CN111710444A

CN111710444A - 环形燃料供热堆的堆芯装载方法

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Publication number: CN111710444A
Application number: CN202010616249.0A
Authority: CN
Inventors: 潘翠杰; 夏兆东; 朱庆福; 吕牛; 李东朋; 张庚
Original assignee: China Institute of Atomic of Energy
Current assignee: China Institute of Atomic of Energy
Priority date: 2020-06-30
Filing date: 2020-06-30
Publication date: 2020-09-25
Anticipated expiration: 2040-06-30
Also published as: CN111710444B

Abstract

本发明提供了一种环形燃料供热堆的堆芯装载方法，该堆芯装载方法包括以下步骤：提供四种富集度的环形燃料组件，分别为富集度为1.8％的第一燃料组件、富集度为2.4％的第二燃料组件、富集度为3.1％的第三燃料组件和富集度为3.5％的第四燃料组件；利用第一燃料组件、第二燃料组件和第三燃料组件组建首循环堆芯，首循环堆芯包括57个燃料组件；装载堆芯控制棒束；以及采用从外向内的换料方式对堆芯的燃料组件进行换料，每次换料装入16个所述第四燃料组件。根据本发明的环形燃料供热堆的堆芯装载方法建造的环形燃料供热堆通过采用环形燃料元件而大大提高了环形燃料堆芯的换热效率，从而提高了堆芯的功率密度，还提高了低温供热堆的安全性能。

Description

环形燃料供热堆的堆芯装载方法

技术领域

本发明涉及反应堆堆芯的布置，更具体地，涉及一种民用供热堆的堆芯装载方法。

背景技术

目前，我国城市供暖主要以热电联产和区域锅炉房为主，每年供暖消耗煤炭超过5亿吨。近年来，北方地区冬季雾霾问题日渐突出，燃煤供暖引起的空气污染问题受到社会各界的高度关注。核能作为一种清洁能源，在减少化石能源消耗以及污染物排放等方面的优势十分明显，因此“以核代煤”实现核能供热是节约资源、降低环境成本的有效措施之一。

核能供热反应堆一般需要建造在用户附近，而这些用户大都在人口密集或工业集中的地区，因此要求核能供热反应堆具有高的固有安全性。低温供热堆是以单一供热为主的核能供热厂，在供热期内以供热方式运行，在非供暖期停运。该反应堆采用较小功率和更低参数设计，在低温低压的条件下运行，具有高的固有安全性，从而可以贴近大城市居民区建造，缩短供热距离，减少热量损失。

环形燃料元件是一种新型结构的燃料元件，与实心燃料元件相比，环形燃料元件的优势在于从两侧实现换热，能够把热量迅速导出，有效降低燃料包壳温度、热流密度和燃料温度，减少放射性气体在燃料包壳中的释放量。轻水堆采用环形燃料元件代替传统棒状燃料元件，在堆芯功率不变的情况下，可显著提高反应堆的安全性；在保持堆芯结构不变的情况下，能够在保持或提高现有反应堆安全性能的前提下，将核电厂的功率密度提高20％-50％。

如何进一步提高低温供热堆的效率及其功率密度是现有技术中需要解决的技术问题，以下将通过根据本发明的堆芯装载方法实现相关低温供热堆的效率或功率密度。

发明内容

为了解决上述技术问题中的至少一个方面，本发明的实施例提供了一种环形燃料供热堆的堆芯装载方法，该堆芯装载方法包括以下步骤：

提供四种富集度的环形燃料组件，分别为富集度为1.8％的第一燃料组件、富集度为2.4％的第二燃料组件、富集度为3.1％的第三燃料组件和富集度为3.5％的第四燃料组件；

