沸水型核反应堆堆芯及其控制方法 本发明涉及用于发电站的沸水型核反应堆的反应堆堆芯和控制棒系统。
作为用于发电站的最新沸水型核反应堆的先进沸水型核反应堆(下文简称为ABWR)的堆芯，如图8所示，由在格架结构中排列的燃料组件2以及在各燃料组件2之间的控制棒4组成。每个燃料组件2由多个燃料棒和通道箱1构成。控制棒4用于在运行和反应堆的紧急停堆(快速停堆)以及反应堆停堆时对反应强度进行控制。控制棒4利用配置在核反应堆压力容器下部的驱动机构插在用作上述燃料组件2外壁的各通道箱之间。
图9和10表示控制棒4的结构。控制棒4由棒体和由棒体沿四个方向延伸的控制棒翅片3构成。每一控制棒翅片3有中子吸收体8插入其中，而且控制棒翅片3被插入堆芯内侧，以便吸收过量的中子，从而控制过强的反应性。
日本专利JPA6-17487公开了一种采用大尺寸燃料组件的技术，其维持热容限和反应堆停堆容限，因此装入到堆芯中的燃料组件可以尺寸上做得大，燃料组件的数量降低，从而实现节省更换燃料的工作量。
如图11所示，在大尺寸的燃料组件的堆芯中，控制棒4的位置与在常规的格架结构堆芯中相同，但是控制棒旋转45°，大尺寸的燃料组件配置在控制棒内侧。因此，该大尺寸地燃料组件对应于2个常规的燃料组件。此外，从保证反应堆停堆容限安全性的观点出发，控制棒的各翅片3按大尺寸制成，并沿燃料组件的对角线配置在各通道箱1之间。
然而，上述常规技术存在如下的问题留待解决。
即，虽然通过按大尺寸制造燃料组件而降低了燃料组件的数量，但控制棒的数量几近等于常规电站中的数量。为了保证大尺寸燃料组件的停堆容限足够安全，要增加控制棒的翅片长度，因此，控制棒的成本增加，从而使电站整体成本增高。
此外，为了使燃烧程度和铀的节约达到更高标准，要增加相当的装入燃料和Gd燃料棒的数量，并降低反应堆停堆容限。
本发明的目的是提供一种沸水型核反应堆堆芯，其装有的控制棒能保证足够的控制棒性能，不必大大地改变设备从而使制造成本提高；还提供该堆芯的控制方法。
根据本发明，为了实现上述目的，在一沸水型核反应堆堆芯中，装有每个都封装在通道箱中的多个燃料组件，而且每个都带有控制翅片的多个控制棒被配置在各通道箱之间。每个都带有沿4个方向延伸的控制棒翅片的一些长翅片式控制棒，沿每个由多个燃料组件形成的方形束棒区的对角线方向被配置在各通道箱之间；而且每个都带有其长度约为该方形束棒区宽度之半的控制棒翅片的一些短翅片式控制棒，被配置在每一方形束棒区中心处的各通道箱之间。
根据本发明，在长翅片式控制棒中，通过增加翅片长度使其中长翅片式控制棒覆盖燃料组件的区域增加，作为单一控制棒的控制棒性能会提高。因此，由于控制棒本身尺寸变大，故在一个控制棒不能插入的情况下，遗留有保证反应堆停堆容限的安全问题。
为了解决这个问题，当其中一个长翅片式控制棒拔出时，可以分解方式得到反应强度的变化。图3A和3B表示与常规技术的格架结构相比，当控制棒中的一个(6，4)被拔出时燃料组件的不可控区。在图3A和3B中，按这一实例被拔出的控制棒6，4，对应于被卡住的控制棒(未插入的)或由于误操作而拔出的控制棒。从反应堆停堆容限的观点出发，各种情况实质上是彼此相同的。
由于本发明提出的大尺寸的格架装燃料组件对应于4个常规的燃料组件，并且大尺寸的燃料组件被分成4个组(下文称之为小型棒束)，即，由于由长翅片式控制棒翅片限定的方形束棒区是由4个大尺寸的燃料组件构成的，而且每个大尺寸的燃料组件又分成4个小型的棒束，故在各小型棒束区中由控制棒造成的不可控制区，在图上用半暗的部分表示。
在每一小型棒束区指定的数码1、2、3、4，代表在装料之后第一循环、第二循环、第三循环和第四循环中的燃料。在图中用数码1-4表示燃料装料方式的实例，这种方式是根据如下各点提出的实际燃料配置的一个实例：
