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CN101911211B - 核反应堆(可选的)、用于核反应堆(可选的)的点火区-再生区子组件的燃料组件和用于燃料组件的燃料元件 - Google Patents

核反应堆(可选的)、用于核反应堆(可选的)的点火区-再生区子组件的燃料组件和用于燃料组件的燃料元件 Download PDF

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CN101911211B CN200780102099.4A CN200780102099A CN101911211B CN 101911211 B CN101911211 B CN 101911211B CN 200780102099 A CN200780102099 A CN 200780102099A CN 101911211 B CN101911211 B CN 101911211B
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Abstract

本发明涉及其中钍用作燃料的轻水反应堆设计，并且特别涉及形成加压水反应堆(PWR)例如VVER-1000的堆芯的无夹套燃料组件的设计。包含组成燃料组件的点火区和再生区子组件的核反应堆堆芯用于与包含防扩散的浓缩铀以及武器级和反应堆级钚的传统反应堆燃料一起燃烧钍燃料。在第一可选方案中，反应堆堆芯是完全“防扩散的”，因为无论是反应堆燃料还是所生成的废物都不能用于制造核武器。在本发明的第二方案中，反应堆堆芯用于燃烧大量的武器级钚与钍并且提供适当的措施来销毁武器级钚的储料堆并且将释放的能量转换为电能。在本发明的两个实施例中的堆芯由一组点火区-再生区组件构成，且点火区-再生区组件具有由环形再生区域围绕的中心点火区域。点火区域包含铀或钚燃料棒，而再生区域包含钍燃料棒。减速剂与燃料的体积比和点火区域和再生区域的相对尺寸已经优化，这样本发明的实施例都不会生成可被用于生成核武器的废物。一种新的装卸料系统也用于本发明的第一实施例以使点火区燃料的再循环最大化；该系统还保证已用核燃料不能用于制造核武器。

Description

核反应堆(可选的)、用于核反应堆(可选的)的点火区-再生区子组件的燃料组件和用于燃料组件的燃料元件
技术领域
本发明总体上涉及其中钍用作燃料的轻水反应堆设计，并且特别涉及形成加压水反应堆(PWR)例如VVER-1000的堆芯的无夹套燃料组件的设计。
背景技术
核能在全世界是一种重要的能量来源。缺乏足够的当地矿物燃料资源的许多国家都主要地依靠核能来发电。在许多其它国家，核能用作一种竞争性的电源，它还增加了所用能量类型的多样性。另外，核能还对于实现如控制矿物燃料污染(例如酸雨和全球变暖)和为后代保存矿物燃料的目标做出了很重要的贡献。
虽然安全性当然是核反应堆设计和操作的一个主要问题，另一个关键问题是可用于核武器的材料激增的危险。该危险尤其与那些具有不稳定政府的国家相关，它们拥有的核武器可以对世界安全造成很大的威胁。因此核能应该以不会导致核武器和它们的使用造成的风险激增的方式制造和使用。
所有当前的核反应堆会生成大量习惯上被称为反应堆级钚的材料。例如，典型的1000MW反应堆会每年生成大约200-300千克适于制造核武器的反应堆级钚。因此从传统反应堆的堆芯排出的燃料是高扩散的材料，需要采取安全措施以防止排出的燃料落入未被授权的个人之手。在核武器拆卸过程中，美国和前苏联的国家中生成的武器级钚的很大的储料堆也存在类似的安全问题。
在传统核反应堆的操作中还存在与处置长寿命的放射性废物的恒定需要和天然铀原材料的世界供给的快速损耗有关的其它问题。
