CN101656112B

CN101656112B - 压力壳内驱动机构驱动的挤水棒组件及采用该组件的水堆

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Publication number: CN101656112B
Application number: CN2009101197567A
Authority: CN
Inventors: 张育曼; 李玉崙; 赵翊民
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2009-02-09
Filing date: 2009-03-26
Publication date: 2011-11-30
Anticipated expiration: 2029-03-26
Also published as: CN101656112A

Abstract

本发明属于核反应堆工程领域，具体涉及由压力壳内驱动机构驱动的挤水棒组件及采用该组件的水堆，通过贫化铀(或钍)化合物挤水棒来实现对反应堆的“谱移控制”，补偿燃耗过程中反应性的下降，同时采用“稠密水栅”和部份利用天然铀、乏燃料后处理的残余铀化合物燃料，大幅度节省核燃料，降低燃料循环费用。本发明将驱动大量挤水棒组件的驱动机构设置在压力壳内，避免了这些驱动机构接管段对压力壳上封头的贯穿，使“谱移控制”在不影响压力壳可靠性的条件下得以实施，对压水堆还可降低运行过程中水中的硼浓度，避免出现硼酸对贯穿压力壳上封头的驱动机构接管段和上封头的严重腐蚀问题，降低“弹棒事故”的可能性，提高安全性。

Description

压力壳内驱动机构驱动的挤水棒组件及采用该组件的水堆

技术领域

本发明属于核反应堆工程技术领域，具体涉及一种由压力壳内驱动机构驱动的挤水棒组件及采用该组件的水堆，用这种挤水棒组件来实现反应堆的“谱移控制”，同时采用“稠密水栅”和部份利用天然铀、乏燃料后处理的残余铀化合物燃料，大幅度节省核燃料，降低燃料循环费用，提高安全性。

背景技术

“谱移控制”是一种调节、控制反应堆的反应性的方法，用于补偿燃耗引起的反应性下降时，明显优于调节水中硼酸浓度，中子吸收体控制棒和可燃毒物三种方法，可大量节约核电厂核燃料用量和降低燃料循环费用，在燃料循环之初，由驱动机构将挤水棒***挤水棒导向管内，减少了水堆堆芯内水体积和燃料体积比的平均值，增加转化材料(贫化铀或钍)，提高了“转化比”和“中子经济”，随着燃耗，逐渐把挤水棒由其导向管内拔出，堆芯内慢化剂水体积和燃料体积比的平均值增加，堆芯中子能谱变化，所得到的正反应性可以补偿燃耗引起的反应性下降。

八十年代法国提出过“转换谱移堆”方案，采用六角形燃料组件，三角形栅元的栅距和现行17×17燃料组件的正方形栅元栅距相近，燃料组件中331根燃料棒位中，除36根控制棒导向管以外，在54根燃料棒位上安装挤水棒导向管，堆芯内每三个燃料组件中有一个燃料组件可***或抽出棒束控制棒组件，其余的燃料组件中可***或抽出锆包壳贫化二氧化铀芯体的挤水棒，从燃料循环之初，把挤水棒全部***堆芯中，到燃耗周期末，挤水棒全部抽出堆芯中，堆芯内平均的慢化剂体积和燃料体积比由1.65增加到1.98，堆芯中子能谱变化，所得到的正反应性补偿了燃耗引起的负反应性。该方案中驱动机构为设置在压力壳外的“普通的磁力提升机构”。普通压水堆换料燃料富集度为4.2％，卸料燃耗达到45GWd/tU，由于该方案实施了上述“谱移控制”以后，降到3.25％，天然铀消耗量节省25％，燃料循环费用降低了21％。又如，日本的先进压水堆(APWR) 在保留磁力提升型控制棒驱动机构和棒束控制棒以及调节水中硼酸浓度***的同时，设计了用于“谱移控制”的锆锡合金挤水棒***，同时改进了燃料组件的设计，以降低燃料循环费用。“APWR设计技术特点”(IAEA-TECDOC-861译著“当代压水堆核电站发展新趋势”)一文中指出：APWR通过采用谱移，......等措施，降低燃料循环造价约20％。我国核动力院八十年代提出的AC-600设计方案中，堆芯的反应性控制由传统压水堆的控制棒***和调硼***来实现，同时设置了“机械谱移***”，即在不插控制棒的燃料组件中***16根Zr-4挤水棒，有控制棒的组件***8根挤水棒，它由不插控制棒的燃料组件中的挤水棒水力驱动装置联动，挤水棒占2×2根燃料棒的位置，材料为Zr-4。以上所提到的“普通的磁力提升机构”和“机械谱移***驱动装置”均安装在压力壳上封头上面(即压力壳外)，大量挤水棒组件会造成对压力壳上封头的大量贯穿，增加了制造难度，降低压力壳的可靠性，使“谱移控制”方案难以实现。

