CN109036603B - 一种超大型压水堆堆芯长循环换料装载方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超大型压水堆堆芯长循环换料装载方法，全堆芯共采用221组燃料组件，堆芯活性段高度为14英尺，热功率不低于4588MWt，每次加入80～116组新燃料组件。新燃料组件的富集度配比可根据循环长度的具体要求灵活调整，可实现不低于55EFPD的调整范围，通过增减新燃料组件可额外实现±30EFPD左右的机动循环。新燃料组件所带载钆燃料棒的数量及钆的质量分数可以根据展平堆芯功率分布的需要加以确定。新燃料组件的轴向分区可根据堆芯轴向功率分布变化特性加以设置。该方法能够满足核电厂向18～24个月长循环燃料管理过渡的需求，可增加发电量，降低电厂比投资，并抑制堆芯轴向功率的振荡、提高堆芯轴向安全特性。

Description

一种超大型压水堆堆芯长循环换料装载方法

技术领域

本发明属于核电技术领域，具体涉及一种超大型压水堆堆芯长循环换料装载方法。

背景技术

压水堆堆芯燃料管理，是指从首循环到平衡循环堆芯，确定堆芯所使用的燃料富集度、可燃毒物的类型及各种燃料组件和可燃毒物在堆芯内的布置，使得反应堆堆芯的设计结果满足核设计准则和电厂总体要求。堆芯燃料管理的优劣直接影响核电厂的经济性和安全性，是后续安全分析或评价的基础。

当前国际上将电功率大于1400MWe的压水堆堆型统称为超大堆，考虑到电厂效率，即超大堆对应热功率大于3700MWt的压水堆。根据国际国内市场动态和技术发展趋势，从电力需求、是否参与调峰等因素出发，超大堆具有一定的市场需求。在燃料管理周期相同的情况下，提高反应堆功率可相应降低电厂比投资，提高电厂经济性。

当前国内电网电力需求处于变化较大的阶段，需要核电厂对反应堆的运行具有较强的灵活控制能力，包含对循环长度及运行功率水平的调整，这些都对电厂机动性提出要求。

综上，可通过使用长循环换料装载方法，并提升反应堆功率来提高电厂经济性。这要求堆芯装载更多燃料，即需要增加燃料组件数目、提高燃料组件富集度、增加活性段高度等。活性段高度一定的情况下，仅增加燃料组件数目会导致堆芯高径比欠优化，中子经济性受损；而燃料组件数目固定的情况下增加活性段高度则会带来较大的轴向功率波动；提升燃料组件富集度则面临国际原子能机构的富集度限制。这意味着需要对这堆芯重新设计才能较好地提高电厂经济性，同时保证堆芯的安全性及一定的机动性。

发明内容

本发明目的在于提供一种超大型压水堆堆芯长循环换料装载方法，解决如何在提高电厂经济性的基础上，降低对应参数调整带来的负面影响的问题。因此本发明设计出一种超大型压水堆堆芯长循环换料装载方法，此技术方案能够满足热功率大于3700MWt的堆芯18～24个月燃料管理策略，增加发电量、降低成本，提高核电厂运行的经济性，同时具备优异的机动性，并从设计上降低了参数调整带来的轴向功率分布波动，提升安全性。为达到上述目的，本发明所采取的技术方案为反应堆额定热功率不低于4588MWt，主方案换料周期为18～24个月，机动循环可实现±30EFPD及以上的机动运行。

本发明通过下述技术方案实现：

一种超大型压水堆堆芯长循环换料装载方法，包括如下步骤：

1)首循环堆芯采用高泄漏装载模式，堆芯共装入221组燃料组件，燃料组件采用3～6种不同的富集度，且燃料组件的U-235富集度分布在1.6％～4.0％之间，其中最高富集度组件设置在堆芯的最外圈，较低富集度的燃料组件在堆芯内部成交叉棋盘式布置。燃料棒的活性段高度为14英尺，燃料组件在轴向根据需要设置分区，即在端部不设置可燃毒物、并视情况使用较低富集度的燃料，以抑制堆芯轴向功率分布振荡并改善轴向中子经济性。