为了解决这些问题，近期已经有尝试开发使用相对少量防扩散的浓缩铀(具有20％或更小含量的U-235的浓缩铀)并且不会生成大量扩散材料例如钚的核反应堆。这种反应堆的实例已经公开与国际申请WO 85/01826和WO 93/16477中，它们公开了从具有钍燃料的再生区域获得它们的功率中的相当大百分比的点火区-再生区反应堆。再生区域围绕包含防扩散浓缩铀的燃料棒的点火区域。点火区燃料棒中的铀释放中子，中子由再生区域中的钍捕获，因此生成可裂变的U-233，U-233在适当的位置燃烧并且对反应堆发电厂放热。
钍作为核反应堆燃料的使用是有吸引力的，因为世界上的钍储备远大于铀储备。另外，无论是在加载的初始燃料还是在每个燃料周期结束时排出的燃料从不适于制造核武器的意义上来说，上述两种反应堆都不是“防扩散的”。该结果的实现是通过仅仅使用防扩散浓缩铀作为点火区燃料，选择减速剂/燃料体积比以使钚生产减小到最低，并且向再生区域添加少量防扩散浓缩铀，其中在再生区周期结束时U-238组分与残留的U-233均匀地混合并且使U-233“变性”(改变其自然特性)，其结果是它变得不适于制造核武器。
不幸的是，上述反应堆设计中没有一个是真正的“防扩散的”。特别是，已经发现两种设计都导致点火区域中扩散钚的高于最小可能水平的生产水平。具有内再生区域或中心再生区域和外部围绕再生区域的圆形点火区域的使用不能提供作为“防扩散的”反应堆的反应堆操作，因为薄的环形点火区域具有相当小的“光学厚度”，这导致了点火区(中子)光谱，该光谱会支配内区域和再生区域的更硬的光谱。这导致点火区域中较高比例的超热中子和高于最小量的扩散钚的生成。
另外，先前反应堆设计中没有一个已经从操作参数的观点进行优化。例如，点火区域和再生区域中的减速剂/燃料体积比对于将点火区域中的钚的量减小到最低尤其关键，这样足够的热就会由点火区燃料棒释放，并且可以保证再生区域中钍向U-233的最佳转换。研究显示了在国际申请中指示的优选的减速剂/燃料比在点火区域中太高并且在再生区域中太低。
先前的反应堆堆芯设计同样在点火区燃料元件中消耗的防扩散的浓缩铀中不是非常有效。因此，在每个点火区燃料循环结束时排出的燃料棒包含这样多的残留铀而使得它们必须被重新加工而用于在另一个反应堆堆芯中重新使用。
申请WO 93/16477中公开的反应堆也需要复杂的机械反应堆控制系统，这使之不适于重新装配传统的反应堆堆芯。类似地，在申请WO 85/01826中公开的反应堆堆芯不能很容易地转移到传统的堆芯中，因为其设计参数与传统堆芯参数不兼容。
最后，先前的反应堆设计都具体地设计成以燃烧具有钍的防扩散的浓缩铀并且不适于消耗大量的钚。因此没有一种设计提供储备的钚的问题的解决方案。
依照专利RU 2176826，已知一种具有包括一组点火区-再生区组件的堆芯的反应堆，每个点火区-再生区组件均包含中心点火区域，中心点火区域包括由包含铀-235和铀-238能够核裂变的材料制成的点火区燃料元件、围绕点火区域并且包括主要地包含钍和按体积10％或更少浓缩铀的再生区燃料元件的环形再生区、点火区域中的减速剂且减速剂与燃料的体积比在2.5至5.0的范围内，和在再生区域中的减速剂，且减速剂与燃料之比在1.5至2.0的范围内。每个点火区燃料元件均由铀-锆合金制成，并且点火区域形成每个点火区-再生区模块的总体积的25-40％。
已知的反应堆提供了从经济观点的最佳操作并且不是“扩散的”。该反应堆可以用于消耗大量具有钍的钚而不生成扩散的废物。反应堆会生成基本上很少量的热废物，这显著地减少了对长期废物存储场所的需要。
然而，在反应堆中使用的点火区-再生区组件并不适于用于现有的轻水反应堆例如VVER-1000中。
从专利RU 2222837的说明书中已知用于类似于如上所述反应堆的轻水反应堆的燃料组件，具体来说，它具有六边形横截面形式，这使之可以在传统的轻水反应堆中从点火区-再生区模块安装燃料组件。
然而，除了对组件的横截面形式的描述之外，对于上述专利的说明未包含允许它安装在现有的轻水反应堆例如VVER-1000中而不改变反应堆设计的组件配置的信息。
依照专利RU 2294570已知一种用于轻水反应堆的燃料组件，它包括一束燃料元件和在间隔栅格中的导槽、尾翼和头部，其中，间隔栅格连接至彼此并且由沿着燃料组件的长度布置的元件连接至尾翼，并且头部由上垫板和下垫板、位于垫板之间的包层和弹簧单元构成，并且其中，在头部外壳上的外肋沿着边缘的凸起并且由穿孔板沿着下部彼此连接。