现行压水堆通过调节水慢化剂中硼酸浓度来补偿燃耗引起的反应性变化，水中硼酸可能对驱动机构在压力壳上封头上的贯穿接管段和压力壳上封头造成腐蚀破损，增加了压力边界完整性破坏和发生第四类假想“弹棒事故”的概率。2002年2月，美国Davis-Besse核电站压水堆发现在控制棒驱动机构接管与上封头连接处出现了贯穿轴向裂纹，随后的检查证明，在压力壳上封头中部的三个接管位置(1#，2#和3#)有贯穿裂纹和大量泄漏，特别是在3#接管旁压力壳上封头178mm厚的金属母材从外向里被含硼水严重腐蚀，在130-160cm²面积上只剩下7.6mm厚的不锈钢堆焊层。从这一事件看，对调节水中硼酸浓度来补偿反应性的现行压水堆，在压力壳封头外再安装大量挤水棒驱动机构来实施“谱移控制”具有很大的风险。

发明内容

本发明的目的在于提供一种压力壳内设置的传动机构驱动的挤水棒组件及采用这种组件的水堆，从而可以通过挤水棒实现水堆的“谱移控制”，部分利用乏燃料后处理的残余铀、天然铀和贫化铀，以进一步提高“谱移控制”能力，节省铀资源，降低燃料循环费用，并提高安全性。

本发明的技术方案如下：一种压力壳内驱动机构驱动的挤水棒组件，其每根挤水棒内有芯体、外有金属包壳，采用这种挤水棒组件的水堆的棒束燃料组件内部份燃料棒位上或燃料组件之间设有挤水棒导向管，在驱动机构驱动下，与驱动机构相连接的挤水棒能被***或拔出挤水棒导向管，从而改变堆芯平均水铀比，改变堆芯能谱，实现水堆反应性的“谱移控制”，其中，挤水棒的芯体材料采用贫化铀或钍的化合物，挤水棒的驱动机构设置在水堆压力壳的内部。

进一步，如上所述的压力壳内驱动机构驱动的挤水棒组件，其中，所述的水堆包括压水堆、超临界水堆或沸水堆。

进一步，如上所述的压力壳内驱动机构驱动的挤水棒组件，其中，所述的驱动机构采用水力驱动装置或防水的磁力提升驱动装置或有防水壳的电磁耦合驱动装置。

更进一步，如上所述的压力壳内驱动机构驱动的挤水棒组件，当采用水力驱动装置时，水力驱动装置的动缸和挤水棒相连，动缸上方设有超声波定位***，水力驱动装置的静缸固定在堆芯支承板或导向管支承板上，水力驱动装置的动缸和静缸的材料为锆合金、不锈钢、镍基合金或铌基含铝合金。

进一步，如上所述的压力壳内驱动机构驱动的挤水棒组件，采用横截面为十字形挤水棒时，在正方形燃料组件之间或中央安装十字形导向管；采用横截面为Y字形挤水棒时，在六角形燃料组件之间安装Y字形导向管；有组件盒的燃料组件的组件盒的外壁，或套管燃料组件的外套管的外壁能够起导向管的作用，导向管的材料为锆合金或不锈钢或镍基合金或铌基含铝合金。

