类型的反应堆中，燃料棒束14可以其它希望的方式被排布。继续参考图5，当反应堆10处于工作时，重水冷却剂26流过燃料棒束14以冷却燃料元件，移除裂变过程中产生的热量。本专利技术的核燃料也可用在其热传输和慢化剂系统中具有不同液体/气体组合的压力管反应堆中。无论如何，从核燃料吸收热量的冷却剂26可将该热量传递至下游设备（例如，蒸汽发生器30）以驱动原动机（例如，涡轮34）以产生电能。于1996年4月25日申请的加拿大第2,174,983号专利申请描述了用于核反应堆的燃料棒束的几种实例，这些燃料棒束可包括本文所述的任一核燃料。加拿大第2,174,983号专利申请的内容以引用的方式结合于本专利中。本专利技术的各种核燃料可以与一种或多种其他材料结合使用（例如，混合）。无论单独使用或与其他材料结合使用，所述核燃料可以为颗粒形、粉体形、其他合适形状或者形状的组合。在一些实施例中，本专利技术的燃料采取棒状形式，比如棒状燃料压成希望的形状、棒状燃料包含在其他材料基质中等。另外，根据本专利技术的燃料组成的燃料元件可包括管、棒和/或其他类型元件的组合。如下文更详细的描述，本专利技术不同实施例的燃料可以包括不同的核燃料组合，例如贫化铀(depleteduranium,DU)、天然铀(naturaluranium,NU)以及再加工或回收铀(recycleduranium,RU)的不同组合。除非另有说明，如说明书和所附权利要求中所用到的，包括在核燃料中的材料组成的“百分比”是指重量百分比。此外，如本文所定义的，DU具有从近似0.2wt%到近似0.5wt%（包括近似0.2wt%和近似0.5wt%）的235U的裂变物质含量。NU具有近似0.71wt%的235U的裂变物质含量。RU具有近似0.72wt%到近似1.2wt%（包括近似0.72wt%和近似1.2wt%）的235U的裂变物质含量。回收铀再处理或回收铀（RU）是由使用轻水堆（LWRs）的核电生产中本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2010.11.15 US 61/413,8031.一种用于核反应堆的燃料棒束，所述燃料棒束包括：具有235U裂变物质含量的多个燃料元件，其中所述燃料棒束的每个燃料元件具有约0.9wt％至约5.0wt％的235U的裂变物质含量，且这些燃料元件至少其中之一是含毒物的低浓缩铀燃料元件，所述含毒物的低浓缩铀燃料元件包含浓度高于约5.0vol％的中子毒物，当作为燃料使用在加压重水核反应堆时，所述燃料棒束提供的冷却剂空泡反应性(CVR)和燃料温度系数(FTC)低于一个等同天然铀燃料棒束的对应CVR和FTC，而不会降低功率输出。2.如权利要求1所述的燃料棒束，其中所述至少一个含毒物的低浓缩铀燃料元件的裂变物质含量为至少约3.0wt％的235U。3.如权利要求2所述的燃料棒束，其中所述至少一个含毒物的低浓缩铀燃料元件的裂变物质含量为约3.0wt％至约3.5wt％的235U。4.如权利要求1所述的燃料棒束，其中所述至少一个含毒物的低浓缩铀燃料元件中的中子毒物浓度是在约5.0vol％至约8.0vol％之间。5.如权利要求4所述的燃料棒束，其中所述至少一个含毒物的低浓缩铀燃料元件中的裂变物质含量为约3.21wt％的235U，所述至少一个含毒物的低浓缩铀燃料元件中的中子毒物浓度为约6.82vol％，所述中子毒物是镝。6.如权利要求1所述的燃料棒束，其中所述至少一个含毒物的低浓缩铀燃料元件包括中间燃料元件和第一组多个燃料元件，所述中间燃料元件沿燃料棒束轴线延伸，所述第一组多个燃料元件紧邻且围绕所述中间燃料元件，其中所述燃料棒束的其余燃料元件为不含毒物的燃料元件，所述不含毒物的燃料元件位于所述含毒物的低浓缩铀燃料元件的径向外侧。7.如权利要求6所述的燃料棒束，其中每个不含毒物的燃料元件的235U裂变物质含量不高于所述含毒物的低浓缩铀燃料元件的裂变物质含量，至少一些不含毒物的燃料元件的235U裂变物质含量低于所述含毒物的低浓缩铀燃料元件的裂变物质含量。8.如权利要求7所述的燃料棒束，其中所述不含毒物的燃料元件包括第二组多个燃料元件和第三组多个燃料元件，所述第二组多个燃料元件紧邻且围绕所述第一组多个燃料元件，所述第三组多个燃料元件紧邻且围绕所述第二组多个燃料元件，其中所述第二组多个燃料元件的的裂变物质含量高于所述第三组多个燃料元件的裂变物质含量。9.如权利要求8所述的燃料棒束，其中所述第二组多个燃料元件具有约3.0wt％至约3.5wt％的235U的裂变物质含量，所述第三组多个燃料元件具有低于约2.0wt％的235U的裂变物质含量。10.如权利要求9所述的燃料棒束，其中所述第二组多个燃料元件具有约3.18wt％的235U的裂变物质含量，所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：穆斯塔法·宝彻，瑟麦特·库兰，凯西·考特勒奥，罗伯特·R·博德纳尔，
申请(专利权)人：加拿大原子能有限公司，
类型：
国别省市：