已知的燃料组件被归类为用于无夹套的燃料组件的设计，它形成加压水反应堆(PWR)例如VVER-1000的堆芯，并且由于提高的刚度、减小的头部长度以及燃料棒束与头部之间增大的自由空间，同时燃料棒长度的增大，因此具有增强的操作性能。该设计可以以更大的损耗深度提高燃料组件中的燃料载荷并因此提高反应堆堆芯功率和燃料组件的寿命周期。
然而，该组件中的所有燃料元件由传统上用于反应堆例如VVER-1000中的可裂变材料制成；因此，大量反应堆级钚的生成是具有这种组件的反应堆的特有缺点。
本发明的目的是创造一种燃料组件，一方面燃料组件会在钍-燃料再生区域中生成其功率的相当大的百分比并且不会生成扩散废物，另一方面，燃料组件可以安装在现有的轻水反应堆例如VVER-1000中而不需要大的变动。
发明内容
依照本发明的实施例之一的本发明目的是通过用于轻水反应堆的燃料组件实现的，该燃料组件在俯视图中具有正六边形的形式，且燃料组件包括：点火区子组件、围绕点火区子组件的再生区子组件、头部、尾翼和框架结构，其特征在于，点火区子组件包括一束燃料元件，其中每个燃料元件均具有由浓缩铀或反应堆级钚构成的核，且所述核由锆合金制成的包层封闭并且具有三叶形轮廓，该三叶形轮廓形成螺旋间隔肋；点火区子组件的尾翼，其上安装了支承栅格以保持点火区子组件的燃料元件；连接至在俯视图中具有正六边形形式的点火区子组件的尾翼的槽，且槽围绕燃料棒束布置；导向栅格，其附加到槽的上部用于放置燃料元件从而允许它们自由轴向运动；形成导槽以容纳控制器的中心管，和附加到支承栅格上的外围管，外围管形成用于插入吸收器棒和控制棒的导槽，并且放入具有弹性轴向位移能力的头部中；再生区子组件包括一框架结构，该框架结构由六个纵向倾斜单元构成，所述六个纵向倾斜单元上安装有间隔栅格，且在中心区域具有开口以容纳点火区子组件的槽；位于框架结构中的由添加有浓缩铀的钍构成的燃料元件束；和再生区子组件的尾翼，其上安装上了再生区子组件的燃料元件，并且该尾翼可以与轻水反应堆的支承管联接，且再生区子组件的所述尾翼和点火区子组件的尾翼由锁定机构连接并且形成燃料组件的尾翼。
头部可以装备有与点火区子组件的槽接触的压力元件。
在本发明的另一个实施例中，在俯视图中具有正六边形形式的燃料组件包括点火区子组件、围绕点火区子组件的再生区子组件、头部、可以与轻水反应堆的支承管联接的尾翼，以及框架结构，其中，点火区子组件包括燃料元件束，每个燃料元件均具有由浓缩铀或反应堆级钚构成的核，且所述核由锆合金制成的包层封闭并且具有三叶形轮廓，该三叶形轮廓形成螺旋间隔肋；点火区子组件的尾翼，其上装了支承栅格以保持点火区子组件的燃料元件；连接至在俯视图中具有正六边形形式的点火区子组件的尾翼的槽，且槽围绕燃料棒束布置；导向栅格，该导向栅格安装到槽的上部用于放置燃料元件从而允许它们的自由轴向运动；中心管和外围管，所述中心管形成导槽以容纳控制器，外围管形成用于插入吸收器棒和控制棒的导槽，并且放入具有弹性轴向位移能力的头部中；再生区子组件包括一框架结构，该框架结构由六个纵向倾斜单元构成，所述六个纵向倾斜单元上安装有间隔栅格，且在中心区域具有开口以容纳点火区子组件的槽；由位于框架结构中并且安装到底部垫板(尾翼)上的添加了浓缩铀的钍构成的燃料元件束；和几个附加到尾翼上的支承管，且头部装备成允许支承管进行弹性轴向位移。
在本发明的至少一个实施例中，具有正三角形的横截面形式的锆或锆合金的置换器主要地沿着核的纵轴线布置以提高在该核体积内的更均匀的温度分布。
在本发明的至少一个实施例中，螺旋间隔肋的轴向螺旋间距也在燃料棒长度的5％到20％的范围内。
另外，在本发明的至少一个实施例中，点火区子组件的燃料棒具有圆周定向，这样使得任意两个相邻燃料棒的三叶形轮廓就具有在燃料棒束的至少一个横截面中经过两个相邻燃料元件的轴线的共同对称面。
而且，在本发明的至少一个实施例中，核优选地由具有按体积比计高至30％的铀的U-Zr合金构成，且具有高至20％浓缩U-235同位素，并且核由具有按体积比计高至30％的反应堆级钚的Pu-Zr合金构成。
