铅冷快速反应堆的活性区域

摘要

反应堆的活性区域、燃料元件和以及用于产生所述活性区域的燃料组件意图用于快速反应堆，快速反应堆具有氮化物燃料和主要采用熔化的铅和其合金形式的液态金属冷却剂。本发明所解决的问题在于产生活性区域，其具有沿着活性区域的半径扁平化的空隙反应性效应和有效功率。活性区域包括均匀的铀钚氮化物燃料，其在活性区域的质量分数最小是0.305，并且由三部分组成‑中心部分、中间部分和外围部分，它们形成了包括燃料元件的燃料组件，燃料元件具有几何形状相同的外壳，但在活性区域的中心部分、中间部分和外围部分中具有不同的燃料柱高度，其中跨活性区域体积的径向燃料分布的特征在于纵向截面上的阶梯形状。活性区域的中心部分的半径为活性区域的有效半径的0.4至0.5，而中心部分的燃料组件的燃料元件中的燃料柱高度为设置在活性区域的外围部分的燃料组件中的燃料元件中的燃料柱高度的0.5至0.8。对于范围为活性区域的有效直径的0.5至0.85的直径而言，形成阶梯状中间部分(具有至少一个阶梯)的燃料柱高度经过选择而为设置在活性区域的外围部分的燃料组件中的燃料元件中的燃料柱高度的0.55至0.9的范围内。

权利要求

1.一种铅冷快速反应堆的活性区域，所述活性区域包括均匀的铀钚氮化物燃料，其包含在圆柱形燃料元件的几何形状相同的外壳中，其中所述燃料元件设置在燃料组件中，使得所述活性区域中的燃料质量分数最小是0.305，所述燃料组件产生了所述活性区域的中心部分、中间部分和外围部分，所述活性区域的中心部分的直径(d1)在所述活性区域的有效直径(D)的0.4至0.5倍的范围内，而所述活性区域的中心部分中的燃料组件的燃料元件中的燃料柱高度(h1)处于设置在所述活性区域的外围部分中的燃料组件中的燃料元件中的燃料柱高度(H)的0.5至0.8倍的范围内，并且所述活性区域的阶梯状中间部分的直径(d2)为所述活性区域的有效直径(D)的0.5至0.85倍，而形成阶梯状中间部分的燃料组件的燃料元件中的燃料柱高度(h2)处于设置在所述活性区域的外围部分中的燃料组件的燃料元件中的燃料柱高度的0.55至0.9倍的范围内。

说明书

铅冷快速反应堆的活性区域

技术领域

[0001] 本发明涉及核技术，并且意图用于快速反应堆中使用，快速反应堆具有液态金属冷却剂，主要采用熔化的铅和其合金的形式。

背景技术

[0002] 核动能学的长期研究涉及快速动力反应堆的生产，其可容许解决在核燃料循环关闭时有效且安全地利用核燃料的关键问题，并且提供环境的安全性。当前的努力包括研究新一代具有铀钚氮化物燃料的铅冷快速反应堆。这种核反应堆安全性的基本设计原理的选择和供给的问题大部分基于各种系数和反应性效应的研究结果，其主要涉及燃料、冷却剂和其它材料的核属性和物理属性，以及活性区域的尺寸和配置。

[0003] 在相关领域中存在反应堆BN-800，其具有包括六边形燃料组件的活性区域，其中所述燃料组件的中间部分包含铀钚燃料，并且末端区域包含上下再生区(Yu.E. Bagdasarov, L.A. Kochetkov等人的BN-800反应堆-快速反应堆研究的新进展，IAEA-SM，No284/41，第2卷，第209-216页，1985)。在燃料组件的容器内部具有棒-类型燃料元件(燃料元件)，并且在燃料元件之间的空间中，在底部至顶部的方向上使冷却剂，即熔化的钠循环。这种BN-800反应堆在核安全方面的缺点是高的钠空隙反应性效应。这种效应显著地损害了反应堆在紧急情况下的核安全性，其结果是钠沸腾或暴露了活性区域。

[0004] 已经知道大型快速反应堆的活性区域具有中心空腔，其配置为用于将钠空隙反应性效应减少至其最小值，并确保除反应堆紧急关闭之外的瞬态过程的安全性(Ru2126558)。根据该发明的活性区域包括安装在周向方向上并限定了大型中心空腔的燃料组件；控制棒、装置和材料的系统，其可进入空腔内部以便紧急关闭反应堆。该发明可通过在钠冷却剂损失或沸腾条件下增加穿过活性区域的中心部分的大型空腔的中子泄漏而减少空隙反应性效应。然而，这种活性区域的使用可能导致反应堆尺寸方面的增加和经济性能的损失。

