背景技術：

本發(fā)明涉及含釷的核燃料棒束，其用作核反應堆的核燃料。

核反應堆利用鏈式核反應(即，核裂變)產(chǎn)生能量，其中在鏈式核反應中，一個自由中子被核燃料(例如鈾235(²³⁵u))中的裂變原子核吸收。當該自由中子被吸收后，該裂變原子分裂成多個更輕的原子并釋放更多的自由中子以被其它裂變原子吸收，從而形成鏈式核反應，這在業(yè)界是熟知的。鏈式核反應所釋放的熱能通過多種其它方法被轉換成電能，這些其它方法也是本領域技術人員所熟知的。

技術實現(xiàn)要素：

在本發(fā)明的一些實施例中，公開了一種用于核反應堆的燃料棒束。該燃料棒束包括：第一燃料元件，所述第一燃料元件包含二氧化釷；第二燃料元件，所述第二燃料元件包含具有第一裂變物質含量的鈾；以及第三燃料元件，所述第三燃料元件包含具有第二裂變物質含量的鈾，所述第二裂變物質含量不同于所述第一裂變物質含量。

本發(fā)明的一些實施例提供了制造和使用用于核反應堆的燃料棒束的方法。該燃料棒束包括：第一燃料元件，所述第一燃料元件包含二氧化釷；第二燃料元件，所述第二燃料元件包含具有第一裂變物質含量的鈾；以及第三燃料元件，所述第三燃料元件包含具有第二裂變物質含量的鈾，所述第二裂變物質含量不同于所述第一裂變物質含量。

而且，本發(fā)明的一些實施例提供了一種具有至少一個燃料棒束的核反應堆。該燃料棒束包括：第一燃料元件，所述第一燃料元件包含二氧化釷；第二燃料元件，所述第二燃料元件包含具有第一裂變物質含量的鈾；以及第三燃料元件，所述第三燃料元件包含具有第二裂變物質含量的鈾，所述第二裂變物質含量不同于所述第一裂變物質含量。

在一些實施例中，任何上述燃料棒束和方法被使用在加壓重水反應堆，例如，燃料棒束包括：第一燃料元件，所述第一燃料元件包含二氧化釷；第二燃料元件，所述第二燃料元件包含具有第一裂變物質含量的鈾；以及第三燃料元件，所述第三燃料元件包含具有第二裂變物質含量的鈾，所述第二裂變物質含量不同于所述第一裂變物質含量。其中，這些燃料棒束位于一個或多個管內(nèi)，管內(nèi)容納有加壓水，該加壓水流過這些燃料棒束，從這些燃料棒束吸收熱量，并在這些燃料棒束的下游做工。

通過考慮下面的詳細說明和附圖，本發(fā)明的其它方面將變得更加明顯。

附圖說明

圖1是根據(jù)本發(fā)明第一實施例的核燃料棒束的橫截面示意圖。

圖2是根據(jù)本發(fā)明第二實施例的核燃料棒束的橫截面示意圖。

圖3是根據(jù)本發(fā)明第三實施例的核燃料棒束的橫截面示意圖。

圖4是根據(jù)本發(fā)明第四實施例的核燃料棒束的橫截面示意圖。

圖5是根據(jù)本發(fā)明第五實施例的核燃料棒束的橫截面示意圖。

圖6是根據(jù)本發(fā)明第六實施例的核燃料棒束的橫截面示意圖。

圖7是根據(jù)本發(fā)明第七實施例的核燃料棒束的橫截面示意圖。

圖8是應用圖1-7所示的任何一個燃料棒束的核反應堆的示意圖。

具體實施方式

在對本發(fā)明的實施例進行詳細描述之前，應當理解本發(fā)明不限于以下描述所闡述的或以下附圖所例示的元件構造和安排的細節(jié)。本發(fā)明可采用其它實施例并以不同的方式進行實施。

圖1-7描繪了一種用于核反應堆的核燃料棒束的各種實施例，該核反應堆例如是加壓重水反應堆10(例如，加拿大氘鈾(canadadeuteriumuranium，candu)核反應堆)，其一部分示意性地描繪于圖8。本發(fā)明的下面各實施例是在具有水平壓力管的加壓重水反應堆的環(huán)境下進行描述的，其中燃料棒束14位于這些水平壓力管內(nèi)。這種核反應堆環(huán)境以及根據(jù)本發(fā)明的燃料棒束的應用只是用于舉例，應當理解的是，本發(fā)明也適用于用在其它類型的核反應堆的燃料棒束。

