CN112420223B - 一种基于钆富集的压水堆堆芯长循环换料装载方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于钆富集的压水堆堆芯长循环换料装载方法，涉及燃料管理领域，解决了长燃料循环的压水堆堆芯装载问题。本发明包括在堆芯中应用氧化钆作为可燃毒物；对氧化钆中钆的同位素进行纯化、富集；调整载钆燃料棒中氧化钆的质量分数；调整载钆燃料棒中U‑235的富集度；调整过渡循环与平衡循环为低泄漏堆芯装载模式；对燃料组件在轴向设置分区，在端部不设置可燃毒物，抑制堆芯轴向功率分布振荡。本发明能够满足18～24个月乃至更长换料周期的燃料管理策略，相同的循环长度下新燃料组件数目降低，卸料燃耗加深，提高核电厂运行的经济性；降低运行最大硼浓度，减轻系统运行压力，确保堆芯慢化剂负反馈特性；同时更好地展平功率分布，使反应性更为平稳地释放，含钆芯块导热性能较目前设计增强，从设计上提升安全性与燃料经济性。

Description

一种基于钆富集的压水堆堆芯长循环换料装载方法

技术领域

本发明涉及燃料管理领域，具体涉及一种基于钆富集的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。所谓的燃料管理方法即为堆芯所使用的各种燃料组件、燃料富集度、可燃毒物的类型和在堆芯内的布置的确定方法。

在长循环燃料管理策略下，堆芯循环长度增长，寿期初后备反应性大，临界硼浓度升高，这不利于一回路水化学控制，对系统设备带来较大运行压力；同时易导致燃耗初期慢化剂温度系数为正，堆芯安全性降低，故国内外长循环燃料管理策略下均在堆芯中装载可燃毒物以降低燃耗初期的硼浓度并使慢化剂温度系数保持为负。氧化钆是一种较为常用的可燃毒物，但其有如下缺点：

1)天然钆中同位素较多，在堆芯中发生复杂的演变后子代同位素仍具有较大的中子吸收能力，寿期末无法完全燃耗，造成反应性惩罚，影响堆芯经济性；

2)UO₂燃料中加入Gd₂O₃后，燃料芯块的导热性能会受到影响，当Gd₂O₃质量分数较高时，其影响更为显著，对堆芯安全不利。

3)装载天然钆可燃毒物的堆芯，在燃耗过程中会出现核焓升因子大幅度反弹的现象，即钆峰，对于堆芯安全不利，增加安全分析的难度。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：采用天然钆作为可燃毒物的压水堆堆芯长燃料循环装载问题，具体指：

1)在18个月、24个月乃至36个月长循环堆芯装载中，因寿期初后备反应性不断提升，传统设计中必须提升载钆燃料棒中氧化钆的质量分数以增加寿期初所控制的反应性。但氧化钆含量越高，载钆燃料棒的导热性能越差，堆芯安全性能降低；

2)采用天然钆可燃毒物的长循环堆芯装载中，由于循环长度增加，寿期内最大硼浓度也相应升高，对化容系统的运行带来较大压力；同时慢化剂温度系数相应偏正，对堆芯负反馈特性带来不利影响；

3)天然钆作为可燃毒物时，其中包含Gd-154，Gd-155，Gd-156，Gd-157，Gd-158，Gd-160等同位素，这些同位素的燃耗链较为复杂，在堆芯中吸收中子后生成的子代同位素也对中子有一定吸收能力，这导致氧化钆可燃毒物在燃耗初期消耗速率较高，一段时间后消耗速率快速降低，在循环寿期末仍有较大残留，造成较大的反应性惩罚，影响堆芯经济性；

4)载钆燃料棒由于导热性能降低，需避免其功率过高，故燃料富集度相对不含钆燃料棒较低，叠加燃耗初期由于钆的中子吸收作用，整体功率较低，在燃料组件内形成较大的功率不均匀，同时使得堆芯径向功率峰因子较高；随着堆芯消耗，不载钆燃料棒的反应性降低，功率也相应降低，而载钆燃料棒则由于钆的消耗释放出正反应性，其功率开始增高，由于载钆燃料棒的导热性能较不载钆燃料棒差，为了避免其功率升高后导致瞬态工况下燃料性能降低，传统设计中对载钆燃料棒中U-235的富集度做了限制，一般的设计中均低于2.5％，在一定程度上减少了堆芯的总铀装量，对循环长度不利。

5)使用天然钆燃料组件的堆芯在燃耗中期会出现核焓升因子较大幅度反弹的现象，即钆峰，这一特点导致堆芯的安全特性受到一定挑战，增加安全分析的难度。

本发明的目的在于提出一种基于钆富集的压水堆堆芯长循环换料装载方法，方案能够满足18～24个月乃至更长燃料循环的燃料管理策略，相同新燃料组件数目及富集度使用情况下增加堆芯循环长度(或相同的循环长度下新燃料组件数目降低)，提高平均批卸料燃耗，降低化容系统设备运行的压力，提高核电厂运行的经济性，确保堆芯慢化剂负反馈特性，同时更好地展平径向功率分布及降低随燃耗变化的功率峰因子峰值，含钆芯块导热性能较目前设计增强，从设计上提升安全性与燃料经济性。

