CN102194531A - 快中子反应堆燃料双行波自分区燃烧方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于一种核反应堆燃料自分区燃烧方法，具体涉及一种快中子反应堆燃料双行波自分区燃烧方法，它包括如下步骤：对快中子反应堆的堆芯进行分区，堆芯轴向中部构建启堆区；将点火位置设置在快中子反应堆堆芯启堆区的轴向中部。当堆芯进入稳态运行后，形成自分区的双行波，即形成两个主燃烧区。本发明的方法可使堆芯两个功率峰的峰值在单行波功率峰的基础上各削减25％，但堆芯总功率增加50％，展平堆芯轴向功率分布，降低局部功率峰，提高堆芯平均功率和总功率，提高反应堆的经济性、安全性和堆内材料完整性的保持能力，优化堆芯热工水力性能，特别适用于大型百万千瓦级的快中子反应堆核电站。

Description

快中子反应堆燃料双行波自分区燃烧方法
技术领域
本发明属于一种核反应堆燃料自分区燃烧方法，具体涉及一种快中子反应堆燃料双行波自分区燃烧方法。
背景技术
快中子反应堆(快堆)的燃料自分区燃烧方式有驻波燃烧方式和行波燃烧方式。由于行波燃烧方式可以使应用它的快堆具有独特的优点，国外对其进行了一些研究，如日本东京工业大学原子炉研究所在《Nuclear Science andEngineering》2001年第139期第306-317页“CANDLE：The new bum-up strateg”和《Annals of Nuclear Energy》2008年35卷第18-36页“Design research of smalllong life CANDLE fast reactor”中公开了一种单行波自分区燃烧方式(称为CANDLE燃烧方式)以及美国泰拉能源公司(TerraPower LLC)在《TechnologyReview》2009年第2期第42-44页“Traveling-wave reactor”和《Transactions ofthe American Nuclear Society》2008年第98期第738页“A First GenerationTraveling Wave Reactor”中公开的一种单行波自分区燃烧方式(称为Traveling-Wave燃烧方式)。单行波自分区燃烧方式的根本出发点是使反应堆燃料的燃烧如蜡烛一样在轴向以一定的速度从一端向另一端推进，其优点是在整个燃烧寿期中的任一时刻，反应堆的功率和反应性都是恒定不变的；各项性能参数在寿期中都恒定不变，实现径向功率分布的高度优化，从而在稳态运行中，不需要燃烧控制棒及其驱动机构；且超长寿期可轻易的通过增加堆芯高度实现；可深度焚烧天然铀、轻水堆乏铀和钍且无需换料；具有高的固有安全性和经济性。由于燃烧速度恒定不变，所以堆芯的物理寿期约为堆芯的高度与燃烧速度之比。
单行波自分区燃烧方式初始沿其轴向、自上至下建立1个新燃料区1和1个启堆区2。如附图3所示，单行波自分区燃烧方式使堆芯自动分为新燃料区1、主燃烧区4和乏燃料区3三个物理燃烧区。堆芯的启堆区2构建在堆芯的轴向某一端，启堆动作也在该端完成。启堆后，堆芯轴向上仅产生一个中子通量峰，即燃烧行波。燃烧行波从堆芯一端向另一端稳定推进。单行波自分区快堆堆芯轴向只有一个行进燃烧波，局部功率峰很高，导致冷却剂、包壳和燃料温度在一个比较短的轴向段内产生很大的升高。这不利于堆内材料的长期完整性保持，并且堆芯平均功率和总功率的提高也会受到安全方面的限制。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可提高行波快堆的平均功率和总功率，提高反应堆的安全性和堆内材料的完整性保持能力，优化堆芯热工水力性能的快中子反应堆燃料双行波自分区燃烧方法。
本发明的技术方案如下：一种快中子反应堆燃料双行波自分区燃烧方法，它包括如下步骤：
步骤一：对快中子反应堆的堆芯进行分区，堆芯轴向中部构建启堆区；
步骤二：将点火位置设置在快中子反应堆堆芯启堆区的轴向中部。
步骤三：当堆芯进入稳态运行后，形成自分区的双行波，即形成两个主燃烧区。
所述的步骤一中对快中子反应堆的堆芯进行分区具体如下：将堆芯沿其轴向分为3个区，在堆芯轴向中部构建1个启堆区，在堆芯轴向两端构建2个新燃料区。
所述启堆区的浓缩铀的浓度≤13％。
本发明的效果在于：本发明的方法建立了双行波自分区燃烧概念。在单行波自分区燃烧方式的基础上，展平堆芯轴向功率分布，降低局部功率峰，提高了反应堆堆的平均功率和总功率，两个功率峰的峰值可以在单行波功率峰的基础上各削减25％，但堆芯总功率增加50％，并且提高了堆内材料的完整性保持能力，优化了反应堆堆芯的热工水力性能。在提高反应堆安全性和长寿期完整性的同时，提高了反应堆的经济性，特别适用于大型百万千瓦以上级的快堆核电站。
附图说明
图1是本发明的快中子反应堆燃料双行波自分区燃烧过程示意图。
图2是本发明的快中子反应堆启堆区内主要核素的浓度分布示意图。
图3是现有的快中子反应堆燃料单行波自分区燃烧过程示意图。
图中：1.新燃料区；2.启堆区；3.乏燃料区；4.主燃料区；X：堆芯轴向；Y：核素浓度由低到高的方向。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。