2)过渡循环和平衡循环采用低泄漏堆芯装载模式，即每次更新的新燃料组件均置于堆芯内部且与燃耗过的旧组件配合使用，堆芯最外圈放置已燃耗过的旧燃料组件，新燃料组件与来自以往循环的旧燃料组件总体呈棋盘式布置，过渡循环以及平衡循环中所更换的新的燃料组件均采用两种不同的富集度，且其富集度分布在4.4％～5.0％之间。

平衡循环换料燃料组件采用两种富集度，两种富集度组件的数量之间存在配比关系，配比不同，对应的循环周期也会相应变动。可通过新组件数量一定，仅调节两种富集度新组件数量配比来调节堆芯机动循环长度；也可通过加减堆芯总新组件数来调节堆芯机动循环长度，堆芯可实现的机动运行范围更宽，机动性更强。

新燃料组件布置于堆芯内圈以提高堆芯中子经济性，避免过多的中子泄漏损失、降低压力容器所受的中子辐照；新燃料组件与来自以往循环的旧燃料组件总体呈棋盘式布置，以展平功率分布；两种情况综合在提高中子经济性与展平功率分布之间取得良好平衡。

堆芯功率提升与长燃料循环可通过增加堆芯U-235装量实现，如增加堆芯燃料组件数、增加活性段高度、提高换料燃料组件富集度等。本发明堆芯装载的燃料组件数从常见的157、177提升至221，并将堆芯活性段高度从当前常见的12英尺提升至14英尺，同时并在满足国内的监管限制的前提下尽量提高换料燃料组件中U-235的富集度。

堆芯活性段高度从当前常见的12英尺提升至14英尺，增加了活性段高度。堆芯活性段增高后，轴向的功率及燃耗在更长的范围内产生波动，当堆芯上半部功率较高时，上半部分的可燃毒物的燃耗速度也会加快，从而释放出正反应性，进一步导致堆芯上半部分功率变高，从而导致堆芯轴向功率的振荡幅度加大。因此减少可燃毒物的装载量能效减缓这种振荡。通过在燃料组件端部不设置可燃毒物可减少可燃毒物的装量，降低堆芯轴向功率振荡幅度。同时堆芯端部功率往往较低，燃料无法充分燃耗，降低燃料组件端部的燃料富集度可提高燃料经济性。故本发明中考虑燃料组件轴向分段设计，在燃料组件端部不设置可燃毒物；首循环中，U-235富集度不超过4.0％，并考虑降低端部的U-235的富集度，以在保证堆芯功率水平的基础上，抑制堆芯轴向功率的振荡，提高堆芯轴向安全特性，同时提高轴向的中子经济性；并在过渡循环以及平衡循环中提高富集度，使富集度分布在4.4％～5.0％之间，以保证堆芯功率水平及循环长度。

过渡循环与平衡循环所更换的新燃料组件均采用两种不同的富集度，两种富集度组件数量之间具有一定配比关系(极限情况为单一富集度)，例如，当需要大功率的输出、较长的循环长度时，两种富集度组件中，富集度高的燃料组件可以多设置一些，甚至全部采用一种高的富集度。进一步地，在反应堆的机动性方面，通过调整组件富集度配比来灵活调整堆芯可实现的循环长度，循环长度可存在不低于55 EFPD的调节范围(典型值)；并且通过改变新组件数目，可额外实现±30EFPD的机动循环。

综上，本发明中不仅增加发电量、降低成本，提高核电厂运行的经济性，同时电站机动性强，可应对可能的大范围的发电计划需求变动，具备优异的机动性，机动循环可实现±30EFPD及以上的机动运行；本发明在实现增大堆芯功率、满足18～24个月燃料管理策略的目的上，防止了参数调整带来的负面影响，从设计上提升安全性与燃料经济性。

