Активная зона ядерного реактора и ядерный реактор

Активная зона ядерного реактора и ядерный реактор

Иллюстрации

Показать все

Реферат

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Настоящее изобретение относится к активной зоне ядерного реактора и к ядерному реактору.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Ядерные реакторы используются на электростанциях. Ядерные реакторы включают в себя реакторы на быстрых нейтронах. Реакторы на быстрых нейтронах это ядерные реакторы, которые, в основном, используют быстрые нейтроны, чтобы вызвать деление делящихся нуклидов для генерации выхода. Для охлаждения активной зоны используются натрий, свинцово-висмутовые сплавы и другие тяжелые металлы, а также газ. В традиционных ядерных реакторах деление происходит в активной зоне целиком для генерации выхода.

Активная зона ядерного реактора поддерживается в критическом режиме, и выход регулируется, например, управляющими стержнями. Управляющие стержни выполнены из материала, хорошо поглощающего нейтроны. В начале цикла выгорания, при вводе управляющих стержней в активную зону, по мере выгорания, управляющие стержни постепенно вытаскиваются для поддержания критического режима с одновременным поддержанием выхода. Таким образом, в ходе эксплуатации ядерного реактора управление необходимо для поддержания критичности ядерного реактора. Управление осуществляется для непрерывного поддержания критичности от начала цикла выгорания до конца цикла выгорания.

В японском патенте № 3463100 раскрыт ядерный реактор, не требующий управления для поддержания критичности в цикле выгорания. В этом ядерном реакторе применяется концепция выгорания, именуемая концепцией выгорания CANDLE (Constant Axial Shape of Neutron Flux, Nuclide Densities and Power Shape During Life of Energy Production). В концепции выгорания CANDLE, активная зона может, в целом, делиться на сырьевую зону, зону выгорания и выгоревшую зону. Зона выгорания перемещается к сырьевой зоне со скоростью, пропорциональной выходу по мере выгорание. В концепции выгорания CANDLE, по окончании одного цикла выгорания, топливо заменяется для следующего цикла выгорания. При замене топлива выгоревшее топливо можно изымать в аксиальном направлении активной зоны и свежее топливо можно загружать на конце с противоположной стороны конца на стороне выгрузки.

В концепции выгорания CANDLE, регулировка критичности не требуется. Кроме того, даже в отсутствие регулировки распределения мощности распределение мощности поддерживается, по существу, постоянным. По этой причине существует особенность, выражающаяся в том, что от начала до конца цикла выгорания не требуется управлять реактивностью активной зоны, например манипулировать управляющими стержнями.

Кроме того, существует особенность, выражающаяся в том, что коэффициент реактивности не изменяется, и не требуется изменять режим работы по мере выгорания.

БИБЛИОГРАФИЯ

ПАТЕНТНЫЕ ИСТОЧНИКИ

PLT 1: японский патент №. 3463100

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

ТЕХНИЧЕСКАЯ ПРОБЛЕМА

Применяя концепцию выгорания CANDLE в качестве метода сжигания топлива в ядерном реакторе, можно обеспечить ядерный реактор, в котором свойства активной зоны можно поддерживать, по существу, постоянными даже в ходе выгорания, управление работой упрощается, и аварийность снижается. Кроме того, нет необходимости размещать управляющие стержни в активной зоне, что исключает возможность аварии в случае ошибочного вывода управляющих стержней в течение периода эксплуатации. Кроме того, благодаря высокой степени выгорания при выгрузке топлива можно снизить количество отходов.

В концепции выгорания CANDLE, в качестве свежего топлива для второго цикла и последующих, можно использовать природный уран или только обедненный уран. Эти виды топлива являются субкритичными, что облегчает их транспортировку и хранение. Кроме того, можно использовать около 40% урана для генерации энергии без обогащения или переработки, что позволяет эффективно расходовать ресурсы. Кроме того, поскольку свежее топливо второго цикла и последующих не требует обогащения, переработки и т.д., существует особенность высокого сопротивления распространению.

В этом отношении, в концепции выгорания CANDLE, в общем случае, выход генерируется, по существу, по всему диаметру активной зоны. При этом согласно традиционной концепции выгорания CANDLE, плотность энерговыделения оказывается высокой в центральной части в диаметральном направлении, тогда как плотность энерговыделения снижается к периферийной части. По этой причине возникает проблема в том, что в периферийной части плотность энерговыделения по отношению к охлаждающей способности уменьшается, и невозможно добиться большой плотности энерговыделения в соответствии с охлаждающей способностью.

