CN112259269A - 百万千瓦压水堆核电厂堆芯18个月循环长度的装载方法 - Google Patents

百万千瓦压水堆核电厂堆芯18个月循环长度的装载方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了百万千瓦压水堆核电厂堆芯18个月循环长度的装载方法，解决目前百万千瓦压水堆核电厂不能直接实现堆芯燃料18个月长周期换料的目标，电厂运行的可利用率偏低的问题。本发明包括压水堆堆芯由177组燃料组件组成，按照U‑235的富集度不同，燃料组件分为2.4％、3.1％和3.9％三区，首循环的装载采用高泄漏模式，所述燃料组件加入载钆燃料棒作为可燃毒物，所述载钆燃料棒中包含UO2‑Gd2O3燃料芯块，第二循环到平衡循环的装载：每次装入72组新燃料组件，新燃料组件中U‑235的富集度为4.45％或4.95％，所述新燃料组件采用钆可燃毒物，UO2‑Gd2O3燃料芯块中U‑235富集度为2.5％，第二循环到平衡循环的装载采用低泄漏模式，到第五循环达到平衡装载。本发明具有直接实现18个月长周期换料等优点。

Description

百万千瓦压水堆核电厂堆芯18个月循环长度的装载方法
技术领域
本发明涉及压水堆堆芯燃料技术领域，具体涉及百万千瓦压水堆核电厂堆芯18个月循环长度的装载方法。
背景技术
对于压水堆堆芯燃料的管理，需要综合考虑堆芯所使用的燃料富集度、可燃毒物的类型及各种组件和毒物在堆芯内的布置等，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。
在压水堆堆芯燃料管理中，需要对首循环到平衡循环多个循环的参数进行设计，一般包括了5-6个循环。
目前，国内在役和在建核电厂的堆芯燃料管理方法中，主要有实现核电站压水堆18个月和24个月的长周期换料的目标。
现有目前使用最多的堆芯燃料管理方法主要有三种类型：1)所有循环均为年换料的燃料管理方法；2)首循环为年换料，核电厂运行后再经过论证分析，逐步过渡到长周期换料方法；3)首循环为年换料，逐渐过渡到平衡循环实现长周期换料。上述类型燃料管理的特征主要有：1)所述堆芯由121、157或177个燃料组件构成；2)前三种燃料管理方法要么没有实现长周期换料的要求，要么过程显得曲折。
为了克服以上问题，经过本领域技术人员的研究，结合百万千瓦级核电站的实际情况，设计了能直接实现18个月长周期换料的目标，且电厂运行的可利用率高的堆芯装载方法。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供百万千瓦压水堆核电厂堆芯18个月循环长度的装载方法，旨在解决目前百万千瓦压水堆核电厂不能较快实现堆芯燃料18个月长周期换料的目标，电厂运行的可利用率偏低的问题。
本发明通过下述技术方案实现：
百万千瓦压水堆核电厂堆芯18个月循环长度的装载方法，压水堆堆芯由177组燃料组件组成，
首循环装载方法：按照U-235的富集度不同，燃料组件分为三区，三区的U-235富集度分别为2.4％、3.1％和3.9％，首循环的装载采用高泄漏模式，所述燃料组件加入载钆燃料棒作为可燃毒物，所述载钆燃料棒中包含UO2-Gd2O3燃料芯块，采用高泄漏装载方式并合理布置钆可燃毒物，有效展平堆芯功率分布。
第二循环到平衡循环的装载方法：每次装入72组新燃料组件，所述新燃料组件中U-235的富集度为4.45％或4.95％，所述新燃料组件采用钆可燃毒物，UO2-Gd2O3燃料芯块中U-235富集度为2.5％，第二循环到平衡循环的装载采用低泄漏模式，到第五循环达到平衡装载。
本发明通过设计177组燃料组件，并选择2.4％、3.1％和3.9％三个U-235的富集度，根据不同的富集度分为三个区，为了控制初始堆芯剩余反应性，实现18个月换料寿期并更好地展平堆芯功率分布，采用一体化钆可燃毒物，其形式为UO2-Gd2O3均匀混合在芯块中形成载钆燃料棒，在首循环装载方法中和第二循环到平衡循环的装载方法中，后续循环的U-235的富集度高于首循环的U-235的富集度，并且为了防止燃料组件中UO2-Gd2O33燃料芯块中成为热点，将UO2-Gd2O3燃料芯块中U-235的富集度设置为低于UO2燃料芯块的富集度，考虑到首循环所用的全部为新燃料组件，为了有效展平堆芯功率分布，采用高泄漏的装载模式，而在第二循环到平衡循环均采用低泄漏模式，通过参数的合理配合，共同实现了百万千瓦压水堆核电厂堆芯18个月的循环长度，提高了电厂运行的可利用率。