更进一步，如上所述的压力壳内驱动机构驱动的挤水棒组件，其中，所述的挤水棒的金属包壳的材料为锆合金或不锈钢或镍基合金或铌基含铝合金；包壳内有贫化铀或钍的化合物的板状、棒状或环形芯体。

一种采用压力壳内驱动机构驱动的挤水棒组件的水堆，水堆的棒束燃料组件内部份燃料棒位上或燃料组件之间设有挤水棒导向管，每根挤水棒内有芯体、外有金属包壳，在驱动机构驱动下，与驱动机构相连接的挤水棒能够***或拔出挤水棒导向管，从而改变堆芯平均水铀比，改变堆芯能谱，实现水堆反应性的“谱移控制”，其中，挤水棒的芯体材料采用贫化铀或钍的化合物，挤水棒的驱动机构设置在水堆压力壳的内部；水堆堆芯装载的部份燃料组件采用天然铀或乏燃料经后处理后得到的残余铀和贫化铀的化合物核燃料，其余燃料组件采用富集度高于0.714％的铀的化合物，或者钚化合物和贫化铀化合物的混合燃料。

进一步，如上所述的采用压力壳内驱动机构驱动的挤水棒组件的水堆，其中，所述采用富集度高于0.714％的铀的化合物，或者钚化合物和贫化铀化合物的混合燃料的燃料组件的燃料棒的上下两端0～40cm段采用的核燃料可为天然铀或压水堆乏燃料经后处理后得到的残余铀核燃料或贫化铀的化合物核燃料。

更进一步，如上所述的采用压力壳内驱动机构驱动的挤水棒组件的水堆，其中，对于棒束燃料组件，减小燃料棒栅的栅距，挤水棒全部***时水和核燃料体积比在满足堆芯燃料循环之初的设计要求的情况下应大于0.1，这种堆芯为“稠密水栅”；挤水棒的数量及大小由燃料循环末挤水棒全部拔出堆芯时，中子有效倍增系数处在最佳值的堆芯平均水铀比来决定。

另一种采用压力壳内驱动机构驱动的挤水棒组件的水堆，其堆芯中燃料组件采用包覆颗粒燃料元件的套管燃料组件或者由棒束燃料组件和套管燃料组件组成，套管燃料组件包括同轴的外套管、中套管和中心管，中套管和中心管之间的环形空间内装有由热解碳、碳化硅或碳化锆材料包覆的小球形铀的化合物或铀、钚化合物的混合核燃料的包覆颗粒燃料元件，中套管和中心管侧壁上有小孔，其中，相邻的套管燃料组件的外套管外壁作为外有金属包壳、内有贫化铀或钍的化合物芯体的挤水棒的导向管，挤水棒的驱动机构设在压力壳内。

本发明的有益效果如下：本发明适用于压水堆、超临界水堆和沸水堆，将驱动大量贫化铀(或钍)化合物挤水棒组件的驱动机构设置在压力壳内，避免了这些驱动机构接管段对压力壳上封头的贯穿，使“谱移控制”在不影响压力壳可靠性的条件下得以实施，对超临界水堆这种方法尤其必要。燃料循环之初将挤水棒***燃料组件内或其间的导向管，随着燃耗加深，逐步将其由导向管中抽出，堆芯平均水铀比改变引起的反应性补偿了燃耗引起的负反应性，与调节水中硼酸浓度、可燃毒物、以及移动中子吸收体控制棒三种方法相比，这种方式提高了“转化比”和“中子经济”，大量节省铀资源、大幅度降低燃料循环费用。

本发明的另一特征在于堆芯设计中采用稠密水栅的燃料组件，部份利用乏燃料经后处理后的残留铀(通常含0.9％U235)或天然铀化合物燃料，不仅提高挤水棒对反应性控制的能力，而且还进一步节省铀资源，降低燃料循环费用。燃料组件还可以采用SiC-PyC一类包复颗粒燃料组件套管燃料组件，这时挤水棒组件导向管可布置在套管燃料组件之间。

采用“挤水棒”实施“谱移控制”，在压水堆燃耗过程中可明显降低水中硼酸浓度，从而，避免了发生类似美国Davis-Besse压水堆核电站硼酸对控制棒驱动机构接管段、压力壳严重腐蚀问题，提高了安全性。

