同位素浓缩氮化物在核反应堆中的锕系元素燃料中的使用转让专利
申请号 : CN200510092234.4
文献号 : CN1737948B
文献日 : 2010-12-08
发明人 : E·J·拉胡达 , J·A·布朗 , S·R·佩蒂 , L·G·哈尔斯塔迪斯 , R·P·哈里斯 , B·彼得维奇
申请人 : 西屋电气有限责任公司
摘要 :
本发明提供一种包括譬如氮化铀的锕系元素氮化物的核燃料，适合在核反应堆中使用，包含基本上基于热裂变、譬如轻和重水或气体冷却核反应堆。燃料包含被同位素浓缩至至少约50％15N的氮，更优选95％以上。燃料可为颗粒、球丸形式、环形形式或具有高容积比率表面的其他形式。
权利要求 :
1.一种在核反应堆中使用的核燃料，包括锕系元素氮化物，所述锕系元素氮化物包括浓缩至至少50％15N的氮，并且所具有的锕系元素∶氮化物的原子比在1∶1到1∶2之间。
2.如权利要求1所述的核燃料，其中所述反应堆是基于热裂变的反应堆。
3.如权利要求1所述的核燃料，进一步包括可燃吸收剂。
4.如权利要求1所述的核燃料，其中所述锕系元素氮化物是U15N。
5.如权利要求4所述的核燃料，其中所述U15N燃料是球丸形。
6.如权利要求4所述的核燃料，其中所述U15N燃料是环形。
7.如权利要求4所述的核燃料，其中所述U15N燃料是颗粒形。
8.如权利要求2所述的核燃料，其中所述反应堆是压水或重水反应堆。
9.如权利要求2所述的核燃料，其中所述反应堆是沸水反应堆。
10.如权利要求2所述的核燃料，其中所述反应堆是卵石床燃料反应堆或棱柱形气体冷却反应堆。
11.如权利要求4所述的核燃料，其中所述氮化铀包括被浓缩至至少50％ 15N的氮。
12.如权利要求4所述的核燃料，其中所述氮化铀包括被浓缩至至少95％ 15N的氮。
13.如权利要求4所述的核燃料，其中所述铀∶氮化物的原子比是1∶1。
说明书 :
发明领域
本发明涉及用于核电站的核燃料领域。具体地，提供包括锕系元素氮化物、适合在轾和重水或气体冷却核反应堆中使用的燃料。所述燃料包含已被同位素浓缩至至少约50％15N的氮。
背景技术
在典型的核反应堆中，譬如压水反应堆(PWR)、重水或沸水反应堆(BWR)，反应堆芯包含大量核燃料组件，其每一个由多个加长燃料元件或棒组成。每个燃料棒包含譬如通常是燃料球芯块堆形式的氧化铀(UO2)的裂变材料，但是也使用环形或颗粒形式的燃料。燃料棒在被组织的阵列中一起被分组，以在核芯中提供中子通量，足以支持高速的核子分裂，从而以热的形式释放出巨大数量的能量。譬如水或气体的冷却剂被经由核芯泵出，以抽吸核芯产生的热量用于有用功的产生。
第一代核反应堆是被建造以证明核能可以工作于实验室和黑板上的反应堆。第二代核反应堆，譬如上述的PWR或BWR，采用更进一步的技术，表现为机器是经济的切实可行的电站。大多数今天在美国运行的核电站是第二代电站。新兴的、第三代反应堆配备有先进的特征，譬如合成无源能量损耗或自然处理的安全系统、简化其设计和允许其无需复杂的辅助安全系统而处理故障。尽管大多数第二代电站以非常有竞争力的能量生产成本比率运行，但第三代电站被设计为因增加的产出/投资比而具有生产电能的增加的容量、较低的成本，从而对于建造是非常有成本竞争力的。
多种方法可利用以增加能量生产，某些方法比其他的更理想。在电站中通过缩短燃料循环增加燃料利用是已被普遍地认识的方法，但是缩短的燃料循环经常导致较高的生产成本和更多烧过的燃料废物的排放。通过增加排放物燃耗来减小烧过的燃料生产比率的想法受到燃料棒复合腐蚀的限制，还受到通过烧过的燃料共有因素和燃料生产厂限制的限制。
提高能量生产的另一方法是使用环形燃料。环形燃料与固体球丸燃料相比，提供超过50％的表面区域与体积比的增加，以及容积热通量或反应堆中的能量密度的相应增加。不利地，这导致缩短的燃料循环，因为非常高的使用率和与使用固体球丸时相比在核芯中略微较少的铀。即使使用更长的燃料棒和反射器来提高燃料效率，燃料循环下降至短于理想的间隔。