进一步地，所述可燃毒物为钆，所述具有可燃毒物的燃料棒为载钆燃料棒，即由UO₂-Gd₂O₃均匀混合在芯块中形成的载钆燃料棒，且载钆燃料棒中钆的质量分数为6％～8％。

进一步地，所述载钆燃料棒的U-235富集度分布在1.2％到2.5％之间。燃料组件中布置不同数量的钆可燃毒物棒以控制堆芯的剩余反应性，降低堆芯硼浓度以确保慢化剂温度系数为负，即保证堆芯具有负的反馈特性，同时将含可燃毒物的燃料组件布置在功率较高的位置可展平堆芯功率分布。

载钆燃料棒中钆的质量分数越高，则寿期初所控制的反应性越大，随着毒物在堆芯内不断消耗，能够释放出的反应性也就越多。钆的质量分数过低则堆芯反应性控制能力不足，不能起到降低堆芯硼浓度和展平功率峰的作用，而质量分数太高则容易导致循环寿期中毒物燃耗导致的反应性释放变化较快以及硼浓度不单调变化的情况，增加电厂的废水产生量。并且另一方面，由于载钆燃料棒燃耗过程中会释放一部分反应性，若载钆燃料棒中U-235的富集度过高，则会导致钆棒在燃耗过程中成为热棒，对堆芯安全产生不利影响，而富集度过低又导致组件内部功率分布的过度不均匀。综合考虑，本发明中使用的载钆燃料棒的钆质量分数介于6％～8％之间，载钆棒的U-235富集度则与钆质量分数及不含钆的燃料棒的U-235富集度之间成一定关系，以控制堆芯反应性、降低堆芯硼浓度和展平功率峰。载钆棒的U-235富集度分布在1.2％～2.5％之间，以保证堆芯的安全性。

进一步地，首循环中，燃料组件采用4种不同的富集度，其U-235的富集度依次为1.8％、2.4％、3.1％和3.9％。

进一步地，过渡循环和平衡循环中新组件总数量介于80组～116组之间。

可通过新组件数量一定，仅调节两种富集度新组件数量配比来调节堆芯机动循环长度，也可通过加减堆芯总新组件数来调节堆芯机动循环长度，这样堆芯可实现的机动运行范围更宽，机动性更强。

进一步地，平衡循环中所更换的两种新的燃料组件的富集度依次为4.45％和4.95％。

进一步地，使用17×17栅格布置燃料组件。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

1、本发明一种超大型压水堆堆芯长循环换料装载方法，不仅增加发电量、降低成本，提高核电厂运行的经济性，同时具备优异的机动性，可应对可能的大范围的发电计划需求变动，机动循环可实现±30EFPD及以上的机动运行；本发明在实现增大堆芯功率、满足18～24个月燃料管理策略的目的上，防止了参数调整带来的负面影响，从设计上提升安全性与燃料经济性；

2、本发明一种超大型压水堆堆芯长循环换料装载方法，在燃料组件端部不设置可燃毒物，首循环中，U-235富集度不超过4.0％，并考虑降低端部的U-235的富集度，以在保证堆芯功率水平的基础上，抑制堆芯轴向功率的振荡，并提高堆芯轴向安全特性，同时提高轴向的中子经济性；并在过渡循环以及平衡循环中采提高富集度，使富集度分布在4.4％～5.0％之间，以保证堆芯功率水平及循环长度；

3、本发明一种超大型压水堆堆芯长循环换料装载方法，可通过新组件数量一定，仅调节两种富集度新组件数量配比来调节堆芯机动循环长度，也可通过加减堆芯总新组件数来调节堆芯机动循环长度，这样堆芯可实现的机动运行范围更宽，机动性更强。

