CN108320820A - 一种十万千瓦级反应堆堆芯核设计方法 - Google Patents

一种十万千瓦级反应堆堆芯核设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种十万千瓦级反应堆堆芯核设计方法，包含57个燃料组件，活性段高度215cm，换料周期约24个月。采用一体式可燃毒物，通过多种可燃毒物质量百分比、多种可燃毒物棒数量的合理分区使用，通过多种轴向分区形式的配合使用，结合多种燃料富集度混合装载策略，布置大量控制棒并采用优化的分组和提棒顺序，实现反应性控制和功率展平，使得堆芯满足相关安全分析的要求。采用1/3堆芯倒料策略，提高了燃料组件平均卸料燃耗。本发明进一步增加了小堆应用的灵活性，同时提高了小堆的燃料经济性，该堆芯设计更加符合小堆的多用途定位。

Description

一种十万千瓦级反应堆堆芯核设计方法
技术领域
本发明涉及一种核设计技术领域，具体涉及一种十万千瓦级反应堆堆芯核设计方法。
背景技术
反应堆堆芯核设计的主要任务是从核反应堆物理的角度提供满足总体设计要求的核反应堆堆芯。
国内有三种不同富集度的核燃料组件组成、燃料棒轴向进行了分区的十万千瓦级核电站的核反应堆的堆芯布置的已授权专利(一种核电站的核反应堆堆芯布置，专利公开号：CN103474101A)，该专利公开了在不同富集度燃料的布置形式，包含57盒燃料组件，堆芯热功率约300MW，电功率约100MW。
国外有无可溶硼、48个月不换料的装料策略的150MW电功率(热功率500MW)小型模块化反应堆核设计的公开文献报道(A 48-month extended fuel cycle for the B&WmPower small modular nuclear reactor,ISBN-13:9781622763894,PHYSOR2012)，包含69盒燃料组件。
虽然上述国内外现有技术具有自身优势和特色，但未能在燃料经济性、系统设计简化、运行灵活性几个方面完整集成，在小堆的多用途特性和经济性上未达到最好的兼顾。
发明内容
本发明提出了一种纯棒控、多批次装卸料、长寿期多用途的十万千瓦级反应堆堆芯核设计方法，使得小堆的应用灵活性更高、系统设计更加简化、燃料经济性更好且仍然满足安全分析的要求。
本发明通过下述技术方案实现：
一种十万千瓦级反应堆堆芯核设计方法，堆芯内混合装载含两种不同质量百分比毒物的载钆燃料棒和不载毒物的纯燃料棒，载钆燃料棒的富集度是固定的，不载毒物的纯燃料棒富集度有多种且均不超过5％，不使用可溶硼；首循环采用高泄漏装载方式，平衡循环采用分区加棋盘式装载方式；堆芯内布置超过85％燃料组件总数的控制棒，完全依靠控制棒进行反应性调节和补偿。
进一步，堆芯包括57个方形燃料组件，组件内部燃料棒呈17*17排列，每个燃料组件包含264根燃料棒、24根导向管和1根测量仪表管。
进一步，首循环采用高泄漏装载方式，具体为使用1.9％、3.1％、4.95％三种富集度纯燃料棒，使用两种质量百分比毒物的载钆燃料棒，包含采用四种不同轴向分区的燃料组件；堆芯径向分为三区，高富集度且载钆燃料棒数量少、毒物质量百分比低的组件布置在最外围，高富集度且载钆燃料棒数量相对多、毒物质量百分比相对高的组件布置在次外围，低富集度且载钆燃料棒的组件和低富集度且不装载载钆燃料棒的组件在堆芯中心区域呈棋盘式布置。
进一步，平衡循环采用分区加棋盘式装载方式，具体为使用3.1％、3.9％、4.95％三种富集度纯燃料棒，使用含两种质量百分比毒物的载钆燃料棒，包含采用四种不同轴向分区的燃料组件。
进一步，堆芯内布置有49束控制棒，分为9组。
进一步，堆芯内燃料组件径向外围布置不锈钢围板和水反射层，轴向布置水反射层。
进一步，通过控制棒动作调节反应性变化并补偿燃料亏损，所有控制棒完全提出后停堆换料，采用1/3倒料方法，换料周期为24个月。
本发明与相关先进背景技术相比，集成采用纯棒控调节、多批次装卸料、优化控制棒分组及提棒顺序多种措施，实现了具有系统简化、运行灵活、燃料经济性高且满足相关安全分析的十万千瓦级(电功率)小堆堆芯核设计。
本发明通过综合采取合理布置可燃毒物(质量百分比及数量)、优化组件位置、合理轴向分区并采用优化的控制棒分组及提棒顺序等多种措施，实现长寿期纯棒控小堆的功率展平。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
图1为本发明堆芯内几种不同的轴向分区形式的燃料棒。
图中，形式a表示轴向不进行分区的燃料棒，形式b表示轴向分成3区的燃料棒，形式c\d\e表示轴向分为4区的燃料棒，但分区位置有差异。
图2为本发明平衡循环的堆芯装载示意图。
图中，1、2、3、4标识的组件后备反应性呈依次降低趋势。
图3为本发明堆芯控制棒布置图。
图中，标有“CR”的组件位置均布置了控制棒。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施例
