CN101465169B - 改善乏燃料燃耗信用的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种改善乏燃料燃耗信用的方法。一种维度反应性管理系统考虑核燃料组件的轴向燃耗形状数据来确定相对于贮存容器中的其它组件放置组件的可接受性。

Description

改善乏燃料燃耗信用的方法
技术领域
本发明一般涉及乏燃料(“spent nuclear fuel”)的贮存，更具体地说，涉及计算乏燃料棒的燃耗信用(burnup credit)的方法。
背景技术
待最终处置的乏燃料的运输和装运由核管理委员会(NRC)按联邦法典第71部分的第10章节的要求管理。为了满足10CFR§71的要求，运输容器必须被设计成保证临界安全。关于这些运输容器的安全分析目前是以燃料组件未经照射(即，可裂变含量和出厂时的燃料组件相同)的假设为基础的。就乏燃料来说，这种假设是保守的，因为由于燃料组件在反应堆中的使用，可裂变同位素已被燃耗，于是，组件的可裂变同位素含量远远低于出厂时的含量。
“新鲜燃料”假设会严重限制运输容器的容量，因为在乏燃料的情况下，存在较大的临界安全余量。如果对组件的燃耗可以采用信用制，那么会节省乏燃料组件的运输成本。在支持乏燃料的干式贮存的金属罐的开发中，一直在追求支持密封装填(package loading)的燃耗信用法的批准。燃耗信用法依赖于使用反应堆记录计算的燃耗和核实反应堆记录的燃耗验证测量的结合。
随着日益注重与待最终处置的燃料的装运相关的问题，燃耗验证测量和方法正在承担更为重要的作用。“新鲜燃料”假设导致乏燃料架、装运金属罐和废物贮存库的设计非常保守。这些过度保守的设计造成乏燃料的贮存和装运成本的升高。
为了利用乏燃料的燃耗信用，必须具有一种可靠地核实燃料组件的可裂变含量以保证临界安全极限不会被超过的方法。典型的燃耗验证方法要求测量燃料组件，以确认初始浓度、燃耗和衰变时间的反应堆记录。这些测量依赖于确定燃料中心线附近的中子通量以及在一些情况下，依赖于确定燃料中心线附近的γ剂量。
目前可用的商业用系统中的测量技术依赖于235U裂变室来测量中子比活(specific activity)，和γ电离室、γ闪烁探测器或固态半导体探测器(高纯锗HPGe)来探测γ射线。裂变室和γ电离室是相当大的充气探测器。NaI(Tl)闪烁γ射线探测器一般较大，并且需要光电倍增管和γ射线屏蔽以便在乏燃料环境中工作。HPGeγ射线探测器需要液氮低温系统或者电子冷却系统，因为它们不能与高分辨率γ射线探测器一样在较高的温度下工作。这些探测器对诸如温度以及强烈的混合γ射线和中子场之类的环境因素敏感。例如，裂变室对γ射线背景敏感，γ电离室、NaI(Tl)探测器和HPGe探测器都对中子感应背景敏感。
在堆芯中使用燃料组件的过程中，继之以β衰变的一系列中子捕获产生重锕系元素。在铀燃料中，重锕系元素累积链由存在于燃料中的238U发起。重锕系元素中的许多因自发裂变而衰变，所述自发裂变是伴有与裂变相关的中子的发射的过程。在氧化物燃料中存在中子的次级来源，在所述氧化物燃料中，通过高能α粒子(主要来源于重锕系元素的衰变)对氧的18O同位素的作用能够产生中子。许多工作者已证明乏燃料的中子比活与燃耗相关。利用对乏燃料组件的测量，也已推断出中子放射率和燃耗之间的详细数学关系。这种关系的泛函形式是中子放射率是组件燃耗自乘的函数。影响中子放射率的变量包括燃料类型、初始浓度、功率历史和自从反应堆卸载燃料组件以来的衰变时间。