另外，本发明的目的是一种包含一组燃料组件的轻水反应堆，燃料组件中的至少一个是依照如上所述可选配置之一的结构。放入反应堆中的燃料组件中的一些或者所有可以遵从如上所述的可选方案。
附图说明
通过下面的其具体实施方式连同附图，本发明的特征和优点将会显而易见，其中：
图1是包含依照该发明构成的燃料组件的核反应堆堆芯的示意横截面图示；
图2是依照本发明的第一实施例的燃料组件的总体侧视图，其中包括剖视图；
图3是以放大的纵剖面图显示的按照图2的燃料组件的头部；
图4是以放大的纵剖面图显示的按照图2的燃料组件的尾翼；
图5是点火区燃料棒的剖视图；
图6是按照图2的燃料组件的A-A剖视图；
图7是依照本发明的第二实施例的燃料组件的总体侧视图，其中包括剖视图；
图8是以放大的纵剖面图显示的按照图7的燃料组件的头部；
图9是以放大的纵剖面图显示的按照图7的燃料组件的尾翼。
具体实施方式
图1显示了包含一组燃料组件2的核反应堆堆芯1，燃料组件2包括点火区域和再生区域，且燃料组件2形成六边形配置，其中燃料组件自身在俯视图中具有正六边形的形式。堆芯1与传统的VVER-1000轻水反应堆的堆芯具有相同的几何配置和尺寸，这样反应堆就会重新装配这种组件以形成163个燃料组件2的堆芯。堆芯1与VVER-1000反应堆的堆芯的差异在于燃料组件2的组分和结构，如在下方更详细地公布的那样。在此提供的堆芯1和燃料组件2已经开发用于传统的VVER-1000轻水反应堆；然而，可以生成相似的堆芯和燃料组件以用于其它标准或特殊设计的反应堆而不超出本发明的范围。
堆芯1由反射器3围绕，反射器3优选地包括一组反射器组件4。每个反射器组件4均优选地包含堆芯笼(basket)/高压容器的水和金属的混合物。另外，简易的反射器组件4可以主要地由氧化钍构成。
图2显示了用于每个燃料组件2的第一可选配置的总图。
燃料组件2包含点火区子组件5、围绕点火区子组件5的再生区子组件6、头部7和尾翼8，尾翼8的支撑部分9与反应堆(未显示)的支承管接触。燃料组件在俯视图中具有正六边形的形式。点火区子组件5包含燃料棒束10，燃料棒束10包括置于支承栅格11上的多个例如108个棒，而支承栅格11连接至点火区子组件5的尾翼。具有六边形横截面的槽12连接至点火区子组件5的尾翼并且包围燃料棒束10。用于放置燃料元件10从而允许它们自由轴向运动的导向栅格13连接至槽12的上部。每个点火区燃料元件均具有核14，核14包含浓缩铀或反应堆级钚。核主要地由U-Zr合金构成，且具有燃料组分中按体积比计占25％或更低的铀浓度和19.7％的浓缩铀-235。核14由锆合金的包层15封闭并且具三叶形轮廓，该三叶形轮廓形成螺旋间隔肋16(图5)。具有正三角形形式的横截面的锆或锆合金的置换器17沿着核的纵轴线布置。点火区燃料棒10可以通过联合挤压(通过模具的挤压)制造为单个装配件。螺旋间隔肋16的轴向螺旋间距是依照放置相邻燃料棒10的轴线的情况选取的，且间隔等于跨过燃料棒的横截面中的角落的宽度并且为燃料棒长度的5％至20％。燃料棒10的竖向配置的稳定性由下述部件提供：在底部由支承栅格11提供；在顶部由导向栅格13提供；相对于堆芯的高度是由相对于燃料棒束的高度均匀地间隔在槽中的带系统(未显示)提供。点火区燃料元件10具有圆周定向，这样使得任意两个相邻的燃料棒的三叶形轮廓就具有共同的对称面，该对称面在燃料棒束的至少一个截面中经过两个相邻燃料元件的轴线(图5)。
另外，点火区子组件包含形成导槽以容纳控制器的中心管18和连接至支承栅格13的外围管19，且外围管19形成导槽用于插入基于碳化硼(B4C)和钛酸镝(Dy2O3.XTiO2)的控制吸收器元件(未显示)和基于碳化硼和氧化钆(Gd2O3)的可燃吸收器棒(未显示)，并且被放入具有弹性轴向位移的头部7中。形成导槽的外围管19是由锆合金做成的。