附图说明

图1为水堆的压力壳内安装水力驱动装置的示意图；

图2为齿槽式水力驱动装置示意图；

图3为图2的局部放大视图；

图4为对孔式水力驱动装置示意图；

图5为图4的A-A向视图；

图6为棒束挤水棒组件和水力驱动装置的连接关系示意图；

图7为正方形棒束燃料组件采用横截面为十字形挤水棒的示意图；

图8六角形棒束燃料组件采用横截面为Y字形挤水棒的示意图；

图9为套管燃料组件的结构示意图。

具体实施方式

下面结合说明书附图和具体实施方式对本发明作进一步的描述。

本发明所提供的压力壳内置驱动机构驱动的挤水棒组件的每根挤水棒具有金属包壳以及置于其内的贫化铀或钍化合物芯体，驱动机构和挤水棒相连，水堆堆芯内燃料组件内或其间设有挤水棒导向管，在压力壳内置驱动机构驱动下，挤水棒能够***或拔出挤水棒导向管，改变堆芯平均水铀比，调节和控制水堆反应性。挤水棒的金属包壳材料为锆合金、不锈钢、镍基合金或铌基含铝合金；芯体为板状、棒状或环形贫化铀或钍的化合物，芯体的具体材料可以为贫化铀的二氧化铀、碳化铀、氮化铀，或二氧化钍以及其它钍化合物。驱动机构可以采用压力壳内置驱动控制棒的水力驱动装置、防水磁力提升装置或有防水壳的电磁耦合驱动装置等成熟技术。压力壳内置驱动机构驱动的挤水棒***必须统筹考虑压力壳内的可用空间和换料的需要，根据驱动装置的特点，可以选择安装在上部导向管支承板上或下部堆芯支承板上。

图1给出了对于压水堆、超临界水堆和沸水堆中使用由水力驱动装置驱动的挤水棒的一种布置。如图1所示，其水力驱动装置的静缸2固定在压力壳1内的导向管支承板上，水力驱动装置的动缸3设置在静缸2内侧，动缸3下部和挤水棒相连，动缸上方设有超声波定位***4。挤水棒的金属包壳材料为锆合金、不锈钢、镍基合金或铌基含铝合金；芯体为板状、棒状或环形贫化铀或钍的化合物，芯体的具体材料可以为贫化铀的二氧化铀、碳化铀、氮化铀，或二氧化钍以及其它钍化合物。“贫化铀”为本领域的通用表述形式，一般指铀在浓缩过程的尾料。

德国在发展低温供热堆过程中，为驱动控制棒开发的齿槽式水力驱动机构适用于驱动挤水棒，它由齿槽式步进缸、控制单元及循环泵组成，齿槽式步进缸包括动缸5和静缸6，动缸5套在静缸6外侧，挤水棒7固定在动缸5的外壁，其中，静缸6的下端与压力壳下部的堆芯支承板8相连接，见图2、图3。控制单元有保持通道、上升通道和下降通道等三个通道，每个通道由电磁阀和阻力节组成。循环泵由压力壳内取水，通过控制单元的保持通道向齿槽式步进缸内提供一定的保持流量，在齿槽对准的情况下该流量通过齿槽段的阻力所形成的缸内外压差正好平衡动缸以及挤水棒的重力和浮力，挤水棒保持不动。当通过上升通道的电磁阀打开向齿槽式步进缸内提供额外的脉冲流量时，齿槽段的阻力增大，缸内外的压差增大，挤水棒向上运动。这时，由于齿槽对不准了，阻力更大，一直上升到槽与下一个齿逐步对上，阻力逐步减小，上升通道电磁阀关闭，所提供的脉冲流量这时结束，挤水棒完成了向上运动一个齿距。当控制单元的下降通道脉冲式旁路一部分向齿槽式步进缸内提供的保持流量时，挤水棒可以向下运动一个齿距。当控制单元的下降通道长时间旁路向齿槽式步进缸内提供的保持流量时，挤水棒可以一次性下降到底。需要说明的是该***的稳定性很好，很容易做到允许保持流量有±50％的偏差。