不必进行构成燃料组件的各小型棒束的重新配置，以避免增加更换燃料的工作量，以及
应当避免围绕一个控制棒的同一循环(在严格条件下)的各棒束的集中。
在常规的格架结构中，不可控区是一包括该控制棒的菱形区，然而在本发明中，它包含不同于上述菱形区的4个小的菱形区(用半暗部分表示)，而且停堆容限似乎被减少。然而，由于这些小的菱形区被与其邻近的短翅片式控制棒7和长翅片式控制棒6所围绕，所以预期这些区域会受到这些短翅片式控制棒翅片和长翅片式控制棒翅片的影响，而且在该区域内对反应堆停堆容限降低的影响是小的。根据分解结果，与常规的格架结构相比，本发明中的反应堆停堆容限的降低量为1％ΔK或者更小，反应堆停堆容限几乎与常规的格架结构相同，并已发现，反应堆停堆容限可以保证。
因此，使用长翅片式控制棒能够增加作为单一棒的控制棒性能，使得控制棒的数量和控制棒驱动装置的数量可以大为减少，减少的数量对应于控制棒性能的增加，并可以降低成本。此外，由于降低了控制棒的数量和控制棒驱动装置的数量，所以该控制系统可以简化。
图1为表示本发明实施例的燃料组件和控制棒配置的示意图；
图2为根据本发明的控制棒配置的示意图；
图3A和3B分别为表示本发明和常规技术的格架结构的示意图，用以结合反应堆停堆容限将根据本发明的不可控制区和常规堆芯格架结构的不可控制区进行比较；
图4为表示B10浓缩度和反应堆停堆容限之间相互关系的曲线图；
图5为部分常规堆芯的示意图；
图6为根据本发明另一实施例的部分堆芯的示意图；
图7A为根据本发明再一实施例的部分堆芯的示意图；
图7B为用在图7A所示堆芯中的水冷棒的竖直断面图；
图8为常规反应堆的断面图；
图9为控制棒的透视图；
图10为沿图9中断面线X-X所取的控制棒断面图；
图11A为常规格架结构燃料的示意图；以及
图11B为常规大尺寸的格架结构燃料的示意图。
下面将参照附图解释本发明的各实施例。
图1表示本发明的一个实施例。在本实施例的沸水型核反应堆中，装有每个都由通道箱1围绕的多个燃料组件2以及多个控制棒，该控制棒带有许多控制棒翅片，每一控制棒翅片被配置在各通道箱之间；各长翅片式控制棒6中每个都带有分别沿4个方向延伸的控制棒翅片，各控制棒沿每一方形束棒区〔每一区由多个(在这一实施例中为4个)燃料组件2组成〕的对角线方向配置在各通道箱之间；以及各短翅片式控制棒7，每个都被配置在每一方形束棒区中在该区中心处的各通道箱之间，而且每个短翅片式控制棒7的翅片长度(沿横向)例如约为各方形束棒区之一的宽度之半，基本上与上述每个燃料组件的宽度相同。
按照这种结构，如上所述，在沿对角线方向配置在各通道箱之间的长翅片式控制棒6中，每个棒的控制棒性能将提高，而且控制棒的数量和控制棒驱动装置的数量的减少对应于控制棒性能的增加，从而使得成本可以降低。定量上讲，与常规的格架结构相比，控制棒的数量可以减少25％。
图2表示在整个反应堆堆芯范围内的控制棒配置情况。符号○表示长翅片式控制棒6，符号·表示短翅片式控制棒7。已经发现，与常规装置相比，控制棒的数量和控制棒驱动装置的数量可以大量减少，控制棒系统可以简化。此外，如在本发明概要中前面解释的那样，反应堆停堆容限可以易于保证，而且控制棒的数量可以减少。其结果是，用于保证反应堆停堆容限的Gd未遗留，而且不装低物料量燃料，因而大大提高其经济性。
此外，在本实施例中，通过共用各控制棒的作用，而使沿对角线方向配置的长翅片式控制棒用于反应堆停堆，且在中心位置的短翅片式控制棒用于在运行过程中和紧急停堆时控制反应强度，该系统可以合理化和简化，电站整体费用可以降低。
此外，在用于控制反应强度的短翅片式控制棒中，通过使用由具有高反应性效果的材料(B10)构成的中子吸收体，短翅片式控制棒的控制棒性能将提高，并可以提高紧急停堆特性和反应强度控制特性。