如圖8所示，加壓重水反應堆10的堆芯包含一個或多個燃料棒束14。如果反應堆10包括多個燃料棒束14，這些棒束14可被端對端的放置在壓力管18內(nèi)。在其它類型的反應堆中，這些燃料棒束14可以其它期望的方式設置。每個燃料棒束14包含一組燃料元件22(有時稱為“細棒”(“pins”))，每個燃料元件22包含一個核燃料和/或其它元件或化學品(例如，可燃毒物)，這些將在下面結合圖1-7詳細描述。當反應堆10處于工作時，重水冷卻劑26流過這些燃料棒束14以冷卻這些燃料元件，移除裂變過程中產(chǎn)生的熱量。冷卻劑26也可以將這些熱量傳遞至蒸汽發(fā)生器30，而蒸汽發(fā)生器30驅動原動機(例如，渦輪機34)以產(chǎn)生電能。

于1996年4月25日申請的加拿大第2174983號專利申請描述了用于核反應堆的其它燃料棒束，所描述的燃料棒束的使用方式與在此描述和例示的本發(fā)明的燃料棒束14類似。加拿大第2174983號專利申請的內(nèi)容以引用的方式結合于本文中。

圖1-7例示了位于壓力管18內(nèi)的燃料棒束14的各種實施例的橫截面示意圖。重水冷卻劑26容納在壓力管18內(nèi)，占據(jù)燃料元件22之間的子通道(subchannel)。這些燃料元件22可以包括中間元件38、多個第一元件42、多個第二元件46和多個第三元件50。其中，這些第一元件42從中間元件38徑向向外設置，這些第二元件46從第一元件42徑向向外設置，而這些第三元件50從第二元件46徑向向外設置。應當理解的是，在其它實施例中，該燃料棒束可包括更少或更多的元件，且可包括以不同于圖1-7所示的方式配置的多個元件。例如，這些燃料元件22可被定位成在一個或多個平面內(nèi)相互平行，這些元件可被排列成具有方塊形狀或其它形狀的矩陣或陣列，這些元件也可呈其它任何圖案化或無圖案化排列。壓力管18、燃料棒束14和/或燃料元件22也可配置成任何形狀和尺寸。例如，這些壓力管18、燃料棒束14和燃料元件22可具有任何期望的橫截面形狀(不同于圖1-7所示的圓形)和尺寸。舉另一個例子，這些壓力管18和燃料棒束14可具有任何相對尺寸(不同于圖1-7所示的壓力管18和燃料元件22具有相同的尺寸或兩種尺寸版本。)

圖1-6所示的每個實施例都例示了包括43個元件的燃料棒束14。這些第一元件42包括相互平行的7個元件，排列成基本上呈圓形的圖案。這些第二元件46包括14個相互平行的元件，排列成基本上呈圓形的圖案。這些第三元件50包括相互平行的21個元件，排列成基本上呈圓形的圖案。該中間元件38、第一元件42、第二元件46和第三元件50同軸設置，使得所有這些元件22都相互平行。該中間元件38和每個第一元件42都具有第一橫截面尺寸(或者說直徑(在這些元件具有圓形橫截面形狀的情況下))，而每個第二元件46和第三元件50都具有第二橫截面尺寸(或者說直徑(在這些元件具有圓形橫截面形狀的情況下))，其中第二橫截面尺寸不同于第一橫截面尺寸。特別是，該第一橫截面尺寸大于第二橫截面尺寸。在這方面，術語“橫截面形狀”是指一個平面沿垂直于所提到的物體的縱軸線的方向穿過該物體所得到的橫截面形狀。也應當理解的是，圖1-6中表示元件22的大致圓形位置的線條僅用作例示用途，其并不必然表明這些元件被拴在一起或以其它方式結合在一起以形成一種特別的排列。