利用所述第一燃料组件、所述第二燃料组件和所述第三燃料组件组建首循环堆芯，所述首循环堆芯包括57个燃料组件；

装载堆芯控制棒束；以及

采用从外向内的换料方式对所述堆芯的燃料组件进行换料，每次换料装入16个所述第四燃料组件。

根据本发明的环形燃料供热堆的堆芯装载方法的一个实施例，所述首循环堆芯从内层到外层依次包括21个第一燃料组件、16个第二燃料组件以及20个第三燃料组件。

在根据本发明的环形燃料供热堆的堆芯装载方法的另一个实施例中，采用从外向内的换料方式对所述堆芯的燃料组件进行换料的步骤包括经过四次换料过程使所述堆芯达到平衡循环堆芯。

根据本发明的环形燃料供热堆的堆芯装载方法的再一个实施例，所述平衡循环堆芯包括16个所述第四燃料组件、16个运行一个循环的第五燃料组件、16个运行两个循环的第六燃料组件以及9个运行三个循环的第七燃料组件。

在根据本发明的环形燃料供热堆的堆芯装载方法的还一个实施例中，所述堆芯控制棒束包括57个控制棒组件，所述57个控制棒组件被分成11组。

根据本发明的环形燃料供热堆的堆芯装载方法的又一个实施例，所述堆芯控制棒束的布置方式如下表所示：

其中，01号组控制棒组件、02号组控制棒组件、05号组控制棒组件以及08号组控制棒组件为停堆棒组，03号组控制棒组件、04号组控制棒组件、06号组控制棒组件、07号组控制棒组件、09号组控制棒组件、10号组控制棒组件以及11号组控制棒组件为控制棒组。

在根据本发明的环形燃料供热堆的堆芯装载方法的另一个实施例中，在所述平衡循环堆芯中，所述控制棒组的提棒顺序依次为：

03号组控制棒组件、10号组控制棒组件、09号组控制棒组件、07号组控制棒组件、04号组控制棒组件、06号组控制棒组件以及11号组控制棒组件。

根据本发明的环形燃料供热堆的堆芯装载方法的再一个实施例中，所述控制棒组的提棒总移动步数为215步，提棒顺序相邻的两组控制棒组件之间的重叠步数为70步。

在根据本发明的环形燃料供热堆的堆芯装载方法的还一个实施例中，每个所述控制棒组件包括8个控制棒元件。

根据本发明的环形燃料供热堆的堆芯装载方法的又一个实施例，所述燃料组件包括排列成13行13列形式的燃料元件，所述燃料组件包括160个环形燃料元件、8个导向管和1个测量管。

在根据本发明的环形燃料供热堆的堆芯装载方法的另一个实施例中，所述160个环形燃料元件中包含4个含钆燃料元件。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果中的至少一个：

(1)依据本发明的环形燃料供热堆的堆芯装载方法建造的环形燃料供热堆通过采用环形燃料元件而大大提高了环形燃料堆芯的换热效率，从而提高了堆芯的功率密度，另外还能够提高低温供热堆的安全性能。

(2)环形燃料低温供热堆具有低碳清洁、固有安全性高、经济性好、运行稳定等多重优势，环形燃料低温供热堆技术的推广对缓解我国能源紧张、环境污染等问题具有重要意义。

(3)根据本发明的环形燃料供热堆的堆芯装载方法实现了环形燃料元件在低温供热堆上的应用，从而能够进一步推进环形燃料元件在低温堆中的应用，进而推进我国清洁供热工作，加快提高清洁供热比重，改善城市居住环境。

(4)环形燃料低温供热堆的应用可以获得环形燃料堆内的性能数据，为环形燃料元件在大型压水堆、一体化船用堆和小型潜水反应堆等领域的应用提供理论基础。

附图说明

通过下文中参照附图对本发明所作的描述，本发明的其它目的和优点将显而易见，并可帮助对本发明有全面的理解。

图1为根据本发明示例性实施例的环形燃料元件的径向剖视图；

图2为根据本发明的实施例的环形燃料组件的截面示意图；

图3为根据本发明的实施例的首循环堆芯的截面示意图；

图4为根据本发明的实施例的平衡循环堆芯的截面示意图；

图5为根据本发明的实施例的平衡循环堆芯的提棒时序图。

需要说明的是，附图并不一定按比例来绘制，而是仅以不影响读者理解的示意性方式示出。

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，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一个实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

