CN1016472B - 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 - Google Patents

Abstract

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子的石墨棒。

Description

本发明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掩蔽。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。

本发明的基本任务是：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。

上述目的按照本发明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对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。

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Kc＝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），则可在进行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，堆芯空心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行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，燃料元件的燃料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肋状的石墨嵌入部件，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。

按照本发明，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。

燃料球直径与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地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型堆壁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。

在空心区的长方形的，及一般为2ⁿ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，根据选定的空心区平面图和图内描述的有序排列的燃料装填就可以得出一个合乎目的要求的壁面结构，基本上作为两个相互交叉燃料球层的外缘覆盖层。

侧壁卸料（正如通过侧面工作循环实现燃料球的有序装载一样）也可通过从下向上增大堆芯横断面来实现，这如图5所示。在这种情况下，可设计一个截角锥状的外表面，其相对于竖直或垂直面的倾角（α）为15°和45°，最好是25°（见图5a）。

更为有利是，在下部堆芯区内，例如在下面三分之一处，倾角可选择大于上面区域的倾角（见图5b）。当下面区域的倾角约45°而上部区域的倾角约25°时则更好。

最好是，把堆芯空心区的垂直断面作成拱形，致使对压力容器壁的垂直作用分力在堆芯高度位上都是一样大小。这可通过对空心区横断面的造型来实现，该造型近似地由R＝（R₀-a（Z-Z₀）²公式给出（见图5C）。式中，R表示到堆芯空心区中心轴线的距离，R₀表示到球填料表面的距离，Z为高度位置，Z₀为球填料表面上的高度位置，a由堆壁所允许的负荷值算出。

下面对几张附图加以说明，它们是：

图1表示按本发明设计的煤球炉式反应堆容器的示意结构;

图2表示煤球炉式反应堆在不同时间的温度和功率密度;

图3表示堆芯中带凹坑的底面;

图4表示在八角形堆芯中的部分燃料球的迭层堆放;

图5表示各种堆芯空心区的形状，它们的横断面宽度由下向上增大。

按照图1，在反应堆压力容器1中有石墨反射层2，其内是一空心的空间3，它容纳燃料球填4。这些燃料球经由装料管和卸料管5装入或卸出。调节控制棒6拟定置于反射层里。燃料球填料由氦予以冷却，在中空的空间3内，氦气自下上去再下来及自左右地流动，最后离开燃料球填料，从下面的热气聚集室8排出。

堆芯的空心部分容积为46立方米，产生的热功率达200兆瓦。冷却用的氦气向下流动，从250℃被加热至700℃。燃料元件的直径为6厘米，其中含有的二氧化铀（UO₂）作为燃料，以“涂敷颗粒”形式存在。在开始装料时，用燃料元件填满堆芯空心区的三分之一。其中下面九分之一二装填含5%浓缩铀的燃料球，上面九分之一装填含7%浓缩铀的燃料球，经此而达到临界状态。在运行期间逐渐地补加含10.7%浓缩铀的燃料元件。开始，每天装填350个燃料球，临近运行周期结束时，每天装填210个燃料球。它们的填加根据需要而定，以使反应堆保持临界状态。经过611整天运行后，反应堆被完全填满，必须进行卸料。燃耗平均达到74兆瓦·天/公斤（重金属），最高为105兆瓦·天/公斤（重金属）。

功率分布，在轴向开始是比较均匀对称的。在全装满运行中，功率最大值移向上部，那里有补加的新燃料元件（见图2）。在运行期间，燃料的最高温度在735℃到910℃之间主变化。因此，任何时候，温度都显著低于所允许的最高温度1250℃。在模拟发生故障情况下，假定氦气从反应堆中漏出，计算表明，温度最高达到2005℃。假定反应堆的配置发生变化，石墨圆柱的半径85厘米，相应地空心区半径将增加22厘米，由此在故障情况下，燃料元件的最高温度降至1430℃。最高温度的降低可避免裂变产物从涂敷颗粒中扩散出来。

Claims (17)

1、用裂变材料含量不同的球形燃料元件装填煤球炉式反应堆的方法，其特征在于：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，卸料时使反应堆停止运行，实施冷却和减压，然后将所有的燃料元件一次卸出。

2、按照权利要求1提出的方法，其特征在于：开始时对堆芯是部分装填燃料元件，占的体积比例为1/4到2/3。

3、按照权利要求2提出的方法，其特征在于：开始时对堆芯是部分装填燃料元件，占的体积比例为1/3。

4、按照权利要求1至3中任一项提出的方法，其特征在于：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低约12%和高约24%。

5、按照权利要求1至3中任一项提出的方法，其特征在于：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约1.9倍。

6、按照权利要求1至3中任一项提出的方法，其特征在于：堆芯卸料从上面开始进行。

7、按照权利要求1至3中任一项提出的方法，其特征在于：用燃料元件向堆芯进行有序的装填。

8、采用上述权利要求所提出的装料方法的煤球炉式反应堆，具有容纳燃料元件的空心区，包括初始装料，燃料元件装卸装置，具有热交换器，冷却剂回路和鼓风机的排热系统，其特征在于：

一个容纳在负荷下处于临界状态的初始装料的空心区，该初始装料只占据空心区的一部分，

一个支持堆芯使燃料元件有序装填的带凹坑的底面。

9、按照权利要求8所提出的煤球炉式反应堆，其特征在于：燃料球的取出设备在空心区上端。

10、按照权利要求9所提出的煤球炉反应堆，具特征在于：堆芯底面上的凹坑呈正方形的栅格状排列，凹坑间距即交叉点间距达最小，比燃料球直径大1～8%，最好是大5%。

11、按照权利要求10所提出的煤球炉反应堆，其特征在于：有2ⁿ个角的空心区横断面其中n为大于或等于2的整数，其边缘尺寸相应于燃料球直径的整数倍。

12、按照权利要求9～11中任一项所提出的煤球炉式反应堆，其特征在于：为包覆所希望的燃料球配置结构而加肋，或者在空心区内壁上加工出凹坑。

13、按照权利要求8或9所提出的煤球炉式反应堆，其特征在于：空心区的横断面从下向上逐渐增大。

14、按照权利要求13所提出的煤球炉式反应堆，其特征在于：有一截锥体形的外壳面，其与垂直面的夹角为15°和45°。

15、按照权利要求14所提出的煤球炉式反应堆，其特征在于：有一截锥体形的外壳面，其与垂直面的夹角在25°左右。

16、按照权利要求14所提出的煤球炉式反应堆，其特征在于：

外壳面的下部三分之一与垂直面的倾角约为45°，其上部三分之二与垂直面的倾角约为25°。

17、按照权利要求8所提出的煤球炉式反应堆，其特征在于：在堆芯空心区内有石墨柱或肋条，以容纳能控制和停止反应堆进行的中子吸收剂。

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