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为本发明中应用8根载钆燃料棒的燃料组件示例图；

图2为本发明中应用12根载钆燃料棒的燃料组件示例图；

图3为本发明中应用16根载钆燃料棒的燃料组件示例图；

图4为本发明中应用20根载钆燃料棒的燃料组件示例图；

图5为应用本发明所述平衡循环燃料管理方案1/4堆芯的一个示例(图中标注了当前循环新入堆的燃料组件类型)。

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1

如图1-图5所示，本发明给出一种超大型压水堆堆芯长循环换料装载方法，包括如下步骤：

1)首循环堆芯采用高泄漏装载模式，堆芯共装入221组燃料组件，燃料组件采用3～6种不同的富集度，且燃料组件的U-235富集度分布在1.6％～4.0％之间，其中最高富集度组件设置在堆芯的最外圈，较低富集度的燃料组件在堆芯内部成交叉棋盘式布置。燃料棒的活性段高度为14英尺，燃料组件在轴向根据需要设置分区，即在端部不设置可燃毒物、并视情况使用较低富集度的燃料，以抑制堆芯轴向功率分布振荡并改善轴向中子经济性。

2)过渡循环和平衡循环采用低泄漏堆芯装载模式，即每次更新的新燃料组件均置于堆芯内部且与燃耗过的旧组件配合使用，堆芯最外圈放置已燃耗过的旧燃料组件，新燃料组件与来自以往循环的旧燃料组件总体呈棋盘式布置，过渡循环以及平衡循环中所更换的新的燃料组件均采用两种不同的富集度，且其富集度依次为4.45％和4.95％。

平衡循环换料燃料组件采用两种富集度，两种富集度组件的数量之间存在配比关系，配比不同，对应的循环周期也会相应变动。可通过新组件数量一定，仅调节两种富集度新组件数量配比来调节堆芯机动循环长度；也可通过加减堆芯总新组件数来调节堆芯机动循环长度，堆芯可实现的机动运行范围更宽，机动性更强。新燃料组件布置于堆芯内圈以提高堆芯中子经济性，避免过多的中子泄漏损失、降低压力容器所受的中子辐照；新燃料组件与来自以往循环的旧燃料组件总体呈棋盘式布置，以展平功率分布；两种情况综合在提高中子经济性与展平功率分布之间取得良好平衡。

堆芯功率提升与长燃料循环可通过增加堆芯U-235装量实现，如增加堆芯燃料组件数、增加活性段高度、提高换料燃料组件富集度等。本发明堆芯装载的燃料组件数从常见的157、177提升至221，并将堆芯活性段高度从当前常见的12英尺提升至14英尺，同时并在满足国内的监管限制的前提下尽量提高换料燃料组件中U-235的富集度。

堆芯活性段高度从当前常见的12英尺提升至14英尺，增加了活性段高度。活性段高度越高，堆芯在燃耗过程中越容易出现轴向功率分布波动，故本发明中考虑燃料组件轴向分段设计，在燃料组件端部不设置可燃毒物；首循环中，U-235富集度不超过4.0％，并考虑降低端部的U-235的富集度，以在保证堆芯功率水平的基础上，抑制堆芯轴向功率的振荡，提高堆芯轴向安全特性，同时提高轴向的中子经济性；并在过渡循环以及平衡循环中提高富集度，使富集度分布在4.4％～5.0％之间，以保证堆芯功率水平及循环长度。

过渡循环与平衡循环所更换的新燃料组件均采用两种不同的富集度，两种富集度组件数量之间具有一定配比关系(极限情况为单一富集度)，例如，当需要大功率的输出、较长的循环长度时，两种富集度组件中，富集度高的燃料组件可以多设置一些，甚至全部采用一种高的富集度。进一步地，在反应堆的机动性方面，通过调整组件富集度配比来灵活调整堆芯可实现的循环长度，循环长度可存在不低于55 EFPD的调节范围(典型值)；并且通过改变新组件数目，可额外实现±30EFPD的机动循环。

