核燃料管理与优化中篇

压水堆堆芯燃料管理中篇•多循环燃料管理•单循环燃料管理•堆内燃料管理分析工具及方法张少泓核燃料管理与优化课程讲义2•多循环燃料管理确定最佳各循环的装料策略（外部决策变量），包括循环长度、新料富集度、批料数及批料量•单循环燃料管理确定单个循环的堆芯布料方案，包括燃料组件及可燃毒物的布置张少泓核燃料管理与优化课程讲义3基本物理概念•换料周期与循环长度–年换料、18、24个月换料•批料数和一批换料量–3批、4批•循环燃耗和卸料燃耗–年换料，卸料燃耗33~38GWd/tU–18个月换料，卸料燃耗40~45GWd/tU–美国核管会已于1999年批准提高核燃料燃耗深度的限值,即从以前规定的限值62GWd/tU放宽到70~75GWd/tU。这样可以大大减少乏燃料的产生量。张少泓核燃料管理与优化课程讲义4基本物理概念•核电厂从建成到退役要经历一系列的运行循环，按各循环的特性，可分为：–初始循环（或启动循环）–过渡循环–平衡循环•平衡循环序列在理想情况下是一个无限的循环序列，在这个循环序列中，每个循环的性能参数（如循环长度、新料富集度、一批换料量及平均卸料燃耗等）都保持相同，运行循环进入一个平衡状态。•一般认为平衡循环是性能指标最佳的循环方案，并为燃料管理人员定为目标运行循环张少泓核燃料管理与优化课程讲义5多循环燃料管理任务反应堆堆芯核设计，需要•进行平衡循环性能分析，确定平衡循环方案–平衡循环的批料数、循环长度、新料的富集度•考虑如何过渡到平衡循环–初始循环的燃料装载方案–过渡循环的燃料装载方案一般来说，这属于多循环燃料管理的任务张少泓核燃料管理与优化课程讲义6单循环燃料管理任务•确定堆芯初步装（换）料方案–初步筛选出一批堆芯装料方案•最终换料堆芯的核设计–用精确的堆芯物理/热工水力程序对最终换料堆芯进行全面、精确的设计计算，提供反应堆设计、运行及安审所需的全部参数•换料堆芯的安全评价–对有关关键安全参数进行限值检验，对超限的情况，进行事故再分析或评价一般来说，这属于单循环燃料管理的任务张少泓核燃料管理与优化课程讲义7燃料管理决策系统能量需求及约束条件多循环燃料管理确定ε、T、n或N单循环燃料管理确定换料方案（A、P）、keff、调整决策变量方案接受？结束是否张少泓核燃料管理与优化课程讲义8多循环燃料管理张少泓核燃料管理与优化课程讲义9•主要是对以下变量进行科学决策：–批料数或一批换料的组件数量–循环长度–新料富集度通常，先通过平衡循环性能分析确定达到平衡循环时的以上决策参数，然后考虑如何达到平衡循环，在此过程中，各循环之间存在强烈的耦合关系，为优化决策必须进行多循环（至少3个循环）分析张少泓核燃料管理与优化课程讲义10首循环堆芯装载图•三种燃料富集度–1.8%–2.4%–3.1%•←图中数字代表硼硅玻璃可燃毒物棒根数张少泓核燃料管理与优化课程讲义11平衡循环堆芯装载图•3批年换料策略•out-in方案•换料燃料富集度–3.2%张少泓核燃料管理与优化课程讲义12C1-C2•三种燃料富集度–2.4%–2.67%–3.0%张少泓核燃料管理与优化课程讲义13C3-C4张少泓核燃料管理与优化课程讲义14C9张少泓核燃料管理与优化课程讲义15平衡循环分析张少泓核燃料管理与优化课程讲义16平衡循环m-1循环m循环m＋1循环堆芯剩余反应性换料换料换料新料进堆乏燃料出堆n个燃料循环张少泓核燃料管理与优化课程讲义17零维模型•开展平衡循环性能分析的常用模型•空间效应通过“批”平均特性给予极其简单的表示，而不具体关心组件在堆芯的布置TT11R)(NiiNiiiFAAFiiiiiikkFAF,,1LniiifiiiiiiiPPFFf批料反应性批料相对功率份额张少泓核燃料管理与优化课程讲义18线性反应性模型iiiiBB,0)(张少泓核燃料管理与优化课程讲义19平衡循环特性分析-1c10c12)1(2BnnBnd1cd12BnnnBBnn0)3()2()(1000批料nBBBncncncnd021nBnn循环燃耗与批料数之间的关系卸料燃耗与批料数之间的关系新料初始反应性与卸料燃耗间的关系张少泓核燃料管理与优化课程讲义20平衡循环特性分析-2•循环燃耗随批料数n的增加而减小•卸料燃耗随批料数n的增加而增加。