头部7(图3)由弹性单元构成，弹性单元包括预压弹簧20、上部板21、包层22和下部板23。包层22由两个叠缩部分构成，即，刚性地连接至上部板21的上部24，和刚性地连接至下部板23的下部25。弹性单元包括布置在包层22内部的弹簧20。外围管19装配到套筒26中并且能够作用在套筒的底端上(例如，由于在管19的外表面上存在台阶)。套筒26具有法兰，且弹性单元的压缩弹簧20抵靠在该法兰上。弹簧20的其它端部抵靠在上部板21上。管19的上端自由地穿过上部板21中的通孔，并且套筒26穿过下部板23中的开口。管19在顶端具有止挡27。中心管18以与外围管19类似的方式安装，不同之处是它自由地穿过下部板而没有使用套筒。被中心管18穿过的弹簧20直接抵靠在头部7的下部板23上。在上端具有止挡29的撑杆28连接至下部板23以限制板21和23之间的距离；撑杆28自由地穿过上部板21中的开口。与点火区子组件5的槽12接触的压力元件30连接至下部板23。因此在槽12被固定以防止轴向运动时施加至上部板21的载荷经由外围管19并且直接通过槽12传递至支承栅格11。
头部可以构成为没有套筒26。在该情形中，弹簧单元的所有弹簧20就抵靠在下部板23上，并且外围管19自由地穿过下部板23中匹配的开口(类似于中心管18)。在槽12被固定以防止运动时施加至上部板21的整个载荷直接通过槽12传递至支承栅格11。
点火区子组件5的尾翼具有连接至壳体的锁定装置31，它包括具有开口33的圆柱壁32、放入开口中的球34和具有环形槽36而能够进行轴向运动的锁定元件35。提供了点火区子组件5与再生区子组件的尾翼37之间连接的锁定装置31也可以以任意其它形式构成；唯一重要的是它提供点火区子组件和再生区子组件的尾翼可拆卸的连接。
再生区子组件6包括框架结构38、位于框架中的燃料棒束39和尾翼40。
框架结构38由六个纵向倾斜单元41构成，且间隔栅格42通过电阻点焊连接至所述纵向倾斜单元上。每个间隔栅格42都是蜂窝状栅格，形成一组以外六角和内六角连接至边缘的单元(具体地说是228个)。间隔栅格42提供了燃料棒39的所需空间和与它们接触的所需长度以允许燃料棒39在它们由于辐射和热而长度膨胀时在间隔栅格单元中滑动，提供了燃料棒的最小可能的滑动力来减小燃料棒束中的内应力，并且提供了所需的初始致密性以避免燃料元件在操作期间的摩擦腐蚀。间隔栅格42在中心区域中具有开口以容纳点火区子组件5的槽12。
倾斜单元在下部刚性地连接至再生区子组件6的尾翼40，其上连接了再生区子组件的支承栅格43以保持燃料棒39。再生区子组件6的支承栅格43提供了在正常运行条件的模式下、违反正常运行条件的模式下和设计事故中负载下的机械强度，并且还提供了依照计算所需的流体阻力。
再生区子组件的燃料棒束39包括一组燃料元件(具体地说228个元件)，该燃料元件由包含按体积12％的UO2和按体积88％的ThO2的组分制成且具有19.7％的U-235浓缩。
点火区子组件的所有燃料元件的体积Vseed与再生区子组件的所有燃料元件的体积Vblank之比大约为0.72。
再生区子组件6的尾翼40包括支承栅格43、壳体44和环46，托架45刚性地连接至所述环46；环与锁定装置31相互作用。再生区燃料元件39的端部连接至支承栅格43。支承栅格43提供了在正常运行条件的模式下、违反正常运行条件的模式下和设计事故中负载下的机械强度，并且还提供了对冷却剂(水)的流动的所需流体阻力。壳体44可以与轻水反应堆的支承管(未显示)相结合并且充当将冷却剂输送至点火区子组件和再生区子组件的区域的引导设备。
图7-9显示了每个燃料组件2的结构的第二种可选方案。