通过增加包含在每个燃料棒中的铀的数量来降低燃料成本。装填的铀的相当大量的增加可使装填的装配数量(和因此被排放的数量)被减少，从而减少排放烧过的燃料。此外，装填越高引起235U浓缩装配的越低，其产生较好燃料利用率和较低燃料循环费用。因为浓缩燃料的花费随浓缩非线性提高，所以降低浓缩节省了支出。即，浓缩从4％至5％的提高增加用于铀的成本超过25％。最后，在每个燃料棒中装填的铀的实质性增加便于较长燃料循环的执行(提高容量)或现有电站的能量级别的提升，从而以最小的花费提供新的电能。
对于新的核电站，还有目前运行的这些核电站，理想的是提高核燃料的利用率并降低这些核电站产生的烧过的燃料的体积。
发明概述
本发明通过提供在包含轻和重水或气体冷却核反应堆的核反应堆中使用的节省成本的核燃料来实现上面的目的。燃料包含其中氮被同位素浓缩至至少约50％15N的锕系元素氮化物。与UO2或UZrN燃料相比较，使用具有浓缩氮的锕系元素氮化物提供显著增加的燃料经济性。优选的锕系元素氮化物是U15N。
从而，本发明的一个目的是，提供一种在包含轻和重水或气体冷却核反应堆的核反应堆中使用的经济燃料。
本发明的另一个目的是，提供一种具有浓缩的氮-15的锕系元素氮化物燃料，在轻和重水或气体冷却反应堆中使用。
本发明的又一个目的是，提供一种在轻和重水或气体冷却核反应堆中使用的经济燃料，该燃料具有减少从反应堆排放的烧过的燃料的体积的额外的优点。
这些和其他目的将根据下面详细的说明书和附属的权利要求更容易地理解。
优选实施方案的详细描述
因此，本发明提供一种在核反应堆中使用的包括锕系元素氮化物的核燃料，锕系元素氮化物包括被浓缩至至少约50％15N的氮。优选地，锕系元素氮化物包括被浓缩至至少约90％15N的氮。更优选地，锕系元素氮化物包括被浓缩至至少约95％15N的氮。合适的锕系元素包含铀、钚、和在锕系元素系列中的其它元素。优选的锕系元素为铀。下面的说明具体涉及氮化铀，但也说明适合用于本发明的锕系元素氮化物。
铀与氮的化学计量比值优选为1∶1，但可在大约1∶1至大约1∶2的范围内变化。因提供较好抗腐蚀和最小的裂变气体释放，从而优选化学计量的UN。
如上所述，当与天然N的使用比较时，U15N燃料的使用提供了显著的燃料经济性。如表1中所见，与UO2和UZr20％N比较时，包含U15N燃料的棒包含明显多的铀/棒，直到40％多。
表1
球丸 理论堆铀密度(g铀/cc) Kg铀/棒 UO2 9.7 1.86 UZr20％N 11.8 2.06 UN 13.4 2.58
此外，当与氧比较时，由于15N的较低中子横截面的数量级，U15N燃料具有较低的寄生的(parasitic)横截面。参见例如A.K.Petrov et al.，J.Russ.Chem. Bull.，47：714(1998)；N.V.Chekalin et al.，Phys.Lett.，59A：243(1976)；和N.V.Chekalia et al.，Appl.Phys.，13：311(1977)。这导致不引起裂变的寄生反应的少量的中子损耗。若低于大约50％15N浓缩度，U15N燃料的使用与UO2相比较不具有优势，因为具有14N的寄生反应的中于损耗，因而15N的最造宜水平是在反应中浓缩成本和中于损失之间的平衡。结合较长燃料棒的铀密度的增加，可增加核芯铀含量至以减少供料和排放料大小的足够数量，同时保护理想的燃料循环，甚至用于高能量核芯。另外，较高密度能被用于通过降低235U浓缩要求来提高燃料的利用率和减少燃料成本，提高排放料燃耗，和/或减少在每个燃料重新加载中新的汇集的数量或全部三点的组合。
使用具有浓缩15N的UN具有另外的优点。放射性碳-14因在氮-14(最常用的氮的同位素)上的(n，p)反应而产生，且是来自使用UN燃料的不想要的副产物。使用15N减少或潜在地消除了这个问题。
具有天然氮的氮化铀燃料被用在快速增值反应堆。然而，因氮-14的反应带来的中子损失使在基于热裂变的反应堆中使用非浓缩UN不经济。轻和重水反应堆在比快速增值反应堆的不够严格条件(燃料燃烧效率、中子通量和温度)下运行，以及中子的节约是首先考虑的。当与其他燃料类型比较时，表2提供了具有浓缩至100％15N氮的U15N燃料经济效益的比较。
表2