除非另外定义，本发明使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。

环形燃料元件是一种新型结构的燃料元件，具有良好的传热性能，将环形燃料元件应用于低温供热堆中，可大大提高低温供热堆的安全性能。环形燃料低温供热堆具有低碳清洁、固有安全性高、经济性好、运行稳定等多重优势，其技术的推广对缓解我国能源紧张、环境污染等问题具有重要意义。

本发明提供一种环形燃料供热堆的堆芯装载方法，该方法包括如下的步骤：提供四种富集度的环形燃料组件，分别为富集度为1.8％的第一燃料组件、富集度为2.4％的第二燃料组件、富集度为3.1％的第三燃料组件和富集度为3.5％的第四燃料组件。环形燃料组件由如图1所示的环形燃料元件10构成，该环形燃料元件10包括外包壳12、内包壳14以及设置在外包壳12与内包壳14之间的燃料块16，在外包壳12与燃料块16之间的间隙内以及在燃料块16与内包壳14之间的间隙内充注氦气，其中，外包壳12和内包壳14可以利用锆材料制成。环形燃料元件10的外包壳12的外部和内包壳14的内部均可与换热介质进行换热，比如可以为水，由此能够大幅提高由环形燃料元件10形成的燃料组件的换热效率。根据本发明的环形燃料组件20的布置示意图示出在图2中，该环形燃料组件20包括排列成13行、13列形式的燃料元件，其中空白小方格表示环形燃料元件10，共160个，黑色小方格表示控制棒的导向管22，共8个，用于为控制棒的插入和抽出提供导向，位于中心的“×”表示1个测量管24，可以用于容纳堆芯通量探测器，每个燃料组件中均包含4根含钆燃料元件，也就是160个环形燃料元件10中包含4个含钆燃料元件。

进一步地，利用富集度为1.8％的第一燃料组件42、富集度为2.4％的第二燃料组件44和富集度为3.1％第三燃料组件46组建首循环堆芯40，该堆芯共包括57个燃料组件；然后，装载堆芯控制棒束，以便实现对堆芯的反应性变化的补偿以及实现反应堆堆芯的停堆控制。最后，采用从外向内的换料方式对堆芯的燃料组件进行换料，每次换料装入16个新的燃料组件，即第四燃料组件。如此，经过四次换料之后能够实现堆芯从首循环堆芯40到平衡循环堆芯的过渡。根据本发明形成的堆芯的活性区高度为215cm。

根据本发明的环形燃料供热堆的堆芯装载方法，其中，首循环堆芯40从内层到外层依次包括21个第一燃料组件42、16个第二燃料组件44以及20个第三燃料组件46。如图3所示，第三燃料组件46设置在首循环堆芯40的最外层，其能够将首循环堆芯40完全地包裹住，16个第二燃料组件44则依次设置在第三燃料组件46的内侧，刚好将第三燃料组件46的内侧包住，第二燃料组件44的内部则完全被21个第一燃料组件42占据。在对首循环堆芯40的燃料组件进行换料时，可以通过新的燃料组件更换外层的第三燃料组件46、换下的第三燃料组件46更换中间层的第二燃料组件46以及利用更换下的第二燃料组件46对最内层的第一燃料组件42进行更换，直到达到堆芯的平衡循环状态为止。