该可选设计与图2-4中所示设计的不同之处在于点火区子组件和再生区子组件并未彼此刚性地连接。如图9中所示，点火区子组件的尾翼具有圆柱形底部垫板47代替锁定装置31，并且再生区子组件6的尾翼40中的壳体44缺少图4中所示的托架45和环46。与图3中所示型式相比，头部7的包层22(图8)构成一个整体，并且附加的弹簧单元48刚性地连接(例如，焊接)到它上面。附加的弹簧单元48主要地包括几个(例如，六个)围绕圆周均匀地分布并且刚性地连接至包层22的附加的上部板49、刚性地连接至下部板23的附加的下部板50、连接至附加的上部板49和下部板50的包层51、压缩弹簧52和支承管53。支承管53由底端连接至再生区模块6的支承栅格43。支承管53的上部类似于外围管19构成并且置于附加的上部板49和下部板50中；即，支承管53装配到套筒26中并且能够沿向上方向作用在套筒上。附加的弹簧单元48的压缩弹簧52在一端抵靠在套筒26的法兰上并且在另一端抵靠在附加的上部板21上。支承管53的上部自由地穿过附加的上部板49中的通孔，并且套筒26穿过附加的下部板50中的开口。支承管53在顶端具有止挡54。
在将燃料组件放入反应堆中之前，点火区子组件5和再生区子组件6首先被单独地装配。
在依照第一实施例的点火区子组件的装配中，燃料元件10连接至装到槽12上的导向栅格13，并且中心管18和外围管19除了连接至导向栅格13之外还连接至头部。中心管18和外围19经过位于下部板的开口中的套筒17、通过弹簧20和上部板21中的通孔。然后止挡27附加至管的顶端(例如，借助带螺纹的接头或卡口接头)。
再生区子组件的燃料元件39通过使它们经过间隔栅格42并且将它们附加至支承栅格43而被放入框架结构9中。
然后，通过使点火区子组件5的槽12经过间隔栅格42的中心部分中的开口，装配的点火区子组件和再生区子组件连接以形成单个燃料组件。这些开口在间隔栅格42的中心部分的配置与槽12的横截面形状匹配，这样槽12就可以自由地穿过开口。在点火区子组件的尾翼中的锁定元件35向上移动，这样位于圆柱壁32的开口33中的球34就能够在环形槽36中运动，因此允许圆柱壁32穿过环46。在点火区子组件的尾翼停靠在环46的上端面上之后，锁定元件36会向下移动。球34被迫离开槽36，从开口33向外移动并且从壁32中突出。因此，由于移位的球和环46的底端面的相互作用，点火区子组件的尾翼不能相对于再生区子组件的尾翼向上移动。因此点火区子组件和再生区子组件形成单个燃料组件2。
在燃料组件2放入反应堆1中并且尾翼8放置在轻水反应堆的支承管(未显示)中之后，燃料组件2由反应堆(未显示)的上部板通过抵靠在头部7的上部板21的包层的面上而保持住。然后作用力传递到具有弹簧20的弹簧单元，该弹簧单元被压缩，压缩量设计成防止燃料组件2从下方的冷却剂流中浮起；头部7的上部板21相对于下部板23向下移动弹簧单元的压缩量。上部板21相对于头部7的下部板23向下运动的可能性是通过使包层22的上部24和包层22的下部25的伸缩提供的，其中，上部24刚性地连接至上部板21，并且下部25刚性地连接至下部板23。
然后，来自弹簧单元的弹簧20的底端的作用力通过套筒26(它们的底端作用在外围管19上)而传递至外围管19，然后传递至支承栅格11并且通过点火区子组件的尾翼、锁定装置31、环46和托架45，从而传递至与轻水反应堆的支承管(未显示)接触的再生区子组件6的尾翼44。
另外，通过使封闭中心管18并直接抵靠在所述下部板23(其刚性地连接压力元件30)上的弹簧20的作用力作用在压力元件30上，部分来自反应堆的上部板的压力传递至点火区子组件的槽12。如果头部7不具有套筒26，全部压力就经由槽12传递。
冷却剂通过再生区子组件6的尾翼的壳体44进入燃料组件2；冷却剂流分成两个部分，其中之一在点火区子组件的壳体12内部流动并且浸泡点火区燃料元件10，而另一部分在壳体12的外部流动并且浸泡再生区子组件的燃料元件39。
从反应堆(未显示)的上部板作用的头部7的压力防止燃料元件在指定的冷却剂流中浮起。
冷却剂流在相对于燃料组件的高度的标称压力梯度(用于现有的VVER-1000反应堆)下穿过点火区子组件和再生区子组件所需的通道(用于从燃料组件中提取额定功率)且保持组件的可用性是通过如下方式提供的：
-通过在点火区子组件和再生区子组件之间使用槽12；
-通过点火区燃料元件10(三叶形轮廓)的形状、它们的相互圆周定向和螺旋间隔肋16的轴向螺旋间距，这促进了形成更好的传热面并且由于冷却剂的强制对流混合导致的在点火区子组件的横截面中更均匀的冷却剂温度分布。