如图1所示，本发明的一种快中子反应堆燃料双行波自分区燃烧方法按照如下步骤进行：
步骤一：对快中子反应堆的堆芯进行分区，在堆芯轴向中部构建1个启堆区2
将堆芯沿其轴向分为3个区，在堆芯轴向中部构建1个启堆区2，在堆芯轴向两端构建2个新燃料区1。
步骤二：将点火位置设置在快中子反应堆堆芯启堆区的轴向中部
将点火位置设置在快中子反应堆堆芯启堆区2的轴向中部，点燃启堆区2中的核燃料。
所述启堆区2的浓缩铀的浓度≤13％。
可以采用现有技术在启堆区2内逐段调整浓缩铀浓度，使启堆区2的中子通量分布在启堆后接近稳态燃烧时的分布。
步骤三：当堆芯进入稳态运行后，形成自分区的双行波，即形成两个主燃烧区4
堆芯进入稳态运行后，自动形成自分区的双行波。所述的自分区燃烧双行波即为两个主燃烧区4内的中子通量分布，两个主燃烧区4内的行波的功率大小和形状相近，且两个主燃烧区4内的行波互相独立。两个主燃烧区4之间形成1个乏燃料区3。随着核燃料的进一步燃烧，两个主燃烧区4沿堆芯的轴向各自近乎匀速向堆芯两端反向行进，直至因燃料消耗和两个主燃烧区4靠近堆芯轴向两端引起的中子泄漏增大导致的堆芯裂变反应无法自持为止。
本发明的快中子反应堆燃料双行波自分区燃烧方法的建立，需要快堆新燃料区1的燃料成份主要是天然铀或轻水堆乏铀等反应性活性低的燃料材料，该区的反应活性很低，中子通量也很低，其主要的作用是利用快中子在与主燃烧区4的边界处将大量的U238逐步转化成Pu239，为主燃烧区4提供易裂变材料。主燃烧区4则利用新燃料区1转化生成的大量Pu239裂变做功，反应活性非常高，局部无限介质增殖系数可以达到1.2左右，故该区的中子通量非常高。乏燃料区3随着Pu239的消耗和大量的裂变产物生成，反应性逐步降低，中子通量也降低到新燃料区1的水平。为避免反应性的大波动，新燃料区1必须采用对热中子不敏感的天然铀，轻水堆的乏铀或者浓缩度极低的增殖材料。主燃烧区4产生的快中子应只在该区和新燃料区1的边界处使增殖材料转化，要求堆内燃料元件在热工水力条件允许的情况下应尽量紧密排布，增加增殖燃料的中子吸收，控制中子的扩散。
如图1右侧的图所示，在稳态运行期间，堆芯沿其轴向有5个物理燃烧分区，1个乏燃料区3、2个主燃料区4、2个新燃料区1，堆芯轴向中部为1个乏燃料区3，乏燃料区3两外侧分别有1个主燃料区4，每个主燃料区4外侧分别有1个新燃料区1。如图1左侧的图所示，在初堆的时候，堆芯分为3个区，位于堆芯轴向两端的新燃料区1有2个，位于堆芯中部的含浓缩铀的启堆区2有1个。稳态燃烧时，启堆区2形成为主燃烧区，启堆区2内的浓缩铀通过逐段调整其浓度，使启堆区2的中子通量分布在启堆后就接近稳态燃烧时的分布。实际上就是在启堆区2内通过U235对应模拟主燃烧区4的Pu239等主要核素的效应，使启堆区2的无限介质增殖系数分布从启堆开始就达到近似稳态分布。
当快中子反应堆的双行波以特定的速度移动时，，观察者以燃烧速度沿堆芯轴向X和主燃烧区4一起移动，所观察到的轴向中子通量分布和各核素密度分布是不随时间改变的。
启堆区2内主要核素的浓度分布示意图如图2所示。图中，曲线a代表启堆区2内U238的浓度分布；曲线b代表启堆区2内U235的浓度分布；曲线c代表初始用以模拟裂变产物效应的铌的浓度分布；X为堆芯轴向，即X方向表示堆芯高度方向，Y方向表示核素浓度由低到高的方向。堆芯启动后将在U235浓度曲线b的两个峰值处形成两个相近的但相互独立的中子通量峰形分布，即燃烧行波。启堆后随着燃烧的进行，Pu239将逐步从大量的U238转化自动生成，替代逐步被消耗的具有一定浓缩度的初始U235装料，同时各种裂变产物的生成也将逐步取代铌的截面作用，堆芯的燃烧也将自然地过渡到稳态燃烧阶段，如附图1所示。根据启堆区2的核素种类和浓度分布的初始设置，再通过易裂变核素的生成、消耗以及裂变产物的生成之间的耦合动态自平衡关系，将使两个燃烧行波保持其空间形状和幅值大小，各自近乎匀速地在堆芯轴向上缓慢地从堆芯中部向堆芯轴向两端反向行进。
上面结合附图对本发明的实施例作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。本发明说明书中未作详细描述的内容均可以采用现有技术。

Claims (3)

1.一种快中子反应堆燃料双行波自分区燃烧方法，其特征在于：它包括如下步骤：
步骤一：对快中子反应堆的堆芯进行分区，堆芯轴向中部构建启堆区(2)；
步骤二：将点火位置设置在快中子反应堆堆芯启堆区的轴向中部。
步骤三：当堆芯进入稳态运行后，形成自分区的双行波，即形成两个主燃烧区(4)。
2.根据权利要求1所述的一种快中子反应堆燃料双行波自分区燃烧方法，其特征在于：所述的步骤一中对快中子反应堆的堆芯进行分区具体如下：将堆芯沿其轴向分为3个区，在堆芯轴向中部构建1个启堆区(2)，在堆芯轴向两端构建2个新燃料区(1)。
3.根据权利要求1或2所述的一种快中子反应堆燃料双行波自分区燃烧方法，其特征在于：所述启堆区(2)的浓缩铀的浓度≤13％。
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