球丸 成分 供料块 的大小 (Assm) 等效UO2棒 燃耗限制 (GWD/MTU) 块排放燃耗 (GWD/MTU) 相对供料成本 在总的燃料循环成本中百分比变化 仅U 总计1 总计2 UO2 96 60 48.6 $43.5M $57.6M $56.7M 5.71m/kwhe UZrN14 100 60 40.9 +31.5％ +29.7％ +27.9％ +21.9％ UZrN15 96 60 42.6 +0.7％ +2.6％ +0.5％ -0％ UZrN15 80 75 51.1 -3.4％ -3.6％ -5.3％ -5.6％ UN15 96 60 34.1 +0.2％ +6.6％ +0.4％ -0.2％ UN15 72 70 45.4 -3.7％ -2.1％ -6.7％ -5.4％ UN15 68 75 48.1 -3.7％ -3.0％ -7.1％ -7.2％
表2注释：
1.制进成本$210/KgU时
2.制造成本是$80K/装配时
3.假定0.3重量％余量，$12/1bU308矿石，$5.1/1bU转化，$105/KgSWU浓缩，$200K/装配配置。
参考这里数值的任何数字范围时，可以理解这种范围包含在表明的范围最小值和最大之间的各个和每一个数字和/或分数。例如，至少大约50％15N的范围将明显地包含大约51％、52％、53％、54％、55％的所有中间值，直到上至包含99％、99.1％、99.2％，上到包含100％15N。
同位素浓缩氮的方法在现有技术中是公知的。例如，浓缩的氮是重水操作的副产物，以NH3的形式。根据这种处理浓缩15N的水平可是几个百分数的级别，并可进一步升级至产生想要的浓缩水平。另一种方法是在红外区的激光同位素浓缩，使用CH3NO2和/或CH3NH2作为工作分子。另一种可能是在双色激光同位素浓缩中使用NH3作为工作分子。上述中任何方法可单独或组合，或与其他浓缩方法组合使用。优选是，使用重水分离处理以获得初始的浓缩15NH3，然后使用此作为工作分子，使用激光同位素分离方法进一步浓缩。这种方法是最具有效能成本的，并且目前因改进的激光同位素分离方法的发展而成为切实可行的。
使用非浓缩氮用于作为核燃料，生产氮化铀的方法也是公知的，参见例如美国专利第3953355、3953556、4029740、4231976、4338125和4624828号，用于生产UN的各种方法。这些方法中的任何方法或其他本领域公知的方法，也可被用于使用浓缩氮-15制造UN燃料。
本发明的U15N燃料可以是多种形式，包含但不限于球丸，环形，颗粒，或其他与球丸相比较的具有改进表面与容积比率的形状，譬如四叶苜蓿形状的。本领域公知的形成球丸的方法可被使用，并且可获得理论密度大约9 5％的U15N燃料。
对于在快速增值反应堆，还有譬如包含压水反应堆(PWR)、沸水反应堆(BWR)和压重水反应堆(PHWR或CANDU)的基本上基于热裂变的反应堆的轻或重水核反应堆，还有譬如卵石床(pebble bed)燃料反应堆(PBMR)或棱柱形(prismatic)反应堆的气体冷却反应堆中的使用，上述的U15N燃料是适合的和经济的。
若想要，如美国专利第5,147,598号所说明的，U15N可与譬如硼、镉、钆、铕和饵或类似物的可燃吸收剂结合使用，以控制在核芯中的初始剩余反应性。
虽然本发明的具体实施例在上面被用于说明的目的被说明，但是对于本领域技术人员显而易见的是，不脱离如附属权利要求中限定的发明，可以作出本发明的大量细节变化。
第一代核反应堆是被建造以证明核能可以工作于实验室和黑板上的反应堆。第二代核反应堆，譬如上述的PWR或BWR，采用更进一步的技术，表现为机器是经济的切实可行的电站。大多数今天在美国运行的核电站是第二代电站。新兴的、第三代反应堆配备有先进的特征，譬如合成无源能量损耗或自然处理的安全系统、简化其设计和允许其无需复杂的辅助安全系统而处理故障。尽管大多数第二代电站以非常有竞争力的能量生产成本比率运行，但第三代电站被设计为因增加的产出/投资比而具有生产电能的增加的容量、较低的成本，从而对于建造是非常有成本竞争力的。
