專利名稱:煤球爐式核反應(yīng)堆裝料法和適用于此法的煤球爐式核反應(yīng)堆的制作方法
體發(fā)明是關(guān)于用裂變材料含量不同的球形燃料元件裝填煤球爐式核反應(yīng)堆的方法和適用于此法的煤球爐式核反應(yīng)堆。
煤球爐式核反應(yīng)堆的特點(diǎn)是能夠連續(xù)地從反應(yīng)堆中卸出球形燃料元件，也就是說，從反應(yīng)堆壓力容器中撤出球狀燃料元件。新的燃料元件則通過反應(yīng)堆殼壁反射層內(nèi)的裝料管而填入。裝料和卸料都是在反應(yīng)堆全功率運(yùn)行狀態(tài)下連續(xù)進(jìn)行的，或者確切地說，是準(zhǔn)連續(xù)進(jìn)行的。兩次裝料之間的時間間隔是如此之短，以至基本不會出現(xiàn)反應(yīng)性的波動，這種波動必須通過追加入的中子吸收材料予以調(diào)節(jié)補(bǔ)償。間隔時間的長短在幾秒鐘到幾天之間。在這種類型的反應(yīng)堆中，可以實(shí)現(xiàn)有利的功率密度分布和較高的效率。當(dāng)然，在全功率運(yùn)行狀態(tài)下卸出燃料元件是需要較為昂貴的技術(shù)設(shè)備的。反應(yīng)堆壓力容器的外廓高度須達(dá)1～2米，以便能夠包容漏斗狀的球形燃料元件排出口、球體隔開裝置和壓力閘門。這些設(shè)備在進(jìn)行修理時，是難以接近的。此外，移出所卸下的高放射性元件的設(shè)備也是耗資很大，因?yàn)楸仨氝M(jìn)行遙控處理和振蕩。卸料設(shè)備的運(yùn)行和維護(hù)以及燃料元件的連續(xù)運(yùn)出需要有固定的熟練工作人員。
眾所周知，還有另一種間歇式(非連續(xù)的)裝料的核反應(yīng)堆。每隔一定時間，譬如一年中有幾天或幾周將停堆、冷卻和減壓，以便更換燃料元件。在兩次裝料過程之間的運(yùn)行周期內(nèi)，必須使用中子吸收劑，以調(diào)節(jié)補(bǔ)償受燃料元件燃耗影響的反應(yīng)性變化。通常采用附加的控制棒，如冷卻材料中的硼酸或可燃的中子吸收材料。使用這些吸收材料可加重中子的耗費(fèi)，從而降低轉(zhuǎn)換率和增殖率。這種中子吸收材料的使用中，有時會由于控制棒從反應(yīng)堆中錯誤地抽出而產(chǎn)生一定的安全風(fēng)險。
本發(fā)明的基本任務(wù)是提供這樣一種反應(yīng)堆裝料方法，采用它不僅消除了經(jīng)濟(jì)上的缺點(diǎn)和所熟知的“間歇運(yùn)行”的風(fēng)險，而且也可避免運(yùn)行狀態(tài)下的復(fù)雜的卸料操作。
上述目的按照本發(fā)明可通過下述操作達(dá)到間歇式地卸出球形燃料元件;在向反應(yīng)堆裝填燃料元件時，開始先用裂變材料含量相當(dāng)高的燃料元件裝填部份空心區(qū)，以便達(dá)到臨界狀態(tài)和預(yù)定的功率。隨著燃料元件的燃耗增加，為補(bǔ)償堆芯中裂變材料含量的減少，要連續(xù)地或準(zhǔn)連續(xù)地補(bǔ)加燃料元件，直至充滿空心區(qū)。為此要求有一個合適的煤球爐式的反應(yīng)堆，其設(shè)計(jì)特點(diǎn)是開始是部份裝料，以后視燃耗情況而再補(bǔ)加裝料。
從詳細(xì)的權(quán)項(xiàng)要求中還可進(jìn)一步推知其他特點(diǎn)。