在圖7的實施例中，例示了一種具有37個元件的燃料棒束，其中所有燃料元件22都具有一致的橫截面尺寸(或者說直徑(在這些元件具有圓形橫截面形狀的情況下))。這些第一元件42包括相互平行的6個元件，排列成基本上呈圓形的圖案。這些第二元件46包括12個相互平行的元件，排列成基本上呈圓形的圖案。這些第三元件50包括相互平行的18個元件，排列成基本上呈圓形的圖案。該中間元件38、第一元件42、第二元件46和第三元件50同軸設置，使得所有這些元件22都相互平行。應當理解的是，圖7中表示元件22的大致圓形位置的線條僅用作例示用途，其并不必然表明這些元件被拴在一起或以其它方式結合在一起以形成一種特別的排列。

在一些實施例中，每個燃料元件22包括一個填充有核燃料的管。該管可由下列材料制成或包括下列材料：鋯(zirconium)、鋯合金或其它在一些情況下具有低中子吸收特點的合適材料或材料組合。該管可填充前述一種或多種材料，例如僅填充核燃料或與其它材料一起填充。所填充的材料可以呈顆粒狀、粉末狀或其它合適的形態(tài)或者多種形態(tài)組合。在其它實施例中，每個燃料元件22包括一根棒，該棒由一種或多種材料形成(例如僅由核燃料形成或與其它材料一起形成)，例如包含在其它材料基質內(nèi)的核燃料。在另一個實施例中，燃料元件22可包括管和棒的組合和/或其它構造，且燃料元件22可采用其它適合特別應用的構造。

如圖1-7所示，這些燃料元件22可以包括各種核燃料組合，例如二氧化釷(thoriumdioxide,tho2)、貧化鈾(depleteduranium,du)、天然鈾(naturaluranium,nu)、回收鈾(recycleduranium,ru)、稍濃縮鈾(slightlyenricheduranium,seu)和低濃縮鈾(lowenricheduranium,leu)，這些將在下面更詳細描述。除非另有說明，在這里和所附的權利要求中提到的燃料棒束14、燃料元件22或其它特征中所含的材料的組成成分的“百分比”是指重量百分比。如本文所定義的，du的裂變物質含量為近似0.2wt％至近似0.5wt％(包括近似0.2wt％和近似0.5wt％)的²³⁵u，nu的裂變物質含量為近似0.71wt％的²³⁵u，ru的裂變物質含量為近似0.72wt％至近似1.2wt％(包括近似0.72wt％和近似1.2wt％)的²³⁵u，seu的裂變物質含量為近似0.9wt％至近似3wt％(包括近似0.9wt％和近似3wt％)的²³⁵u，leu的裂變物質含量為近似3wt％至近似20wt％(包括近似3wt％和近似20wt％)的²³⁵u。

在圖1的實施例中，該中間元件38包含二氧化釷和/或可燃毒物(bp)，例如釓(gadolinium)或鏑(dysprosium)。在一些實施例中，使用0-10vol％的bp。在其它實施例中，使用0-7vol％的bp。在其它實施例中，使用0-6vol％的bp。在另外一些實施例中，使用0-3vol％的bp。這些第一元件42包括二氧化釷。第二元件46包括具有第一裂變物質含量的leu(leu¹)，每個第三元件50包括具有第二裂變物質含量的leu(leu²)，其中第二裂變物質含量不同于第一裂變物質含量。應當理解的是，這些第二元件46(leu¹)的裂變物質含量從上述定義的范圍中選擇，第三元件50(leu²)的裂變物質含量也從上述定義的相同范圍中選擇，但不同于為第二元件46所選擇的裂變物質含量。例如，leu1的裂變物質含量可以為近似4wt％的²³⁵u，而leu2的裂變物質含量可以為近似4.5wt％的²³⁵u。在圖1的一些實施例中，圖1中的任何燃料元件22都可以包含bp。而且，在此描述和/或例示的每個燃料棒束實施例的任何或所有燃料元件都可以包含剛描述的任何含量的bp。在其它實施例中，外側兩種元件中的任何一種(即，要么是第二元件46，要么是第三元件50)可以不包含leu，而是包含du、nu、ru或seu。所含du、nu、ru或seu的裂變物質含量為與外側兩種元件中的另外一種含有的leu的裂變物質含量不同的第二裂變物質含量。在一些實施例中，核燃料的裂變物質含量從燃料棒束14的中央開始沿徑向向外的方向遞減。然而，在其它實施例中，核燃料的裂變物質含量從燃料棒束14的中央開始沿徑向向外的方向遞增。