燃料组件2的全部液压特性实际上与标准燃料组件的特性相符，这保证了将使用依照本发明的燃料组件的VVER-1000反应堆的堆芯的阻力维持在额定水平上。因此，在VVER-1000中安装依照本发明的燃料组件不会导致反应堆的主回路中冷却剂流量的变化。
点火区子组件的燃料元件10在操作期间变热时会由于热膨胀和辐射膨胀而开始向上延长；燃料元件束会独立于外围管19而膨胀，因为外围管以保证的间隙穿过导向栅格13的单元。因此燃料元件10的束不会影响承载用外围管19并且不会使它们变形；因此，可以在操作期间保持燃料组件2形式的几何稳定性。
再生区子组件的燃料元件39在操作期间会由于辐射膨胀而在长度上膨胀并且开始占据它们的端部与头部7之间的自由空间。
依照本发明的第二实施例的燃料组件2的操作是类似的，不同之处是再生区子组件的壳体44通过压力从反应堆的上部板穿过支承管53的传递而压在反应堆的支承管上，并且通过弹簧20在向点火区子组件的支承栅格11传递力的套筒26的法兰上的作用，可以防止未连接至再生区子组件的点火区子组件浮起。
由于在燃料组件设计中钍零件(再生区子组件)的存在，本发明的使用可以实现天然铀的节省，因为在损耗过程中钍会积聚铀-233形式的辅助核燃料，而辅助核燃料的燃烧会对具有这种燃料组件的反应堆堆芯的功率输出做出相当大的贡献。这导致防扩散特性中的改进并且简化了处理已用燃料组件中的问题，因为用于VVER-1000反应堆的传统辅助核燃料(反应堆级钚，可用于制造核武器)可以显著地减少(减少80％)，并且新的辅助核燃料铀-233(或者更精确地，在钍再生区模块中“当地”燃烧之后所剩下的)会由于铀-232同位素甚至钚的同位素的污染而无法用于制造核武器。通过提高燃料的额定寿命周期并且减少排放的燃料中具有长期辐射毒性的同位素的含量来减少废物体积，可以简化已用燃料组件的处理中的问题。
依照本发明的燃料组件设计可以使用VVER-1000反应堆中的燃料组件，这是由于与标准燃料组件的设计中的机械、液压和中子兼容性相兼容。
与用于VVER-1000反应堆的标准燃料组件的机械兼容性是由下列保证的：
-在长期操作和高燃料损耗水平下抗变形力的框架结构的存在；
-相同的连接尺寸；
-与拐角式标准燃料组件的相应部分兼容的尾翼、头部和框架结构设计的使用；
-点火区子组件设计与标准控制机构和载荷处理设备的兼容性。
由于由点火区子组件和再生区子组件形成并且由共同的分布(输送)和收集集管连接的两个平行槽的系统的存在，依照本发明的燃料组件的全部液压特性实际上与标准燃料组件的特性相符。点火区子组件和再生区子组件在入口和出口段中液压地连接。该燃料组件结构保证使用依照本发明的燃料组件将VVER-1000反应堆的堆芯的阻力维持在额定水平上。因此，在VVER-1000反应堆中安装依照本发明的燃料组件不会导致反应堆的主回路中冷却剂流量的变化。在依照本发明的燃料组件和标准燃料组件中，组件入口、再生区子组件的主动部分和组件出口之间的流体阻力比是类似的，这保证了依照本发明的燃料组件与标准组件的液压兼容性和它们之间不存在冷却剂溢出。
这就可以在反应堆中使用一些依照本发明的燃料组件而同时对该反应堆使用标准燃料组件。
与标准燃料组件的中子兼容性是由下列提供的：
-通过利用特定燃料组分和具有可燃吸收器的组分实现的指定烧尽水平；
-通过利用加载在点火区和再生区燃料组分中的燃料的特定部分实现的燃料组件的标准功率输出；
-通过利用加载在各行点火区棒中的燃料的特定部分和加载在再生区中的燃料的组分，实现了对功率输出的不均匀分布的要求的满足；
-通过利用燃料组分的特殊性能实现了对标准燃料组件而言典型的范围内反应效果的保持；
-通过利用标准的技术槽而用于在与点火区子组件兼容的点火区子组件中的外围管中导引控制棒，实现了使用标准控制系统调节输出水平和减少输出的能力。
本发明的另一个优点是依照本发明的点火区-再生区燃料组件是可组合的，这可以独立地改变点火区子组件。更频繁地改变点火区子组件对于放入燃料组件的再生区子组件中的钍而言可以生成更有利的状况(相对于中子平衡和辐射时间而言)。

Claims (13)

