CN104680316B - 一种核电机组耗铀率的计算方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种核电机组耗铀率的计算方法，该方法首先获取核电机组的燃料管理方案，以及核电机组的额定热功率和额定电功率，并根据所述的燃料管理方案，确定待计算的燃料循环内的堆芯内各燃料组件的燃耗增量，以及燃料组件在卸料时的最终燃耗，最后根据所述的燃耗增量、最终燃耗、核电机组的额定热功率和额定电功率计算所述燃料循环内的发电耗铀率。本发明的发电耗铀率计算方法，通过堆芯燃料管理方案及核电机组的主要参数，利用计算循环中各燃料组件的堆芯燃耗历史和初始富集度，进行发电耗铀率及发电天然铀耗的快捷和简便的计算该方法摒弃了传统计算方法中大量的假设项，减少了输入数据，提高了计算的精度和可信度。
Description
技术领域
本发明属于压水堆核电项目能耗计算领域，具体涉及一种核电机组耗铀率的计算方法。
背景技术
在压水堆核电厂运行过程中，会不断消耗核燃料以产生热能，并随后转化为电能。目前压水堆核电厂核燃料一般为低富集度UO2，是由天然铀经过富集浓缩而获得，而天然铀是不可再生的一次能源。在核电厂发电过程中，其产热机理是UO2中的易裂变核素在慢中子的撞击下发生裂变反应。因此，为了计算核电站在平衡循环中生产每度电需要消耗的铀资源，一般的做法是计算某个循环中堆芯消耗的铀总量Ua，以及这一循环里机组发的总电量We。
由于平衡循环的特点，每个循环的换料方案都是一致的，因此，某个循环中的Ua，等于这个循环装载的燃料组件中含有的铀。这样一来，Ua是可以简单的计算得到。
但是要计算平衡循环中发的总电量We则存在很大困难。We等于机组电功率与运行时间的乘积，由于机组电功率会有波动，运行时间也受换料时间、事故停堆等影响而无法准确给出。
在We数据缺失的情况下，无法准确计算核电厂在平衡循环下的耗铀率，也无法开展可研、节能等分析工作，因此，有必要设计出一套准确、可行的平衡循环耗铀率的计算方法。
发明内容
针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种方便、快捷且计算精度高的核电机组耗铀率的计算方法。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种核电机组耗铀率的计算方法，包括以下步骤：
(1)获取核电机组的燃料管理方案，以及核电机组的额定热功率和额定电功率；所述燃料管理方案包括堆芯新燃料的装载及乏燃料的卸出方案；
(2)根据所述的燃料管理方案，确定待计算的燃料循环内的堆芯内各燃料组件的燃耗增量，以及燃料组件在卸料时的最终燃耗；所述燃耗增量是指某一燃料循环过程中，燃料组件在该循环末期的燃耗与该循环初期的燃耗之差；
(3)根据所述的燃耗增量、最终燃耗、核电机组的额定热功率和额定电功率计算所述燃料循环内的发电耗铀率，计算方式为：
设核电机组反应堆堆芯的燃料组件个数为n，所述燃料循环为第N次循环，N≥1；
1)当第N次循环是平衡循环时，该循环的发电耗铀率计算公式为
2)当第N次循环不是平衡循环时，该循环的发电耗铀率一种计算方式为：
另一种计算方式为：将堆芯内的燃料组件进行分组，根据分组后的燃料组件计算所述循环内的发电耗铀率，具体方式为：
设核电机组反应堆堆芯的n个燃料组件共分为m组，根据以下公式计算第N次循环的发电耗铀率：
进一步，如上所述的核电机组耗铀率的计算方法，该方法还包括：
(4)根据发电耗铀率，计算所述燃料循环的发电天然铀耗，计算方式为：
①当第N次循环是平衡循环时，该循环的发电天然铀耗计算公式为：
②当第N次循环不是平衡循环时，该循环的发电天然铀耗的一种计算方式为：
其中，
另一种计算方式为：
其中，
进一步，如上所述的核电机组耗铀率的计算方法，步骤2)中，将堆芯内的燃料组件进行分组时，每组燃料组件在当前循环中的平均燃耗增量等于该组内所有燃料组件的燃耗增量的平均值，每组燃料组件在卸料时的平均燃耗等于该组内所有燃料组件的在卸料时的最终燃耗的平均值。