В традиционной концепции выгорания CANDLE, выгорание происходит быстрее в центральной части в диаметральном направлении, где плотность энерговыделения высока.

Количество выгружаемого топлива и количество загружаемого свежего топлива постоянны в диаметральном направлении, поэтому зона выгорания быстрее сдвигается к сырьевой зоне в центральной части, чем в периферийной части. По этой причине, возникает проблема в необходимости увеличения длины активной зоны в аксиальном направлении для достаточного включения зоны выгорания в активной зоне.

Настоящее изобретение имеет своей задачей обеспечение активной зоны ядерного реактора, которая может в достаточной степени повышать плотность энерговыделения периферийной части в диаметральном направлении до такой же величины, как в центральной части, что позволяет увеличить среднюю плотность энерговыделения активной зоны, что позволяет в достаточной степени сжигать топливо периферийной части помимо центральной части топлива в диаметральном направлении и позволяет уменьшать длину активной зоны в аксиальном направлении, и обеспечение ядерного реактора, содержащего эту активную зону.

РЕШЕНИЕ ПРОБЛЕМЫ

Первая активная зона ядерного реактора, отвечающего настоящему изобретению, представляет собой активную зону ядерного реактора, причем активная зона содержит сырьевую зону, куда загружается свежее топливо и зону выгорания, которая располагается с одной стороны от сырьевой зоны и которая генерирует нейтроны, обеспечивающие выгорание топлива, причем свежее топливо включает в себя, по меньшей мере, одну разновидность урана из природного урана и обедненного урана, причем уран поглощает нейтроны, в результате чего образуется плутоний, который распадается, генерируя выход, и зона выгорания перемещается по направлению к сырьевой зоне при поддержании, по существу, постоянной формы от начала до конца цикла выгорания, причем при делении активной зоны, которая является, по существу, круглой при рассмотрении в виде сверху, на центральную часть и периферийную часть, сырьевая зона формируется так, чтобы масса урана на единицу объема в центральной части становилась меньше, чем масса урана на единицу объема в периферийной части.

Согласно вышеописанному изобретению, сырьевая зона, предпочтительно, имеет массу урана на единицу объема активной зоны, которая постепенно уменьшается в направлении от периферийной части к центральной части.

Согласно вышеописанному изобретению, предпочтительно, активная зона содержит топливные сборки, имеющие сырьевые зоны, из топливных сборок, которые загружаются в центральную часть, и топливных сборок, которые загружаются в периферийную часть, по меньшей мере, топливные сборки, которые загружаются в центральную часть, содержат смесь урана и тория в сырьевой зоне, и содержание урана в сырьевой зоне топливных сборок, которые загружаются в центральную часть, меньше, чем содержание урана в сырьевой зоне топливных сборок, которые загружаются в периферийную часть.

Согласно вышеописанному изобретению, предпочтительно, активная зона содержит поддерживающие детали для поддержки топлива, и масса поддерживающих деталей на единицу объема центральной части больше, чем масса поддерживающих деталей на единицу объема периферийной части.

Согласно вышеописанному изобретению, предпочтительно, теплоноситель течет в центральной части и периферийной части, и количество теплоносителя на единицу объема центральной части больше, чем количество теплоносителя на единицу объема периферийной части.

Первый ядерный реактор, отвечающий настоящему изобретению, содержит вышеописанную первую активную зону ядерного реактора и корпус реактора, внутри которого располагается активная зона.

Вторая активная зона ядерного реактора, отвечающего настоящему изобретению, представляет собой активную зону ядерного реактора, причем активная зона содержит сырьевую зону, куда загружается свежее топливо, и зону выгорания, которая располагается с одной стороны от сырьевой зоны и которая генерирует нейтроны, обеспечивающие выгорание топлива, причем свежее топливо включает в себя, по меньшей мере, одну разновидность урана из природного урана и обедненного урана, причем уран поглощает нейтроны, в результате чего образуется плутоний, который распадается, генерируя выход, и зона выгорания перемещается по направлению к сырьевой зоне при поддержании, по существу, постоянной формы от начала до конца цикла выгорания, причем сырьевая зона содержит, по меньшей мере, один компонент активной зоны из составляющих веществ топливных таблеток, отличных от урановых, поддерживающие детали для поддержки топлива и теплоноситель. При делении активной зоны, которая является, по существу, круглой при рассмотрении в виде сверху, на центральную часть и периферийную часть, компоненты активной зоны, находящиеся в сырьевой зоне, формируются так, чтобы иметь более высокий коэффициент размножения нейтронов в бесконечной среде периферийной части по сравнению с центральной частью.