在圖2的實施例中，該中間元件38包含二氧化釷和/或可燃毒物(bp)，例如釓(gadolinium)或鏑(dysprosium)。在一些實施例中，使用0-10vol％(體積百分比)的bp。在其它實施例中，使用0-7vol％的bp。在其它實施例中，使用0-6vol％的bp。在另外一些實施例中，使用0-3vol％的bp。這些第一元件42包括二氧化釷。第二元件46包括具有第一裂變物質含量的ru和seu的混合物(ru/seu)¹(以斜劃線“/”表示)，其可使用任何業(yè)界已知的方法進行混合，例如但不限于，使用酸溶液或干混法。第三元件50包括具有第二裂變物質含量的ru和reu的混合物(ru/seu)²，其中該第二裂變物質含量不同于該第一裂變物質含量。應當理解的是，這些第二元件46(ru/seu)¹的裂變物質含量從近似0.72wt％至近似3wt％的²³⁵u的范圍(包括近似0.72wt％和近似3wt％)中選擇，第三元件50(ru/seu)²的裂變物質含量也從該相同的范圍中選擇，但不同于為第二元件46所選擇的裂變物質含量。在圖2的一些實施例中，圖2中的任何燃料元件22都可以包含bp。在一些實施例中，核燃料的裂變物質含量從燃料棒束14的中央開始沿徑向向外的方向遞減。然而，在其它實施例中，核燃料的裂變物質含量從燃料棒束14的中央開始沿徑向向外的方向遞增。也應當指出的是，ru并不限于與seu進行混合。在其它實施例中，ru可與leu進行混合，或者與高濃縮鈾(highlyenricheduranium，heu)進行混合以獲得所希望的平均裂變物質含量。

在圖3的實施例中，該中間元件38包含二氧化釷，且第一元件42包含二氧化釷。第二元件46包括具有第一裂變物質含量的ru(ru¹)，且第三元件50包括具有第二裂變物質含量的ru(ru²)，其中該第二裂變物質含量不同于該第一裂變物質含量。應當理解的是，這些第二元件46(ru¹)的裂變物質含量從上述定義的范圍中選擇，且第三元件50(ru²)的裂變物質含量也從上述定義的范圍中選擇，但不同于為第二元件46所選擇的裂變物質含量。在圖3的一些實施例中，任何燃料元件22都可以包含bp。在一些實施例中，核燃料的裂變物質含量從燃料棒束14的中央開始沿徑向向外的方向遞減。在其它實施例中，核燃料的裂變物質含量從燃料棒束14的中央開始沿徑向向外的方向遞增。

在圖4的實施例中，該中間元件38包含二氧化釷，且第一元件42包含二氧化釷。第二元件46包括ru和du的混合物和/或包括seu，且具有第一裂變物質含量。如果使用了ru和du的混合物，這些材料使用業(yè)界已知的方法進行混合，例如但不限于，使用酸溶液或干混法。第三元件50包括ru和du的混合物和/或包括seu，其具有第二裂變物質含量(ru/du和/或seu)²。應當理解的是，這些第二元件46的裂變物質含量從近似0.2wt％至近似3wt％的235u的范圍(包括近似0.2wt％和近似3wt％)中選擇。第三元件50的裂變物質含量也從該相同范圍中選擇，但不同于為第二元件46所選擇的裂變物質含量。在圖4的一些實施例中，任何燃料元件22都可以包含bp。在其它實施例中，每個這些第二元件46包括在對應裂變物質含量范圍內(nèi)的ru、du或seu。類似的，每個這些第三元件50包括在對應裂變物質含量范圍內(nèi)的ru、du或seu，且該第一裂變物質含量不同于該第二裂變物質含量。在一些實施例中，核燃料的裂變物質含量從燃料棒束14的中央開始沿徑向向外的方向遞減。在其它實施例中，核燃料的裂變物質含量從燃料棒束14的中央開始沿徑向向外的方向遞增。