本发明优选的百万千瓦压水堆核电厂堆芯18个月循环长度的装载方法，U-235富集度为2.4％的燃料组件中UO2-Gd2O3燃料芯块中的U-235的含量为1.2％，U-235富集度为3.1％的燃料组件中UO2-Gd2O3燃料芯块中的U-235的含量为1.8％，U-235富集度为3.9％的燃料组件中UO2-Gd2O3燃料芯块中的U-235的含量为2.2％。
本发明优选的百万千瓦压水堆核电厂堆芯18个月循环长度的装载方法，在UO2-Gd2O3燃料芯块中，所述Gd2O3的重量百分比为8％。
本发明优选的百万千瓦压水堆核电厂堆芯18个月循环长度的装载方法，U-235富集度为2.4％的燃料组件数为73组，U-235富集度为3.1％的燃料组件数为76组，U-235富集度为3.9％的燃料组件数为28组。
本发明通过设计不同U-235富集度的燃料组件的组数，并合理搭配和布置，直接实现了燃料的18个月循环长度的目标。
本发明优选的百万千瓦压水堆核电厂堆芯18个月循环长度的装载方法，在第二循环到平衡循环的装载方法中，装入的72组新燃料组件中，其中48组新燃料组件的U-235富集度为4.45％，另外24组新燃料组件的U-235富集度为4.95％。
本发明优选的百万千瓦压水堆核电厂堆芯18个月循环长度的装载方法，U-235的富集度为4.95％且含有12根载钆燃料棒的新燃料组件全部分布在次外圈。
本发明优选的百万千瓦压水堆核电厂堆芯18个月循环长度的装载方法，首循环装载方法中，所述燃料组件中载钆燃料棒布置为0、4、8或12根。
本发明优选的百万千瓦压水堆核电厂堆芯18个月循环长度的装载方法，第二循环到平衡循环的装载方法中，所述新燃料组件中载钆燃料棒的数量为12、16或20根。
本发明优选的百万千瓦压水堆核电厂堆芯18个月循环长度的装载方法，所述高泄漏模式为：富集度为3.9％的燃料组件装载在堆芯外圈，富集度为2.4％和3.1％的燃料组件呈交叉棋盘式布置在堆芯的内部。
本发明优选的百万千瓦压水堆核电厂堆芯18个月循环长度的装载方法，所述低泄漏模式为：新燃料组件置于堆芯内圈并与已燃耗过的组件交叉间隔布置，已燃耗较深的旧组件则放置于堆芯最外圈。
本发明通过设计177组燃料组件，并选择2.4％、3.1％和3.9％三个U-235的富集度，根据不同的富集度分为三个区，并对不同U-235富集度的燃料组件设计不同的组数，在燃料组件的可燃毒物上，首循环和后续循环均采用UO2-Gd2O3燃料芯块制成载钆燃料棒，在首循环装载方法中和第二循环到平衡循环的装载方法中，后续循环的U-235的富集度高于首循环的U-235的富集度，并且为了防止燃料组件中UO2-Gd2O3燃料芯块中成为热点，在首循环和后续循环中均是将UO2-Gd2O3燃料芯块中U-235的富集度设置为低于UO2燃料芯块中U-235的富集度，再通过在首循环中采用高泄漏模式而在第二循环到平衡循环均采用低泄漏模式，通过参数的合理配合，共同实现了百万千瓦压水堆核电厂堆芯18个月的循环长度，提高了电厂运行的可利用率。
本发明具有如下的优点和有益效果：
1、本发明提供的燃料管理方法，针对的百万千瓦压水堆堆芯由177个燃料组件所组成，通过合理设计燃料组件数、U-235富集度及分区数、每个区的燃料组件数、可燃毒物的种类、成分及各成分含量以及布置燃料组件的模式，实现了从首循环至平衡循环18个月长周期换料设计的技术需求，该方法直接实现了18个月长周期换料，既保证了堆芯的安全性，又能提高核电厂的可利用率及负荷因子。
2、本发明首循环堆芯的循环长度达到480等效满功率天，平衡循环堆芯的循环长度不低于490等效满功率天，包括过渡循环在内的所有循环均达到18个月长周期换料设计。
3、本发明的最大核焓升因子满足不超1.63的安全限值要求，最大卸料组件平均燃耗低于52000MWd/tU的安全限值要求。
4、本发明平衡后的燃料组件的批卸料燃耗超过47000MWd/tU。
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为本发明的首循环堆芯的装载示意图。
图2为本发明的第二循环堆芯的装载示意图。
图3为本发明的第三循环堆芯的装载示意图。
图4为本发明的第四循环和平衡循环堆芯的装载示意图。
其中：