清华大学核能院供热堆控制棒使用的是对孔式控制棒水力驱动机构，它由对孔式步进缸、控制单元及循环泵组成。对孔式步进缸安装在供热堆压力壳内，适用于驱动挤水棒。它由对孔式步进缸、脉冲阀、电磁阀及循环泵组成。对孔式步进缸由两层同心套管组成，如图4、图5所示，内管(静缸)9上有多排孔11，外管(动缸)10上只有一排孔12，具有锆合金包壳以及贫化铀(或钍)化合物芯体的挤水棒13固定在对孔式步进缸的外管(动缸)10上。压力壳内一回路水由内管经过两层管上的孔洞流出，内管孔与外管孔重合对准时由缸内流出的流动阻力最小，管内形成的水压也最小，内管孔与外管孔偏离时阻力加大，管内压力随重合程度的减小而增大。与齿槽式水力驱动机构一样，当控制单元提供保持流量、额外的脉冲流量、脉冲式旁路一部分保持流量或长时间旁路保持流量时，动缸相应保持在某一位置、上升一个孔距、下降一个孔距或一次性下降到底。该***的稳定性以及所采用的超声波定位***也在运行中得到了考验。这两种水力驱动***都具有失事安全能力，失去电源、循环泵停止、管路破口等事故状态挤水棒都能靠自重***堆芯。另外，阿根廷CAREM水堆设计采用的安装在压力壳内的控制棒水力驱动机构，原则上也可用以驱动挤水棒组件。

日本一体化小型船用堆MRX的控制棒采用了压力壳内安装的电磁滚珠螺杆型控制棒驱动机构：主要由驱动电机、锁闩电磁铁、可分离滚珠螺母等组成。通过驱动电机的转动，使驱动轴上面与螺杆连接的控制棒上下升降移动。紧急停堆时，通过另外电路使锁闩电磁铁失电消磁，带动可分离滚珠螺母脱离螺杆，螺杆连同控制棒靠自重迅速***堆芯；驱动电机断电时，驱动轴上面连接的控制棒自动***堆芯。这种驱动机构原则上也可用于驱动连接到驱动轴上面的挤水棒。

日本LSBWR沸水堆研发了一种安装在压力壳内上部的控制棒电磁耦合驱动装置，由控制棒驱动马达，紧急停堆的锁闩机构，位置指示器和电磁耦合器组成。运作电磁耦合器时，没有连线就可以把控制信号和电力从压力壳外传到压力壳内控制棒驱动机构，装置的电磁线圈由陶瓷材料所包复，能耐高温。这种原理的控制棒驱动机构原则上也可用以驱动挤水棒组件。

如图6所示，对于棒束燃料组件，可采用棒束挤水棒14，其导向管可安装在棒束燃料组件内某些燃料棒棒位上；如图7所示，在正方形棒束燃料组件15之间或中央可安装十字形导向管16，采用横截面为十字形挤水棒17；如图8所示，在六角形棒束燃料组件18之间可安装Y字形导向管19，采用横截面为Y字形挤水棒20；对于沸水堆，相邻燃料组件的组件盒外壁可用作为导向管。在套管燃料组件呈三角形排列的堆芯中，相邻的套管燃料组件外套管的外壁可以作为横截面为Y字形挤水棒的导向管；呈正方形排列的堆芯中，相邻的套管燃料组件外套管的外壁可以作为横截面为十字形挤水棒的导向管，导向管材料可为锆合金、不锈钢、镍基合金或铌基含铝合金。

实施例一

在一个1000Mwe压水堆的压力壳内，堆芯六角形棒束燃料组件内和六个角点上分别安装外有锆合金包壳、内有贫化二氧化铀芯体的挤水棒棒束和横截面为Y字形挤水棒，它们分别连接在压力壳内置水力驱动机构的动缸上，其静缸固定在导向管支承板上，在燃料循环之初将贫化二氧化铀挤水棒***堆芯燃料组件，燃耗过程中分步将其抽出，通过改变堆芯平均水铀比，实现反应堆的反应性谱移控制，从而大幅度降低运行期间压水堆一回路水的硼浓度，(只有在冷停堆时才需要提高水中硼的浓度)；大幅度减少燃料元件中为补偿反应性添加的可燃毒物量；取代全部或大部分现有压水堆中压力壳上封头上设置的驱动机构驱动的有控制材料芯体的补偿棒组件。

