[发明专利]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

说明书

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插入挤水棒导向管内，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插入或抽出棒束控制棒组件，其余的燃料组件中可插入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，把挤水棒全部插入堆芯中，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系统的同时，设计了用于“谱移控制”的锆锡合金挤水棒系统，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系统和调硼系统来实现，同时设置了“机械谱移系统”，即在不插控制棒的燃料组件中插入16根Zr-4挤水棒，有控制棒的组件插入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“机械谱移系统驱动装置”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插入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。