在這種裝料方式中，首次裝料這樣安排若堆芯空心區(qū)開始是部分裝料，適當(dāng)?shù)谋壤?/4～2/3，特別是用燃料元件填滿空心區(qū)的1/3時，則在反應(yīng)堆的預(yù)定功率條件下可達(dá)到臨界狀態(tài)(有效增殖因數(shù)Ke＝1)。在隨后的反應(yīng)堆運(yùn)行期間，將連續(xù)或準(zhǔn)連續(xù)地裝填新的燃料元件，而且需要適中地保持臨界狀態(tài)條件。當(dāng)反應(yīng)堆的堆芯空心區(qū)最后完全被填滿時，則使反應(yīng)堆停止運(yùn)行，實(shí)施冷卻和減壓，然后將所有的燃料元件同時全部卸出。這種方式的卸料約在運(yùn)行2～5年后進(jìn)行一次，而在低功率密度反應(yīng)堆情況下(這種反應(yīng)堆可設(shè)計(jì)成熱電廠)，則可在運(yùn)行15～30年后進(jìn)行一次卸料。
對于這種一次全部卸出裝料的方式，使用堆芯底部的球形卸料裝置是有利的，但不是非要不可的。不用它，堆芯空白區(qū)也可借助于一種機(jī)械升降輸送裝置或按照吸塵器原理從上面被倒空。這種卸料裝置可逐步地用于按這種方式運(yùn)行的各種反應(yīng)堆的倒空。
它們的生產(chǎn)成本相應(yīng)地由各種反應(yīng)堆的能耗費(fèi)所決定，同樣也取決于運(yùn)行費(fèi)和人員費(fèi)，后兩種費(fèi)用是由于使用這些裝置而需支付的。
在這種裝料方式中，燃料元件的卸出要比普通的裝料方式中的卸料操作大為簡化，因?yàn)楹朔磻?yīng)堆被停止運(yùn)行，加以冷卻和減壓。但同時，煤球爐式反應(yīng)堆與其他反應(yīng)堆相比還保持有自己的優(yōu)點(diǎn)，即不需使用中子吸收材料來限制由燃料燃燒循環(huán)所產(chǎn)生的過剩的反應(yīng)堆。
從經(jīng)濟(jì)觀點(diǎn)所要力求達(dá)到的是在這種新型裝料方式中，能夠提供與采用普通裝料方式的反應(yīng)堆運(yùn)轉(zhuǎn)情況下相同的熱功率。由于堆芯空心區(qū)開始只是部分裝料，因而初始狀態(tài)下的中等功率密度(與堆芯空心區(qū)完全充滿時相比)必將增大。在此為了避免超過每個燃料元件的許可功率(5.7千瓦/球)，在充滿球形燃料元件的堆內(nèi)容積中，應(yīng)盡可能使功率密度呈現(xiàn)均勻的空間分布。這可通過下述的裝料方式實(shí)現(xiàn)開始裝料時，至少要使用兩種裂變材料含量不同的燃料元件。“初次裝料”中，下面三分之二裝填裂變材料含量比平均值低約12%的燃料元件;而上面三分之一則裝填裂變材料含量高24%左右的燃料元件。
從經(jīng)濟(jì)觀點(diǎn)還要進(jìn)一步力爭達(dá)到在堆芯實(shí)施卸料時，燃料元件的燃耗平均值應(yīng)與普通卸料方式中達(dá)到的燃耗相同(70～100兆瓦·日/公斤(重金屬))。在一項(xiàng)設(shè)計(jì)估算中表明，當(dāng)補(bǔ)加的燃料元件中的裂變材料含量比初始部分裝料的裂變材料含量平均值高約1.9倍時，上述目標(biāo)即可達(dá)到。
對用裂變材料含量相同的燃料元件緩慢裝填反應(yīng)堆的計(jì)算模擬表明，每天所必需的新燃料元件裝載速率在運(yùn)行周期趨近結(jié)束時將越來越小，而燃料球的單位功率負(fù)荷在開始和趨近結(jié)束時都比較高。為解決這一問題，也可用裂變材料含量不同的球形燃料元件進(jìn)行補(bǔ)加裝料。一項(xiàng)預(yù)先計(jì)算的計(jì)算機(jī)模擬可求得最佳的燃料元件負(fù)荷及其裂變材料含量。