Согласно вышеописанному изобретению, компоненты активной зоны, находящиеся в сырьевой зоне, формируются так, чтобы коэффициент размножения нейтронов в бесконечной среде постепенно уменьшался в направлении от периферийной части к центральной части.

Второй ядерный реактор, отвечающий настоящему изобретению, содержит вышеописанную вторую активную зону ядерного реактора и корпус реактора, внутри которого располагается активная зона.

ПРЕИМУЩЕСТВА ИЗОБРЕТЕНИЯ

Согласно настоящему изобретению, можно обеспечить активную зону ядерного реактора, которая позволяет увеличить средняюю плотность энерговыделения активной зоны, что позволяет в достаточной степени сжигать топливо периферийной части помимо центральной части топлива в диаметральном направлении, и позволяет уменьшать длину активной зоны в аксиальном направлении, и обеспечить ядерный реактор, содержащий эту активную зону.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Фиг. 1 - схематический вид ядерного реактора согласно варианту осуществления.

Фиг. 2 - схематический вид сверху активной зоны ядерного реактора согласно варианту осуществления.

Фиг. 3 - схематический вид в перспективе топливной сборки согласно варианту осуществления.

Фиг. 4 - схематический вид в перспективе топливного стержня согласно варианту осуществления.

Фиг. 5 - схематический вид, поясняющий конфигурацию активной зоны и состояние выгорания топлива согласно варианту осуществления.

Фиг. 6 - график, поясняющий изменение коэффициента размножения нейтронов в бесконечной среде в зависимости от флюенса нейтронов топлива согласно концепции выгорания CANDLE.

Фиг. 7 - график, поясняющий соотношение между высотой активной зоны и коэффициентом размножения нейтронов в бесконечной среде топлива.

Фиг. 8 - вид, поясняющий изменение плотности энерговыделения активной зоны и замену топлива согласно варианту осуществления.

Фиг. 9 - вид, поясняющий плотность энерговыделения в зоне выгорания активной зоны согласно варианту осуществления.

Фиг. 10 - вид, поясняющий плотность энерговыделения в зоне выгорания активной зоны сравнительного примера.

Фиг. 11 - схематический вид, поясняющий конфигурацию активной зоны сравнительного примера и состояние выгорания топлива.

Фиг. 12 - график, поясняющий плотность энерговыделения активной зоны и температуру теплоносителя на выходе из активной зоны.

Фиг. 13 - схематический вид сверху другой активной зоны ядерного реактора согласно варианту осуществления.

Фиг. 14 - схематический вид сверху еще одной активной зоны ядерного реактора согласно варианту осуществления.

ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

Опишем, со ссылкой на фиг. 1 - 14, активную зону ядерного реактора и ядерный реактор, который содержит эту активную зону согласно варианту осуществления. Ядерный реактор согласно данному варианту осуществления является реактором на быстрых нейтронах, который может использовать быстрые нейтроны, чтобы вызывать деление плутония. Ядерный реактор согласно данному варианту осуществления является ядерным реактором электростанции и генерирует электроэнергию за счет тепла теплоносителя, который вытекает из ядерного реактора.

На фиг. 1 показан схематический вид ядерного реактора согласно данному варианту осуществления. Электростанция согласно данному варианту осуществления содержит ядерный реактор 1. Ядерный реактор 1 включает в себя корпус 9 реактора. Ядерный реактор 1 включает в себя активную зону 10, которая располагается внутри корпуса 9 реактора. Активная зона согласно настоящему изобретению представляет собой зону, где располагается, по меньшей мере, один из урана и тория. Активная зона иногда содержит продукты, полученные из урана и тория. Внутри корпуса 9 реактора течет теплоноситель. Согласно данному варианту осуществления, вокруг активной зоны 10 не располагается никакого отражающего материала, но изобретение этим не ограничивается. Отражающий материал также может располагаться вокруг активной зоны 10.