综上，本发明中不仅增加发电量、降低成本，提高核电厂运行的经济性，同时电站机动性强，可应对可能的大范围的发电计划需求变动，具备优异的机动性，机动循环可实现±30EFPD及以上的机动运行；本发明在实现增大堆芯功率、满足18～24个月燃料管理策略的目的上，防止了参数调整带来的负面影响，从设计上提升安全性与燃料经济性。

实施例2

本实施例对过渡循环和平衡循环中新组件总数进行说明。

本发明一种超大型压水堆堆芯长循环换料装载方法，过渡循环和平衡循环中新组件总数量介于80组～116组之间。

可通过新组件数量一定，仅调节两种富集度新组件数量配比来调节堆芯机动循环长度，例如新组件总数为100，两种富集度的组件分别为80和20；也可通过加减堆芯总新组件数来调节堆芯机动循环长度，例如将新组件数由80提升为116，这样堆芯可实现的机动运行范围更宽，机动性更强。

实施例3

使用17×17栅格布置燃料组件。

实施例4

新燃料组件中载钆燃料棒数量为8、12、16或者20根，其布置方式依次如图1、图2、图3和图4所示。

实施例5

本发明方案与已有典型方案的经济性比对：

已有的典型的18个月长循环采用富集度为4.45的燃料组件，每循环装入68个新燃料组件，循环长度约为475天。本发明中所述的示例超大堆18个月长循环采用混合富集度燃料组件，典型的装载情况下每循环装入特定数量配比的88个新燃料组件，且活性段长度为14英尺，其循环长度达513天。

换料模式的经济性需要综合考虑燃料费用、发电收益、机组大修费用和燃料后处理费用等各个因素，下面对各个因素进行分别分析。

1、材料成本：核燃料组件费用与组件铀装量、富集度有关，受铀价的影响，此处假设4.95％富集度的14英尺高的燃料组件成品为0.18亿元/组，对应的4.45％富集度的组件成品为0.16亿元/组。则本方案与已有典型18个月长循环方案的燃料费用如表1所示。

2、维修成本：传统年换料大修周期一般为30至40天，费用约为5000万元。考虑通货膨胀因素，大修时间设定为40天，大修费用设定为1.2亿元，则年均大修费用情况如表1所示。

3、处理成本：乏燃料后处理费用按上网电量收取，假设单价为0.026元/kWh，则年均乏燃料后处理费用如表1所示。

4、收益：根据机组的功率、循环长度计算年度上网电量，考虑基准上网电价0.43元/kWh，计算出两种换料模式的年度发电收益，如表1所示。

表1两种方案年收益比较

换料方式	超大堆典型方案	已有18个月换料方案
			循环长度，天	513	475
新组件数量	88	68
			新组件数量，年均	58	48
发电量，亿kWh，年均	142.46	85.44
			发电收益，亿元，年均	61.26	36.74
大修支出，亿元，年均	-0.79	-0.85
			乏燃料处理费用，亿元，年均	-3.70	-2.22
燃料费用，亿元，年均	-9.82	-7.68
			年度收益，亿元	46.95	25.99

由表中数据可见，典型的超大堆18个月换料与已有的典型18个月换料方式相比，其主要优势在于年均发电收益及节省的大修费用，其潜在的劣势在于燃料成本较高，但折算的年均净收益仍比已有的18个月换料模式高近21亿元，经济性优势明显。

本发明通过增大燃料组件数、活性段长度以及燃料富集度，并通过相关设置以降低轴向功率分布波动，从而在实现堆芯功率提升、提高经济性的同时，抑制堆芯轴向功率的振荡、提高堆芯轴向安全特性，同时提高轴向的中子经济性。

实施例6

应用本发明所述载钆燃料棒的燃料组件如图1-图4所示，但本发明的堆芯并不局限于图1-图4所示的燃料组件径向布置，图中燃料组件径向布置仅仅给出了本发明提出概念的一种实施例。下面结合图1-图4和具体实施方式对本发明作进一步说明。