根据本发明的环形燃料供热堆的堆芯装载方法中的采用从外向内的换料方式对堆芯的燃料组件进行换料的步骤包括经过四次换料过程使堆芯达到平衡循环堆芯。如图4所示，该平衡循环堆芯60包括16个第四燃料组件62(即富集度为3.5％的新燃料组件)、16个运行一个循环的第五燃料组件64、16个运行两个循环的第六燃料组件66以及9个运行三个循环的第七燃料组件68。在后续的每一次换料过程中，可以在新更换的第四燃料组件62运行一个燃烧循环之后，利用16个新的第四燃料组件对其进行更换，将换下的运行一个燃烧循环的第五燃料组件64对已运行两个燃烧循环的16个第六燃料组件66进行更换，将换下的16个第六燃料组件66中的9个对已运行三个燃烧循环的9个第七燃料组件68进行更换。也就是说，利用根据本发明的环形燃料供热堆的堆芯装载方法将堆芯装载至平衡循环之后，以后每次换料仅需添加富集度为3.5％的燃料组件。

根据本发明的环形燃料供热堆的堆芯装载方法，其中，堆芯控制棒束包括57个控制棒组件，所述57个控制棒组件被分成11组，堆芯控制棒束的布置方式如表1所示。

表1堆芯控制棒束的布置形式

在表1中，01号组控制棒组件、02号组控制棒组件、05号组控制棒组件以及08号组控制棒组件为停堆棒组，用于堆芯的停堆控制，为反应堆提供足够的停堆裕量。03号组控制棒组件、04号组控制棒组件、06号组控制棒组件、07号组控制棒组件、09号组控制棒组件、10号组控制棒组件以及11号组控制棒组件为控制棒组，用于补偿堆芯反应性的变化。每个控制棒组件的总移动步数为215步，每步为1cm，每个控制棒组件的总移动距离刚好覆盖堆芯的活性区高度。

当环形燃料供热堆的堆芯达到平衡循环时，也就是在堆芯为平衡循环堆芯时，用于补偿堆芯反应性的变化的控制棒组件的提棒顺序依次为03号组、10号组、09号组、07号组、04号组、06号组以及11号组。提棒顺序相邻的两组控制棒组件之间的重叠步数为70步。如图5所示，横坐标为时间，纵坐标为提棒步数。举例来说，03号组的控制棒组件首先提棒，03号组的控制棒组件的总移动步数为215步，当03号组的控制棒组件被提棒移动145步之后，在03号组的控制棒组件被执行下次提棒操作的同时，10号组的控制棒组件开始第1步的提棒动作，03号组的控制棒组件一直提棒至第215步，同时10号组的控制棒组件与03号组的控制棒组件同步提棒，当10号组的控制棒组件提棒至第145步时，09号组的控制棒组件开始第1步提棒动作，以此类推。也就是说，控制棒组的提棒总移动步数为215步，提棒顺序相邻的两组控制棒之间的重叠步数为70步，即提棒顺序中的前一组的最后70步与后一组的最先70步是同时进行的。

可以利用根据本发明的环形燃料供热堆的堆芯装载方法进行供热堆的设计。根据设计目标确定循环长度，采用堆芯燃料管理程序包进行环形燃料低温供热堆的堆芯方案设计。首先进行多循环燃料管理计算，确定燃料富集度、批料数、毒物的含量及根数，在多循环燃料管理的基础上，根据已确定的燃料富集度、批料数、毒物的含量及根数来确定燃料组件和毒物在空间中的位置，从而获得最佳的堆芯方案。然后，根据堆芯的装载方案，设计控制棒组，并按热态满功率运行，随燃耗调节控制棒，优化功率不均匀因子，搜索临界棒位，提供一套环形燃料低温供热堆的提棒程序。最后，采用堆芯燃料管理程序包计算分析堆芯初始反应性、堆芯寿期、堆芯卸料燃料、堆芯径向功率分布、焓升因子、热点因子、慢化剂温度系数等堆芯物理参数，计算结果研究表明各堆芯物理参数均满足设计要求，也就是说根据本发明的环形燃料供热堆的堆芯装载方法能够实现对低温供热堆的堆芯良好装载以及控制。

