用于重水反应堆的多相堆芯设计和钍基燃料制造技术

本发明专利技术提供了一种用于重水反应堆的多相堆芯设计和钍基燃料。具体地，本发明专利技术提供了一种用于钍基燃料燃耗的重水反应堆的通道型多相反应堆堆芯。所述多相反应堆堆芯包括包括用于接收钍基燃料的点火区燃料棒束的点火区燃料通道的至少一个点火区燃料通道区域；和包括用于接收钍基燃料的转换区燃料棒束的转换区燃料通道的至少一个转换区燃料通道区域；其中所述点火区燃料棒束具有的可裂变燃料的百分含量高于所述转换区燃料束。所述点火区燃料通道区域和所述转换区燃料通道区域可以以棋盘图案或环形图案布置在多相反应堆芯内。还提供了用于所述堆芯的燃料棒束。

【技术实现步骤摘要】
用于重水反应堆的多相堆芯设计和钍基燃料
本专利技术涉及用于重水反应堆钍基燃料的堆芯设计（coredesigns），并且更具体而言涉及用于通道型重水反应堆的钍基点火区燃料（种子燃料，点火燃料，seedfuel）和转换区燃料（再生区燃料，转换燃料，blanketfuel）的多相堆芯设计以及用于多相堆芯设计的钍基燃料棒束（fuelbundles）。
技术介绍
近来人们已经对使用钍作为新型主能源的研究进行了探讨。钍-232（Th-232）是天然存在的同位素，并且基本上比铀更丰富。虽然不能发生裂变，但是一旦吸收中子，就会蜕变为铀233（U-233），这是一种极好的裂变燃料材料。因此，钍燃料概念要求Th-232首先在反应堆中经过辐照从而提供所必需的中子剂量。所产生的U-233可以化学上从母体钍燃料中分离出来并且再循环进入新燃料中，或U-233可以以相同的燃料形式原位使用。因此，钍燃料需要一种可裂变材料作为驱动剂从而使链反应（由此供给过剩中子）可以维持。可裂变驱动剂的选项为U-233、U-235或Pu-239。尽管很困难，但是可以设计在热反应堆中产生比其消耗的可裂变材料更多的U-233的钍燃料（这称之为具有大于1.0的裂变转化率，也被称为再生）。使用U-233作为可裂变驱动剂对利用钍的热再生是可能的，并且为了实现这个目的，在所述反应堆中的中子经济必须非常好（即，通过逸出或寄生吸收的中子损失低）。在慢中子系统中增殖（breed）可裂变材料的可能性对于钍基燃料是独特的特性。使用钍的另一独特的选择是作为含有超铀元素如钚的燃料的“肥沃基质”。不像铀燃料那样，没有新的钚从钍组分中产生，并且因此这种金属净消耗的水平相当高。在新鲜的钍燃料中，所有这些裂变（由此的功率和中子）都是由所述驱动剂组分进行驱动。由于所述燃料的运转，U-233含量逐渐增加并且其越来越多地有助于所述燃料的功率输出。来自U-233的最终能量输出，并且由此间接地是钍的最终能量输出，取决于许多燃料设计参数，包括：所达到的燃料燃耗、燃料布置、中子能谱和中子通量。铀233原子核的裂变释放出与U-235大约相同量的能量（200MeV）。在钍燃料设计中的一个重要原理是，在燃料布置中称之为点火区区域(点火区域)的高可裂变（而因此是更高功率）燃料区在物理上是与称为转换区区（再生区）的所述燃料增殖（低或零功率）钍部分分离的。这种布置对于向钍原子核供给过剩的中子以使其可以转化成可裂变的U-233是更加更好的。用于使用钍基燃料的通道型重水反应堆的先前重水反应堆堆芯设计和相关燃料一直没能同时实现高燃料燃耗，高裂变利用率和高转化率，而同时也能满足高堆芯平均功率密度的设计目标，满足对棒束功率和最大线性元件额定工作极限的目的，同时保持反应性系数如例如冷却剂空泡反应性在增强安全特性的所需值内。重水反应堆中的以前研究倾向于集中在均匀堆芯的设计和使用吸收中子的毒物来降低空泡反应性的多相燃料棒束设计上，并已忽视考虑替代设计方案。因此，对减轻一个或多个各种缺点的钍燃料基堆芯设计和/或燃料棒束设计存在需要。
技术实现思路
考虑到铀储量有限并且分布不均，钍是用于改善核燃料循环的可持续性的一种有吸引力的燃料选择。由于天然钍不含可裂变同位素，因此在反应堆中操作钍燃料必须涉及可裂变组分，通常是钚或铀。低级可裂变转换区燃料和高级可裂变点火区燃料物理分离成多相反应堆堆芯中独立的相邻区域使得具有提高裂变利用率和增加所述钍燃料循环的可持续性的潜力。在本专利技术的一个实施方式中，提供了一种用于钍基燃料燃耗的重水反应堆的通道型多相反应堆堆芯，所述多相反应堆堆芯包括：至少一个点火区燃料通道区域（点火燃料通道区域），包括用于接收钍基燃料的点火区燃料棒束的点火区燃料通道；和至少一个转换区燃料通道区域（转换燃料通道区域），包括用于接收钍基燃料的转换区燃料棒束的转换区燃料通道；其中所述点火区燃料棒束比所述转换区燃料棒束具有更高百分含量的可裂变燃料。在除了以上概述的其它实施方式中，所述至少一个点火区燃料通道区域和所述至少一个转换区燃料通道区域以棋盘图案布置在所述多相反应堆堆芯中。在除了以上概述的其它实施方式中，所述至少一个点火区燃料通道区域和所述至少一个转换区燃料通道区域以环形图案布置在所述多相反应堆堆芯中。在除了以上概述的其它实施方式中，所述点火区燃料棒束包含35%或更多的UO2和65%或更少的ThO2。在除了以上概述的其它实施方式中，所述点火区燃料棒束包含3%或更多的PuO2和97%或更少的ThO2。在除了以上概述的其它实施方式中，所述转换区燃料棒束包含30%或更少的UO2和70%或更多的ThO2。在除了以上概述的其它实施方式中，所述转换区燃料棒束包含2%或更少的PuO2和98%或更多的ThO2。在本专利技术的另一实施方式中，提供了一种适用于重水反应堆的通道型多相反应堆堆芯的燃料棒束，所述燃料棒束包括：中央置换管（中央位移管，centraldisplacementtube）；和多个围绕所述中央置换管的钍基燃料细棒（fuelpins）。在除了以上概述的其它实施方式中，所述中央置换管填充有ZrO2、MgO、BeO、石墨或不流动的D2O冷却剂。在除了以上概述的其它实施方式中，存在21个围绕所述中央置换管的径向定位的钍基燃料细棒。在除了以上概述的其它实施方式中，存在35个围绕所述中央置换管的径向定位的钍基燃料细棒。在除了以上概述的其它实施方式中，所述燃料棒束是点火区燃料棒束而所述多个钍基燃料细棒包含具有3%更高的PuO2含量的（PuO2+ThO2）的均质混合物。在除了以上概述的其它实施方式中，所述燃料棒束是点火区燃料棒束而所述多个钍基燃料细棒包含具有35%更高的UO2含量的（UO2+ThO2）的均质混合物。在除了以上概述的其它实施方式中，所述燃料棒束是转换区燃料棒束而所述多个钍基燃料细棒包含具有2%或更低的PuO2含量的（PuO2+ThO2）的均质混合物。在除了以上概述的其它实施方式中，所述燃料棒束是转换区燃料棒束而所述多个钍基燃料细棒包含具有30%或更低的UO2含量的（UO2+ThO2）均质混合物。在一个其它实施方式中，本专利技术提供了如以上概述的那些实施方式的燃料棒束在用于钍基燃料燃耗的重水反应堆的通道型多相反应堆堆芯中的用途。附图说明图1A-1E显示了根据本专利技术的5个不同燃料棒束设计的示例性示意性实施方式；图2是用于适应钍基点火区和转换区燃料棒束的多相堆芯设计的一个实施方式的示意性举例说明；图3是用于适应钍基点火区和转换区燃料棒束的多相堆芯设计的另一实施方式的示意性的举例说明；图4是用于适应钍基点火区和转换区燃料棒束的多相堆芯设计的另一实施方式的示意性举例说明；图5是用于适应钍基点火区和转换区燃料棒束的多相堆芯设计的另一实施方式的示意性举例说明；图6是用于适应钍基点火区和转换区燃料棒束的多相堆芯设计的另一实施方式的示意性举例说明；图7是用于适应钍基点火区和转换区燃料棒束的多相堆芯设计的另一实施方式的示意性举例说明。具体实施方式提供了一种用于通道型重水反应堆的多相反应堆堆芯。类似于核能发电中当前正使用的通道型重水反应堆可以被用作这种设计的初始基础。所述多相堆芯包含用于在通道中接收点火区或转换区燃料棒束的通道的网格（栅格），如以下参照图2-本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于钍基燃料燃耗的重水反应堆的通道型多相反应堆堆芯，所述多相反应堆堆芯包括：至少一个点火区燃料通道区域，包括用于接收钍基燃料的点火区燃料棒束的点火区燃料通道；和至少一个转换区燃料通道区域，包括用于接收钍基燃料的转换区燃料棒束的转换区燃料通道；其中，所述点火区燃料棒束具有的可裂变燃料的百分含量高于所述转换区燃料棒束。

