[其他]煤球炉式核反应堆装料法和适用于此法的煤球炉式核反应堆

说明书

体发明是关于用裂变材料含量不同的球形燃料元件装填煤球炉式核反应堆的方法和适用于此法的煤球炉式核反应堆。

煤球炉式核反应堆的特点是：能够连续地从反应堆中卸出球形燃料元件，也就是说，从反应堆压力容器中撤出球状燃料元件。新的燃料元件则通过反应堆壳壁反射层内的装料管而填入。装料和卸料都是在反应堆全功率运行状态下连续进行的，或者确切地说，是准连续进行的。两次装料之间的时间间隔是如此之短，以至基本不会出现反应性的波动，这种波动必须通过追加入的中子吸收材料予以调节补偿。间隔时间的长短在几秒钟到几天之间。在这种类型的反应堆中，可以实现有利的功率密度分布和较高的效率。当然，在全功率运行状态下卸出燃料元件是需要较为昂贵的技术设备的。反应堆压力容器的外廓高度须达1～2米，以便能够包容漏斗状的球形燃料元件排出口、球体隔开装置和压力闸门。这些设备在进行修理时，是难以接近的。此外，移出所卸下的高放射性元件的设备也是耗资很大，因为必须进行遥控处理和振荡。卸料设备的运行和维护以及燃料元件的连续运出需要有固定的熟练工作人员。

众所周知，还有另一种间歇式（非连续的）装料的核反应堆。每隔一定时间，譬如一年中有几天或几周将停堆、冷却和减压，以便更换燃料元件。在两次装料过程之间的运行周期内，必须使用中子吸收剂，以调节补偿受燃料元件燃耗影响的反应性变化。通常采用附加的控制棒，如冷却材料中的硼酸或可燃的中子吸收材料。使用这些吸收材料可加重中子的耗费，从而降低转换率和增殖率。这种中子吸收材料的使用中，有时会由于控制棒从反应堆中错误地抽出而产生一定的安全风险。

本发明的基本任务是：提供这样一种反应堆装料方法，采用它不仅消除了经济上的缺点和所熟知的“间歇运行”的风险，而且也可避免运行状态下的复杂的卸料操作。

上述目的按照本发明可通过下述操作达到：间歇式地卸出球形燃料元件;在向反应堆装填燃料元件时，开始先用裂变材料含量相当高的燃料元件装填部份空心区，以便达到临界状态和预定的功率。随着燃料元件的燃耗增加，为补偿堆芯中裂变材料含量的减少，要连续地或准连续地补加燃料元件，直至充满空心区。为此要求有一个合适的煤球炉式的反应堆，其设计特点是：开始是部份装料，以后视燃耗情况而再补加装料。

从详细的权项要求中还可进一步推知其他特点。

在这种装料方式中，首次装料这样安排：若堆芯空心区开始是部分装料，适当的比例是1/4～2/3，特别是用燃料元件填满空心区的1/3时，则在反应堆的预定功率条件下可达到临界状态（有效增殖因数Ke＝1）。在随后的反应堆运行期间，将连续或准连续地装填新的燃料元件，而且需要适中地保持临界状态条件。当反应堆的堆芯空心区最后完全被填满时，则使反应堆停止运行，实施冷却和减压，然后将所有的燃料元件同时全部卸出。这种方式的卸料约在运行2～5年后进行一次，而在低功率密度反应堆情况下（这种反应堆可设计成热电厂），则可在运行15～30年后进行一次卸料。

对于这种一次全部卸出装料的方式，使用堆芯底部的球形卸料装置是有利的，但不是非要不可的。不用它，堆芯空白区也可借助于一种机械升降输送装置或按照吸尘器原理从上面被倒空。这种卸料装置可逐步地用于按这种方式运行的各种反应堆的倒空。

它们的生产成本相应地由各种反应堆的能耗费所决定，同样也取决于运行费和人员费，后两种费用是由于使用这些装置而需支付的。

在这种装料方式中，燃料元件的卸出要比普通的装料方式中的卸料操作大为简化，因为核反应堆被停止运行，加以冷却和减压。但同时，煤球炉式反应堆与其他反应堆相比还保持有自己的优点，即：不需使用中子吸收材料来限制由燃料燃烧循环所产生的过剩的反应堆。

从经济观点所要力求达到的是：在这种新型装料方式中，能够提供与采用普通装料方式的反应堆运转情况下相同的热功率。由于堆芯空心区开始只是部分装料，因而初始状态下的中等功率密度（与堆芯空心区完全充满时相比）必将增大。在此为了避免超过每个燃料元件的许可功率（5.7千瓦/球），在充满球形燃料元件的堆内容积中，应尽可能使功率密度呈现均匀的空间分布。这可通过下述的装料方式实现：开始装料时，至少要使用两种裂变材料含量不同的燃料元件。“初次装料”中，下面三分之二装填裂变材料含量比平均值低约12%的燃料元件;而上面三分之一则装填裂变材料含量高24%左右的燃料元件。