[0005] 已经知道改进的快速钠冷反应堆具有铀钚燃料(Ru2029397)。这种反应堆的活性区域类似BN-600反应堆的活性区域，包括六边形燃料组件，其中间部分包含铀钚燃料，并且末端区域包含上下再生区。各个燃料组件的中心部分包括具有贯通-空腔，其直径是燃料组件的有效直径的0.3至0.8，并沿着活性区域和再生区的整个高度而延伸。燃料元件的剩余部分设置在燃料组件容器的内部，并且在燃料元件之间的空间中，在底部至顶部的方向上使冷却剂，即熔化的钠循环。在紧急情况下，这种燃料组合配置促进了中子从反应堆活性区域泄漏到末端反射器上，从而减少了空隙反应性效应。反应性减少和穿过燃料组件的贯通空腔的中子泄漏的增加仅仅通过从燃料组件中心部分除去相当数量的燃料元件来实现。这种方案导致较低的反应堆功率或需要增强核燃料浓度或增加活性区域尺寸。

[0006] 铅冷快速反应堆是已知的，其包括活性区域，其特征在于铀钚氮化物燃料沿着其半径的区域分布(Ru2173484)。燃料包含在燃料元件的外壳中，并且在燃料和外壳之间的间隙填充了高的热导率材料，例如铅。燃料元件设置在铅冷燃料组件中。铀-钚质量比在5.7至7.3的范围内，并且跨整个活性区域是均匀的。活性区域中的燃料是径向分区域的，并且活性区域包括至少两个子区域：中心区域和外围区域。外围子区域具有比中心子区域更多的燃料和更少的冷却剂。核燃料和冷却剂在子区域之间的分布通过改变燃料元件之间的间距和/或通过在中心部分和外围部分使用不同直径的燃料元件来执行。燃料元件的上侧部分包括气腔，其具有燃料柱高度的最小0.8的高度。

[0007] 该发明可在活性区域的中心部分和外围部分获得均匀的燃料燃烧和钚再生速率，沿着半径降低燃料元件和冷却剂之间的温差，并增加在紧急情况，例如冷却剂损失情况下的反应堆的核安全性。该发明中详细描述的反应堆、活性区域、燃料组件和燃料元件的配置构想了进一步的技术方案，尤其容许将反应堆反应性裕度降低至最佳水平，改善燃料至燃料元件外壳的热传递，降低燃料和燃料元件外壳的热机械相互作用，减少燃料元件内部的压力。根据专利Ru2173484中所公开的发明，铀钚氮化物燃料和冷却剂沿着活性区域半径的区域分布要么通过在中心或外围燃料组件中利用不同直径的燃料元件和/或通过利用其不同的装填密度来提供。因而，具体地说，在燃料组件外围子区域中的燃料元件和燃料组件中心子区域中的燃料元件的直径之间的比率等于1.12，并且在燃料组件中心子区域中的燃料元件之间以及在燃料组件外围子区域中的燃料元件之间的间距比等于1.18。按照这种方式，本发明的实际应用受到核燃料生产需求的驱动，并且不同尺寸的燃料元件和燃料组件的使用导致核燃料生产成本的增加。

发明内容

[0008] 本发明解决的问题在于提供了一种铅冷大功率快速反应堆的活性区域，其特征在于，负的或接近零的空隙反应性效应和跨活性区域半径扁平化的有效功率密度。

[0009] 上面提到的目的通过提供一种铅冷大功率快速反应堆的活性区域来解决，其包括均匀的铀钚氮化物燃料，其质量分数(εm)超过0.305，其中燃料包含在圆柱形燃料元件的几何形状相同的外壳中，燃料元件设置在燃料组件中，燃料组件形成了活性区域的中心部分、中间部分和外围部分，其中活性区域的中心、中间和外围部分中的燃料组件的燃料元件具有不同的燃料柱高度，并且跨活性区域体积的燃料径向分布的特征在于其纵向截面中的阶梯形状。本发明中所限定的“铀钚氮化物燃料的质量分数(εm)意味着核反应堆活性区域中的体积比与所用燃料密度(ρN)和其理论密度(ρT)之间配比的乘积，即