堆芯由163个六角形燃料组件组成，中心距25.4cm，堆芯采用低中子泄漏燃料布置，平衡循环时装入堆芯两种燃料组件，次内一圈为(如富集度4.5％)新装入的棒束燃料组件，内有292根外直径0.91cm、Zr-4包壳厚0.0685cm、UO2芯块直径0.757cm(内孔直径0.23cm)的燃料棒，三角形栅距1.185cm，构成稠密栅，组件内有18根棒束挤水棒导向管，测量管一根；在六角形燃料组件的角点之间的水隙中设有横截面为Y字形的挤水棒，挤水棒翼厚0.8cm，Zr包壳厚0.1cm，贫化二氧化铀厚0.6cm，挤水棒翼宽12cm。中心区通常呈“棋盘式”布置，装入经过一个燃料循环的新装入的燃料组件和天然二氧化铀或乏燃料后处理残留的二氧化铀棒束燃料组件，后者内设有外直径1.308cm、Zr-4包壳厚度0.0419cm、UO2芯块直径1.22cm的燃料棒，三角形栅距1.434cm，构成的稠密水栅，组件内有18根棒束挤水棒导向管，测量管一根；在六角形燃料组件的角点之间的水隙中设有横截面为Y字形的挤水棒，挤水棒翼厚0.8cm，Zr包壳厚0.1cm，贫化二氧化铀厚0.6cm，挤水棒翼宽12.0cm。最外圈基本上布置经过两个燃料循环的新装入的燃料组件，换料时卸出中子有效倍增系数最低的燃料组件。由六角形燃料组件盒的中心位置和六个角分别安装的压力壳内水力驱动装置将组件内棒束挤水棒组件和六个角的横截面为Y字形挤水棒组件(由相邻三个组件中最外圈挤水棒的一半组成)***或拔出导向管，从而改变堆芯中水和二氧化铀体积比的平均值。采用“富集度高”的棒束燃料组件，燃料棒两端0-40cm 段采用天然二氧化铀或乏燃料后处理残留的二氧化铀芯块，其余燃料组件活性段采用富集度高于0.714％的铀的化合物，或者钚化合物和贫化铀化合物的混合燃料。

对于棒束燃料组件，具体设计时应减小燃料棒栅的栅距，挤水棒全部***时水和核燃料体积比在满足堆芯燃料循环之初的设计要求的情况下应尽可能小，但应大于0.1，这种堆芯为“稠密水栅”；挤水棒的数量及大小由燃料循环末挤水棒全部拔出堆芯时，中子有效倍增系数处在最佳值的堆芯平均水铀比来决定。

采用这种技术改造，明显降低运行过程中水中硼酸浓度和堆中可燃毒物量，提高了安全性，同时，节约大量核燃料、降低燃料循环成本，经济效益明显。

实施例二

在一个已运行的1000Mwe压水堆的压力壳内，堆芯正方形棒束燃料组件四个角点位置上安装水力驱动机构驱动的十字形挤水棒组件，挤水棒由锆包壳和其内的贫化二氧化铀芯体组成，实现反应堆的反应性谱移控制，同时，保留原有的固体控制棒组件及其电磁驱动机构。堆芯由157个21.45cm×21.45cm正方形燃料组件组成，栅距1.26cm，289(17×17)根棒位，有控制棒的燃料组件，其中燃料棒264根，1根测量管，24根Zr-4控制棒导管各占1根燃料棒位置，在燃料组件四角上设横截面为十字形挤水棒组件，挤水棒翼厚0.8cm，Zr包壳厚0.1cm，贫化二氧化铀厚0.6cm，挤水棒翼宽10cm。水力驱动机构上、下移动十字形挤水棒组件时，挤水棒将同步分别***或拔出相邻的四个燃料组件周边的挤水棒导向管，从而改变堆芯平均水铀比，实现“谱移控制”。