•连续换料可使卸料燃耗比一批换料增大一倍•3批换料可使卸料燃耗增大50%新料富集度固定既然批料数增加，可提高卸料燃耗，目前压水堆为什么不提高批料数？张少泓核燃料管理与优化课程讲义21平衡循环特性分析-3•循环初始剩余反应性随批料数的增加而减少•3批换料可使循环初始剩余反应性减少50%cncncnBnBBn批料)2()(1000新料富集度固定0)3()2()(1000批料nBBBncncncn剩余反应性减小意味着什么？张少泓核燃料管理与优化课程讲义22平衡循环特性分析-4•新料所需的初始反应性随批料数的增加而增大•利用压水堆燃料组件初始反应性与其富集度之间的关系可估算出核电厂由3批换料改成4批换料时，为保持平衡循环的循环燃耗不变，需将新料的富集度由3批时的3%提高到3.5%。•与此同时，4批换料的卸料燃耗深度可提高到3批换料时的4/3倍。1,0,021nn)0.1(1.00固定循环燃耗(长度)c10c12)1(2BnnBn张少泓核燃料管理与优化课程讲义23平衡循环特性分析-5•为达到相同的卸料燃耗深度，随着批料数的增加，新料所需的初始反应性（或富集度）可随之减小。•CANDU的连续换料策略降低了其对燃料富集度的要求固定卸料燃耗d1cd12BnnnBBnn张少泓核燃料管理与优化课程讲义24压水堆平衡循环性能图张少泓核燃料管理与优化课程讲义25平衡循环堆芯装载图•3批年换料策略•out-in方案•换料燃料富集度–3.2%张少泓核燃料管理与优化课程讲义26平衡循环临界硼浓度曲线燃耗临界硼浓度0145315011255001079100010172000912300080740007005000594600049070003878000287900018810000921087210张少泓核燃料管理与优化课程讲义27平衡循环堆芯功率与燃耗分布•BLX张少泓核燃料管理与优化课程讲义28平衡循环堆芯功率与燃耗分布•MOL张少泓核燃料管理与优化课程讲义29平衡循环堆芯功率与燃耗分布•EOL张少泓核燃料管理与优化课程讲义30初始循环富集度的确定•通常选择平衡循环燃料富集度作为首循环堆芯的一种富集度•其余两批料富集度的确定一般根据工程经验，考虑以下因素来确定：–首循环寿期长度的要求–批料富集度之间合理的间隔张少泓核燃料管理与优化课程讲义31初始循环向平衡循环的过渡•固定循环燃耗和换料量，调节逐个循环的新料富集度•固定循环燃耗和新燃料组件的富集度，调节逐个循环的换料量•固定新料的富集度和一批换料量，调节逐个循环的循环长度张少泓核燃料管理与优化课程讲义32初始循环向平衡循环的过渡张少泓核燃料管理与优化课程讲义33首炉堆芯装料方案的制定•装料方案的制定–燃料组件的优化布置•OUT-IN方式–可燃毒物的布置张少泓核燃料管理与优化课程讲义34首循环堆芯装载图•三种燃料富集度–1.8%–2.4%–3.1%•←图中数字代表硼硅玻璃可燃毒物棒根数张少泓核燃料管理与优化课程讲义35不同类型的可燃毒物•目前压水堆工程中使用的可燃毒物按其在组件内的分布形式大体上可分三类–棒状可燃毒物–涂硼燃料元件–Gd2O3-UO2弥散型可燃毒物张少泓核燃料管理与优化课程讲义36首循环临界硼浓度曲线燃耗临界硼浓度01064150781500769100077320007523000705400064650005856000521700045380003819000305100002261100014612000641265710张少泓核燃料管理与优化课程讲义37堆芯燃料管理（年换料制）批富集度（%）燃料组件数第一循环第二循环第三循环第四循环第五循环11.85311122.4525233.152525243.2525252153.252525263.2525273.252张少泓核燃料管理与优化课程讲义38慢化剂温度系数循环堆芯慢化剂温度系数（pcm/℃）第一循环-0.690第二循环-0.169第三循环-1.544第四循环-1.009第五循环-1.280张少泓核燃料管理与优化课程讲义39堆芯燃料管理卸料燃耗（MWd/tU）分区燃耗（MWd/tU）批富集度（%）第一循环第二循环第三循环第四循环第五循环平均卸料燃耗最大组件燃耗11.813440893390718430139392002322.4143799914242932517233.1101381161910492322493515043.2939112418108898429328603947653.29381126491071863.296771249673.29450循环长度（MWd/tU）(EFPD)1265731610299257107532681105527510872271最大FH1.3271.3221.3461.3281.335单循环（堆内）燃料管理张少泓核燃料管理与优化课程讲义41堆内燃料管理的任务•堆芯装料方案的确定–初步设计–换料方案详细核设计–换料堆芯的安全评价第一部分堆芯装(换)料方案简介张少泓核燃料管理与优化课程讲义43堆芯换料方案均匀装料张少泓核燃料管理与优化课程讲义44均匀装料的堆芯功率分布寿期初功率峰因子过大，限制了反应堆功率输出寿期末功率分布较理想，但已得停堆换料张少泓核燃料管理与优化课程讲义45堆芯换料方案外-内装料新料经过一个循环的旧料经过两个循环的旧料张少泓核燃料管理与优化课程讲义46外-内装料•堆芯功率分布较均匀•中子泄漏损失大•对压力壳的中子辐照损伤大张少泓核燃料管理与优化课程讲义47堆芯换料方案外-内交替装料新料经过一个循环的旧料经过两个循环的旧料张少泓核燃料管理与优化课程讲义48外-内交替装料•功率分布比外-内装料更均匀•中子泄漏依然很大张少泓核燃料管理与优化课程讲义49低泄漏装料新料经过一个循环的旧料经过两个循环的旧料回装的乏料张少泓核燃料管理与优化课程讲义50张少泓核燃料管理与优化课程讲义51低泄漏装料•自70年代末发展起来的一种装料方式，目前世界上多数压水堆核电厂已采用了该换料方案；•堆芯边缘中子通量密度较低，从而减少了中子从堆芯的泄漏，提高了中子利用率，延长了堆芯寿期；•更重要的是由于快中子泄漏的降低，使反应堆压力壳的中子注量减小，从而延长了压力壳和反应堆的使用寿命。张少泓核燃料管理与优化课程讲义52在低泄漏装料方案下RPV高能中子注量的改善张少泓核燃料管理与优化课程讲义53低泄漏装料带来的问题•反应堆功率峰值增加，在每个循环中都得通过合理布置可燃毒物来抑制功率峰值；•有可能带来可燃毒物的反应性惩罚效应•功率峰值的最大值一般不出现在堆芯寿期初，在整个堆芯寿期内都得对功率峰值进行较验。•这些都给装料方案的设计带来困难张少泓核燃料管理与优化课程讲义54功率峰值随燃耗的变化第二部分堆芯核设计的任务与内容张少泓核燃料管理与优化课程讲义56内容•堆芯装(换)料设计的–目的–过程–设计软件–设计报告张少泓核燃料管理与优化课程讲义57堆芯装(换)料设计的目的•首要目的是确保设计的堆芯装载方案在其整个运行周期内是安全的。堆芯装(换)料设计必须遵守相应的国家核安全管理法规，得到国家核安全局的批准，以保证堆芯的安全性，实现电站业主对公众和环境的安全承诺。•在安全的基础上，通过堆芯装载方案的优化设计，达到既满足电站发电计划的需求，又最大程度降低燃料成本的目的。