Теплоноситель, как указано стрелкой 112, втекает в корпус 9 реактора и проходит внутри активной зоны 10. Тепло активной зоны 10 передается теплоносителю. В ядерном реакторе 1 согласно данному варианту осуществления, теплоноситель течет от нижней стороны к верхней стороне активной зоны 10. Теплоноситель, который вытекает из активной зоны 10, вытекает из корпуса 9 реактора, как указано стрелкой 111.

В качестве теплоносителя можно использовать материал с малой способностью замедления нейтронов или способностью поглощения нейтронов. Согласно данному варианту осуществления, используется свинцово-висмутовый теплоноситель. Согласно данному варианту осуществления, теплоноситель выполняет функцию отражающего материала. В качестве теплоносителя ядерного реактора, помимо теплоносителя на основе свинца (жидкого металла), можно использовать натрий. Кроме того, можно использовать гелий или другой газообразный теплоноситель. Кроме того, в качестве теплоносителя на основе свинца можно применять чистый свиней вместо свинцово-висмутового сплава или выделенный изотоп свинца 208.

На фиг. 2 показан схематический вид сверху активной зоны ядерного реактора согласно данному варианту осуществления. В активную зону 10 загружены топливные сборки 21a-21d. В активной зоне ядерного реактора согласно данному варианту осуществления, топливные сборки расположены в правильном порядке. Активная зона 10 согласно данному варианту осуществления формируется, по существу, круглой формы при рассмотрении в виде сверху. Активная зона ядерного реактора этим не ограничивается. Она может быть сформирована в любой геометрической форме или круглой форме, оказываясь, по существу, круглой при рассмотрении в виде сверху.

Топливные сборки согласно данному варианту осуществления содержат первую топливную сборку 21a, которая содержит первое топливо, вторую топливную сборку 21b, которая содержит второе топливо, третью топливную сборку 21c, которая содержит третье топливо, и четвертую топливную сборку 21d, которая содержит четвертое топливо.

На фиг. 3 показан схематический вид в перспективе топливной сборки согласно данному варианту осуществления. В нижеследующей иллюстрации будет описана первая топливная сборка 21a, но вторая топливная сборка 21b, третья топливная сборка 21c и четвертая топливная сборка 21d имеют такую же конфигурацию независимо от ингредиентов топлива.

Каждая первая топливная сборка 21a включает в себя совокупность топливных стержней 22a. Топливные стержни 22a поддерживаются насадками 27 на своих концах в продольном направлении. Топливные стержни 22a поддерживаются совокупностью поддерживающих сеток 25. Насадки 27 и поддерживающие сетки 25 поддерживают топливные стержни 22a отдельно друг от друга. Согласно данному варианту осуществления, поддерживающие сетки используются для поддержания расстояния между топливными стержнями, но изобретение этим не ограничивается. Вместо поддерживающих сеток можно также использовать проволочные прокладки и т.д. Теплоноситель течет между топливными стержнями 22a и охлаждает топливные стержни 22a.

На фиг. 4 показан схематический вид в перспективе топливного стержня согласно данному варианту осуществления. На фиг. 4 показан топливный стержень, который выгорает от верхней стороны к нижней стороне. Материал оболочки показан частично удаленным. Топливный стержень 22a согласно данному варианту осуществления включает в себя материал оболочки 23a. Материал оболочки 23a формируется в форме трубки. Материал оболочки 23a выполнен, например, из нержавеющей стали. Топливный стержень 22a содержит первое топливо, состоящее из топливных таблеток 24aa, 24ab и 24ac. Топливные таблетки 24aa, 24ab и 24ac располагаются внутри материала оболочки 23a. Топливный стержень 22a герметично закрыт крышкой 29. Цилиндрическая пружина 28 давит на топливные таблетки 24aa, 24ab и 24ac сверху вниз.

Топливный стержень, показанный на фиг. 4, демонстрирует состояние в начале цикла выгорания. Совокупность топливных таблеток 24aa, 24ab и 24ac располагаются в следующем порядке: топливные таблетки 24aa, содержащие свежее топливо, топливные таблетки 24ab находящиеся на средней стадии выгорания, и полностью выгоревшие топливные таблетки 24ac. Сырьевая зона активной зоны определяется как зона топливных таблеток 24aa, содержащих свежее топливо. Зона выгорания активной зоны определяется как зона топливных таблеток 24ab, находящихся на средней стадии выгорания. Выгоревшая зона активной зоны образована выгоревшими топливными таблетками 24ac.

Таким образом, в топливном стержне 22a согласно данному варианту осуществления располагаются топливные таблетки 24aa, 24ab, 24ac с разной степенью выгорания. По окончании одного цикла выгорания, например, материал оболочки 23a срывается, и топливные таблетки выгоревшей зоны и другие топливные таблетки разделяются. Затем топливные таблетки, содержащие свежее топливо, и обнаженные топливные таблетки размещаются внутри нового материала оболочки, что позволяет формировать топливный стержень для следующего цикла выгорания.

Кроме того, для обнажения топливных таблеток можно также разрезать топливный стержень в каждой зоне, затем срывать материал оболочки 23a. Этот метод также можно использовать для обнажения топливных таблеток, находящихся в зоне выгорания и выгоревшей зоне.

Согласно фиг. 2 и фиг. 4, топливные таблетки 24aa, которые располагаются в сырьевой зоне первых топливных сборок 21a, не включают в себя торий, но включают в себя природный уран. Топливные таблетки, которые располагаются в сырьевых зонах вторых топливных сборок 21b, третьих топливных сборок 21c и четвертых топливных сборок 21d, включают в себя торий вместо части природного урана. Таким образом, топливные таблетки, которые располагаются в сырьевых зонах вторых топливных сборок 21b, третьих топливных сборок 21c и четвертых топливных сборок 21d, содержат смеси урана и тория. Топливо согласно данному варианту осуществления является металлическим топливом, но изобретение этим не ограничивается. Например, можно также использовать нитридное топливо и т.д.

Эти топливные сборки отличаются массой урана в свежем топливе. Виды топлива первых топливных сборок, вторых топливных сборок, третьих топливных сборок и четвертых топливных сборок формируются так, чтобы масса урана на единицу объема свежего топлива уменьшалась в этом порядке. Кроме того, виды свежего топлива первых топливных сборок, вторых топливных сборок, третьих топливных сборок и четвертых топливных сборок формируются так, чтобы масса тория на единицу объема топлива увеличивалась в этом порядке.

Первые топливные сборки 21a располагаются на внешней границе активной зоны 10. Внутри кольцевой области, где располагаются первые топливные сборки 21a, располагаются вторые топливные сборки 21b. Внутри кольцевой области, где располагаются вторые топливные сборки 21b, располагаются третьи топливные сборки 21c. Внутри кольцевой области, где располагаются третьи топливные сборки 21c, располагаются четвертые топливные сборки 21d. На оси активной зоны 10 располагаются четвертые топливные сборки 21d. Таким образом, активная зона согласно данному варианту осуществления имеет кольцевые области загруженных топливных сборок.

Согласно данному варианту осуществления, топливные сборки имеют одинаковую форму. Топливные сборки располагаются в правильном порядке с заранее определенными интервалами в активной зоне. Масса урана на единицу объема активной зоны постепенно уменьшается в направлении от периферийной части к центральной части. Здесь "единичный объем активной зоны" (единичный объем центральной части или единичный объем периферийной части) означает единичный объем, включающий в себя не только топливо, но и материал оболочки, теплоноситель и другие материалы, образующие активную зону.

На фиг. 5 показан схематический вид, поясняющий ход выгорания активной зоны согласно данному варианту осуществления. На фиг. 5 показан схематический вид в разрезе активной зоны в плоскости, проходящей в аксиальном направлении. На фиг. 5 показаны активная зона в начале цикла (BOC) n-го цикла и активная зона в конце цикла (EOC) n-го цикла по прошествии совокупности циклов выгорания. Кроме того, там показана активная зона по прошествии совокупности рабочих циклов при одной и той же длительности цикла и одном и том же методе замены топлива.

Ядерный реактор согласно данному варианту осуществления представляет собой ядерный реактор, в котором зона выгорания 12 перемещается к сырьевой зоне 11 от начала до конца цикла выгорания. Таким образом, активная зона согласно данному варианту осуществления отвечает концепции выгорания CANDLE. Скорость перемещения зоны выгорания 12 приблизительно пропорциональна плотности энерговыделения и обратно пропорциональна концентрации атомов топлива.

Активная зона 10 согласно данному варианту осуществления включает в себя сырьевую зону 11, зону выгорания 12 и выгоревшую зону 13. Сырьевая зона 11 это зона, в которой располагается свежее топливо. Зона выгорания 12 это зона, в которой спонтанно вырабатываются нейтроны и выгорает топливо. В зоне выгорания 12 происходит деление, благодаря чему, по существу, генерируется выход. Выгоревшая зона 13 это зона, в которой топливо выгорело и не генерируется почти никакого выхода. В активной зоне в начале n-го цикла сырьевая зона 11 располагается в нижней части активной зоны 10. Зона выгорания 12 располагается на верхней стороне сырьевой зоны 11. В зоне выгорания 12 располагается топливо, которое уже начало выгорать в предыдущем цикле. Согласно данному варианту осуществления, выгоревшая зона 13 располагается в активной зоне 10 в начале цикла, но изобретение этим не ограничивается. Выгоревшая зона 13 не обязана существовать.

В сырьевой зоне 11 топливные таблетки, содержащие свежее топливо, располагаются. Кроме того, как объяснено выше, в сырьевой зоне 11, топливные сборки располагаются так, чтобы содержание урана постепенно уменьшалось от периферийной части к центральной части активной зоны. Ось, где положение r в диаметральном направлении равно нулю, является осью активной зоны. При рассмотрении активной зоны в виде сверху топливные сборки располагаются так, чтобы масса урана на единицу объема активной зоны была минимальной на оси активной зоны и масса урана на единицу объема активной зоны постепенно возрастала к периферийной части.

Согласно данному варианту осуществления, зона выгорания 12 в начале цикла является зоной, где начинается выгорание. Топливо начинает выгорать от зоны выгорания 12 и, как указано стрелкой 101, продолжает выгорать по направлению к сырьевой зоне 11. При осуществлении выгорания n-го цикла и наступлении конца цикла зона выгорания 12 перемещается вниз, к нижнему концу активной зоны 10. Согласно данному варианту осуществления, выгорание продолжается, пока сырьевая зона 11 не будет израсходована. В конце цикла выгорания сырьевая зона 11 может сохраниться.

На фиг. 6 показан график, поясняющий соотношение между флюенсом нейтронов топлива и коэффициентом размножения нейтронов в бесконечной среде согласно данному варианту осуществления. По оси абсцисс отложен флюенс нейтронов, полученный интегрированием потока нейтрона по времени, а по оси ординат отложен коэффициент размножения нейтронов в бесконечной среде k_inf. Флюенс нейтронов это величина, соответствующая, например, выгоранию топлива. Согласно данному варианту осуществления, в качестве топлива используется природный уран. Природный уран содержит около 99,3% урана-238 и около 0,7% урана-235. Уран-238 поглощает нейтроны, и ядерное превращение происходит согласно следующей формуле 1. Уран-238 превращается в плутоний-239.

Формула 1

Вблизи нулевого значения флюенса нейтронов уран-238 поглощает нейтроны, благодаря чему вырабатывается плутоний-239. В связи с этим коэффициент размножения нейтронов в бесконечной среде возрастает. По достижении заранее определенный флюенса нейтронов возникают продукты деления (FP). Кроме того, отношение количества плутония-239 и т.д. к количеству урана-238 достигает постоянной величины, и коэффициент размножения нейтронов в бесконечной среде постепенно снижается. Таким образом, топливо согласно данному варианту осуществления имеет такое свойство, что коэффициент размножения нейтронов в бесконечной среде возрастает в начале выгорания, и коэффициент размножения нейтронов в бесконечной среде постепенно убывает после этого.

Кроме того, субкритичность природного урана велика, в результате чего часть активной зоны переходит в критическое или сверхкритическое состояние, большое количество нейтронов должно поглощаться ураном-238. Согласно данному варианту осуществления, выбор размера активной зоны и конструкция топливных сборок и топливных стержней должны удовлетворять этим условиям.

Используя такую конфигурацию активной зоны, можно реализовать концепцию выгорания CANDLE. Таким образом, можно формировать активную зону, в которой выход генерируется по всему диаметру активной зоны и в которой зона выгорания формируется в некоторой области в аксиальном направлении активной зоны.

На фиг. 7 показан график коэффициента размножения нейтронов в бесконечной среде, когда выгорание топлива осуществляется в активной зоне бесконечной высоты. По оси абсцисс отложена высота активной зоны, а по оси ординат отложен коэффициент размножения нейтронов в бесконечной среде топлива. Согласно данному варианту осуществления, как указано стрелкой 101, зона выгорания перемещается к сырьевой зоне. Зона выгорания включает в себя область, где коэффициент размножения нейтронов в бесконечной среде превышает 1. Высота активной зоны реального ядерного реактора конечна. В этом случае коэффициент размножения нейтронов в бесконечной среде на конце активной зоны немного отличается от графика, показанного на фиг. 7.

На фиг. 8 показан график, поясняющий ход выгорания активной зоны и замену топлива согласно данному варианту осуществления. На фиг. 8 показаны график активной зоны в начале и конце n-го цикла и график активной зоны в начале и конце (n+1)-го цикла. На графиках показаны плотность энерговыделения на оси активной зоны, концентрация урана-238 и концентрация продуктов деления.

Согласно фиг. 5 и фиг. 8, максимум плотности энерговыделения, указанный стрелкой 101, перемещается к нижней части активной зоны, где располагается сырьевая зона 11.

Зона выгорания согласно данному варианту осуществления перемещается по направлению от верхнего конца к нижнему концу активной зоны. Скорость, с которой перемещается зона выгорания, то есть скорость, с которой перемещается максимум плотности энерговыделения, составляет, например, несколько см в год. Таким образом, зона выгорания перемещается медленно. Концентрация урана-238 уменьшается на выходной стороне зоны выгорания вследствие ядерного превращения. Кроме того, концентрация продуктов деления увеличивается на выходной стороне зоны выгорания вследствие деления. Согласно данному варианту осуществления, выгорание топлива заканчивается, когда зона выгорания достигает, по существу, нижнего конца активной зоны.

В активной зоне в начале (n+1)-го цикла, как указано стрелкой 117, зона выгорания, которая располагается в нижней части активной зоны в n-ом цикле, располагается в верхней части активной зоны и используется как зона для начала выгорания. В активной зоне в (n+1)-ом цикле сырьевая зона 11 вновь расположена внизу активной зоны. Благодаря такой замене топлива топливо в активной зоне может одинаково выгорать в n-ом цикле и в (n+1)-ом цикле.

В активную зону согласно данному варианту осуществления загружается топливо, содержащее торий. Ядерная реакция тория показана в нижеследующей формуле 2.

Формула 2

Торий-232 превращается в уран-233 за счет поглощения нейтрона и двойного β-распада. Уран-233 является делящимся нуклидом. Максимальное значение коэффициента размножения нейтронов в бесконечной среде топливной сборки, содержащей торий вместо урана, оказывается меньше, чем коэффициент размножения нейтронов в бесконечной среде топливной сборки, содержащей только уран. Здесь "максимальное значение коэффициента размножения нейтронов в бесконечной среде" означает коэффициент размножения нейтронов в бесконечной среде, который достигает максимума при изменении коэффициента размножения нейтронов в бесконечной среде по мере выгорания (см. фиг. 6). Чем больше тория содержится в свежем топливе, тем меньше максимальное значение коэффициента размножения нейтронов в бесконечной среде. Регулируя содержание тория, можно регулировать коэффициент размножения нейтронов в бесконечной среде топливной сборки.

На фиг. 9 показан график плотности энерговыделения зоны выгорания в активной зоне согласно данному варианту осуществления. На фиг. 9 показан схематический вид в разрезе активной зоны в плоскости, проходящей в аксиальном направлении, и показаны линии одинаковой плотности энерговыделения (контурные линии). Согласно данному варианту осуществления, масса урана на единицу объема активной зоны постепенно уменьшается от периферийной части к центральной части в диаметральном направлении активной зоны. Кроме того, содержание тория постепенно увеличивается от периферийной части к центральной части в диаметральном направлении активной зоны. По этой причине все контурные линии проходят по вертикали к оси активной зоны и являются, по существу, плоскими. Плотность энерговыделения оказывается, по существу, постоянной в диаметральном направлении. Значение плотности энерговыделения, интегрированное в аксиальном направлении, может быть сглажено в диаметральном направлении. Таким образом, распределение мощности в диаметральном направлении можно сделать, по существу, постоянным. Кроме того, величина облученности топлива нейтронами оказывается, по существу, постоянной в диаметральном направлении. Кроме того, выгорание топлива за единицу времени оказывается, по существу, постоянным в диаметральном направлении.

В этом отношении, в концепции выгорания CANDLE, топливо, загружаемое в активную зону, можно сделать полностью одинаковым по составу. Например, можно также формировать активную зону с использованием только топливных сборок, содержащих определенные количества природного урана и вовсе не содержащих тория. Здесь, в порядке сравнительного примера, опишем случай активной зоны, составленной только из топливных сборок, содержащих определенные количества природного урана и вовсе не содержащих тория.

На фиг. 10 показан график плотности энерговыделения зоны выгорания в активной зоне сравнительного примера. Плотность энерговыделения уменьшается в наружную сторону в диаметральном направлении. Кроме того, положение зоны выгорания в аксиальном направлении соответствует положению, отстающему в наружную сторону в диаметральном направлении, то есть вверх.

На фиг. 11 показан схематический вид активной зоны сравнительного примера. В активной зоне сравнительного примера зона выгорания приобретает выпуклость в направлении распространения. По этой причине топливо, которое располагается в периферийной части в диаметральном направлении, выгружается независимо от того, полностью ли оно выгорело. Удельное выгорание топлива, расположенного в периферийной части активной зоны, уменьшается. В частности, удельное выгорание топлива уменьшается при малой высоте активной зоны.

Согласно фиг. 9, в активной зоне согласно данному варианту осуществления, плотность энерговыделения в диаметральном направлении, по существу, постоянна, благодаря чему топливо выгорает, по существу, равномерно от центральной части к периферийной части активной зоны. Положение зоны выгорания в аксиальном направлении оказывается, по существу, постоянным независимо от положения в диаметральном направлении. По этой причине даже топливо, которое располагается в периферийной части активной зоны, может полностью выгорать при малой высоте активной зоны. В результате удельное выгорание топлива может возрастать.

Кроме того, в концепции выгорания CANDLE, удельное выгорание топлива увеличивается по сравнению с традиционной концепцией выгорания. По этой причине топливные сборки облучаются большим количеством нейтронов. Таким образом, иногда флюенс быстрых нейтронов, которыми облучаются топливные сборки, чрезмерно увеличивается, и величина облученности деталей поддержки топлива нейтронами превышает допустимые пределы. В таком случае можно временно выгрузить топливные сборки, заменить детали поддержки топлива и снова загрузить топливные сборки в активную зону. Детали поддержки топлива являются компонентами для поддержки топлива. Можно проиллюстрировать материал оболочки и поддерживающие сетки.

В активной зоне сравнительного примера, по истечении определенного времени эксплуатации, флюенс быстрых нейтронов, облучающих топливные сборки, расположенные в центральной части, увеличивается, тогда как флюенс быстрых нейтронов, облучающих топливные сборки, расположенные в периферийной части, уменьшается. По этой причине при замене поддерживающих деталей детали поддержки топлива необходимо заменять на топливных сборках, загруженных в периферийную часть, даже при малой величине облученности быстрыми нейтронами. Кроме того, при выгрузке топливных сборок центральной части из активной зоны и замене поддерживающих деталей можно повторно загружать их, не заменяя поддерживающие детали топливных сборок, загруженных в периферийную часть, но в этом случае необходимо заменять поддерживающие детали топливных сборок в периферийной части по истечении заранее определенного периода выгорания.

Напротив, в активной зоне согласно данному варианту осуществления, флюенс облучающих быстрых нейтронов оказывается, по существу, одинаковым для топливных сборок, которые располагаются в центральной части, и топливных сборок, которые располагаются в периферийной части. Критические значения флюенса быстрых нейтронов для замены поддерживающих деталей достигаются, по существу, одновременно. По этой причине, совершая единичную операцию выгрузки, можно заменить поддерживающие детали топливных сборок в центральной части и в периферийной части. Кроме того, можно заменять поддерживающие детали в оптимальные моменты времени. Таким образом, активная зона согласно данному в