图1中数值ZZZNN：ZZZ/100表征燃料组件富集度，NN为燃料组件中钆棒数目，以39008为例，表示该位置燃料组件为富集度3.90％的含8根钆棒的燃料组件。
图2和图3中，
Figure BDA0002735115040000041
图4中，数值指新燃料组件中载钆燃料棒根数，其中有下划线的代表4.95％富集度组件，其余是4.45％富集度组件。浅色底纹为燃耗过一个循环的可复用燃料组件，深色底纹为燃耗过两个循环的可复用燃料组件。
在附图中，横坐标从右往左依次由A-R排列，纵坐标从上往下依次由1-15排列。
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。
一个完整的核电厂堆芯的燃料管理，应该根据既定的目标和给定的堆芯参数限制条件或准则，统筹确定从首循环到平衡循环的一系列堆芯燃料循环的堆芯装载模式，并进行相关的中子物理计算。
具体内容涵盖：首循环所采用的几种不同燃料富集度的确定、后续循环新燃料组件富集度的确定、各个循环的固体可燃毒物类型的选择、堆芯燃料组件和固体可燃毒物的布置和优化、初步的安全评价等。
本实施例针对一个百万千瓦级核电厂反应堆堆芯，该堆芯由177个AFA3G燃料组件构成。
如图1-图4所示，百万千瓦压水堆核电厂堆芯18个月循环长度的装载方法，压水堆堆芯由177组燃料组件组成，首循环装载方法如图1所示：按照U-235的富集度不同，燃料组件分为三区，三区的U-235富集度分别为2.4％、3.1％和3.9％，三区的燃料组件数依次为73、76和28组，首循环的装载采用高泄漏模式，所述高泄漏模式为：U-235的富集度为3.9％的燃料组件装载在堆芯外圈，富集度为2.4％和3.1％的燃料组件呈交叉棋盘式布置在堆芯的内部，所述燃料组件加入载钆燃料棒作为可燃毒物，所述载钆燃料棒中包含UO2-Gd2O3燃料芯块，U-235富集度为2.4％的燃料组件中UO2-Gd2O3燃料芯块中的U-235的含量为1.2％，U-235富集度为3.1％的燃料组件中UO2-Gd2O3燃料芯块中的U-235的含量为1.8％，U-235富集度为3.9％的燃料组件中UO2-Gd2O3燃料芯块中的U-235的含量为2.2％，在UO2-Gd2O3燃料芯块中，所述Gd2O3的重量百分比为8％。
如图1所示，首循环装载方法中，所述燃料组件中载钆燃料棒布置为0或8根，U-235富集度为3.9％的28组燃料组件中，其中20个燃料组件中不含载钆燃料棒，其余8组燃料组件中含有8根载钆燃料棒。
U-235富集度为3.1％的76组燃料组件中，载钆燃料棒布置为0、8和12根，其中12组燃料组件中不含载钆燃料棒，32组燃料组件中含有8根根载钆燃料棒，其余32组燃料组件中含有12根根载钆燃料棒。
U-235富集度为2.4％的73组燃料组件中，载钆燃料棒布置为4或8根，其中28组燃料组件中含有4根根载钆燃料棒，其余45组燃料组件中含有8根载钆燃料棒。
通过以上方式装载，首循环堆芯装载能够满足安全准则要求，其主要的计算结果见表1。
表1.首循环堆芯燃料管理计算结果
Figure BDA0002735115040000061
从上表1可以看出：
首循环堆芯装载，其堆芯循环长度的等效满功率天达到了480EFPD。
如图2到图4所示，从第二循环到平衡循环的装载方法为：每次装入72组新燃料组件，所述新燃料组件中U-235的富集度为4.45％或4.95％，其中48组新燃料组件的U-235富集度为4.45％，另外24组新燃料组件的U-235富集度为4.95％，所述新燃料组件采用钆可燃毒物，UO2-Gd2O3燃料芯块中U-235富集度为2.5％，在UO2-Gd2O3燃料芯块中，所述Gd2O3的重量百分比为8％，第二循环到平衡循环的装载方法中，所述新燃料组件中载钆燃料棒的数量为12根、16根或20根；第二循环到平衡循环的装载采用低泄漏模式，到第五循环达到平衡装载，所述低泄漏模式为：新燃料组件置于堆芯内圈并与已燃耗过的较旧组件交叉间隔布置，已燃耗较深的旧组件则放置于堆芯最外圈，具体地：
在新燃料组件中，U-235的富集度为4.95％的组数为24组，全部分布在次外圈，且均含有12根载钆燃料棒。
U-235的富集度为4.45％的新燃料组件的组数为48组，其中8组含有12根载钆燃料棒，16组含有16根载钆燃料棒。剩余的24组含有20根载钆燃料棒。
第二循环到平衡循环的装载方法得到的燃料管理主要计算结果见表2。