[0010] (εm)=εv*ρN/ρT。

[0011] 根据本发明的一个特殊的实施例，活性区域的中心部分的直径在活性区域的有效直径的0.4至0.5的范围内，而在活性区域的中心部分中，燃料组件的燃料元件中的燃料柱的高度是设置于活性区域的外围部分的燃料组件的燃料元件中的燃料柱高度的0.5至0.8的范围内，并且形成阶梯状中间部分并设置在活性区域的有效直径的0.5至0.85范围内的直径中的燃料组件的燃料元件中的燃料柱高度被选择在设置于活性区域的外围部分的燃料组件的燃料元件中的燃料柱高度的0.55至0.9的范围内。

[0012] 本发明的活性区域以及燃料组件和燃料元件的配置可产生用于反应堆生产的基础，反应堆具有以下工艺内在的安全属性：

[0013] -在改变整个反应堆的铅密度时的负的空隙效应；

[0014] -在改变整个反应堆的铅密度时的负的反应性系数；

[0015] -在反应堆活性区域中显著减少的冷却剂密度效应有利于改善各种严重事故中的保护。

[0016] 本发明的主题在于活性区域的特殊配置，其中心部分极大地影响了快速反应堆的安全性能。本发明的活性区域中的燃料分布增加了中子泄漏并容许这个部分在某些燃料质量分数下取得负的或接近零的正的空隙效应值，活性区域在其纵向截面中具有阶梯形状，其具有显著扁平化的中心部分。这种效应与横向和末端反射器以及安装在燃料元件的上侧部分的中子吸收器的冲击一起用于获得整个反应堆的负的空隙效应。

[0017] 随着中子平衡得出的反应堆活性区域中增加的过量生成的中子是用于减少空隙反应性效应的主要“手段”。对于大体积的活性区域而言，反应堆活性区域中这种增加的过量生成的中子有助于极大地减少正的空隙效应，并甚至对于所有反应堆区域而获得负的空隙效应。

[0018] 为了在反应堆活性区域内部增加过量生成的中子，使用了：

[0019] -高密度燃料以及单氮化物燃料；

[0020] -通过较高的燃料分数、增加的燃料元件直径等等而表征的活性区域的成分；

[0021] -扁平化的活性区域的几何形状。

[0022] 活性区域的几何尺寸主要限定了泄漏水平和空隙效应值。在具有硬中子能谱、活性区域中的较高的燃料分数和从而反应堆活性区域中的较高的过量中子生成水平，以及中子平衡的条件下，用于减少空隙效应的泄漏最大化工艺基本上可通过两种类型的几何配置来实现：

[0023] 极端扁平化的活性区域，在此情况下可获得相对较大的体积和整体功率；和[0024] 模块化配置，其具有相对较小的每单元体积和功率。

[0025] 根据计算，所有具有稠密燃料、较高的燃料分数和从而较高的每裂变中子生成率的活性区域都极大地减少了空隙效应。

[0026] 当过量中子的整个裕度用于减少空隙反应性效应时，具有稠密燃料和稠密填料的活性区域的实施例更优选用于确保减少严重事故的风险，其特征在于活性区域中相对较高的燃料分数。为了为反应堆提供工艺内在安全性，空隙反应性效应在绝对量上应是负的且小的，因为绝对量上大的负的反应性效应在某些应急情况下可能导致快速且危险的正反应性的引进。

[0027] 当减少活性区域的中心部分中的燃料高度时，通过从活性区域的中心至外围部分增加燃料柱的高度从而取得临界负荷。在根据本发明的活性区域的配置中，功率密度扁平化通过燃料的阶梯布置来提供，其中阶梯通过燃料元件中不同燃料柱高度(燃料重量)的燃料组件来产生。本发明配置的具体特征在于通过在这些活性区域部分使用具有均匀浓缩的燃料成分的燃料以及具有相同几何形状的燃料元件和燃料组件，从而在活性区域的中心、中间和外围部分提供了阶梯状的径向燃料分布。

附图说明

[0028] 图1是燃料元件的纵向横截面图，其将燃料组件限定在根据本发明的反应堆活性区域的外围、中间和中心部分中。

[0029] 图2是简图，其显示了根据本发明的反应堆活性区域中的核铀钚燃料分布，该分布在纵向截面上具有阶梯形状。

具体实施方式

[0030] 燃料组件的燃料元件由具有末端元件2和3的管状外壳1组成，其限定了活性区域的外围元件(图1а)，其中外壳1的内部具有采用高度Н的柱形式的铀钚燃料4。燃料元件的上侧部分包括用惰性气体填充的空腔5。气腔5的上侧部分包括中子吸收器，例如5cm高度的碳化钨棒6，以及用于燃料固定的结构构件，其例如以弹簧7的形式制成。

