一种核燃料棒、核燃料组件及核反应堆堆芯

摘要

本发明适用于核电站燃料组件及核反应堆堆芯领域，提供了一种核燃料棒、核燃料组件及核反应堆堆芯，所述核燃料棒在轴向含有两种不同类型的燃料芯块：二氧化铀燃料芯块和钆可燃毒物燃料芯块。本发明提供的核燃料棒以一种类型的燃料芯块为主体，另一种类型的燃料芯块位于主体燃料棒的一端或两端，通过改变反应堆堆芯顶端或底端的中子通量，改善反应堆轴向功率偏差，提高燃料利用的经济性或延长堆芯的循环长度，从而提高反应堆堆芯的运行性能。

说明书

技术领域

本发明属于核电站燃料组件及核反应堆堆芯领域，尤其涉及一种核燃料棒、核燃料组件及核反应堆堆芯。

背景技术

图1示出了现有技术提供的核燃料棒的结构示意图，核燃料棒一般分为两类：二氧化铀(UO2)燃料棒和含钆可燃毒物(Gd2O3)的燃料棒。其中二氧化铀燃料棒是由二氧化铀燃料芯块组成；含钆可燃毒物的燃料棒是由钆可燃毒物燃料芯块组成，而钆可燃毒物燃料芯块是由二氧化铀(UO2)和钆可燃毒物(Gd2O3)混合而成。

综合上述可知，现有技术中的核燃料棒中只含有一种类型的燃料芯块，即同一根燃料棒中只含有二氧化铀燃料芯块，或者同一根燃料棒中只含有钆可燃毒物燃料芯块。这种设计较为简单，有利于制造，但是不利于堆芯的轴向功率控制、燃料经济性较差，以至于反应堆堆芯的运行性能受到限制。

发明内容

本发明实施例的目的在于提供一种核燃料棒，旨在解决现有技术的核燃料棒中仅含有一种类型的燃料芯块导致堆芯运行性能受限的问题。

本发明实施例是这样实现的，一种核燃料棒，所述核燃料棒的轴向包括两种不同类型的燃料芯块。

本发明实施例的另一目的在于提供一种采用上述核燃料棒的核燃料组件。

本发明实施例的另一目的还在于提供一种采用上述核燃料组件的核反应堆堆芯。

本发明实施例提供的核燃料棒以一种类型的燃料芯块为主体，另一种类型的燃料芯块位于主体燃料棒的一端或两端，通过改变反应堆堆芯顶端或底端的中子通量，提高燃料利用的经济性或延长堆芯的循环长度，从而提高反应堆堆芯的运行性能。

附图说明

图1是现有技术提供的核燃料棒的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的核燃料棒的结构示意图；

图3是本发明第一实施例提供的核燃料棒对轴向功率偏差影响与现有技术比较的示意图；

图4是本发明第一实施例提供的核燃料棒的功率峰因子随燃耗的变化与现有技术比较的示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明实施例提供的核燃料棒在轴向含有二氧化铀燃料芯块和钆可燃毒物燃料芯块，提高了反应堆堆芯的运行性能。

以百万千万级压水堆核电站为例，反应堆堆芯燃料是由157组17×17的燃料组件组成，每一组燃料组件是由264根燃料棒组成，每根燃料棒包含272个燃料芯块。本发明实施例提供的核燃料棒中含有两种不同类型的燃料芯块。作为本发明的一个实施例，两种不同类型的燃料芯块为二氧化铀燃料芯块和钆可燃毒物燃料芯块；其中，钆可燃毒物燃料芯块由二氧化铀和钆可燃毒物混合而成，钆可燃毒物燃料芯块中的钆可燃毒物(Gd2O3)的重量百分比为4％-12％；钆可燃毒物燃料芯块中的U235可以是铀浓缩产生的尾料、天然铀或稍加富集的铀，U235的富集度小于二氧化铀燃料芯块中U235的富集度。本发明实施例中，核燃料棒以一种类型的燃料芯块为主体，另一种类型的燃料芯块位于主体燃料棒的一端或两端；即二氧化铀燃料芯块可以位于含钆可燃毒物的燃料棒的一端或两端；钆可燃毒物燃料芯块可以位于二氧化铀燃料棒一端或两端。