多种方法可利用以增加能量生产，某些方法比其他的更理想。在电站中通过缩短燃料循环增加燃料利用是已被普遍地认识的方法，但是缩短的燃料循环经常导致较高的生产成本和更多烧过的燃料废物的排放。通过增加排放物燃耗来减小烧过的燃料生产比率的想法受到燃料棒复合腐蚀的限制，还受到通过烧过的燃料共有因素和燃料生产厂限制的限制。
提高能量生产的另一方法是使用环形燃料。环形燃料与固体球丸燃料相比，提供超过50％的表面区域与体积比的增加，以及容积热通量或反应堆中的能量密度的相应增加。不利地，这导致缩短的燃料循环，因为非常高的使用率和与使用固体球丸时相比在核芯中略微较少的铀。即使使用更长的燃料棒和反射器来提高燃料效率，燃料循环下降至短于理想的间隔。
通过增加包含在每个燃料棒中的铀的数量来降低燃料成本。装填的铀的相当大量的增加可使装填的装配数量(和因此被排放的数量)被减少，从而减少排放烧过的燃料。此外，装填越高引起235U浓缩装配的越低，其产生较好燃料利用率和较低燃料循环费用。因为浓缩燃料的花费随浓缩非线性提高，所以降低浓缩节省了支出。即，浓缩从4％至5％的提高增加用于铀的成本超过25％。最后，在每个燃料棒中装填的铀的实质性增加便于较长燃料循环的执行(提高容量)或现有电站的能量级别的提升，从而以最小的花费提供新的电能。
对于新的核电站，还有目前运行的这些核电站，理想的是提高核燃料的利用率并降低这些核电站产生的烧过的燃料的体积。
发明概述
本发明通过提供在包含轻和重水或气体冷却核反应堆的核反应堆中使用的节省成本的核燃料来实现上面的目的。燃料包含其中氮被同位素浓缩至至少约50％15N的锕系元素氮化物。与UO2或UZrN燃料相比较，使用具有浓缩氮的锕系元素氮化物提供显著增加的燃料经济性。优选的锕系元素氮化物是U15N。
从而，本发明的一个目的是，提供一种在包含轻和重水或气体冷却核反应堆的核反应堆中使用的经济燃料。
本发明的另一个目的是，提供一种具有浓缩的氮-15的锕系元素氮化物燃料，在轻和重水或气体冷却反应堆中使用。
本发明的又一个目的是，提供一种在轻和重水或气体冷却核反应堆中使用的经济燃料，该燃料具有减少从反应堆排放的烧过的燃料的体积的额外的优点。
这些和其他目的将根据下面详细的说明书和附属的权利要求更容易地理解。
优选实施方案的详细描述
因此，本发明提供一种在核反应堆中使用的包括锕系元素氮化物的核燃料，锕系元素氮化物包括被浓缩至至少约50％15N的氮。优选地，锕系元素氮化物包括被浓缩至至少约90％15N的氮。更优选地，锕系元素氮化物包括被浓缩至至少约95％15N的氮。合适的锕系元素包含铀、钚、和在锕系元素系列中的其它元素。优选的锕系元素为铀。下面的说明具体涉及氮化铀，但也说明适合用于本发明的锕系元素氮化物。
铀与氮的化学计量比值优选为1∶1，但可在大约1∶1至大约1∶2的范围内变化。因提供较好抗腐蚀和最小的裂变气体释放，从而优选化学计量的UN。
如上所述，当与天然N的使用比较时，U15N燃料的使用提供了显著的燃料经济性。如表1中所见，与UO2和UZr20％N比较时，包含U15N燃料的棒包含明显多的铀/棒，直到40％多。
表1
球丸 理论堆铀密度(g铀/cc) Kg铀/棒 UO2 9.7 1.86 UZr20％N 11.8 2.06 UN 13.4 2.58
此外，当与氧比较时，由于15N的较低中子横截面的数量级，U15N燃料具有较低的寄生的(parasitic)横截面。参见例如A.K.Petrov et al.，J.Russ.Chem. Bull.，47：714(1998)；N.V.Chekalin et al.，Phys.Lett.，59A：243(1976)；和N.V.Chekalia et al.，Appl.Phys.，13：311(1977)。这导致不引起裂变的寄生反应的少量的中子损耗。若低于大约50％15N浓缩度，U15N燃料的使用与UO2相比较不具有优势，因为具有14N的寄生反应的中于损耗，因而15N的最造宜水平是在反应中浓缩成本和中于损失之间的平衡。结合较长燃料棒的铀密度的增加，可增加核芯铀含量至以减少供料和排放料大小的足够数量，同时保护理想的燃料循环，甚至用于高能量核芯。另外，较高密度能被用于通过降低235U浓缩要求来提高燃料的利用率和减少燃料成本，提高排放料燃耗，和/或减少在每个燃料重新加载中新的汇集的数量或全部三点的组合。