在上述的堆芯要長時間停止運(yùn)行的裝料方式中(這與煤球爐式反應(yīng)堆中的燃料球連續(xù)循環(huán)不同)，燃料球的密度會逐漸增高，即單位體積內(nèi)的燃料球數(shù)目增加。因此，在小型堆中，有控制棒和應(yīng)急停堆棒置于周圍的反射層中。而不再能受石墨反射層調(diào)節(jié)的較大的反應(yīng)堆中，最好裝有一個或幾個圓柱形或脅狀的石墨嵌入部件，其中可加入中子吸收劑。這種圓柱形結(jié)構(gòu)較之通常的煤球爐式反應(yīng)堆的結(jié)構(gòu)大為簡單，因?yàn)闆]有球座向排出通道的經(jīng)常運(yùn)動，因此不存在相應(yīng)的力的作用或影響。
按照本發(fā)明，當(dāng)燃料球在堆芯中較長時間停留時，應(yīng)適當(dāng)緩慢地填入燃料球，并采取措施使燃料球盡可能有序地填入堆芯的空心區(qū)。在這種情況下，形成燃料球致密的裝載、高功率密度和燃料球上壓力負(fù)荷的均勻分布。
借助于堆芯空心區(qū)的正方形柵格和凹陷的底部使裝料有序地填入，由此，在裝填燃料球時(從最低處開始)，將可能形成最佳的排列。為解決由于熱變化引起的球膨脹和過了壽命期的燃耗問題，凹陷底部的凹坑之間的間距以最小為佳，比燃料球直徑大1～8%，最好是大5%。
正方形柵格一凹坑排列較之想象中最佳的六角形燃料球排列具有如下優(yōu)點(diǎn)在將第一層球與其他燃料球迭加起來時，存在最佳層(每層的中心在下層的四個燃料球上面)，是標(biāo)定層。因此，在向堆芯裝料時，自然而然地就可得到燃料球的空間密度最大的盡可能好的排列有序狀態(tài)，形成小于45°的六角形致密充填的多層結(jié)構(gòu)，理論上可求得充填系數(shù)為0.74。
燃料球直徑的空心區(qū)直徑的顯著差別允許圓柱形空心區(qū)靠近壁面處存在一定的無序狀態(tài)。可是，如果那樣的話，空心區(qū)橫斷面和內(nèi)壁還是能夠適應(yīng)地形成燃料球的有序排列狀態(tài)。這樣，壁面的大小可按照對燃料球尺寸的整數(shù)倍數(shù)來確定，并用豎直的肋條加固，因此也能形成與壁相鄰的有序的燃料球?qū)印榱吮苊庠谶吘墔^(qū)域內(nèi)不必要促成燃料球的不穩(wěn)定狀態(tài)(如垂直豎立于底層之上的位錯層燃料球的排列)，在肋條間形成的溝槽的曲率半徑應(yīng)大于燃料球半徑，如圖4所示。作為實(shí)例，圖4顯示的是一個八角形堆芯的水平(部分)橫斷面，通過兩種不同類型的堆壁A和B，將堆芯有序地加以限制。A型堆用所勾畫出的豎直肋條適當(dāng)裝配，而B型堆壁如勾畫的那樣可用平滑或豎直加肋予以裝配。
在空白區(qū)的長方形的一般Zn個角(n＝2，3，4，…)的橫斷面上，所需的加肋結(jié)構(gòu)也按類似的方法簡單地產(chǎn)生。一般，根據(jù)選定的空心區(qū)平面圖和圖內(nèi)描述的有序排列的燃料裝填就可得出一個合乎目的要求的壁面結(jié)構(gòu)，基本上作為兩個相互交叉燃料球?qū)拥耐饩壐采w層。
側(cè)壁卸料(正如通過側(cè)面工作循環(huán)實(shí)現(xiàn)燃料球的有序裝載一樣)也可通過從下向上增大堆芯橫斷面來實(shí)現(xiàn)，這如圖5所示。在這種情況下，可設(shè)計(jì)一個截角錐狀的外殼面，其相對于豎直或垂直面的傾角(α)為15°和45°，最好是25°(見圖5a)。
更為有利的是，在下部堆芯區(qū)內(nèi)，例如在下面三分之一處，傾角可選擇大于上面區(qū)域的傾角(見圖5b)。當(dāng)下面區(qū)域的傾角約45°而上部區(qū)域的傾角約25°時則更好。
最好是，把堆芯空白區(qū)的垂直斷面作成拱形，致使對壓力容器壁的垂直作用分力在堆芯各高度位置上都是一樣大小。這可通過對空心區(qū)橫斷面的造型來實(shí)現(xiàn)，由R＝R0-a(Z-Z0)公式得出近似值(見圖5C)。式中，R表示到堆芯空心區(qū)中心軸線的距離，R0表示球填料表面的半徑，Z為高位層高度，Z0為高位層到球填料表面的高度，a由堆壁所允許的負(fù)荷值算出。