[0031] 燃料组件的燃料元件限定了在纵向截面上具有阶梯状燃料分布的活性区域的中心部分和中间部分(图1b)，燃料组件的燃料元件由具有末端元件2和3的管状外壳1组成，其中外壳1的内部具有高度h的燃料芯块柱形式的铀钚燃料4。对于中心部分选择，高度h在0.5至0.8H的范围内，并且对于中间部分，高度h选择在0.55至0.9H的范围内。燃料元件的上侧部分包括用惰性气体填充的空腔5。气腔5的上侧部分包括中子吸收器，例如5cm高度的碳化钨棒6，以及用于燃料固定的结构构件，其例如以弹簧7的形式制成。

[0032] 图2是简图，其显示了活性区域中的核铀钚燃料分布，该分布在纵向截面上具有阶梯形状。当根据这个原理设置燃料组件时，活性区域的中间部分具有从d1至d2的直径，其产生了阶梯，并具有图1b中所示的燃料元件。活性区域的中心部分的直径d1选择为其有效直径D的0.4至0.5。中间部分的燃料组件设置在直径d2中，直径d2选择在活性区域的有效直径D的0.5至0.85的范围内，并包括具有高度h的燃料柱的燃料元件。

[0033] 根据本发明，活性区域的燃料组件和燃料元件一起产生了阶梯状特征。本申请人未发现任何技术方案，其将包括涉及在其纵向截面上具有阶梯形状的活性区域中建立本发明燃料分布的特征。就其简单性和所用的结构而言，这个方案显著地不同于通过改变燃料元件的直径和其沿着活性区域半径的布置间距的燃料区域分布的方案。在活性区域的中心部分的燃料高度的减少导致了中子通量空间-和-能量的重新分布、活性区域的中心部分的中子泄漏的增加，以及从而正的空隙反应性效应成分的减少。这种效应与横向和末端反射器以及安装在燃料元件的气腔上侧部分的中子吸收器的冲击一起用于实现整个反应堆的负的空隙效应值。

[0034] 类似于上述三阶梯燃料布置，可体现活性区域，其具有利用燃料元件中的不同燃料高度的燃料组件所产生的四个和更多的阶梯。在活性区域的中心部分，燃料组件的燃料元件中的燃料高度的选择影响了沿着其半径的功率分布。计算结果显示活性区域中的阶梯燃料分布提供了沿着活性区域半径更均匀的功率分布。燃料组件的棒类型的燃料元件中的不同的燃料高度容许减少沿着活性区域半径的功率分布的不均匀性，因而增加了平均功率密度并优化了活性区域中的燃料负荷，不同高度增加了从活性区域中心至其外围的阶梯性。

[0035] 反应堆BP-1200的活性区域的一个实施例的示例基于本发明方案，其具有跨活性区域体积的燃料径向分布，该活性区域在纵向截面中具有阶梯形状。具有2800MW热功率和576cm有效直径的铅冷反应堆BP-1200的活性区域由692个壳燃料组件组成，其各包括169个具有铀钚氮化物燃料的燃料元件(具有大约14.3%的Pu)，使得活性区域中的燃料的质量分数(εm)为最小0.305。冷却剂在活性区域中的加热是在120ºС下执行的，并且最大冷却剂速率大约是2m/s。活性区域的中心部分的第一阶梯包括127个燃料组件，其各被燃料柱高度为
68cm的燃料元件所限定。活性区域的中心部分的第二阶梯包括270个燃料组件，其各被燃料柱高度为78cm的燃料元件所限定。活性区域的外围部分包括295个燃料组件，其各被燃料柱高度为88cm的燃料元件所限定。活性区域的中心、中间和外围部分中的所有燃料组件的燃料元件具有10.0mm的壳外径，并且设置成13mm间隔的三角矩阵。在活性区域的中心部分的直径和其有效直径之间的比率是0.404，而在活性区域的中心部分的第一阶梯和第二阶梯的燃料元件中的燃料高度与外围部分中的燃料高度之间的比率分别是0.77和0.89。

[0036] 根据这个具有2800MW功率的铅冷快速反应堆的活性区域的实施例，活性区域包括四个壳燃料组件，并沿着所述活性区域的半径使用阶梯状燃料负载配置，所述活性区域的半径等于具有几何形状相同的外壳的燃料元件的燃料柱高度；沿着不超过1.27半径提供了带不均匀性系数的扁平化的功率密度和对于整个反应堆的负的空隙效应。按照这种方式，沿着其半径具有阶梯状燃料分布的新颖活性区域的配置，以及意图用于产生所述活性区域的燃料组件和燃料元件配置的优点容许增加大功率铅冷反应堆系统的安全性，并为改善性能和经济属性提供基础。