以下为采用根据本发明的环形燃料供热堆的堆芯装载方法设计的供热堆的相关参数，该环形燃料低温供热堆的热功率为400MW，反应堆冷却剂总流量为433kg/cm²·h，冷却剂平均温度为83℃，平均线功率密度为204W/cm，堆芯压力为0.25MPa，堆芯活性区高度为215cm，堆芯等效直径为183.2cm，堆芯高径比为1.17。反应堆燃料由二氧化铀芯块组成，芯块名义制造密度为10.412g/cm³，二氧化铀在芯块中的体积比例为0.9882。堆芯由57个环形燃料组件构成，燃料组件的中心距为21.504cm。根据本发明的方法装载的供热堆实现了大约320等效满功率天(EFPD)的平衡循环寿期，燃料平均卸料燃耗约为32980兆瓦日/吨铀(MWd/tU)，满足低温供热堆的应用需求。

依据本发明的环形燃料供热堆的堆芯装载方法建造的环形燃料供热堆通过采用环形燃料元件而大大提高了环形燃料堆芯的换热效率，从而提高了堆芯的功率密度，另外还能够提高低温供热堆的安全性能。环形燃料低温供热堆具有低碳清洁、固有安全性高、经济性好、运行稳定等多重优势，环形燃料低温供热堆技术的推广对缓解我国能源紧张、环境污染等问题具有重要意义。根据本发明的环形燃料供热堆的堆芯装载方法实现了环形燃料元件在低温供热堆上的应用，从而能够进一步推进环形燃料元件在低温堆中的应用，进而推进我国清洁供热工作，加快提高清洁供热比重，改善城市居住环境。再者，环形燃料低温供热堆的应用可以获得环形燃料堆内的性能数据，为环形燃料元件在大型压水堆、一体化船用堆和小型潜水反应堆等领域的应用提供理论基础。

对于本发明的实施例，还需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合以得到新的实施例。

以上，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims

1.一种环形燃料供热堆的堆芯装载方法，包括：

装载堆芯控制棒束；以及

2.根据权利要求1所述的环形燃料供热堆的堆芯装载方法，其特征在于，

所述首循环堆芯从内层到外层依次包括21个第一燃料组件、16个第二燃料组件以及20个第三燃料组件。

3.根据权利要求1所述的环形燃料供热堆的堆芯装载方法，其特征在于，

采用从外向内的换料方式对所述堆芯的燃料组件进行换料的步骤包括经过四次换料过程使所述堆芯达到平衡循环堆芯。

4.根据权利要求3所述的环形燃料供热堆的堆芯装载方法，其特征在于，

所述平衡循环堆芯包括16个所述第四燃料组件、16个运行一个循环的第五燃料组件、16个运行两个循环的第六燃料组件以及9个运行三个循环的第七燃料组件。

5.根据权利要求3所述的环形燃料供热堆的堆芯装载方法，其特征在于，

所述堆芯控制棒束包括57个控制棒组件，所述57个控制棒组件被分成11组。

6.根据权利要求5所述的环形燃料供热堆的堆芯装载方法，其特征在于，

所述堆芯控制棒束的布置方式如下表所示：

7.根据权利要求6所述的环形燃料供热堆的堆芯装载方法，其特征在于，

在所述平衡循环堆芯中，所述控制棒组的提棒顺序依次为：

8.根据权利要求7所述的环形燃料供热堆的堆芯装载方法，其特征在于，

所述控制棒组的提棒总移动步数为215步，提棒顺序相邻的两组控制棒组件之间的重叠步数为70步。

9.根据权利要求1所述的环形燃料供热堆的堆芯装载方法，其特征在于，

每个所述控制棒组件包括8个控制棒元件。

10.根据权利要求1所述的环形燃料供热堆的堆芯装载方法，其特征在于，

所述燃料组件包括排列成13行13列形式的燃料元件，所述燃料组件包括160个环形燃料元件、8个导向管和1个测量管。

11.根据权利要求10所述的环形燃料供热堆的堆芯装载方法，其特征在于，

所述160个环形燃料元件中包含4个含钆燃料元件。