此外，由于沿对角线方向配置的长翅片式控制棒未用于紧急停堆，故高速紧急停堆等的控制系统可以省略，使得可以使用低成本的液压驱动系统，因此成本可大幅度降低。
此外，在上述实施例中，可以共用各控制棒的作用，而使沿对角线方向配置的长翅片式控制棒用于在运行过程中控制反应强度和用于反应堆停堆，而且中心的短翅片式控制棒7用于紧急停堆。在这种情况下，如上所述，该系统可合理化和简化，从而可以预期降低成本。
此外，在图1所示的配置中，作为下面针对用在控制棒中的中子吸收体进行解释的另一实施例，在该实施例中，提高了在控制棒上部区域处的控制棒反应性能。特别是在这一实施例中，配置在方形束棒中心部位的短翅片式控制棒中的B10的浓缩，是在该上部区域中的相对高地形成。
通常，在沸水型核反应堆中，由于在运行过程中反应堆的上部区域空隙率较高，所以中子能谱曲线被硬化，且由于中子吸收而促进Pu239的生成。因此，在反应堆的上部可裂变材料的浓缩度变高，且在该区域的反应堆停堆容限相对降低。
在本实施例中，控制棒上部区域中B10的浓缩由于核反应堆芯上部区域中反应堆停堆容限相对降低而增加，从而使反信停堆容限可以增加，如图4所示。此外，由于所使用的B10的量可以降低，故其制造成本可以降低。因此电站整体的总费用可以降低。
图5和6分别表示常规技术的部分堆芯和根据本发明的部分堆芯，每个都适用于按9×9的燃料棒格架结构。图6所示实施例中的大尺寸的燃料组件由4个小型棒束构成，其中每一棒束的棒束宽度约12英寸(30.5厘米)，如目前在BWR和ABWR中所采用的那样。正如在前述实施例中一样，在图6所示本实施例中，由于减少了控制棒的数量而使电站的费用可以大为降低。此外，由于控制棒的作用共用，故控制棒系统可以简化，而且电站的整体费用可以大为降低。虽然未加说明，8×8和10×10的燃料棒格架结构也是可以采用的。
图7A和7B表示本发明的另一实施例。在这一实施例中，构成如图1所示方形束棒区的各燃料组件2中每个组件都具有9个水冷棒11，如图7A中所示。如图7B中所示，每个水冷棒11具有上行的流动通道12和下行的流动通道13，该上行和下行的流动通道12和13分别连通到流入口14和流出口15，而且流入口14位于在比流出口15为低的一位置处。
在这一实施例中每一水冷棒中的水的密度按照水通过燃料组件的流量会发生很大变化。即在堆芯中水的流量小的状态下，由于在水中产生的蒸汽量大于在控制棒中流动的水量，所以水冷棒内充满了蒸汽。当水的流量增加时，在水冷棒中流动的水量超出在其中产生的蒸汽量，从而使水冷棒内侧充满水。因此，起始燃烧阶段在低流量下运行时水冷棒内侧充满蒸汽，所以，在燃料组件内侧的水的平均密度下降，以致于中子能谱曲线被硬化，因而促进Pu239的生成。
另一方面，由于水冷棒在最终燃烧阶段按高流量运行而充满水，故在燃料组件内侧的水的平均密度增加，中子能谱曲线被软化，从而在按低流量运行时能够有效地燃烧所生成的Pu239，且燃料的经济利用提高。即，由于在起始燃烧时过量的中子可用于生成Pu239，而在运行过程中通过吸收过量的中子可使反应强度的控制降低，故可以降低短翅片式控制棒的数量，从而使进一步降低成本。此外，由于通过使燃料组件尺寸加大可以配置大量的水冷棒，所以Pu239的有效利用效率增加，燃料经济利用程度可大为提高。
在本发明中，由于每个燃料组件尺寸都可做得如图1所示燃料组件那样大，从燃料经济利用的观点出发，在每个燃料组件内侧装设这样的水冷棒是有效的，即每个水冷棒的截面积对应于几个燃料棒的截面积。此外，由于配置在控制棒翅片内侧的中子吸收体的作用，通过在面向燃料组件2的中心侧部分的部位使用控制棒性能变高的这种材料，可以改善反应堆停堆容限。
根据本发明，在不降低控制棒性能的情况下可明显降低控制棒的数量。此外，由于控制棒的作用可以共用，所以控制系统可简化和合理化，而且电站费用可以降低。