进一步，如上所述的核电机组耗铀率的计算方法，步骤①中，所述批卸料燃料初始平均富集度是指当前循环中所有燃料组件的初始富集度的平均值；步骤②中，每组燃料组件的初始平均富集度等于该组内所有燃料组件的初始富集度的平均值。
进一步，如上所述的核电机组耗铀率的计算方法，将堆芯内的燃料组件进行分组时，根据设定条件，将符合设定条件的燃料组件分成一组。
进一步，如上所述的核电机组耗铀率的计算方法，所述设定条件包括：燃料组件同时装载进堆芯、经历相同的燃料循环后同时卸出、燃料组件的初始富集度之差小于设定值A、在每个燃料循环中各燃料组件之间的燃耗增量之差小于设定值B。
本发明的有益效果在于：本发明的发电耗铀率计算方法，通过堆芯燃料管理方案及核电机组的主要参数，利用计算循环中各燃料组件的堆芯燃耗历史和初始富集度，进行发电耗铀率及发电天然铀耗的快捷和简便的计算该方法摒弃了传统计算方法中大量的假设项，减少了输入数据，提高了计算的精度和可信度。
附图说明
图1为本发明一种核电机组耗铀率的计算方法的流程图。
具体实施方式
下面结合说明书附图与实施例对本发明做进一步的详细说明。
实施例
本发明的核电机组具有反应堆堆芯，所述反应堆堆芯由若干个燃料组件排列组成，核电机组在运行服役期间定期停堆，并依照燃料管理方案进行堆芯乏燃料的卸出和新燃料的装载。
本实施例中，待计算的燃料循环是计算一个121组燃料组件(即燃料组件的个数为121个)组成的反应堆堆芯的第N次燃料循环的发电耗铀率。此核电机组的设计额定热功率为1930MWt，设计额定电功率为650MWe。
为了更好的体现本发明的有益效果，本实施例首先对计算第N次燃料循环的发电耗铀率的传统方法进行说明：
传统计算方法中是先计算投入的燃料放出的能量，再考虑中间过程的损耗和能量转化率，得到发出的电量，最后用投入的燃料除以发电量，可以得到燃料消耗率。
首先要计算反应堆中投入的核燃料所释放的能量Er，可以将裂变反应次数Nf乘以每次裂变释放的能量Ef，即：
Er＝Nf×Ef
其中，Ef为每次裂变释放的能量，对于U-235和Pu-239而言，此数值近似为200Mev。
在核电站的一个循环里，发生的裂变反应次数Nf可大致通过U-235和Pu-239的消耗量来计算，即：
Nf＝Nfu+Nfpu＝NA×((Ur×(r％-x％))/235+Pu/239)
其中，Nfu为U-235发生的裂变反应次数，Nfpu为Pu-239发生的裂变反应次数；
NA为阿佛加德罗常数，为6.02×1023mol-1；
Ur为批换料富集铀质量，单位g；
r％为装料燃料的初始富集度；
x％为卸料燃料的尾料富集度；
Pu为反应堆内消耗的Pu-239的质量，单位g。
在反应堆中，U-238吸收中子再发生衰变，会生成Pu-239，同时Pu-239又会发生裂变反应进行消耗，这个过程同时伴随着堆芯内非常复杂的中子能谱、吸收截面、吸收和裂变份额、数十种裂变产物、衰变反应链条等等现象，需要利用核物理程序INCORE或SCIENCE进行计算。这些程序计算原理，都是利用各种核素的中子吸收截面，来计算平衡状态时的各核素的含量，无法直接给出Pu核素的生成量与消耗量。因此，传统的计算方法只能近似认为卸料燃料组件在寿期中发出能量为所考虑循环的全堆芯裂变能，且认为Pu的裂变能占堆芯总能量的1/3左右，这样，对于本实施例，批换料富集铀质量为30×460kg，所考虑燃料循环中的裂变次数为：
则
根据实施例中发电耗铀量的传统计算方法，可得到
第N次燃料循环的发电耗铀率
上文利用传统方法对核电机组的发电耗铀率进行了计算，可见计算过程琐碎，同时在所需数据大量缺失的情况下只能利用经验值，导致计算精度低，结果可信度不高。
本发明正是针对现有传统计算方法中的上述问题，而提出了一种能够对核电机组发电耗铀量进行准确计算的方法，图1示出了本实施例中一种核电机组耗铀率的计算方法的流程图，该方法主要包括以下步骤：
步骤S1：获取核电机组的燃料管理方案，以及核电机组的额定热功率和额定电功率；燃料管理方案包括堆芯新燃料的装载及乏燃料的卸出方案；
步骤S2：根据燃料管理方案，确定待计算的燃料循环内的堆芯内各燃料组件的燃耗增量，以及燃料组件在卸料时的最终燃耗；