1.一种用于轻水反应堆的在俯视图中具有正六边形形式的燃料组件，包括点火区子组件、围绕点火区子组件的再生区子组件、顶部垫板、底部垫板和框架结构，其特征在于，点火区子组件：包括燃料元件束，其中每个燃料元件均具有由浓缩铀或反应堆级钚构成的核，且所述核由锆合金制成的包层封闭并且具有三叶形轮廓，该三叶形轮廓形成螺旋间隔肋；点火区子组件的底部垫板上装有支承栅格以保持点火区子组件的燃料元件；连接至在俯视图中具有正六边形形式的点火区子组件的所述底部垫板的槽，且槽围绕燃料棒束布置；导向栅格，该导向栅格装到槽的上部用于放置燃料元件从而允许燃料元件自由地进行轴向运动；形成导槽以容纳控制器的中心管，和装到支承栅格上的外围管，外围管形成用于插入吸收器棒和控制棒的导槽，并且放入具有弹性轴向位移能力的顶部垫板中；再生区子组件包括一框架结构，该框架结构由六个纵向倾斜单元构成，所述纵向倾斜单元具有附加于其上的间隔栅格，且在中心区域具有开口以容纳点火区子组件的槽；位于框架结构中的由添加有浓缩铀的钍构成的燃料元件束；和再生区子组件的底部垫板，其上附装有再生区子组件的燃料元件，并且该再生区子组件的底部垫板能够与轻水反应堆的支承管联接，且再生区子组件的所述底部垫板和点火区子组件的底部垫板由锁定机构连接并且形成燃料组件的底部垫板。
2.一种用于核反应堆中的燃料组件，该燃料组件包括：
点火区子组件，该点火区子组件包括点火区燃料元件束、点火区子组件的底部垫板、槽、支承栅格以及导向栅格，所述点火区燃料元件束包括置于支承栅格上的多个点火区燃料元件，其中每个燃料元件均具有由浓缩铀或反应堆级钚构成的核；所述点火区子组件的底部垫板上装有支承栅格以保持所述点火区燃料元件，所述槽围绕所述点火区燃料元件束布置，所述导向栅格设置在所述槽的上部、用于放置燃料元件从而允许燃料元件自由地进行轴向运动；
再生区子组件，该再生区子组件包括再生区燃料元件束、框架结构以及再生区子组件的底部垫板，所述再生区燃料元件束包括多个再生区燃料元件，所述框架结构由纵向单元构成，所述纵向单元具有附加于其上的间隔栅格，且在中心区域具有开口以容纳所述点火区子组件的所述槽；位于框架结构中的由添加有浓缩铀的钍构成的燃料元件束；所述再生区燃料元件位于所述框架结构中、并附装在所述再生区子组件的底部垫板上；和
能够将点火区框架和再生区框架可释放地锁在一起的锁定机构，当锁定机构释放时，能够将点火区组件从再生区子组件上拆开，再生区子组件的所述底部垫板和点火区子组件的底部垫板由所述锁定机构连接并且形成燃料组件的底部垫板。
3.如权利要求2所述的燃料组件，其特征在于，再生区子组件从侧部围绕点火区子组件。
4.如权利要求3所述的燃料组件，其特征在于，再生区子组件包括点火区子组件装配到其中的中心开口。
5.一种包含多个燃料组件的轻水反应堆，其特征在于，它包含至少一个如权利要求2所述的燃料组件。
6.如权利要求2所述的燃料组件，其特征在于，至少一个点火区燃料元件包括：封闭所述核的包层，其中燃料元件具有形成螺旋间隔肋的多叶形轮廓，其中所述螺旋间隔肋包含能够裂变的材料。
7.如权利要求6所述的燃料组件，其特征在于，所述轮廓包括三个叶片。
8.如权利要求7所述的燃料组件，其特征在于，螺旋间隔肋具有在燃料元件长度的5％和20％之间的轴向扭转的间距。
9.如权利要求6所述的燃料组件，其特征在于，所述包层包含锆合金。
10.如权利要求7所述的燃料组件，其特征在于，所述至少一个点火区燃料元件还包括沿着核的纵轴线布置的具有正三角形形式的横截面形状的置换器。
11.如权利要求10所述的燃料组件，其特征在于，置换器包含锆或锆合金。
12.如权利要求6所述的燃料组件，其特征在于，所述核包含具有按体积比计为30％或更少的铀的U-Zr合金，且所述铀由铀同位素U-235浓缩直至20％或更少。
13.如权利要求6所述的燃料组件，其特征在于，所述核包含具有按体积比计为30％或更少的反应堆级钚的Pu-Zr合金。
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