[发明专利]核燃料组件以及包括这种组件的核反应堆

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于核反应堆的组件以及包括至少一种这种组件的核反应堆，更特别是也称作GEN-IVNa-FNR的IV代钠冷快中子反应堆。

背景技术

通常，大家不断尝试提高核反应堆的运行安全性并在事故的情况下限制传播风险。

核反应堆包括其中设置反应堆芯的限制安全壳，该堆芯包括邻接的燃料组件。

组件的形状为圆筒形，例如，其可以是六边形且其包括其中设置燃料棒(fuel pin)的外壳。每个棒由称作包壳的包膜构成，在所述包膜内部堆叠了燃料芯块。所述棒形成了用于芯块的密封限制。所述包壳和外壳是金属的。所述棒包括三个主要区域：其中设置燃料的称作裂变区域的中心区域、可能包括上腔室(上气腔，upper plenum)的上部区域以及可能包括下腔室(下气腔，lower plenum)的下部区域。

棒包括下腔室和/或上腔室，所述一个或多个腔室必须吸收在裂变区域中长期产生的裂变产物的形成。如果没有腔室，则裂变产物的产生会使裂变区域中的包壳变形且因此损害冷却剂的循环。

冷却剂在每个组件中的棒之间循环而将由燃料产生的热能排出(evacuate)。然后，将这种能量转换为电能。在GEN-IV Na-FNR的情况下，冷却剂是熔融钠。冷却剂提取热而转换其并因此冷却组件，从而防止其过热。

冷却剂通过泵在闭合回路中从组件的底部向上循环。在组件的出口处设置一个或几个热交换器以从冷却剂提取卡路里。

设想的事故之一是例如因冷却问题而造成的一个或几个组件的热熔毁，然后是这种劣化到整个活性堆芯的延伸。尝试防止这种熔毁到整个活性堆芯，即到邻接组件的传播，所述传播会造成反应堆护壳或者可能是反应堆限制安全壳的毁坏。

这种事故情形包括三个阶段：

-初级阶段，其间发生内部堆芯燃料组件劣化机制，这种劣化因包壳的熔化、芯块的坍塌以及组件裂变区域上的堆腔的延伸而发生。

一个或多个组件的这种熔化快速导致或多或少限制在密封堆腔中的沸腾液体堆芯熔化物(堆芯熔体，corium)的浴的形成，同时熔融材料朝向组件的上部和下部重新定位。

堆芯熔化物被定义为一起混合的燃料和熔融核反应堆的堆芯的结构元素的质量(mass)而不是在事故的情况下可以形成的，

-具有堆芯熔化物的横向传播的过渡阶段，其因组件外壳的熔化而发生，由此向邻接组件传播熔化。这被称作组件之间的“污染”机制，

-二级阶段，当这种污染延伸至堆芯的所有裂变组件时，同时形成分布广泛的浴。

在这种事故阶段期间，裂变材料的压实和再压实可导致高能功率激增，其会最终损害反应堆容器的机械特性。

可能有几种引发组件聚变的原因，例如：

-在到组件的钠供应中可能存在故障。这通常会以如下发生：在组件中损失循环钠的主泵而没有控制棒落下；或者其可以是局部的，在一个组件中具有供应缺陷(这种事故被称作局部瞬间完全堵流或更简单地TIB事故)，

-可能例如因控制棒的不需要的退回、二级冷却的损失或者气泡在堆芯中的通过而在组件中的温度中出现异常升高但是主泵正常运行。

在供应故障的情况下，在全部裂变高度上开始钠汽化且将包壳干燥，然后包壳熔化，其熔化的主要特征在于钢的垂直柱状流一旦与更冷的结构接触则冻结。这种“冻结”钢的聚集非常快速地形成致密的金属坩埚。然后，这种坩埚的活动性取决于包壳的连续熔化，直至其达到裂变柱的底部。在这种所谓的“去壳”阶段期间，形成部分上塞。这源于熔融钢和钠之间的相互作用现象以及钠蒸汽向上带走熔融钢。然后，该堵塞沿包壳的上熔化正面移动。

相反，在异常温度升高的情况下，未中断组件的钠供应，结果，熔融钢和钠之间的相互作用现象更强且更连续。

然后，用于由钠蒸汽向上带走熔融钢的机制更加有效。

这种上塞的逐渐形成降低了到组件的钠供应，直至其最终被消除，因为钠不能再向上逃逸，或者这样做更加困难。

然后，上塞下方的区域中的压力倾向于达到可与主泵升压相比较的值。

然后从底部排出组件。

在所述情形的剩下部分中，燃料芯块的坍塌倾向于形成在逐渐覆盖裂变柱高度的轴向上延伸的堆腔。与来自包壳的一部分熔融钢有关的接近裂变柱底部的燃料碎片的收集导致了下塞的形成。不能控制堆芯熔化物流动。

这种行为会最终损害反应堆容器的机械特性。其还会损害反应堆单元限制安全壳的机械特性。

然后产生的问题是控制堆芯熔化物流动。