其中，所述燃耗增量是指某一燃料循环过程中，燃料组件在该循环末期的燃耗与该循环初期的燃耗之差，即燃料组件在该循环过程结束时的燃耗值与该循环开始时燃耗值之差。
步骤S3：根据所述的燃耗增量、最终燃耗、核电机组的额定热功率和额定电功率计算所述燃料循环内的发电耗铀率(每发一度电消耗的富集铀)，具体计算方式如下：
设核电机组反应堆堆芯的燃料组件个数为n，所述燃料循环为第N次循环，N≥1；
本实施例中提供了以下几种发电耗铀率的计算方法：
第一种，当第N次循环是平衡循环时，第N次燃料循环的发电耗铀率计算公式为：
其中，所述平衡循环是指所有燃料循环过程中新燃料的装载及乏燃料的卸出方案都是相同的循环。公式中的批卸料平均燃耗是由燃料管理方案给出的。
第二种，当第N次循环不是平衡循环时，第N次燃料循环的发电耗铀率计算公式为：
第三种，当第N次循环不是平衡循环时，可以将堆芯内的燃料组件进行分组，根据分组后的燃料组件计算所述循环内的发电耗铀率，方式如下：
设核电机组反应堆堆芯的n个燃料组件共分为m组，根据以下公式计算第N次循环的发电耗铀率：
本实施例中，在完成发电耗铀率计算后，还进行以下步骤：
步骤S4：根据发电耗铀率，以及富集铀与天然铀转换因子，计算所述燃料循环的发电天然铀耗(每发一度电消耗的天然铀)。
针对步骤S3中三种不同的发电耗铀率计算方式，该步骤中对应提供了三种发电天然铀耗的计算方式，具体如下：
第一种，当第N次循环是平衡循环时，与步骤S3中的第一种发电耗铀率的计算方式相对应，第N次燃料循环的发电天然铀耗计算公式为：
其中，所述批卸料燃料初始平均富集度是指当前循环末期所有卸料燃料组件的初始富集度的平均值。
第二种，当第N次循环不是平衡循环时，与步骤S3中的第二种发电耗铀率的计算方式相对应，第N次燃料循环的发电天然铀耗的计算公式为：
其中，
第三种，当第N次循环不是平衡循环时，与步骤S3中的第三种发电耗铀率的计算方式相对应，第N次燃料循环的发电天然铀耗的计算公式为：
其中，
其中，对于上述计算公式，燃料富集过程中的尾料富集度是由核电厂来设定的，在铀浓缩阶段执行，天然铀富集度一般为0.711％，而批卸料燃料初始平均富集度以及每个燃料组件的初始富集度都是可以根据核电厂的燃料管理方案得到的。
对于本实施例中第三种发电耗铀率的计算方式以及与其对应的发电天然铀耗计算方式中，即将堆芯内的燃料组件进行分组时，公式中每组燃料组件在卸料时的平均燃耗等于该组内所有燃料组件的在卸料时的最终燃耗的平均值，每组燃料组件的初始平均富集度等于该组内所有燃料组件的初始富集度的平均值。例如上述第j组燃料组件在卸料时的平均燃耗等于第j组中所有燃料组件的在卸料时的最终燃耗的平均值。
在将堆芯内的燃料组件进行分组时，根据设定条件，将符合设定条件的燃料组件分成一组。在实际操作中，主要是指的将具有同样初始富集度、同时装入同时卸出堆芯燃料组件在堆芯内的热功率历史相似、且燃耗值之差小于设定值的燃料组件分成一组。
具体的，本实施方式中，所述设定条件包括但不限于：燃料组件同时装载进堆芯、经历相同的燃料循环后同时卸出、燃料组件的初始富集度之差小于设定值A、在每个燃料循环中各燃料组件之间的燃耗增量之差小于设定值B。需要说明的是，本实施例中分组时所列举的设定条件并不是唯一的，在实际操作过程中将燃料组件进行分组时，设定条件可以根据实际需要选用其中的一些，也可以进行另行设定。上述设定值中的A、B只是用于区分不同的设定值，没有具体的限定意义，设定值A和设定值B均为经验值，根据实际需要设定。
对于本实施例中，核电机组的设计额定热功率为1930MWt，设计额定电功率为650MWe，核电机组反应堆堆芯的燃料组件个数为121个，即n＝121。
通过考虑循环中堆芯组件的功率史，本实施例中将121个燃料组件分为4组，即m＝4，4组的初始平均富集度分别是3.7％、3.25％、3.7％和4.1％，4组对应的组件个数分别是30、31、30和30个。批卸料燃料的尾料富集度为1％，燃料富集过程中尾料富集度为0.25％。
本实施例中4组燃料组件的平均燃耗增量如下表所示：
第N次燃料循环内，4组对应的平均燃耗增量分别为11000、11000、12000、10000，每组卸料时的平均燃耗分别为44000、41000、43000、47000。