使用具有浓缩15N的UN具有另外的优点。放射性碳-14因在氮-14(最常用的氮的同位素)上的(n，p)反应而产生，且是来自使用UN燃料的不想要的副产物。使用15N减少或潜在地消除了这个问题。
具有天然氮的氮化铀燃料被用在快速增值反应堆。然而，因氮-14的反应带来的中子损失使在基于热裂变的反应堆中使用非浓缩UN不经济。轻和重水反应堆在比快速增值反应堆的不够严格条件(燃料燃烧效率、中子通量和温度)下运行，以及中子的节约是首先考虑的。当与其他燃料类型比较时，表2提供了具有浓缩至100％15N氮的U15N燃料经济效益的比较。
表2
球丸 成分 供料块 的大小 (Assm) 等效UO2棒 燃耗限制 (GWD/MTU) 块排放燃耗 (GWD/MTU) 相对供料成本 在总的燃料循环成本中百分比变化 仅U 总计1 总计2 UO2 96 60 48.6 $43.5M $57.6M $56.7M 5.71m/kwhe UZrN14 100 60 40.9 +31.5％ +29.7％ +27.9％ +21.9％ UZrN15 96 60 42.6 +0.7％ +2.6％ +0.5％ -0％ UZrN15 80 75 51.1 -3.4％ -3.6％ -5.3％ -5.6％ UN15 96 60 34.1 +0.2％ +6.6％ +0.4％ -0.2％ UN15 72 70 45.4 -3.7％ -2.1％ -6.7％ -5.4％ UN15 68 75 48.1 -3.7％ -3.0％ -7.1％ -7.2％
表2注释：
1.制进成本$210/KgU时
2.制造成本是$80K/装配时
3.假定0.3重量％余量，$12/1bU308矿石，$5.1/1bU转化，$105/KgSWU浓缩，$200K/装配配置。
参考这里数值的任何数字范围时，可以理解这种范围包含在表明的范围最小值和最大之间的各个和每一个数字和/或分数。例如，至少大约50％15N的范围将明显地包含大约51％、52％、53％、54％、55％的所有中间值，直到上至包含99％、99.1％、99.2％，上到包含100％15N。
同位素浓缩氮的方法在现有技术中是公知的。例如，浓缩的氮是重水操作的副产物，以NH3的形式。根据这种处理浓缩15N的水平可是几个百分数的级别，并可进一步升级至产生想要的浓缩水平。另一种方法是在红外区的激光同位素浓缩，使用CH3NO2和/或CH3NH2作为工作分子。另一种可能是在双色激光同位素浓缩中使用NH3作为工作分子。上述中任何方法可单独或组合，或与其他浓缩方法组合使用。优选是，使用重水分离处理以获得初始的浓缩15NH3，然后使用此作为工作分子，使用激光同位素分离方法进一步浓缩。这种方法是最具有效能成本的，并且目前因改进的激光同位素分离方法的发展而成为切实可行的。
使用非浓缩氮用于作为核燃料，生产氮化铀的方法也是公知的，参见例如美国专利第3953355、3953556、4029740、4231976、4338125和4624828号，用于生产UN的各种方法。这些方法中的任何方法或其他本领域公知的方法，也可被用于使用浓缩氮-15制造UN燃料。
本发明的U15N燃料可以是多种形式，包含但不限于球丸，环形，颗粒，或其他与球丸相比较的具有改进表面与容积比率的形状，譬如四叶苜蓿形状的。本领域公知的形成球丸的方法可被使用，并且可获得理论密度大约9 5％的U15N燃料。
对于在快速增值反应堆，还有譬如包含压水反应堆(PWR)、沸水反应堆(BWR)和压重水反应堆(PHWR或CANDU)的基本上基于热裂变的反应堆的轻或重水核反应堆，还有譬如卵石床(pebble bed)燃料反应堆(PBMR)或棱柱形(prismatic)反应堆的气体冷却反应堆中的使用，上述的U15N燃料是适合的和经济的。
若想要，如美国专利第5,147,598号所说明的，U15N可与譬如硼、镉、钆、铕和饵或类似物的可燃吸收剂结合使用，以控制在核芯中的初始剩余反应性。
虽然本发明的具体实施例在上面被用于说明的目的被说明，但是对于本领域技术人员显而易见的是，不脱离如附属权利要求中限定的发明，可以作出本发明的大量细节变化。