在圖5的實施例中，該中間元件38包含二氧化釷和bp的混合物(tho2/bp)或du和bp的混合物(du/bp)。在一些實施例中，使用0-10vol％的bp。在其它實施例中，使用0-7vol％的bp。在其它實施例中，使用0-6vol％的bp。在另外一些實施例中，使用0-3vol％的bp。第一元件42包含二氧化釷。第二元件46包括ru和du的混合物和/或包括seu，且具有第一裂變物質含量(ru/du和/或seu)¹。如果使用了ru和du的混合物，這些材料使用業(yè)界已知的方法進行混合，例如但不限于，使用酸溶液或干混法。第三元件50包括ru和du的混合物和/或包括seu，其具有不同于該第一裂變物質含量的第二裂變物質含量(ru/du和/或seu)²。應當理解的是，這些第二元件46(ru/du和/或seu)¹的裂變物質含量從近似0.2wt％至近似3wt％的235u的范圍(包括近似0.2wt％和近似3wt％)中選擇。第三元件50(ru/du和/或seu)²的裂變物質含量也從該相同范圍中選擇，但不同于為第二元件46所選擇的裂變物質含量。在圖5的一些實施例中，任何燃料元件22都可以包含bp。而且，在一些實施例中，每個這些第二元件46包括在對應裂變物質含量范圍內(nèi)的ru、du或seu。類似的，每個這些第三元件50包括在對應裂變物質含量范圍內(nèi)的ru、du或seu，且該第一裂變物質含量不同于該第二裂變物質含量。在一些實施例中，核燃料的裂變物質含量從燃料棒束14的中央開始沿徑向向外的方向遞減。在其它實施例中，核燃料的裂變物質含量從燃料棒束14的中央開始沿徑向向外的方向遞增。

在圖6的實施例中，該中間元件38包含二氧化釷和bp的混合物(tho2/bp)和二氧化釷其中之一。在一些實施例中，使用0-10vol％的bp。在其它實施例中，使用0-7vol％的bp。在其它實施例中，使用0-6vol％的bp。在另外一些實施例中，使用0-3vol％的bp。第一元件42包含二氧化釷。第二元件46包括ru和du的混合物和/或包括seu，且具有第一裂變物質含量(ru/du和/或seu)¹。如果使用了ru和du的混合物，這些材料使用業(yè)界已知的方法進行混合，例如但不限于，使用酸溶液或干混法。第三元件50包括ru和du的混合物和/或包括seu，其具有不同于該第一裂變物質含量的第二裂變物質含量(ru/du和/或seu)²。應當理解的是，這些第二元件46(ru/du和/或seu)¹的裂變物質含量從近似0.2wt％至近似3wt％的235u的范圍(包括近似0.2wt％和近似3wt％)中選擇。第三元件50(ru/du和/或seu)²的裂變物質含量也從該相同范圍中選擇，但不同于為第二元件46所選擇的裂變物質含量。在圖6的一些實施例中，任何燃料元件22都可以包含bp。在其它實施例中，每個這些第二元件46包括在對應裂變物質含量范圍內(nèi)的ru、du或seu。類似的，每個這些第三元件50包括在對應裂變物質含量范圍內(nèi)的ru、du或seu，且該第一裂變物質含量不同于該第二裂變物質含量。在一些實施例中，核燃料的裂變物質含量從燃料棒束14的中央開始沿徑向向外的方向遞減。在其它實施例中，核燃料的裂變物質含量從燃料棒束14的中央開始沿徑向向外的方向遞增。

圖7的實施例實質上類似于上述圖6的實施例，不同之處在于，如前所述，該燃料棒束14是一個具有37個元件的燃料棒束，其燃料元件22尺寸相同。核燃料在中間、第一、第二和第三元件38、42、46、50的分布類似于圖6，因此請參考上述描述。圖7的實施例提供了一個燃料元件的特定數(shù)目、燃料元件排列(例如，在所示的實施例中元件呈一環(huán)一環(huán)的排列)、燃料元件尺寸和相對燃料元件尺寸如何變化但仍然屬于本發(fā)明的范圍的例子。在一些實施例中，核燃料的裂變物質含量從燃料棒束14的中央開始沿徑向向外的方向遞減。在其它實施例中，核燃料的裂變物質含量從燃料棒束14的中央開始沿徑向向外的方向遞增。