堆芯采用低泄漏燃料布置，最外圈为中子有效倍增系数最低的燃料组件，新装入堆芯的燃料组件放在次内圈，中心区通常呈“棋盘式”布置经过一个燃料循环的新装入的燃料组件或富集度低(包括天然二氧化铀或乏燃料后处理残留的二氧化铀)的燃料组件。在燃料循环之初将贫化二氧化铀挤水棒***堆芯的导向管，运行过程中分步将其由导向管中抽出，通过改变堆芯平均水铀比，得到的正反应性可以用以补偿燃耗引起的反应性下降。采用这种技术改造，可以大致节约25％的天然铀消耗量及20％的燃料循环成本。

实施例三

在一个净电功率100Mwe(热功率250Mwt)采用套管燃料组件的超临界水核反应堆(采用套管燃料组件的超临界水核反应堆结构可以参见中国专利200510055365.5)，内直径245cm的低碳铁素体压力容器内壁堆焊有不锈钢覆盖层，壁厚20.0cm，能承受设计压力27.5Mpa，超临界水运行压力25Mpa，堆芯活性区等效直径为133cm，堆芯有19根呈三角形排列的套管燃料组件，套管燃料组件的结构如图9所示，它包括同轴Zr-2.5％Nb外套管21、合金材料(不锈钢、镍基合金或铝基含铌合金等材料)的中套管22和中心管23，外套管外半径13.8cm、壁厚为0.1cm，外套管内半径为13.7cm；三角形排列的管间间隙1.4cm；压力管中心间距29cm；一个压力管栅元的面积为730.0cm²；外套管和中套管之间构成进口水外流道，中套管和中心管之间的环形空间内装有外直径2mm的由多层包覆(SiC-PyC等)的直径为1.59mm小球形二氧化铀燃料组件24，后两管侧壁上有椭圆形小孔，冷却剂水在外套管和中套管间入口水外流道内由下向上流动中逐渐分流，沿径向穿过中套管壁面小孔、包覆颗粒燃料元件的堆积床和中心管壁面小孔进入中心管，从垂直方向向上流出套管燃料组件。在套管组件间有水力驱动装置驱动的横截面为Y字形的挤水棒，实现“谱移控制”，挤水棒翼厚0.8cm，Zr包壳厚0.05cm，贫化二氧化铀厚0.7cm。挤水棒导向管可布置在套管燃料组件之间，也可以用三个相邻的套管燃料组件的外套管外壁作为贫化二氧化铀芯体挤水棒的导向管。超临界水堆运行压力高，在压力壳内置挤水棒驱动机构，避免挤水棒对压力壳上封头的贯穿，大大提高了压力壳的可靠性。同时，大量节约天然铀消耗量及燃料循环成本，经济效益明显。

对于沸水堆，挤水棒组件的布置形式可以参照压水堆进行具体设计，相邻燃料组件的组件盒外壁可用作为挤水棒导向管，本领域的技术人员完全可以实现，此处不再进行过多的描述。

考虑到在此公开的对本发明的描述和特殊的实施例，本发明的其他实施例对于本领域的技术人员来说是显而易见的。这些说明和实施例仅作为例子来考虑，它们都属于由所附权利要求所指示的本发明的保护范围和精神之内。

Claims

1.一种压力壳内驱动机构驱动的挤水棒组件，其每根挤水棒内有芯体、外有金属包壳，采用这种挤水棒组件的水堆的棒束燃料组件内部份燃料棒位上或燃料组件之间设有挤水棒导向管，在驱动机构驱动下，与驱动机构相连接的挤水棒能被***或拔出挤水棒导向管，从而改变堆芯平均水铀比，改变堆芯能谱，实现水堆反应性的“谱移控制”，其特征在于：挤水棒的芯体材料采用贫化铀或钍的化合物，挤水棒的驱动机构设置在水堆压力壳的内部。