作为本发明的一个实施例，位于主体燃料棒的一端或两端的燃料芯块的高度均应不超过整个核燃料棒高度的1/8。

本发明实施例中，端部为顶部和底部。图2示出了本发明实施例提供的核燃料棒的6种方案的结构示意图，现分别详述如下：

表示含有二氧化铀燃料芯块的区域，表示含有钆可燃毒物燃料芯块的区域，其中钆可燃毒物燃料芯块由二氧化铀和钆可燃毒物混合而成。第1种方案为：在含钆可燃毒物的燃料棒的顶部加入部分高度的二氧化铀燃料芯块。第2种方案为：在含钆可燃毒物的燃料棒的底部加入部分高度的二氧化铀燃料芯块。对于含钆可燃毒物的燃料棒，在其燃料棒的顶部或底部加入部分高度的二氧化铀燃料芯块，可提高该区域的中子通量，改善堆芯的轴向功率偏差，并延长堆芯的循环长度。

第3种方案为：在二氧化铀燃料棒的顶部加入部分高度的钆可燃毒物燃料芯块。第4种方案为：在二氧化铀燃料棒的底部加入部分高度的钆可燃毒物燃料芯块。其中，钆可燃毒物燃料芯块是由二氧化铀和钆可燃毒物混合而成。由于钆可燃毒物在堆芯中起吸收中子的作用，因此在二氧化铀燃料棒的顶部或底部加入部分高度的钆可燃毒物芯块，可降低该区域的中子通量，改善堆芯的轴向功率偏差，并提高了燃料的经济性。

第5种方案为：在含钆可燃毒物的燃料棒的顶部和底部同时加入部分高度的二氧化铀燃料芯块。这样可以延长堆芯的循环长度。

第6种方案为：在二氧化铀燃料棒的顶部和底部同时加入部分高度的钆可燃毒物燃料芯块。这样可以提高燃料的经济性。

本发明实施例提供的核燃料棒的6种方案的具体特点如表一所示：

  改善轴向功率偏差  燃料的经济性  延长堆芯循环长度第1种方案  √  √第2种方案  √  √第3种方案  √  √第4种方案  √  √第5种方案  √第6种方案  √

在燃料棒的轴向采用分区的方式，可改善堆芯的轴向功率偏差、提高燃料利用的经济性、延长堆芯的循环长度从而提高堆芯的运行性能。可根据具体的需要灵活选取燃料棒的不同方案。

轴向功率偏差是影响堆芯控制灵活性的一个重要表征量，为保证堆芯的安全性并使其处在一个易于控制的区域，轴向功率偏差既不能太正，也不能太负，在零附近比较合适。以第1种方案为例，将本发明实施例提供的核燃料棒对轴向功率偏差的影响与现有技术提供的核燃料棒对轴向功率偏差的影响做了比较，如图3所示，本发明实施例提供的核燃料棒对轴向功率偏差的影响更接近于零，更合适。同理，以第1种方案为例，将本发明第一实施例提供的核燃料棒与现有技术提供的核燃料棒功率峰因子随燃耗的变化作了比较，如图4所示，本发明实施例提供的核燃料棒能够有效的减少最大功率峰因子。

本发明实施例提供的核燃料棒可以应用于核燃料组件及其核反应堆堆芯中，上述6种设计方案可以满足各种不同的需求，对于首循环，其核反应堆堆芯设计的重点在于控制寿期初过负的轴向功率偏差及寿期末可能出现的过正的轴向功率偏差。因此选用第1种方案的核燃料棒，可以有效地改善首循环的轴向功率偏差，并降低堆芯的功率峰因子，且堆芯的循环长度也从453个等效满功率天延长到456个等效满功率天。作为本发明的一个实施例，核燃料棒可应用于压水堆核电站首循环含钆的堆芯设计中，用于显著改善首循环在整个寿期内的轴向功率震荡，提高反应堆的运行性能。

本发明实施例提供的核燃料棒在轴向包括两种不同类型的燃料芯块，以一种类型的燃料芯块为主体，另一种类型的燃料芯块位于主体燃料棒的一端或两端，通过改变反应堆堆芯顶端或底端的中子通量，提高燃料利用的经济性或延长堆芯的循环长度，从而提高了反应堆堆芯的运行性能，同时，可以根据需求灵活选择燃料棒的不同设计方案。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。