表2.后续循环堆芯燃料管理计算结果
Figure BDA0002735115040000071
从上表2可以看出：
(1)采用本发明所述堆芯多循环燃料管理方法，从首循环到平衡循环达到18个月长周期换料设计，其中平衡循环的循环长度超过490等效满功率天，同时兼顾了堆芯功率分布又增加了后续循环堆芯的循环长度，提升核燃料的利用率和电厂的运行经济性。
(2)本发明最大核焓升因子满足不超1.63的安全限值要求，最大卸料组件平均燃耗低于52000MWd/tU的安全限值要求。
(3)本发明平衡后的燃料组件的批卸料燃耗超过47000MWd/tU。
本发明是基于百万千瓦压水堆核电厂进行燃料管理设计，具体是针对华龙一号堆芯，通过合理设计得到了满足循环长度要求和安全要求的装载方式。
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 (10)

1.百万千瓦压水堆核电厂堆芯18个月循环长度的装载方法，压水堆堆芯由177组燃料组件组成，其特征在于，
首循环装载方法：
按照U-235的富集度不同，燃料组件分为三区，三区的U-235富集度分别为2.4％、3.1％和3.9％，首循环的装载采用高泄漏模式，所述燃料组件加入载钆燃料棒作为可燃毒物，所述载钆燃料棒中包含UO2-Gd2O3燃料芯块；
第二循环到平衡循环的装载方法：
每次装入72组新燃料组件，所述新燃料组件中U-235的富集度为4.45％或4.95％，所述新燃料组件采用钆可燃毒物，第二循环到平衡循环的装载采用低泄漏模式，
在首循环和第二循环到平衡循环中，UO2-Gd2O3燃料芯块中U-235富集度均低于所在区的U-235富集度。
2.根据权利要求1所述的百万千瓦压水堆核电厂堆芯18个月循环长度的装载方法，其特征在于，U-235富集度为2.4％的燃料组件中UO2-Gd2O3燃料芯块中的U-235的含量为1.2％，U-235富集度为3.1％的燃料组件中UO2-Gd2O3燃料芯块中的U-235的含量为1.8％，U-235富集度为3.9％的燃料组件中UO2-Gd2O3燃料芯块中的U-235的含量为2.2％。
3.根据权利要求1或2所述的百万千瓦压水堆核电厂堆芯18个月循环长度的装载方法，其特征在于，在UO2-Gd2O3燃料芯块中，所述Gd2O3的重量百分比为8％。
4.根据权利要求1或2所述的百万千瓦压水堆核电厂堆芯18个月循环长度的装载方法，其特征在于，U-235富集度为2.4％的燃料组件数为73组，U-235富集度为3.1％的燃料组件数为76组，U-235富集度为3.9％的燃料组件数为28组。
5.根据权利要求1或2所述的百万千瓦压水堆核电厂堆芯18个月循环长度的装载方法，其特征在于，在第二循环到平衡循环的装载方法中，装入的72组新燃料组件中，其中48组新燃料组件的U-235富集度为4.45％，另外24组新燃料组件的U-235富集度为4.95％。
6.根据权利要求1或2所述的百万千瓦压水堆核电厂堆芯18个月循环长度的装载方法，其特征在于，U-235的富集度为4.95％且含有12根载钆燃料棒的新燃料组件全部分布在次外圈。
7.根据权利要求1或2所述的百万千瓦压水堆核电厂堆芯18个月循环长度的装载方法，其特征在于，首循环装载方法中，所述燃料组件中载钆燃料棒布置为0、4、8或12根。
8.根据权利要求1或2所述的百万千瓦压水堆核电厂堆芯18个月循环长度的装载方法，其特征在于，第二循环到平衡循环的装载方法中，所述新燃料组件中载钆燃料棒的数量为12、16或20根。
9.根据权利要求1或2所述的百万千瓦压水堆核电厂堆芯18个月循环长度的装载方法，其特征在于，所述高泄漏模式为：富集度为3.9％的燃料组件装载在堆芯外圈，富集度为2.4％和3.1％的燃料组件呈交叉棋盘式布置在堆芯的内部。
10.根据权利要求1或2所述的百万千瓦压水堆核电厂堆芯18个月循环长度的装载方法，其特征在于，所述低泄漏模式为：新燃料组件置于堆芯内圈并与已燃耗过的组件交叉间隔布置，已燃耗较深的旧组件则放置于堆芯最外圈。
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张洪 等: "大亚湾核电站18个月换料燃料管理研究", 《核动力工程》 *

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