如图1-图4所示，燃料组件由若干根不含钆燃料棒呈17×17方形排列；1根仪表管位于燃料组件中心；24根导向管间隔布置于燃料组件中；载钆燃料棒呈1/8对称布置于燃料组件中。载钆燃料棒对称布置有利于获得均匀的组件内径向功率分布。

实施例7

应用本发明所述燃料组件装载方法的堆芯如图5所示，但本发明的堆芯并不局限于图5所示的堆芯布置，图5中堆芯布置仅仅给出了本发明提出概念的一种实施例。下面结合图5和具体实施方式对本发明作进一步说明。

如图5所示，给出了一个典型的平衡循环堆芯的装载示意图。全堆芯共采用221组燃料组件，每次换料加入88组新燃料组件，其中较高富集度或含钆毒物较少的大多数置于堆芯的次外圈，而较低富集度或含钆毒物较多的燃料组件则主要放在堆芯内圈。堆芯最外圈放置旧组件，堆芯内圈的已燃耗过的旧组件与新组件相互搭配组合，或者使已燃耗过的组件按燃耗深度的不同呈交叉排列方式。新燃料组件的富集度配比可根据循环长度的具体要求灵活调整，而新燃料组件所带载钆燃料棒的数量及钆的质量分数可以根据展平堆芯功率分布的需要加以确定。新燃料组件的轴向分区可根据堆芯轴向功率分布变化特性加以设置。

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 (8)

1.一种超大型压水堆堆芯长循环换料装载方法，其特征在于：针对于4588MWt以上额定热功率的超大型压水堆，包括如下步骤：

1)首循环堆芯采用高泄漏装载模式，堆芯共装入221组燃料组件，燃料组件采用3～6种不同的富集度，且燃料组件的U-235富集度分布在1.6％～4.0％之间，其中最高富集度组件设置在堆芯的最外圈，较低富集度的燃料组件在堆芯内部成交叉棋盘式布置，燃料棒的活性段高度为14英尺，在燃料组件端部不设置可燃毒物；

2)过渡循环和平衡循环采用低泄漏堆芯装载模式，新燃料组件与来自以往循环的旧燃料组件总体呈棋盘式布置，过渡循环以及平衡循环中所更换的新的燃料组件均采用两种不同的富集度，且其富集度分布在4.4％～5.0％之间，通过针对过渡循环以及平衡循环的富集度的配比的选择，可实现18-24个月的换料周期的调整。

2.根据权利要求1所述的一种超大型压水堆堆芯长循环换料装载方法，其特征在于：所述可燃毒物为钆，具有可燃毒物的燃料棒为载钆燃料棒，且载钆燃料棒中钆的质量分数为6％～8％。

3.根据权利要求2所述的一种超大型压水堆堆芯长循环换料装载方法，其特征在于：所述载钆燃料棒的U-235富集度布在1.2％到2.5％之间。

4.根据权利要求1所述的一种超大型压水堆堆芯长循环换料装载方法，其特征在于：首循环中，燃料组件采用4种不同的富集度，其U-235的富集度依次为1.8％、2.4％、3.1％和3.9％。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的一种超大型压水堆堆芯长循环换料装载方法，其特征在于：过渡循环和平衡循环中新组件总数量介于80组～116组之间。

6.根据权利要求1-4中任一项所述的一种超大型压水堆堆芯长循环换料装载方法，其特征在于：平衡循环中所更换的两种新的燃料组件的富集度依次为4.45％和4.95％。

7.根据权利要求1-4中任一项所述的一种超大型压水堆堆芯长循环换料装载方法，其特征在于，使用17×17栅格布置燃料组件。

8.根据权利要求7所述的一种超大型压水堆堆芯长循环换料装载方法，其特征在于：新燃料组件中载钆燃料棒数量为8、12、16或者20根。

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