2.如权利要求1所述的压力壳内驱动机构驱动的挤水棒组件，其特征在于：所述的水堆包括压水堆、超临界水堆或沸水堆。

3.如权利要求1或2所述的压力壳内驱动机构驱动的挤水棒组件，其特征在于：所述的驱动机构采用水力驱动装置或防水的磁力提升驱动装置或有防水壳的电磁耦合驱动装置。

4.如权利要求3所述的压力壳内驱动机构驱动的挤水棒组件，其特征在于：当采用水力驱动装置时，水力驱动装置的动缸和挤水棒相连，动缸上方设有超声波定位***，水力驱动装置的静缸固定在堆芯支承板或导向管支承板上，水力驱动装置的动缸和静缸的材料为锆合金或不锈钢或镍基合金或铌基含铝合金。

5.如权利要求1或2所述的压力壳内驱动机构驱动的挤水棒组件，其特征在于：采用横截面为十字形的挤水棒时，在正方形燃料组件之间或中央安装十字形导向管；采用横截面为Y字形挤水棒时，在六角形燃料组件之间安装Y字形导向管；有组件盒的燃料组件的组件盒的外壁，或套管燃料组件的外套管的外壁能够起导向管的作用，导向管的材料为锆合金或不锈钢或镍基合金或铌基含铝合金。

6.如权利要求1或2所述的压力壳内驱动机构驱动的挤水棒组件，其特征在于：所述的挤水棒的金属包壳的材料为锆合金或不锈钢或镍基合金或铌基含铝合金；包壳内有贫化铀或钍的化合物的板状、棒状或环形芯体。

7.一种采用压力壳内驱动机构驱动的挤水棒组件的水堆，水堆的棒束燃料组件内部份燃料棒位上或燃料组件之间设有挤水棒导向管，每根挤水棒内有芯体、外有金属包壳，在驱动机构驱动下，与驱动机构相连接的挤水棒能够***或拔出挤水棒导向管，从而改变堆芯平均水铀比，改变堆芯能谱，实现水堆反应性的“谱移控制”，其特征在于：挤水棒的芯体材料采用贫化铀或钍的化合物，挤水棒的驱动机构设置在水堆压力壳的内部；水堆堆芯装载的部份燃料组件采用天然铀或乏燃料经后处理后得到的残余铀和贫化铀的化合物核燃料，其余燃料组件采用富集度高于0.714％的铀的化合物，或者钚化合物和贫化铀化合物的混合燃料。

8.如权利要求7所述的采用压力壳内驱动机构驱动的挤水棒组件的水堆，其特征在于：所述采用富集度高于0.714％的铀的化合物，或者钚化合物和贫化铀化合物的混合燃料的燃料组件的燃料棒的上下两端0～40cm段采用的核燃料为天然铀或压水堆乏燃料经后处理后得到的残余铀核燃料或贫化铀的化合物核燃料。

9.如权利要求7或8所述的采用压力壳内驱动机构驱动的挤水棒组件的水堆，其特征在于：对于棒束燃料组件，减小燃料棒栅的栅距，挤水棒全部***时水和核燃料体积比在满足堆芯燃料循环之初的设计要求的情况下应大于0.1，这种堆芯为“稠密水栅”；挤水棒的数量及大小由燃料循环末挤水棒全部拔出堆芯时，中子有效倍增系数处在最佳值的堆芯平均水铀比来决定。

10.一种采用压力壳内驱动机构驱动的挤水棒组件的水堆，其堆芯中燃料组件采用包覆颗粒燃料元件的套管燃料组件或者由棒束燃料组件和套管燃料组件组成，套管燃料组件包括同轴的外套管、中套管和中心管，中套管和中心管之间的环形空间内装有由热解碳、碳化硅或碳化锆材料包覆的小球形铀的化合物或铀、钚化合物的混合核燃料的包覆颗粒燃料元件，中套管和中心管侧壁上有小孔，其特征在于：相邻的套管燃料组件的外套管外壁作为外有金属包壳、内有贫化铀或钍的化合物芯体的挤水棒的导向管，挤水棒的驱动机构设在压力壳内。