堆芯活性段高度215cm，由57个方形燃料组件构成，组件内部燃料棒呈17*17排列，每个组件包含264根燃料棒、24根导向管和1根测量仪表管；使用一体式可燃毒物钆，堆内共使用含两种不同质量百分比毒物的载钆燃料棒和不含毒物的纯燃料棒，载钆燃料棒的富集度是固定的，不载毒物的燃料棒富集度有多种且均不超过5％；堆内布置49束控制棒，分为9组；燃料组件径向外围布置不锈钢围板和水反射层，轴向布置水反射层。
首循环使用1.9％、3.1％、4.95％三种富集度纯燃料棒，使用含7％和10％两种质量百分比毒物的载钆燃料棒，包含采用四种不同轴向分区的燃料组件；堆芯径向分为三区，高富集度且载钆燃料棒数量少、毒物质量百分比低的组件布置在最外围，最外围组件轴向中段的燃料富集度为3.1％、两端的燃料富集度为4.95％，毒物质量百分比7％，载钆棒数量包含0、8、16根三种；高富集度且载钆燃料棒数量相对多、毒物质量百分比相对高的组件布置在次外围，与外围组件的燃料富集度使用情况一致，但毒物质量百分比为10％，且部分组件部分轴向段内包含24根载钆棒；低富集度且装载了载钆燃料棒的组件和低富集度且不装载载钆燃料棒的组件在堆芯中心区域呈棋盘式布置，使用1.9％、3.1％两种燃料富集度；配合使用重叠棒组、切换调节棒组策略，完全依靠控制棒进行反应性调节和补偿。待控制棒完全抽出堆芯活性区后停堆换料。
经过数个过渡循环后进入平衡循环，平衡循环使用3.1％、3.9％、4.95％三种富集度纯燃料棒，使用含7％和10％两种质量百分比毒物的载钆燃料棒，载钆棒数量包含0、12、16、20、24五种，包含采用四种不同轴向分区的燃料组件(与首循环存在差异)；装载形式如图2所示，数字1到4代表组件后备反应性逐次减小，组件后备反应性的差异由入堆次数、燃料富集度以及可燃毒物装载数量共同决定；结合采用分区加棋盘式布置形式；配合使用重叠棒组、切换调节棒组策略(与首循环存在差异)，完全依靠控制棒进行反应性调节和补偿。待控制棒完全抽出堆芯活性区后停堆换料，换料周期约24个月。每个平衡循环卸出约1/3燃耗较深的旧燃料组件，装入对应数量的新燃料组件。通过控制棒动作调节反应性变化并补偿燃耗亏损，所有控制棒完全提出后停堆换料；采用约1/3倒料策略；从首循环起即达到24个月换料周期。
为了抑制纯棒控策略所导致的较大功率峰，在不同的径向或轴向位置：使用不同质量百分比的钆可燃毒物(5％-12％)，使用不同数量载钆燃料棒(0～24根)，装载不同富集度(≤5％)的UO2燃料；有效展平堆芯功率分布，达到相关安全分析的要求。
本发明集成采用纯棒控、多批次装卸料的设计理念，达到了简化系统设计并提高燃料利用率的目的。采用一体式可燃毒物，通过多种可燃毒物质量百分比、多种可燃毒物棒数量的合理分区使用，通过多种轴向分区形式的配合使用，结合多种燃料富集度混合装载策略，布置大量控制棒并采用优化的分组和提棒顺序，实现反应性控制和功率展平，使得堆芯满足相关安全分析的要求。本发明进一步增加了小堆应用的灵活性，同时提高了小堆的燃料经济性，该堆芯设计更加符合小堆的多用途定位。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种十万千瓦级反应堆堆芯核设计方法，其特征在于，堆芯内混合装载含两种不同质量百分比毒物的载钆燃料棒和不载毒物的纯燃料棒，载钆燃料棒的富集度是固定的，不载毒物的纯燃料棒富集度有多种且均不超过5％，不使用可溶硼；首循环采用高泄漏装载方式，平衡循环采用分区加棋盘式装载方式；堆芯内布置超过85％燃料组件总数的控制棒，完全依靠控制棒进行反应性调节和补偿。
2.根据权利要求1所述的一种十万千瓦级反应堆堆芯核设计方法，其特征在于，堆芯包括57个方形燃料组件，组件内部燃料棒呈17*17排列，每个燃料组件包含264根燃料棒、24根导向管和1根测量仪表管。
3.根据权利要求1所述的一种十万千瓦级反应堆堆芯核设计方法，其特征在于，首循环采用高泄漏装载方式，具体为使用1.9％、3.1％、4.95％三种富集度纯燃料棒，使用两种质量百分比毒物的载钆燃料棒，包含采用四种不同轴向分区的燃料组件；堆芯径向分为三区，高富集度且载钆燃料棒数量少、毒物质量百分比低的组件布置在最外围，高富集度且载钆燃料棒数量相对多、毒物质量百分比相对高的组件布置在次外围，低富集度且载钆燃料棒的组件和低富集度且不装载载钆燃料棒的组件在堆芯中心区域呈棋盘式布置。
4.根据权利要求1所述的一种十万千瓦级反应堆堆芯核设计方法，其特征在于，平衡循环采用分区加棋盘式装载方式，具体为使用3.1％、3.9％、4.95％三种富集度纯燃料棒，使用含两种质量百分比毒物的载钆燃料棒，包含采用四种不同轴向分区的燃料组件。
5.根据权利要求1所述的一种十万千瓦级反应堆堆芯核设计方法，其特征在于，堆芯内布置有49束控制棒，分为9组。
6.根据权利要求1所述的一种十万千瓦级反应堆堆芯核设计方法，其特征在于，堆芯内燃料组件径向外围布置不锈钢围板和水反射层，轴向布置水反射层。
7.根据权利要求1所述的一种十万千瓦级反应堆堆芯核设计方法，其特征在于，通过控制棒动作调节反应性变化并补偿燃料亏损，所有控制棒完全提出后停堆换料，采用1/3倒料方法，换料周期为24个月。
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