【技术特征摘要】
2013.01.17 US 61/753,8511.一种用于钍基燃料燃耗的重水反应堆的通道型多相反应堆堆芯，所述多相反应堆堆芯包括：至少一个点火区燃料通道区域，包括用于接收钍基燃料的点火区燃料棒束的点火区燃料通道；和至少一个转换区燃料通道区域，包括用于接收钍基燃料的转换区燃料棒束的转换区燃料通道；其中，所述点火区燃料棒束具有的可裂变燃料的百分含量高于所述转换区燃料棒束；并且其中，所述至少一个点火区燃料通道区域和所述至少一个转换区燃料通道区域各自在截面上基本上是圆形的并且以环形图案布置在所述多相反应堆堆芯内，所述环形图案的最外环包含所述至少一个转换区燃料通道区域。2.一种用于钍基燃料燃耗的重水反应堆的通道型多相反应堆堆芯，所述多相反应堆堆芯包括：至少一个点火区燃料通道区域，包括用于接收钍基燃料的点火区燃料棒束的点火区燃料通道；和至少一个转换区燃料通道区域，包括用于接收钍基燃料的转换区燃料棒束的转换区燃料通道；其中，所述点火区燃料棒束具有的可裂变燃料的百分含量高于所述转换区燃料棒束；并且其中，所述至少一个点火区燃料通道区域和所述至少一个转换区燃料通道区域以棋盘图案布置在所述多相反应堆堆芯内。3.根据权利要求1或2所述的通道型多相反应堆堆芯，其中，所述点火区燃料棒束包含35％或更多的UO2和65％或更少的ThO2。4.根据权利要求1或2所述的通道型多相反应堆堆芯，其中，所述点火区燃料棒束包含3％或更多的PuO2和97％或更少的ThO2。5.根据权利要求1或2所述的通道...

【专利技术属性】
技术研发人员：布莱尔·P·布罗姆利，
申请(专利权)人：加拿大原子能有限公司，
类型：发明
国别省市：加拿大;CA