下面對幾張附圖加以說明，它們是圖1 表示按本發(fā)明設(shè)計(jì)的煤球爐式反應(yīng)堆容器的示意結(jié)構(gòu);
圖2 表示煤球爐式反應(yīng)堆在不同時間的溫度和功率密度;
圖3 表示堆芯中帶凹坑的底面;
圖4 表示在八角形堆芯中的部分燃料球的迭層堆放;
圖5 表示各種堆芯空心區(qū)的形狀，它們的橫斷面寬度由下向上增大。
按照圖1，在反應(yīng)堆壓力容器1中有石墨反射層Z，其內(nèi)是一空心的空間3，它容納燃料球填料4。這些燃料球經(jīng)由裝料管和卸料管5裝入或卸出。調(diào)節(jié)控制棒6擬定置于反射層里。燃料球填料由氦予以冷卻，在中空的空間3內(nèi)，氦氣自下上去再下來及自左向右地流動，最后離開燃料球填料，從下面的熱氣聚集室8排出。
堆芯的空心部分容積為46立方米，產(chǎn)生的熱功率達(dá)200兆瓦。冷卻用的氦氣向下流動，從250℃被加熱至700℃。燃料元件的直徑為6厘米，其中含有的二氧化鈾(UO2)作為燃料，以“涂敷顆粒”形式存在。在開始裝料時，用燃料元件填滿堆芯空心區(qū)的三分之一。其中下面九分之二裝填含5%濃縮鈾的燃料球，上面九分之一裝填含7%濃縮鈾的燃料球，經(jīng)此而達(dá)到臨界狀態(tài)。在運(yùn)行期間，逐漸地補(bǔ)加含10.7%濃縮鈾的燃料元件。開始，每天裝填350個燃料球，臨近運(yùn)行周期結(jié)束時，每天裝填210個燃料球。它們的填加根據(jù)需要而定，以使反應(yīng)堆保持臨界狀態(tài)。經(jīng)過611整天運(yùn)行后，反應(yīng)堆被完全填滿，必須進(jìn)行卸料。燃耗平均達(dá)到74兆瓦·天/公斤(重金屬)，最高為105兆瓦·天/公斤(重金屬)。
功率分布，在軸向開始是比較均勻?qū)ΨQ的。在全裝滿運(yùn)行中，功率最大值移向上部，那里有補(bǔ)加的新燃料元件(見圖2)。在運(yùn)行期間，燃料的最高溫度在735℃到910℃之間變化。因此，任何時候，溫度都顯著低于所允許的最高溫度1250℃。在模擬發(fā)生故障情況下，假定氦氣從反應(yīng)堆中漏出，計(jì)算表明，溫度最高達(dá)到2005℃。假定反應(yīng)堆的配置發(fā)生變化，石墨圓柱的半徑85厘米，相應(yīng)地空心區(qū)半徑將增加22厘米，由此在故障情況下，燃料元件的最高溫度降至1430℃。最高溫度的降低可避免裂變產(chǎn)物從涂敷顆粒中擴(kuò)散出來。
權(quán)利要求
1.用裂變材料含量不同的球形燃料元件裝填反應(yīng)堆的方法，其特點(diǎn)是間歇式地卸出球形燃料元件；在向反應(yīng)堆裝填燃料元件時，開始先用裂變材料含量相對高的燃料元件裝填部分空心區(qū)，以便達(dá)到臨界狀態(tài)和預(yù)定的功率，隨著燃料元件的燃耗增加，為補(bǔ)償堆芯中裂變材料的減少，要連續(xù)地或準(zhǔn)連續(xù)地補(bǔ)加燃料元件，直至完全填滿空心區(qū)。
2.按照權(quán)利要求
1提出的方法，具有如下特點(diǎn)開始對堆芯是部分裝填燃料元件，占的體積比例為1/4到2/3，以1/3為最佳。
3.按照權(quán)利要求
1或2提出的方法，其特點(diǎn)是初始部分裝料中，下面三分之二和上面三分之一所裝填的燃料元件中裂變材料含量，分別比作為初始部分裝料產(chǎn)生臨界狀態(tài)基礎(chǔ)的平均裂變材料含量值低約12%和高約24%。
4.由上述權(quán)利要求
提出的方法，具有如下特點(diǎn)補(bǔ)加的燃料元件中裂變材料含量比初始部分裝料時的燃料元件的裂變材料平均含量高1.5到2.5倍。