采用上述步骤S3中的第三种耗铀率的计算方式，本实施例中第N次燃料循环的发电耗铀率计算如下：
对应的，第N次循环的发电天然铀耗计算如下：
本发明的核电机组耗铀率计算方法，首先确定核电机组所使用的燃料管理方案，以及核电机组的额定热功率和额定电功率等计算参数；根据燃料管理方案，确定计算循环内的堆芯内各燃料组件的燃耗增量，以及燃料组件在卸出时的最终燃耗；将堆芯内各燃料组件的燃耗增量与其对应的最终燃耗之比相加，相加的结果除以所有燃料组件燃耗增量之和，得到堆芯伪燃耗的倒数；将堆芯伪燃耗的倒数乘以核电机组额定热功率，再除以核电机组额定电功率，计算得到核电机组在循环内的耗铀率。该方法摒弃了传统计算方法中大量的假设项，减少了输入数据，提高了计算的精度和可信度。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其同等技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (6)
1.一种核电机组耗铀率的计算方法，包括以下步骤：
(1)获取核电机组的燃料管理方案，以及核电机组的额定热功率和额定电功率；所述燃料管理方案包括堆芯新燃料的装载及乏燃料的卸出方案；
(2)根据所述的燃料管理方案，确定待计算的燃料循环内的堆芯内各燃料组件的燃耗增量，以及燃料组件在卸料时的最终燃耗；所述燃耗增量是指某一燃料循环过程中，燃料组件在该循环末期的燃耗与该循环初期的燃耗之差；
(3)根据所述的燃耗增量、最终燃耗、核电机组的额定热功率和额定电功率计算所述燃料循环内的发电耗铀率，计算方式为：
设核电机组反应堆堆芯的燃料组件个数为n，所述燃料循环为第N次循环，N≥1；
1)当第N次循环是平衡循环时，该循环的发电耗铀率计算公式为
2)当第N次循环不是平衡循环时，该循环的发电耗铀率一种计算方式为：
另一种计算方式为：将堆芯内的燃料组件进行分组，根据分组后的燃料组件计算所述循环内的发电耗铀率，具体方式为：
设核电机组反应堆堆芯的n个燃料组件共分为m组，根据以下公式计算第N次循环的发电耗铀率：
2.如权利要求1所述的核电机组耗铀率的计算方法，其特征在于：该方法还包括：
(4)根据发电耗铀率，计算所述燃料循环的发电天然铀耗，计算方式为：
①当第N次循环是平衡循环时，该循环的发电天然铀耗计算公式为：
燃料富集过程中的尾料富集度是由核电厂来设定的，在铀浓缩阶段执行，天然铀富集度为0.711％；
②当第N次循环不是平衡循环时，该循环的发电天然铀耗的一种计算方式为：
其中，
另一种计算方式为：
其中，
3.如权利要求1所述的核电机组耗铀率的计算方法，其特征在于：步骤2)中，将堆芯内的燃料组件进行分组时，每组燃料组件在当前循环中的平均燃耗增量等于该组内所有燃料组件的燃耗增量的平均值，每组燃料组件在卸料时的平均燃耗等于该组内所有燃料组件的在卸料时的最终燃耗的平均值。
4.如权利要求2所述的核电机组耗铀率的计算方法，其特征在于：步骤①中，所述批卸料燃料初始平均富集度是指当前循环末期所有卸料燃料组件的初始富集度的平均值；步骤②中，每组燃料组件的初始平均富集度等于该组内所有燃料组件的初始富集度的平均值。
5.如权利要求1至4之一所述的核电机组耗铀率的计算方法，其特征在于：将堆芯内的燃料组件进行分组时，根据设定条件，将符合设定条件的燃料组件分成一组。
6.如权利要求5所述的核电机组耗铀率的计算方法，其特征在于：所述设定条件包括：燃料组件同时装载进堆芯、经历相同的燃料循环后同时卸出、燃料组件的初始富集度之差小于设定值A、在每个燃料循环中各燃料组件之间的燃耗增量之差小于设定值B。
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Non-Patent Citations (2)
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN104680316A (zh) | 2015-06-03 |
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