可選擇地，在任何一個圖4-7的實施例中，外側的兩種元件(即第二元件46和第三元件50)都可以包括單一裂變物質含量的濃縮鈾。在一些實施例中，例如，該單一裂變物質含量從高于1.8wt％的范圍中選擇。作為另一個例子，該單一裂變物質含量從低于1.7wt％的范圍中選擇。

在其它實施例中，在燃料棒束14的兩個不同位置的ru、du、leu、nu和seu(驅動燃料)的任何組合可與二氧化釷和/或bp進行組合而用在燃料棒束14的其它位置，使得該驅動燃料的第一元件的裂變物質含量不同于該驅動燃料的第二元件的裂變物質含量。該驅動燃料提供了將²³²釷(其不易裂變)轉換成²³³鈾(其易裂變)所需的中子，使得二氧化釷在核反應堆中有效地燃燒。bp被使用以提升安全相關的參數(shù)，最重要的是冷卻劑空泡反應性(coolantvoidreactivity,cvr)和燃料溫度系數(shù)(ftc)。如上述指出，燃料棒束14中的任何元件或位置可包含bp，或者一個元件或位置單獨包含bp(即，不與燃料元件中的燃料進行混合，也不以其它方式與該燃料一起被包含在一個燃料元件位置)。而且，在一些實施例中，核燃料的裂變物質含量從燃料棒束14的中央開始沿徑向向外的方向遞減。在其它實施例中，核燃料的裂變物質含量從燃料棒束14的中央開始沿徑向向外的方向遞增。

在此描述的實施例也可以用于比目前壓力管反應堆中所使用的壓力管大或小的壓力管，也可以用于未來的重水壓力管反應堆。本發(fā)明的燃料棒束14也可以應用于其熱傳輸和慢化劑系統(tǒng)具有不同液體/氣體組合的壓力管反應堆。本發(fā)明也可以應用于具有不同元件數(shù)量和排列的燃料棒束，并不限于43個元件和37個元件的燃料棒束設計(例如圖1-7所示的范例)。

使用釷和鈾同位素(異質或同質)成分的燃料棒束可以更加精確地控制核反應堆的功率系數(shù)、棒束功率(bundlepowers)、通道功率(channelpower)、通量水平(fluxlevels)、堆芯通量形狀(corefluxshapes)、臨界熱通量(criticalheatflux)和堆芯空泡反應性(corevoidreactivity)，使得可輕易滿足安全性要求，同時顯著提升資源利用率。

在此描述的任何一種燃料可包含在惰性基質載體中，和/或可以被使用以增加燃料燃耗(burn-up)和避免該燃料的機械性質的限制，從而進一步增加燃料資源的利用率。這種增加物/載體也可以更加精確地控制，例如，裂變氣體釋放相關的設計標準和傳熱系數(shù)。

而且，在重水冷卻反應堆，當冷卻劑產(chǎn)生空泡時，中子增殖率增加。例如，當冷卻劑開始沸騰時，冷卻劑產(chǎn)生空泡。冷卻劑空泡反應性是一個反應堆中子增殖能力的衡量指標。這種現(xiàn)象的產(chǎn)生是由于正的冷卻劑空泡反應性，其是一種不受歡迎的現(xiàn)象。本發(fā)明可以顯著降低冷卻劑空泡反應性，也可以提供負的燃料溫度系數(shù)和/或負的功率系數(shù)。

以上描述和附圖所例示的實施例僅是以舉例的方式加以呈現(xiàn)，不能被視為對本發(fā)明的概念和原理的限制。如此，本領域技術人員應當理解，在不偏離本發(fā)明的精神和范圍的前提下，可以對所例示的元件和他們的構造和排列進行一些變化。例如，在各種描述和/或例示的實施例中，leu和seu與不同類型的核燃料進行混合以產(chǎn)生具有所希望的裂變物質含量的核燃料。應當指出的是，在其它實施例中，高濃縮鈾(heu)和/或leu可與本文描述的不同類型燃料進行混合以產(chǎn)生具有相同裂變物質含量的核燃料。這種heu和leu核燃料混合適用于本發(fā)明的所有實施例。