尽管自发裂变的钚同位素和钚α辐射体是第一燃料运行周期中中子的主要来源，不过较长的堆芯照射时间导致生成锔同位素，锔同位素变成乏燃料组件的中子比活的主要来源。许多中子辐射起因于242Cm(半衰期163天)和244Cm(半衰期17.9年)。由于衰变时间大于数年，244Cm将是乏燃料组件的中子比活的主要来源。
由于衰变时间较短，因此必须考虑242Cm的中子活性。尽管对于不同的设计类型，泛函形式通常用不同的指数覆盖所有特定设计的燃料组件，不过曲线将随初始浓度而移动。于是，为了准确地把观察到的中子放射率和燃耗联系起来，需要了解初始浓度和自卸载以来的时间(衰变时间)。
通常，使用中子测量和反应堆记录的组合来确定燃料燃耗。在一些情况下，裂变产物同位素γ射线(主要是137Cs)的γ射线测量被用作对衰变时间的检查。可以把除以中子放射率的总的γ射线衰变率和具有相同的卸载时间的各组组件联系起来，或者直接测量134Cs与137Csγ衰变率比值来确定衰变时间。134Cs的半衰期为2.06年，137Cs的半衰期为30.1年，从而在从反应堆卸载燃料组件之后的0～20年时间周期内，衰变率比值将随时间快速变化。为了验证组件的自卸载以来的时间(衰变时间)，需要测量134Cs/137Csγ放射率或者总的γ放射率。在134Cs/137Cs的情况下，γ射线强度比提供衰变时间的直接量度。在总的γ放射率的情况下，假设多数观察到的放射性是137Cs，总γ与中子的比值使组件可以按照公共的卸载时间被分组。随后根据燃料组件记录确定准确的衰变时间。
不管是支持池式贮存还是干式贮存的装填，按照惯例在水下对用高架起重机从燃料贮存架升起的隔离的燃料组件进行测量。探测器夹具被设计成可重复地附着在燃料组件上，通常在燃料中心线进行测量，同时在相对的燃料平面进行测量，以校正中子放射率的不对称性。
燃耗验证方法一般要求对指定类型的一组燃料组件进行测量。根据至少三个测量建立作为燃耗函数的中子响应的泛函形式，并当添加源自新测量组件的数据时，更新所述泛函形式。根据与拟合函数的预测的一致性，识别离群值(通常偏离预测值三个标准偏差以上是拒绝的依据)，并确定离群值以便进一步研究。不正确的记录或者测量问题可能是形成离群值数据点的原因。
目前使用的所有系统的共同特征是依赖于在一个轴向位置的单一测量。在该位置的中子放射率取决于反应堆的平均轴向功率分布图(profile)。尽管一些目前可用的系统能够在多个轴向位置进行测量，不过对于在每个轴向位置的每个测量，需要探测器和组件的相对位置的一系列调整。这种测量过程使测量时间约略正比于所需的轴向位置的数目，并且由于涉及很多次的测量，因此燃料损坏的风险更大。
转让给本发明的受让人的美国专利No.5969359提出一种采用小型的耐热、抗辐射半导体探测器进行与乏燃料燃耗相关的测量的改进方法和设备，所述半导体探测器允许同时监视来自乏燃料的γ和中子放射率。可以使用半导体探测器阵列从关键的轴向位置获得信息，从而定义乏燃料组件的轴向燃耗分布图。改进的乏燃料监视设备的使用导致显著减少测量成本和时间，以及提高准确性、安全性和降低对参与乏燃料测量的人员的辐射剂量。
美国专利No.5969359中描述的核探测器优选使用诸如SiC之类的宽带隙半导体材料，所述宽带隙半导体材料能够在高温下提供数据，并且也是抗辐射半导体。利用具有提供高质量核探测信号的极低漏电流的高质量、小型探测器可以完成带电粒子，中子和γ射线探测。
这种小型半导体探测器能够通过一次测量确定中子放射率和总的γ放射率。因此，单个半导体探测器能够完成目前使用的系统中的中子探测器和γ探测器两者的功能。从而，基于SiC半导体的优选核探测器能够在单一的能量分辨的谱中同时测量γ射线和中子。
半导体探测器阵列能够同时测量关键轴向位置的中子放射率，以便定义燃料燃耗分布图的形状。例如，同时记录数据并被多路复用以便提供每个轴向位置的独立数据的一串小型半导体探测器可以提供和整个轴向燃耗分布图相关的信息。半导体探测器阵列能够在乏燃料组件的通道内或相对平面上进行测量。
目前的使用半导体核探测器的燃耗验证系统具有几个优点。例如，与目前使用的探测器相比，小型半导体探测器能够被更准确地放置，并且能够用于在单个测量区间内确定燃料轴向燃耗分布图。尽管常规方法依赖于使用高架起重机来隔离乏燃料组件，不过目前的半导体探测器能够对位于燃料架中的乏燃料组件进行测量。按照本发明，能够在更短的时间内用较少的人员安全地完成测量，同时消除了移动燃料组件以便进行测量的要求。例如，单个小型半导体探测器能够提供和在目前的系统上使用的两个大得多的中子和γ探测器相同的γ和中子信息。优选的半导体探测器能够在恶劣的辐射和温度环境中高度可靠的工作。由于这些优点，与利用商用系统完成的那些测量相比，用本发明的基于半导体的系统完成的测量成本较低。
鉴于上面所述的内容，提出了本发明，以便进一步改进燃耗信用计算，以进一步降低不得不成为乏燃料贮存和装运容器的一部分的安全余量，从而进一步降低成本。尽管美国专利No.5969359提供一种显著改进的测量轴向分布图的方式，它使用该分布图更准确地计算组件的总燃耗。总燃耗数被用于确定燃耗信用，不过，轴向燃耗分布图的形状不被用于进一步增强燃耗信用。本发明的目的是利用轴向燃耗形状以进一步增强燃耗信用。
发明内容
目前关于乏燃料燃耗信用的保守临界分析方法(其中所有组件被认为具有不利的轴向燃耗分布)把3-4％的余量消耗用于k-eff极限。如果使用测得的轴向燃耗分布，并且调整临界分析以产生浓度-燃耗极限曲线的额外维度(dimension)，根据轴向燃耗分布的形状，诸如TracWorks(在美国专利No.5793636中描述)之类的乏燃料燃耗监视软件可实现额外的保护维度，向核电站操作员提供相当大的额外贮存余量(可推迟重新上架或者容器购买)，而对安全性没有任何不利的影响。本发明的方法把轴向燃耗形状用作明确的额外保护维度(称为维度反应性管理)。为了实现维度反应性管理的使用，需要三个独立的动作。首先，需要产生乏燃料容器中的每个燃料组件的实际轴向燃耗形状。其次，和目前使用平均燃耗一样，需要产生包括轴向燃耗形状的表征的燃耗信用极限作为独立保护维度。第三，需要实现能够追踪轴向燃耗形状数据并使用该数据确定在乏燃料容器中放置燃料的可接受性的自动工具。
更具体地说，本发明的方法确定在贮存容器内的多个乏燃料组件间放置新的乏燃料组件的可接受性。为此，本发明的方法产生一系列的浓度-当前燃耗曲线，每条曲线表示不同数目的乏燃料组件，所述乏燃料组件具有现有技术目前假设的、通常使用的不利轴向燃耗分布。本发明随后确定容器内直接环绕新的乏燃料组件的计划放置位置的每个燃料组件的实际轴向燃耗分布，并记下有多少乏燃料组件具有不利的轴向燃耗分布。本发明随后根据记下的具有不利的轴向燃耗分布的乏燃料组件的数目，确定所述一系列曲线中的哪条曲线适用于新的燃料组件。该方法随后找出绘制所述适用曲线的图上的、与新的乏燃料组件的当前燃耗和初始浓度对应的点，并确定图上的该点是否在该适用曲线的上方，所述适用曲线指示放置的可接受性。
附图说明
结合附图，根据优选实施例的下述说明，能够进一步理解本发明，其中：
图1是按照本发明的一个实施例的邻近乏燃料组件布置的中子和γ辐射探测器串的部分示意图；
图2是按照本发明的另一实施例的布置在乏燃料组件内的中子和γ辐射探测器串的部分示意图；
图3是本发明的方法的框图；
图4是乏燃料组件在乏燃料贮存池内的放置的图形布局表示；
图5是在对所有组件假设共同的不利轴向分布的、用于确定组件是否可被放置在指定的乏燃料贮存位置的现有技术临界分析中所使用的初始浓度-当前燃耗图；
图6是本发明用于应用维度反应性管理的初始浓度-当前燃耗的一系列曲线图。
具体实施方式
图1示意地图解说明按照本发明的实施例，与乏燃料相邻的中子和γ半导体探测器阵列的布置。如图1中所示，提供系统1来测量出自乏燃料的中子和γ放射。这里使用的术语“中子放射”意味作为锕类同位素的α衰变的次级结果的包括自发裂变(例如244Cm衰变)和(α，n)反应的中子产生。术语“γ放射”意味作为放射性同位素的自发α和β衰变的伴随物的γ射线的产生。核燃料通常是以由顶板3和底板4保护的至少一个燃料组件2的形式提供的。从而以燃料架的形式提供燃料组件2。在图1中所示的实施例中，在燃料组件2的燃料架之外成串地设置半导体探测器10的阵列5。提供电线6或其它适当的装置以传送半导体探测器10产生的电信号。半导体探测器10的阵列5沿燃料组件2的轴向长度延伸。这种安排允许沿着燃料组件2在不同的轴向位置测量中子放射和γ放射，还允许测量燃料组件2的轴向燃耗分布图。
图2示意图解说明按照本发明的另一实施例的布置在燃料组件中的半导体中子和γ探测器阵列5。除了探测器阵列5位于燃料组件2的燃料架的中部之外，该实施例类似于图1中所示的实施例。
图1和2中所示的探测器阵列5通过电线6或任何其它适当的装置与信号处理电子器件7连接。信号处理电子器件7处理由γ射线和中子诱发的带电粒子的交互作用产生的电压脉冲，并以电子方式计数所述脉冲。如图2中所示，微处理器8可用于保存数据和/或产生中子和γ射线测量的视频显示或打印输出。
尽管图1和2中表示了6个单独的探测器10，不过沿着燃料组件的长度方向，在阵列5中可以使用任何适当的数目。优选的是，探测器阵列5包括2到大约100个单独的半导体探测器，更优选的是包括约4到50个探测器。半导体探测器10的间距可根据燃料组件的辐射梯度而变化。选择所述间距，以便给出和特定燃料类型的轴向梯度的形状的细节有关的足够信息。例如，与其中较少遇到剧烈梯度的压水反应堆(PWR)燃料相反，在为沸水反应堆(BWR)燃料应用设计的阵列中应使用更小的间距。
半导体燃耗计的典型设计包括：在高达约150英寸的长度上沿燃料组件的方向位于关键轴向位置的一串小型SiC中子/γ探测器。这些单个的半导体探测器优选地同时记录中子和γ射线计数率。计数率被多路传输到诸如膝上型PC之类的测量控制计算机。所述计算机优选地包含处理单个中子和γ射线计数率、确定燃耗分布图的形状、并通过分析分布图形状准确地确定组件的总燃耗的软件。轴向燃耗分布图数据还可被用于准确地确定燃料组件上的最大燃耗位置，如果需要的话，用于乏燃料容器装填操作。
每个半导体探测器10优选地包含一个中子转换器层和一个半导体活性区，所述半导体活性区被设计成避免对半导体材料的辐射损伤。由高能粒子的损伤造成的现有固态辐射探测器的恶化是公知现象。半导体材料中辐射损伤的累积导致漏电流增大，电荷收集效率降低。这种辐射损伤是由高能带电粒子造成的半导体中的原子移位引起的。随着时间的过去，这种损伤造成探测器性能的显著恶化。
由于带电粒子在材料中失去能量，它形成电子激发事件和移位原子。能量损失可用Bragg曲线来描述。本发明的优选中子探测器阵列利用沿带电粒子的行程的电子激发和移位事件之间的划分的变化。对于高能α粒子(4He离子)，电子激发是主要的能量损失机制。随着粒子失去能量，移位损伤的重要性增大。因此，多数移位损伤发生在带电粒子的行程的末端附近。
在优选的半导体探测器10中，控制中子转换器层的类型、半导体材料的种类、和半导体活性区的厚度和布置，以允许带电粒子通过活性半导体区，而不存在显著的移位损伤。半导体活性区薄到足以避免移位损伤，但是厚到足以允许充分的电离或电子激发来产生可测量的电脉冲。与传统的厚半导体探测器相比，相对薄的半导体探测器实际上不易受到辐射损伤。从而这些探测器可被用于更准确地测量燃料组件的轴向燃耗分布图。
实现使用维度反应性管理来改进燃耗信用的优选方法理想地采用三个独立的动作。第一个动作是确定乏燃料容器中的每个燃料组件的实际轴向燃耗形状。应认识到，乏燃料容器可以是乏燃料池、独立的贮存容器或者乏燃料装运容器，并且不局限于目前保存大部分的乏燃料组件的乏燃料池。第二个动作是重新生成包括轴向燃耗形状的表征的燃耗信用极限作为独立的保护维度，类似目前采用平均燃耗一样。第三个整体动作是在自动工具中实现该方法，所述自动工具追踪轴向燃耗形状数据，并使用所述数据确定在乏燃料容器中放置燃料的可接受性。第一个动作可按照下述两种方式之一来实现：重新生成所有操作周期的芯模型，并根据这些结果获得所述形状；或者使用如上所述的燃耗测量装置提供实际的测量。第二个动作要求重新生成作为容器内紧紧环绕计划放置位置的、具有在现有技术的计算中假设的不利轴向燃耗分布的燃料组件的数目的函数的浓度-当前燃耗曲线图。第三个动作可通过把轴向燃耗数据保存在诸如TracWorks之类的数据库中来实现，TracWorks是一种可从Westinghouse ElectricCorporation LLC获得许可的且目前用于支持乏燃料池燃耗信用的实现的燃料管理数据库程序。考虑到维度反应性管理，必须如后所述那样升级TracWorks。
本发明的系统一般地由图3中所示的框图图解说明，并使用诸如在美国专利5793636中描述的TracWorks之类的数据库管理软件作为基本数据管理工具。利用诸如关于图1和2说明的燃耗计一次性地测量当前乏燃料池存量的轴向燃耗形状。该信息在12被输入TracWorks 20，如图3中所示，不过应认识到其它数据库管理软件也可用于此目的。从乏燃料池卸下的任何燃料组件的燃耗形状数据在14也被输入TracWorks 20。作为由将在后面说明的初始浓度-燃耗曲线表示的轴向燃耗分布形状的函数的临界贮存极限在22被输入TracWorks。另外，对于放置在乏燃料池内的新的乏燃料组件所测量的初始浓度和当前燃耗数据在18被输入，将放置新燃料组件的位置的坐标在16被输入。在被放置在要求轴向形状信用(shape credit)的乏燃料池中的某一位置中之前，通过测量获得从堆芯进入乏燃料池或其它贮存容器的每个燃料组件的数据。必须进行临界分析，获得轴向燃耗形状的信用，并把关于初始浓度、平均燃耗和燃耗形状的极限提供给TracWorks。这些极限用将关于图5和6说明的曲线体现。随后通过利用源自临界分析的极限、初始浓度和平均燃耗、和测量的燃耗形状数据，由TracWorks评估组件在乏燃料池中的每个可能放置的可接受性。
例如，当燃料组件2被布置在乏燃料池中时，最常见的布置以位置的2×2集合的分组为基础，其中对于所有4个集合来说，放置组件的理想位置是共同的。更具体地说，例如，考虑图4，其中将放置组件的位置是B2，并且4个2×2集合是(A1，A2，B1，B2)，(B1，B2，C1，C2)，(A2，A3，B2，B3)和(B2，B3，C2，C3)。当放置组件时，必须满足所有这四组位置中的约束条件。可以实现许多基于几何学的限制中的任意一种：所有位置(4/4)，其中一个位置空闲的4个中的3个位置(3/4)，按棋盘形式的4个中的2个位置(2/4)，等等。对于本例来说，考虑对4/4放置的限制，假定所有其它8个位置都被填充。在现有技术中，临界分析对所有组件假设共同的不利轴向燃耗分布，单一的初始浓度-当前燃耗曲线被用于确定组件是否可被放置在位置B2中。图5中表示了现有技术的这种曲线。其浓度和燃耗在该曲线上方的组件可被放置在B2中。在本发明的优选实施例中，会存在多达5条曲线，每条曲线表示基于2×2位置集合中的其它组件的轴向燃耗分布的组件的临界极限。
图6表示本发明的对所有4个位置被填充的2×2阵列采用5条曲线的优选实施例，不过应认识到，如果采用少于5条的曲线的话，在舍弃一定余量的情况下，可以使用介于2条和5条之间的曲线。在图6中，最上面的曲线表示所有4个组件具有不利的燃耗形状的情形，并对应于图5中所示的曲线。向下的下一条曲线表示4个组件中的3个组件具有不利的轴向燃耗形状的情形。向下的第三条曲线表示4个组件中的2个组件具有不利的轴向燃耗形状的情形。向下的第四条曲线(从最下面的曲线数起的第二条曲线)表示只有一个组件具有不利的轴向燃耗形状的情形。类似地，最底下的曲线表示没有组件具有不利的轴向燃耗形状的情形。这5条曲线表示对2×2阵列的限制。如果阵列不同于2×2阵列，或者将不填充所有4个位置(例如3/4)，那么对曲线数目的限制将不同。对曲线数目的限制将是比基本阵列中的被填充位置的数目大1(例如，如果阵列为3×3，那么应存在10条曲线，而使用3/4装填限制的2×2阵列会具有4条曲线)。另外，应认识到曲线不一定必须如图6中所示那样是平行的。曲线的形状部分取决于使用的特定装填限制。这样，轴向燃耗形状数据的管理能够提供以其它方式不可获得的相当大的额外余量，能够实现乏燃料的更紧密填装，这可为另外的组件开辟空间。
尽管上面详细说明了本发明的具体实施例，不过本领域的技术人员会认识到鉴于本公开的教导，可对这些细节做出各种修改和变更。因此，公开的具体实施例只是对本发明的举例说明，而不是对本发明范围的限制，本发明的范围由所附权利要求及其任意和全部等同物限定。

Claims (5)

1.一种确定在乏燃料贮存容器内放置新的乏燃料组件的可接受性的方法，其中环绕所述新的乏燃料组件的放置位置，存在X个乏燃料组件，所述方法包括下述步骤：
产生一系列的浓度-当前燃耗曲线，每条曲线表示X+1个乏燃料组件中具有通常使用的不利轴向燃耗分布的不同数目的乏燃料组件；
确定X+1个燃料组件中的每个燃料组件的实际轴向燃耗分布；
记下X+1个乏燃料组件中有多少个具有不利的轴向燃耗分布；
根据被记做具有不利轴向燃耗分布的乏燃料组件的数目，确定所述一系列曲线中的哪条曲线适用于新的燃料组件；
找出绘制所述适用曲线的图上的、与新的乏燃料组件的当前燃耗和初始浓度对应的点；和
确定图上的该点是否在该适用曲线的上方，
其中如果图上的该点在该适用曲线的上方，则新的乏燃料组件的放置是可接受的。
2.按照权利要求1所述的方法，其中X等于3。
3.按照权利要求2所述的方法，其中所述一系列曲线中的曲线的数目为5条。
4.按照权利要求1所述的方法，其中所述一系列曲线中的曲线数目等于X+2。
5.按照权利要求4所述的方法，其中，X等于3，并且其中所述一系列X+2条曲线包含一个在另一个之上相互隔开的5条曲线，其中最上面的曲线表示所有燃料组件具有不利的轴向燃耗分布，最下面的曲线表示X+1个乏燃料组件中没有一个具有不利的轴向燃耗分布，其间的每条曲线按降序表示X+1个燃料组件中具有不利的轴向燃耗的不同数目的燃料组件。
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