5.由上述權(quán)利要求
提出的方法，具有如下特點(diǎn)堆芯卸料從上面開始進(jìn)行。
6.由上述權(quán)利要求
提出的方法，具有如下特點(diǎn)用燃料元件向堆芯進(jìn)行有序的裝填。
7.采用上述權(quán)利要求
所提出的裝料法的煤球爐式反應(yīng)堆，其特點(diǎn)是開始是部分裝料，隨后則視燃耗情況進(jìn)行補(bǔ)加裝料。
8.由權(quán)利要求
7所提出的煤球爐式反應(yīng)堆，具有如述特點(diǎn)燃料球的取出設(shè)備在空心區(qū)上端。
9.由權(quán)利要求
8提出的煤球爐式反應(yīng)堆，具有下述特點(diǎn)存在一個支持堆芯有序裝填燃料元件的帶凹坑的底面。
10.由權(quán)利9所提出的煤球爐反應(yīng)堆，具有下述特點(diǎn)其堆芯底面上的凹坑呈正方形的柵格狀排列，凹坑間距(交叉點(diǎn)間距)達(dá)最小，比燃料球直徑大1～8%，最好是大5%。
11.由權(quán)利要求
10所提出的煤球爐式反應(yīng)堆，具有下述特點(diǎn)有2n個角(n＝2，3，4…)的空心區(qū)橫斷面，其邊緣尺寸相應(yīng)于燃料球直徑的整數(shù)倍。
12.由權(quán)利要求
9～11所提出的煤球爐式反應(yīng)堆，具有下述特點(diǎn)為包覆所希望的燃料球配置結(jié)構(gòu)而加肋，或者說對空心區(qū)內(nèi)壁進(jìn)行精細(xì)加工。
13.按照權(quán)利要求
7或8所提出的煤球爐式反應(yīng)堆，具有下述特點(diǎn)空心區(qū)的橫斷面從下伺上逐漸增大。
14.按照權(quán)利要求
13所提出的煤球爐式反應(yīng)堆，具有如下特點(diǎn)有一截錐體形的外殼面，其與垂直面的夾角在15°和45°之間，以25°左右最佳。
15.按照權(quán)利要求
14所提出的煤球爐式反應(yīng)堆具有如下特點(diǎn)外殼面的下部三分之一與垂直面的傾角約為45°，其上部三分之二與垂直面的傾角約為25°。
16.按照權(quán)利要求
13所提出的煤球爐式反應(yīng)堆，具有如下述特點(diǎn)縱斷面中的壓力容器內(nèi)壁，大體上符合公式R＝R0-a(Z-Z0)2其中，R為堆壁到堆芯空心區(qū)中心軸線的垂直距離，R0為到球填料表面的距離;z為高位層高度，z0為高位層到球填料表面的高度，a為所允許的堆壁負(fù)荷值。
17.由權(quán)利要求
7～16所提出的煤球爐式反應(yīng)堆具有下述特點(diǎn)在堆芯空心區(qū)內(nèi)有石墨柱或肋條，以容納能控制和停止反應(yīng)堆運(yùn)行的中子吸收劑。
專利摘要
對煤球爐式反應(yīng)堆裝燃料，開始以裂變材料含量高的燃料作部分裝填，使其達(dá)到臨界狀態(tài)如預(yù)定功率，然后以漸增的用過燃料補(bǔ)充漸減的新燃料。根據(jù)反應(yīng)堆的大小和規(guī)模，在十或幾十工作年后需從上面卸料，其可能性在于利用了一個帶有呈正方形柵格狀排列的凹孔的底面板，通過此板可限定水平方向上的球間距離，使加在爐壁上的力的分布變小，另外這壓力也可通過圓錐形的爐壁體而變小。特別是在大的反應(yīng)堆中還在堆芯配置了用于吸收中心的石墨棒。
文檔編號G21CGK85106250SQ85106250
公開日1987年2月18日 申請日期1985年8月19日
發(fā)明者埃伯哈特·托伊謝特, 克勞斯-阿恩·哈斯, 赫爾穆特·格溫 申請人:克恩科殊恩沙拉格祖利殊公司導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan