含回收鈾和貧化鈾的核燃料以及包含該核燃料的核燃料棒束和核反應堆

背景技術(shù)：
核反應堆是通過核鏈式反應（例如核裂變）而產(chǎn)生能量的，在這個核鏈式反應中，一個自由中子被核燃料（例如，鈾-235(235U)）中的裂變原子吸收。當自由中子被吸收后，裂變原子分裂成多個較輕的原子，并釋放出更多的自由中子，這些自由中子被其他裂變原子吸收，從而形成核鏈式反應，這在業(yè)界是熟知的。核鏈式反應產(chǎn)生的熱能通過很多方式轉(zhuǎn)化為電能，這在業(yè)界也是熟知的?，F(xiàn)有適合燃燒具有低裂變物質(zhì)含量水平（例如，裂變含量水平相當于天然鈾）的核電反應堆已經(jīng)產(chǎn)生出很多新的可燃核燃料來源。這些新來源包括來自反應堆的廢棄鈾或回收鈾。無論是基于節(jié)約成本的立場，還是基于可將乏鈾回收到燃料循環(huán)中的立場，這些新來源都是有吸引力的。但是，回收乏核燃料的立場與在寶貴且有限的核廢料容器設施中處理乏核燃料形成鮮明的對照。由于這些或其他原因，核燃料以及支持回收核燃料和在核反應堆中燃燒這些燃料的核燃料處理技術(shù)繼續(xù)成為受歡迎的核技術(shù)補充。

技術(shù)實現(xiàn)要素：
在本發(fā)明的一些實施例中，提供一種用于核反應堆的燃料。所述燃料包括第一燃料組分和第二燃料組分。第一燃料組分是回收鈾。第二燃料組分是貧化鈾且與第一燃料組分混合。所述混合的第一和第二燃料組分具有小于1.2wt%的235U的裂變物質(zhì)含量。本發(fā)明一些實施例提供了一種用于核反應堆的燃料。所述燃料包括第一燃料組分和第二燃料組分。第一燃料組分是回收鈾。第二燃料組分是天然鈾且與第一燃料組分混合。所述混合的第一和第二燃料組分具有小于1.2wt%的235U的裂變物質(zhì)含量。在本發(fā)明的一些實施例中，提供了核反應堆的燃料棒束，其包括多個燃料元件，每個燃料元件包括第一燃料組分，其中第一燃料組分是回收鈾；以及第二燃料組分，其中第二燃料組分是貧化鈾和天然鈾至少其中之一。所述第一燃料組分與所述第二燃料組分混合。其中，所述混合的第一和第二燃料組分具有的低于1.2wt%的235U的第一裂變物質(zhì)含量。本發(fā)明的一些實施例提供了核反應堆的燃料棒束，其中所述燃料棒束包括含回收鈾的第一燃料元件，所述第一燃料元件具有不低于0.72wt%的235U的第一裂變物質(zhì)含量；以及第二燃料元件，所述第二燃料元件包含貧化鈾和天然鈾至少其中之一。所述第二燃料元件具有不高于0.71wt%的235U的第二裂變物質(zhì)含量。在一些實施例中，在此描述的任何一種燃料棒束和方法使用于加壓重水反應堆中。其中，所述燃料棒束位于一根或多根容納有加壓流體的管內(nèi)，所述加壓流體流過所述燃料棒束，吸收所述燃料棒束的熱量并在所述燃料棒束下游做工。通過考慮下面的詳細說明和相關(guān)附圖，本發(fā)明的其他方面將變得更為明顯。附圖說明圖1是根據(jù)本發(fā)明第一實施例的核燃料棒束的橫截面示意圖，示出了核燃料棒束內(nèi)的多個可能的燃料結(jié)構(gòu)。圖2是根據(jù)本發(fā)明第二實施例的核燃料棒束的橫截面示意圖，也示出了核燃料棒束內(nèi)的多個可能的燃料結(jié)構(gòu)。圖3是根據(jù)本發(fā)明第三實施例的核燃料棒束的橫截面示意圖，也示出了核燃料棒束內(nèi)的多個可能的燃料結(jié)構(gòu)。圖4是根據(jù)本發(fā)明第四實施例的核燃料棒束的橫截面示意圖，也示出了核燃料棒束內(nèi)的多個可能的燃料結(jié)構(gòu)。圖5是應用圖1-4的任何一個燃料棒束的核反應堆的示意圖。具體實施方式對本發(fā)明實施例進行描述之前，應當理解，本發(fā)明不限于以下描述所闡述的或以下附圖所例示的實施例細節(jié)和元件布置。本發(fā)明可采取其他實施例并可通過不同方式被實施。多種核燃料按照本發(fā)明多個實施例的形式公開于此。這些核燃料可用于各種不同的核反應堆，這里參考加壓重水反應堆進行描述。這些反應堆可具有，例如，放置燃料的加壓水平或豎直管。這樣的反應堆的一個例子就是加拿大氘鈾核反應堆（CanadianDeuteriumUranium,CANDU），圖5示意性地顯示出其中一部分。其他類型的反應堆可具有帶孔的非加壓水平或豎直管。加壓重水核反應堆僅是可燃燒本發(fā)明各種核燃料的反應堆的一種。因此，這種反應堆僅以實例進行描述，可以理解，本發(fā)明的各種核燃料可以在其他核反應堆中燃燒。類似地，本發(fā)明這里所描述的各種燃料可以任何形式放置在核反應堆中用以燃燒。僅舉例來說，所述燃料可裝在管內(nèi)或者或者可被包含在其它縱長物內(nèi)(通?？煞Q作“細棒”或“元件”，為了簡化說明，在此僅稱為“元件”)。本發(fā)明一些實施例中使用的元件的例子在圖1-4中以標號22標示，且詳述如下。如果燃料容納在管內(nèi)，所述管可由下列材料制成或包含鋯、鋯合金，或者在某些情況具有低中子吸收特點的其它適合的材料或材料的組合。在核反應堆中，多個元件可共同形成一個燃料棒束。這種燃料棒束在圖5中以標號14表示。每一燃料棒束14的元件在棒束中可彼此平行地延伸。如果反應堆包括多個燃料棒束14，這些燃料棒束14可被端對端的放置在壓力管18中。在其他類型的反應堆中，燃料棒束14可以其它希望的方式排列。繼續(xù)參考圖5，當反應堆10處于工作時，重水冷卻劑26流過燃料棒束14以冷卻燃料元件，移除裂變過程中產(chǎn)生的熱量。本發(fā)明的核燃料也可用在其熱傳輸和慢化劑系統(tǒng)中具有不同液體/氣體組合的壓力管反應堆中。無論如何，從核燃料吸收熱量的冷卻劑26可將該熱量傳遞至下游設備（例如，蒸汽發(fā)生器30）以驅(qū)動原動機（例如，渦輪34）以產(chǎn)生電能。于1996年4月25日申請的加拿大第2,174,983號專利申請描述了用于核反應堆的燃料棒束的幾種實例，這些燃料棒束可包括本文所述的任一核燃料。加拿大第2,174,983號專利申請的內(nèi)容以引用的方式結(jié)合于本專利中。本發(fā)明的各種核燃料可以與一種或多種其他材料結(jié)合使用（例如，混合）。無論單獨使用或與其他材料結(jié)合使用，所述核燃料可以為顆粒形、粉體形、其他合適形狀或者形狀的組合。在一些實施例中，本發(fā)明的燃料采取棒狀形式，比如棒狀燃料壓成希望的形狀、棒狀燃料包含在其他材料基質(zhì)中等。另外，根據(jù)本發(fā)明的燃料組成的燃料元件可包括管、棒和/或其他類型元件的組合。如下文更詳細的描述，本發(fā)明不同實施例的燃料可以包括不同的核燃料組合，例如貧化鈾(depleteduranium,DU)、天然鈾(naturaluranium,NU)以及再加工或回收鈾(recycleduranium,RU)的不同組合。除非另有說明，如說明書和所附權(quán)利要求中所用到的，包括在核燃料中的材料組成的“百分比”是指重量百分比。此外，如本文所定義的，DU具有從近似0.2wt%到近似0.5wt%（包括近似0.2wt%和近似0.5wt%）的235U的裂變物質(zhì)含量。NU具有近似0.71wt%的235U的裂變物質(zhì)含量。RU具有近似0.72wt%到近似1.2wt%（包括近似0.72wt%和近似1.2wt%）的235U的裂變物質(zhì)含量?；厥这櫾偬幚砘蚧厥这櫍≧U）是由使用輕水堆（LWRs）的核電生產(chǎn)中產(chǎn)生的乏燃料制造而成的。乏燃料中含有極少量的鈾。因此，乏燃料的化學再處理后分離出來的鈾，這在業(yè)界稱為再處理或回收鈾。天然鈾（NU）僅含有三種同位素234U、235U和238U。然而，在LWR中輻照和冷卻后，得到的RU具有與天然鈾不同的同位素組成。具體而言，RU包括四種并不存在于天然鈾中的額外的鈾同位素236U、232U、233U和237U(一般稱為雜質(zhì))。因此，這四種額外的同位素的出現(xiàn)可以被視為RU的標志。也應當理解的是，RU的同位素組成與許多因素有關(guān)，例如輻照之前的燃料（即，新燃料）的初始235U含量、燃料的來源、燃燒燃料的反應堆的類型、反應堆內(nèi)的燃料的輻照歷史（例如，包括燃耗）以及輻照后的燃料的冷卻和存儲時間。例如，絕大多數(shù)輻照后燃料會在特別設計的池中經(jīng)過至少5年時間的冷卻以確保輻射安全。然而，冷卻時間可被延長至10至15年或更久。RU經(jīng)常包含由燃料包殼、燃料參雜以及用在RU上的分離和凈化方法引入的化學雜質(zhì)（例如，釓（Gadolinum））。這些化學雜質(zhì)可能包括非常少量的超鈾同位素(transuranicisotope)，例如，钚(Plutonium)-238(238Pu)、239Pu、240Pu、241Pu、242Pu,镎(Neptunium)-237(237Np)、镅(Americium)-241(241Am)、鋦(Curium)-242(242Cm)以及裂變產(chǎn)物，例如，鋯-95/鈮-95(95Zr/95Nb)、釕(Ruthenium)-103(103Ru)、106Ru、銫(Cesium)-134(134Cs)、137Cs和锝(Technetium)-99(99Tc)。經(jīng)常出現(xiàn)在RU中的其他雜質(zhì)包括鋁(Aluminum(Al))、硼(Boron(B))、鎘(Cadmium(Cd)),鈣(Calcium(Ca)),炭(Carbon(C))、氯(Chlorine(Cl))、鉻(Chromium(Cr))、銅(Copper(Cu))、鏑(Dysprosium(Dy))、氟(Flourine(F))、鐵(Iron(Fe))、鎂(Magnesium(Mg))、錳(Manganese(Mn))、鉬(Molybdenum(Mo))、鎳(Nickel(Ni))、氮(Nitrogen(N))、磷(Phosphorous(P))、鉀(Potassium(K))、硅(Silicon(Si))、鈉(Sodium(Na))、硫(Sulphur(S))和釷(Thorium(Th))。貧化鈾如上所述，貧化鈾(DU)具有從近似0.2wt%到近似0.5wt%（包括近似0.2wt%和近似0.5wt%）的235U的裂變物質(zhì)含量。DU主要是由同位素鈾-238(238U)和鈾-235(235U)構(gòu)成的鈾。與之相比，天然鈾（NU）包括近似99.28wt%的238U、近似0.71wt%的235U和近似0.0054wt%的234U。DU是鈾濃縮的副產(chǎn)品，一般所含的235U和234U低于天然鈾的三分之一。DU還包括各種雜質(zhì)，例如，鋁(Al)、硼(B)、鎘(Cd)、鈣(Ca)、碳(C)、氯(Cl)、鉻(Cr)、銅(Cu)、鏑(Dy)、氟(F)、釓(Gd)、鐵(Fe)、鎂(Mg)、錳(Mn)、鉬(Mo)、鎳(Ni)、氮(N)、磷(P)、鉀(K)、硅(Si)、鈉(Na)、硫(S)和釷(Th)?；旌先剂蠎斄私獾剑谠S多應用中，許多核燃料的鈾含量太高或太低，使得這些燃料無法在多種核反應堆中燃燒。類似地，RU(234U、235U、236U和238U)的組成以及通常出現(xiàn)在RU中的上述雜質(zhì)(232U、233U和237U)使RU無法作為許多反應堆的可行的燃料。然而，本案的發(fā)明人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，通過混合RU和DU，所得到的核燃料的235U裂變物質(zhì)的含量可達到作為新燃料在許多核反應堆中燃燒可接受的范圍，這些反應堆例如（但不限于）是加壓重水核反應堆（例如，具有水平燃料管（例如CANDU反應堆中的管）的加壓重水核反應堆）。類似的結(jié)果可以通過混合RU和NU得到，在得到的核燃料中，235U裂變物質(zhì)的含量被降低至作為新燃料燃燒可接受的范圍。無論是與DU還是NU混合，RU都可以使用任何現(xiàn)有的方法混合，例如（但不限于）使用酸溶液或干混法。在一些實施例中，本發(fā)明的核反應堆燃料包括第一燃料組分RU和第二燃料組分DU，RU和DU已經(jīng)混合在一起以具有低于1.2wt%的235U的組合裂變物質(zhì)含量。在這種燃料中，RU可具有近似0.72wt%至近似1.2wt%的235U的裂變物質(zhì)含量。在其它實施例中，這些燃料中的RU可具有近似0.8wt%至近似1.1wt%的235U的裂變物質(zhì)含量。在其它實施例中，這些燃料中的RU可具有近似0.9wt%至近似1.0wt%的235U的裂變物質(zhì)含量。在其它實施例中，這些燃料中的RU可具有近似0.9wt%的235U的裂變物質(zhì)含量。在每個上述實施例中，這些燃料中的DU可具有近似0.2wt%至近似0.5wt%的235U的裂變物質(zhì)含量。因此，在一些實施例中，通過混合較低235U裂變物質(zhì)含量的DU與較高235U裂變物質(zhì)含量的RU，所得到的混合RU/DU核燃料可具有小于1.0wt%的235U的裂變物質(zhì)含量。在其它實施例中，所得到的混合RU/DU核燃料可具有低于0.8wt%的235U的裂變物質(zhì)含量。在其它實施例中，所得到的混合RU/DU核燃料可具有低于0.72wt%的235U的裂變物質(zhì)含量。在其它實施例中，所得到的混合RU/DU核燃料還可具有近似0.71wt%的235U的裂變物質(zhì)含量，從而通過混合RU與DU得到裂變物質(zhì)含量與天然鈾相當?shù)娜剂?。在一些實施例中，本發(fā)明的核反應堆燃料包括第一燃料組分RU和第二燃料組分NU，RU和NU已經(jīng)混合在一起以具有低于1.2wt%的235U的組合裂變物質(zhì)含量。在這些燃料中，RU可具有近似0.72wt%至近似1.2wt%的235U的裂變物質(zhì)含量。在其它實施例中，這些燃料中的RU可具有近似0.8wt%至近似1.1wt%的235U的裂變物質(zhì)含量。在其它實施例中，這些燃料中的RU可具有近似0.9wt%至近似1.0wt%的235U的裂變物質(zhì)含量。在其它實施例中，這些燃料中的RU可具有近似0.9wt%的235U的裂變物質(zhì)含量。因此，在一些實施例中，通過混合較低235U裂變物質(zhì)含量的NU與較高235U裂變物質(zhì)含量的RU，所得到的混合RU/NU核燃料可具有小于1.0wt%的235U的裂變物質(zhì)含量。在其它實施例中，所得到的混合RU/NU核燃料可具有低于0.8wt%的235U的裂變物質(zhì)含量。在其它實施例中，所得到的混合RU/NU核燃料可具有低于0.72wt%的235U的裂變物質(zhì)含量。在其它實施例中，所得到的混合RU/NU核燃料可具有近似0.71wt%的235U的裂變物質(zhì)含量，從而通過混合RU與NU得到裂變物質(zhì)含量與天然鈾相當?shù)娜剂?。在一些實施例中，RU與DU和NU兩者混合以產(chǎn)生235U裂變物質(zhì)含量或者含量范圍與上述介紹的混合RU/DU和混合RU/NU核燃料相同的燃料。在這些例子中，RU的235U裂變物質(zhì)含量或者含量范圍以及DU的235U裂變物質(zhì)含量或者含量范圍可與上述介紹的實施例中的相同。根據(jù)本發(fā)明的各實施例的核燃料可包括可燃毒物（BP）。例如，在此描述的任何一種核燃料可包括RU和DU與一種可燃毒物（BP）的混合物，或者RU和NU與一種可燃毒物（BP）的混合物。該可燃毒物可與本文描述的各種RU/DU混合物、RU/NU混合物和RU/DU/NU混合物進行混合。燃料棒束構(gòu)造核燃料混合（如上所述）是一種利用本來不可用的RU產(chǎn)生新核燃料的強大方式。然而，這種混合只是使RU能夠用在許多類型的反應堆（包括加壓重水反應堆）中燃燒的其中一種方式。在許多應用中，至少部分依賴于這些混合燃料在燃料棒束中的位置，在此描述的混合RU燃料可被高效地使用在燃料棒束中。而且，RU甚至可以在不進行上述混合的情況下成功地使用在燃料棒束中。相反，當RU被包含在燃料棒束的特定位置，具有一定的235U裂變物質(zhì)含量，和/或與DU和/或NU結(jié)合使用以形成多個目標組合時，所得到的燃料棒束具有高度滿意的特性。這些特性包括更好地燃耗控制和低冷卻劑空泡反應性。圖1-4例示了用在核反應堆（例如圖5所示的加壓重水反應堆10）中的核燃料的各種實施例。具體而言，圖1-4例示了位于壓力管18內(nèi)的燃料棒束14的多個實施例的橫截面示意圖。圖1-4例示的燃料結(jié)構(gòu)只是舉例說明，應當理解的是，圖1-4的燃料棒束也可以具有其它的燃料結(jié)構(gòu)，這些其它的燃料結(jié)構(gòu)屬于本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)。也應當指出的是，參考圖1-4描述的各種燃料（RU、DU、NU、RU/DU混合物、RU/NU混合物以及RU/DU/NU混合物）的特性（包括235U裂變物質(zhì)含量和235U裂變物質(zhì)含量范圍）已經(jīng)在前面提供。重水冷卻劑26容納在壓力管18內(nèi)，占據(jù)燃料棒束14的燃料元件22之間的子通道（subchannel）。這些燃料元件22可以包括中間元件38、第一組多個元件42、第二組多個元件46和第三組多個元件50。其中，這些第一組多個元件42從中間元件38徑向向外設置，這些第二組多個元件46從第一組多個元件42徑向向外設置，而這些第三組多個元件50從第二組多個元件46徑向向外設置。應當理解的是，在其它實施例中，該燃料棒束14可包括更少或更多的元件，且可包括以不同于圖1-4所示的方式配置的多個元件。例如，這些燃料元件22可被定位成在一個或多個平面內(nèi)相互平行，這些元件可被排列成具有方塊形狀或其它橫截面形狀的矩陣或陣列，這些元件也可呈其它任何圖案化或無圖案化排列。壓力管18、燃料棒束14和/或燃料元件22也可構(gòu)造成任何形狀和尺寸。例如，這些壓力管18、燃料棒束14和燃料元件22可具有任何期望的橫截面形狀（不同于圖1-5所示的圓形）和尺寸。舉另一個例子，燃料棒束14內(nèi)的燃料元件22可具有任何相對尺寸（不同于圖1-4所示的燃料元件22具有相同的尺寸或兩種尺寸版本）。在圖1和圖2的實施例中，例示了一種具有37個元件的燃料棒束，其中所有燃料元件22都具有一致的橫截面尺寸（或者說直徑（在這些元件具有圓形橫截面形狀的情況下））。圖1和圖2中的這些第一組多個元件42包括相互平行的6個元件，排列成基本上呈圓形的圖案。圖1和圖2中的這些第二組多個元件46包括12個相互平行的元件，排列成基本上呈圓形的圖案。圖1和圖2中的這些第三組多個元件50包括相互平行的18個元件，排列成基本上呈圓形的圖案。該中間元件38、第一組多個元件42、第二組多個元件46和第三組多個元件50同軸設置，使得所有這些元件22都相互平行。應當理解的是，圖1和圖2中表示元件22的大致圓形位置的線條僅用作例示用途，其并不必然表明這些元件22被拴在一起或以其它方式結(jié)合在一起以形成一種特別的排列。圖3和圖4所示的實施例例示了包括43個元件的燃料棒束14。圖3和圖4中的這些第一組多個元件42包括相互平行的7個元件，排列成基本上呈圓形的圖案。圖3和圖4中的這些第二組多個元件46包括14個相互平行的元件，排列成基本上呈圓形的圖案。圖3和圖4中的這些第三組多個元件50包括相互平行的21個元件，排列成基本上呈圓形的圖案。該中間元件38、第一組多個元件42、第二組多個元件46和第三組多個元件50同軸設置，使得所有這些元件22都相互平行。該中間元件38和每個第一組的元件42都具有第一橫截面尺寸（或者說直徑（在這些元件具有圓形橫截面形狀的情況下）），而每個第二組的元件46和第三組的元件50都具有第二橫截面尺寸（或者說直徑（在這些元件具有圓形橫截面形狀的情況下）），其中第二橫截面尺寸不同于第一橫截面尺寸。具體而言，該第一橫截面尺寸大于第二橫截面尺寸。在這方面，術(shù)語“橫截面形狀”是指一個平面沿垂直于所提到的物體的縱軸線的方向穿過該物體所得到的橫截面形狀。也應當理解的是，圖3和圖4中表示元件22的大致圓形位置的線條僅用作例示用途，其并不必然表明這些元件被拴在一起或以其它方式結(jié)合在一起以形成一種特定的排列。在一些實施例中，圖1-4中的每個燃料元件22包括一個填充有核燃料的管。該管可由下列材料制成或包括下列材料：鋯（zirconium）、鋯合金或在一些情況下具有低中子吸收特點的其它合適材料或材料組合。該管可填充前述一種或多種材料，例如僅填充核燃料或與其它材料一起填充。所填充的材料可以呈顆粒狀、粉末狀或其它合適的形態(tài)或者多種形態(tài)組合。在其它實施例中，每個燃料元件22包括一根棒，該棒由一種或多種材料形成（例如僅由核燃料形成或與其它材料一起形成），例如包含在其它材料基質(zhì)內(nèi)的核燃料。而且，在一些實施例中，燃料棒束14內(nèi)的燃料元件22可包括管和棒和/或其它包含燃料的元件的組合，且燃料元件22可采用其它適合特定應用的構(gòu)造。如圖1-4所示，這些燃料元件22可以包括各種核燃料組合，例如貧化鈾（DU）、天然鈾（NU）和再處理或回收鈾（RU）。首先參考圖1，所示的燃料棒束14包括37個元件。圖1的中間元件38包括具有第一裂變物質(zhì)含量(即，(RU/DU)1)的RU和DU的混合物和/或DU和可燃毒物（BP）的混合物和/或DU。如上所述，不同材料的混合物（在此一般以斜線“/”表示）可以使用任何現(xiàn)有的方法得到，例如（但不限于）使用酸溶液或干混法。參考圖1，這些第一組多個元件42包括具有第二裂變物質(zhì)含量(即，(RU/DU)2)的RU和DU的混合物。這些第二組多個元件46包括具有第三裂變物質(zhì)含量(即，(RU/DU)3)的RU和DU的混合物和/或具有第一裂變物質(zhì)含量（即，NU1）的NU。這些第三組多個元件50包括具有第四裂變物質(zhì)含量(即，(RU/DU)4)的RU和DU的混合物和/或具有第二裂變物質(zhì)含量（即，NU2）的NU。在圖1的實施例中（以及本申請的其它附圖中的實施例），已經(jīng)混合在一起的材料以斜線“/”表示。然而，在每個這樣的實施例中，這些元件的替代燃料結(jié)構(gòu)包括使用僅含有一種上述指出的燃料的燃料元件22，但與含有其它指出的燃料的燃料元件22結(jié)合使用。這些不同燃料類型（例如，在同一環(huán)元件22中）的元件22可以替換上述具有不同類型燃料混合物的元件22或與之結(jié)合使用。例如，圖1中的那一環(huán)(RU/DU)2元件22表示第一組多個元件36中的每個所示元件22是RU和DU的混合物。然而，可替換地或者在此基礎之上，該第一組多個元件36可包括一個或多個RU元件和一個或多個DU元件。所得到的含RU或DU的燃料元件22可排列成其它構(gòu)造，例如排列成繞燃料棒束14的具有變化圓周位置的交替圖案。在一些實施例中，圖1的燃料棒束14中的RU/DU混合物的235U裂變物質(zhì)含量大體相同（各環(huán)都大體相同，或者在離燃料棒束14中心的不同徑向距離的位置上都大體相同）。在其它實施例中，燃料棒束14中的RU/DU混合物的235U裂變物質(zhì)含量在環(huán)與環(huán)之間變化，或者隨離燃料棒束14的中心的徑向距離不同而變化。例如，圖1的中間元件38、這些第一組多個元件42、這些第二組多個元件46和這些第三組多個元件50至少其中之一包含的RU/DU混合物的裂變物質(zhì)含量可與一個或多個其它元件包含的混合物的裂變物質(zhì)含量不同。在一些實施例中，圖1的中間元件38包含的(RU/DU)1混合物的235U百分比一般低于第一組多個元件42包含的(RU/DU)2混合物的235U百分比，第一組多個元件42包含的(RU/DU)2混合物的235U百分比一般低于第二組多個元件46包含的任何(RU/DU)3混合物的235U百分比，第二組多個元件46包含的任何(RU/DU)2混合物的235U百分比一般低于第三組多個元件50包含的任何(RU/DU)4混合物的235U百分比。因此，燃料棒束14含有的核燃料的235U裂變物質(zhì)含量可從燃料棒束14的中心沿徑向向外的方向遞增。然而，在其他實施例中，該235U裂變物質(zhì)含量可從燃料棒束14的中心沿徑向向外的方向遞減。類似地，圖1的實施例中使用的任何NU的裂變物質(zhì)含量可大體相同或者隨離燃料棒束14的中心的距離不同而產(chǎn)生變化。例如，第二組多個元件46包含的任何NU1的235U百分比一般低于第三組多個元件50包含的任何NU2的235U百分比。可選擇地，第三組多個元件50包含的任何NU2的235U百分比一般低于第二組多個元件46包含的任何NU1的235U百分比。而且，在一些實施例中，一個特定燃料元件22的特定裂變物質(zhì)含量可在這些元件42、元件46和元件50的其中之一種或多種元件中變化（例如，在燃料棒束14內(nèi)沿圓周方向變化）或沿著燃料棒束14的縱向長度上變化。而且，BP也可包含在圖1的任何或所有燃料元件22中，例如包含在所示的中間元件38內(nèi)。下列燃料棒束結(jié)構(gòu)是基于圖1例示的燃料棒束實施例，作為具有特別期望的特性的燃料棒束的例子，并非用于限制本發(fā)明的范圍或者根據(jù)圖1可預期的其它可能的實施例。此處所使用的術(shù)語“環(huán)”包括僅僅一個中間元件這種情形。范例#1中間元件:RU/DU第一環(huán)元件42:RU/DU第二環(huán)元件46:RU/DU第三環(huán)元件50:RU/DU范例#2中間元件:(RU/DU)1第一環(huán)元件42:(RU/DU)2第二環(huán)元件46:(RU/DU)3第三環(huán)元件50:(RU/DU)4其中，(RU/DU)2的235U裂變物質(zhì)含量高于(RU/DU)1的235U裂變物質(zhì)含量，(RU/DU)3的235U裂變物質(zhì)含量高于(RU/DU)1和/或(RU/DU)2的235U裂變物質(zhì)含量，和/或(RU/DU)4的235U裂變物質(zhì)含量高于(RU/DU)1、(RU/DU)2和/或(RU/DU)3的235U裂變物質(zhì)含量。范例#3中間元件:(RU/DU)1第一環(huán)元件42:(RU/DU)2第二環(huán)元件46:(RU/DU)3第三環(huán)元件50:NU其中，(RU/DU)2的235U裂變物質(zhì)含量高于(RU/DU)1的235U裂變物質(zhì)含量，(RU/DU)3的235U裂變物質(zhì)含量高于(RU/DU)1和/或(RU/DU)2的235U裂變物質(zhì)含量。范例#4中間元件:(RU/DU)1第一環(huán)元件42:(RU/DU)2第二環(huán)元件46:NU第三環(huán)元件50:(RU/DU)3其中，(RU/DU)2的235U裂變物質(zhì)含量高于(RU/DU)1的235U裂變物質(zhì)含量，(RU/DU)3的235U裂變物質(zhì)含量高于(RU/DU)1和/或(RU/DU)2的235U裂變物質(zhì)含量。范例#5中間元件:(RU/DU)1第一環(huán)元件42:(RU/DU)2第二環(huán)元件46:NU第三環(huán)元件50:NU其中，(RU/DU)2的235U裂變物質(zhì)含量高于(RU/DU)1的235U裂變物質(zhì)含量。圖2例示了另一個具有37個元件的燃料棒束14的實施例。圖2的中間元件38包括具有第一裂變物質(zhì)含量（即，RU1）的RU和/或具有第一裂變物質(zhì)含量（即，DU1）的DU。圖2的第一組多個元件42包括具有第二裂變物質(zhì)含量（即，RU2）的RU和/或具有第二裂變物質(zhì)含量（即，DU2）的DU。第二組多個元件46包括具有第三裂變物質(zhì)含量（即，RU3）的RU。第三組多個元件50包括具有第四裂變物質(zhì)含量(即，RU4)的RU。每個元件22包含的RU的235U裂變物質(zhì)含量可大體相同和/或具有變化。在圖2的RU的235U裂變物質(zhì)含量具有變化的那些實施例中，這種變化可以隨離燃料棒束的中心的徑向距離變化而變化和/或隨燃料棒束14內(nèi)的圓周位置的變化而變化，且這種變化可以存在于圖2的任何或所有環(huán)之間，和/或存在于任何環(huán)的任何或所有圓周位置。例如，在一些實施例中，中間元件38包含的RU1的235U百分比一般低于第一組多個元件42包含的RU2的235U百分比，第一組多個元件42包含的RU2的235U百分比一般低于第二組多個元件46包含的RU3的235U百分比，和/或第二組多個元件46包含的RU3的235U百分比一般低于第三組多個元件50包含的RU4的235U百分比。因此，在一些實施例中，燃料棒束14的核燃料的235U裂變物質(zhì)含量從燃料棒束14的中心沿徑向向外的方向遞增。然而，在一些實施例中，該235U裂變物質(zhì)含量從燃料棒束14的中心沿徑向向外的方向遞減。應當理解的是，即使當圖2的燃料棒束14包含的RU的裂變物質(zhì)含量以任何一種上述介紹的方式進行變化，每個燃料元件22的235U裂變物質(zhì)含量一般仍然在近似0.72wt%與近似1.2wt%之間（包括0.72wt%和1.2wt%）。僅僅作為舉例，中間元件38包含的RU1的裂變物質(zhì)含量從上述針對RU定義的范圍中進行選擇，第一組多個元件42包含的RU2的裂變物質(zhì)含量也從上述定義的相同范圍中進行選擇，但是可以與所選擇的中間元件38的裂變物質(zhì)含量不同。類似地，圖2的實施例中使用的任何DU的裂變物質(zhì)含量可大體相同或具有變化---隨離燃料棒束14的中心的徑向距離的變化而變化或隨燃料棒束14內(nèi)的圓周位置變化而變化。這里也是僅僅作為舉例，中間元件38包含的任何DU1的235U百分比可一般低于第二組多個元件42包含的任何DU2的235U百分比?？蛇x擇地，第二組多個元件42包含的任何DU2的235U百分比可一般低于中間元件38包含的任何DU1的235U百分比。而且，在一些實施例中，一個特定燃料元件22的特定裂變物質(zhì)含量可在這些元件42、元件46和元件50的其中之一種或多種元件中變化（例如，在燃料棒束14內(nèi)沿圓周方向變化）或沿著燃料棒束14的縱向長度上變化。而且，BP也可包含在圖2的任何或所有燃料元件22中。下列燃料棒束14結(jié)構(gòu)是基于圖2例示的燃料棒束實施例，作為具有特別期望的特性的燃料棒束的例子，但并非用于限制本發(fā)明的范圍或者根據(jù)圖2可預期的其它可能的實施例。此處所使用的術(shù)語“環(huán)”包括僅僅一個中間元件這種情形。范例#6中間元件:DU1第一環(huán)元件42:DU2第二環(huán)元件46:RU1第三環(huán)元件50:RU2其中DU2的235U裂變物質(zhì)含量高于DU1的235U裂變物質(zhì)含量，RU2的235U裂變物質(zhì)含量高于RU1的235U裂變物質(zhì)含量。圖3的實施例與上述圖1的實施例實質(zhì)上類似，不同之處在于燃料棒束14是一個具有43個元件的燃料棒束，且具有非均勻尺寸的燃料元件22。由于這些中間、第一組、第二組和第三組多個元件38、42、46和50的核燃料分布分別類似于圖1中的元件，因此，對于圖3的實施例（以及可能的替代實施例）的細節(jié)可參考上述結(jié)合圖1的描述。下列燃料棒束結(jié)構(gòu)是基于圖3例示的燃料棒束實施例，且作為具有特別期望的特性的燃料棒束的例子，但并非用于限制本發(fā)明的范圍或者根據(jù)圖3可預期的其它可能的實施例。此處所使用的術(shù)語“環(huán)”包括僅僅一個中間元件這種情形。范例#7中間元件:RU/DU第一環(huán)元件42:RU/DU第二環(huán)元件46:RU/DU第三環(huán)元件50:RU/DU范例#8中間元件:RU/DU第一環(huán)元件42:RU/DU第二環(huán)元件46:RU/DU第三環(huán)元件50:NU范例#9中間元件:RU/DU第一環(huán)元件42:RU/DU第二環(huán)元件46:NU第三環(huán)元件50:RU/DU范例#10中間元件:DU/BP第一環(huán)元件42:(RU/DU)1第二環(huán)元件46:(RU/DU)2第三環(huán)元件50:(RU/DU)3其中，(RU/DU)2的235U裂變物質(zhì)含量高于(RU/DU)1的235U裂變物質(zhì)含量，(RU/DU)3的235U裂變物質(zhì)含量高于(RU/DU)2和/或(RU/DU)1的235U裂變物質(zhì)含量。范例#11中間元件:DU第一環(huán)元件42:(RU/DU)1第二環(huán)元件46:(RU/DU)2第三環(huán)元件50:(RU/DU)3其中，(RU/DU)2的235U裂變物質(zhì)含量高于(RU/DU)1的235U裂變物質(zhì)含量，(RU/DU)3的235U裂變物質(zhì)含量高于(RU/DU)2和/或(RU/DU)1的235U裂變物質(zhì)含量。范例#12中間元件:DU/BP第一環(huán)元件42:(RU/DU)1第二環(huán)元件46:(RU/DU)2第三環(huán)元件50:NU其中，(RU/DU)2的235U裂變物質(zhì)含量高于(RU/DU)1的235U裂變物質(zhì)含量。范例#13中間元件:DU/BP第一環(huán)元件42:(RU/DU)1第二環(huán)元件46:NU第三環(huán)元件50:(RU/DU)2其中，(RU/DU)2的235U裂變物質(zhì)含量高于(RU/DU)1的235U裂變物質(zhì)含量。圖4的實施例與上述圖2的實施例實質(zhì)上類似，不同之處在于，如上所述，燃料棒束14是一個具有43個元件的燃料棒束，且具有非均勻尺寸的燃料元件22。由于這些中間、第一組、第二組和第三組多個元件38、42、46和50的核燃料分布分別類似于圖2，因此，對于圖4的實施例（以及可能的替代實施例）的細節(jié)可參考上述結(jié)合圖2的描述。下列燃料棒束結(jié)構(gòu)是基于圖4例示的燃料棒束實施例，且作為具有令人特別滿意的特性的燃料棒束的例子，但并非用于限制本發(fā)明的范圍或者根據(jù)圖4可預期的其它可能的實施例。此處所使用的術(shù)語“環(huán)”包括僅僅一個中間元件這種情形。范例#14中間元件:DU/BP第一環(huán)元件42:RU第二環(huán)元件46:RU第三環(huán)元件50:RU范例#15中間元件:DU第一環(huán)元件42:RU第二環(huán)元件46:RU第三環(huán)元件50:RU范例#16中間元件:DU第一環(huán)元件42:DU第二環(huán)元件46:RU第三環(huán)元件50:RU圖3和圖4的實施例給出了燃料元件的具體數(shù)量、燃料元件排列（例如，在所示的實施例中的元件環(huán)）、燃料元件尺寸和燃料元件相對尺寸在本發(fā)明的范圍內(nèi)可以如何變化的例子。在一些實施例中，核燃料的235U裂變物質(zhì)含量從燃料棒束14的中心沿徑向向外的方向遞減。在其它實施例中，該235U裂變物質(zhì)含量從燃料棒束14的中心沿徑向向外的方向遞增。在重水冷卻反應堆中，當冷卻劑產(chǎn)生空泡時，中子增殖率上升。例如，當冷卻劑開始沸騰時，冷卻劑產(chǎn)生空泡。冷卻劑空泡反應性是一個反應堆中子增殖能力的衡量指標。這種現(xiàn)象歸因于正的冷卻劑空泡反應性，其可能在針對不同場合的所有反應堆中發(fā)生。本發(fā)明可以顯著降低冷卻劑空泡反應性，也可以提供負的燃料溫度系數(shù)和/或負的功率系數(shù)。以上描述和附圖所例示的實施例僅是以舉例的方式加以呈現(xiàn)，不能被視為對本發(fā)明的概念和原理的限制。因此，本領域技術(shù)人員應當認識到，在不偏離本發(fā)明的精神和范圍的前提下，可以對所例示的元件和他們的構(gòu)造和排列進行一些變化。例如，在各種描述和/或例示的實施例中，RU和DU混合物進一步與不同類型的核燃料或其它材料進行混合以產(chǎn)生具有所希望的裂變物質(zhì)含量的核燃料。例如，RU和DU（單獨的RU和DU或者RU/DU混合物）可與稍濃縮鈾（SEU）和低濃縮鈾（LEU）混合。在此所定義的SEU具有從近似0.9wt%到近似3wt%（包括近似0.9wt%和近似3wt%）的235U的裂變物質(zhì)含量，LEU具有從近似3wt%到近似20wt%（包括近似3wt%和近似20wt%）的235U的裂變物質(zhì)含量。另外，在此描述的實施例也可以用于比目前壓力管反應堆中所使用的壓力管大或小的壓力管，也可以用于未來的壓力管反應堆。而且，本發(fā)明也可以應用于具有不同元件數(shù)量和排列的燃料棒束，并不限于43個元件和37個元件的燃料棒束設計和排列（例如圖1-4所示的范例）。例如，雖然圖3和圖4的實施例在所示的燃料棒束14中使用兩種不同元件尺寸，而圖1和圖2的實施例在所示的燃料棒束14中使用相同的元件尺寸，應當理解的是，在本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，在此描述的任何一個燃料棒束在燃料棒束內(nèi)的不同環(huán)和/或不同圓周位置具有相同或不同尺寸的元件。作為另一個例子，更大尺寸的元件并不一定僅設置在燃料棒束14的第一和/或第二環(huán)中。在其它實施例中，這些相對較大尺寸的元件設置在燃料棒束14的徑向上靠外的環(huán)（例如，徑向上最外環(huán)和/或與之相鄰的環(huán)）。