本发明通过下述技术方案实现：

一种基于钆富集的压水堆堆芯长循环换料装载方法，包括如下步骤：

(A)燃料组件设计方面，应用含钆燃料棒作为可燃毒物：对氧化钆中钆的同位素进行纯化、富集，并基于富集钆方案进一步调整载钆燃料棒中氧化钆的质量分数与U-235富集度，提升含钆燃料棒中U-235富集度；

堆芯装载设计方面：使用低泄漏装载方式，即新燃料组件置于堆芯内圈，堆芯最外圈放置已燃耗过的旧燃料组件，其中含钆新燃料组件为前述应用富集钆设计的燃料组件；对燃料组件在轴向设置分区，在端部不设置可燃毒物，抑制堆芯轴向功率分布振荡；

(B)验证堆芯参数是否满足设计要求，若不满足，则重复进行(A)。

所述对氧化钆中钆的同位素进行纯化、富集指：根据循环长度、系统运行能力限值、慢化剂温度系数负反馈、功率峰因子限值等设计约束，确定可燃毒物内的同位素富集方案。对于降低寿期末毒物残留的反应性惩罚而言，仅富集Gd-157的效果更佳。对于降低寿期初最大硼浓度、保证慢化剂温度系数负反馈而言，等比例富集两种同位素(Gd-155、Gd-157)的效果显著优于仅富集单一同位素。对于燃料反应性平稳释放而言，仅对Gd-157同位素进行单一富集的方案在反应性随燃耗变化的曲线中存在明显反弹，不利于反应性控制及堆芯功率分布展平。故所述富集钆方案是根据设计约束进行综合优化的结果，可以是对多种同位素的富集，而并不特指富集单一同位素。采用综合优化的富集钆方案后，堆芯寿期初硼浓度可有效降低，从而降低化容系统设备运行的压力、保证慢化剂温度系数的负反馈特性、有利于反应性平稳释放。

所述调整载钆燃料棒中氧化钆的质量分数是指在采用富集钆设计后，由于增加了高吸收能力的同位素比例，相同质量分数的富集钆较天然钆吸收能力有显著提升，用于实现更强的反应性控制能力。而相同的反应性控制要求下，使用富集钆，可相应降低载钆燃料棒中氧化钆的质量分数，其对燃料棒导热性能的不利影响也相应减弱，有利于提高事故工况下燃料的安全性。

所述调整载钆燃料棒中U-235的富集度是指在采用富集钆设计后，由于氧化钆质量分数降低，载钆燃料棒导热性能提升，允许在钆棒不成为热棒的前提下，相应提高载钆燃料棒中U-235的富集度，增加堆芯中铀的总装量，有益于增长循环长度。同时，载钆燃料棒富集度提升后，其功率也相应提升，与不含钆燃料棒的功率差异也随之缩小，有效展平组件内径向功率分布，降低组件与堆芯层面的功率峰因子，提升堆芯安全性。

综合以上，对于含钆燃料组件设计，采用富集钆的一种或两种同位素策略，载钆燃料棒中氧化钆的质量分数不高于4％，新燃料组件中典型的载钆燃料棒数量为4、8、12、16、20、24根，载钆燃料棒的U-235富集度可高于3％。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，以提高堆芯装载的循环长度机动性，极限情况下采用一种富集度；通过调整新燃料组件中不同富集度组件数目配比对应调整堆芯的循环长度，叠加调整新燃料组件数目，使得机动循环的循环长度较平衡循环实现±90EFPD的机动区间。

燃料组件在轴向根据需要设置分区，在端部不设置可燃毒物、并视情况使用较低富集度，抑制堆芯轴向功率分布振荡并改善轴向中子经济性。

载钆燃料棒呈1/8对称布置于燃料组件中，以获得均匀的组件内径向功率分布。

每循环换料时，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；堆芯最外圈放置旧燃料组件，堆芯内圈的已燃耗过的旧燃料组件与新燃料组件相互搭配组合，或者使已燃耗过的组件按燃耗深度的不同呈棋盘式布置。

综上，本发明具有如下优点和有益效果：

本发明的钆富集的长循环换料装载方法可实现：

1)降低寿期末可燃毒物同位素残留造成的反应性惩罚，延长堆芯循环长度，提升燃料组件批卸料燃耗，提升燃料经济性。保证堆芯装载方案不变的前提下，仅将天然钆可燃毒物替换为反应性控制能力等效的富集钆，堆芯循环长度可由659EFPD增长至670EFPD，使得燃料组件平均批卸料燃耗由44029MWd/tU提升至44558MWd/tU，提升燃料经济性。

2)降低钆可燃毒物对燃料导热性能的不利影响，提升堆芯安全特性。以4.45％富集度含12根钆棒的燃料组件为例，采用天然钆方案与采用富集钆方案的燃料组件初始反应性对比见表1。可见同一富集度燃料组件采用富集钆方案后，氧化钆质量分数为2.6％时即可达到与天然钆8％质量分数设计相当的初始反应性，氧化钆质量分数降幅达到68％，对燃料导热性能的影响也相应降低。

表1天然钆与富集钆策略下组件初始反应性对比

3)展平燃料组件内功率分布，确保反应性平稳释放，降低堆芯燃耗过程中的最大功率峰因子，提升堆芯安全特性。保证堆芯装载方案不变的前提下，含钆燃料组件采用富集钆策略，并相应调整氧化钆质量分数与钆棒中U-235富集度，堆芯寿期内最大核焓升因子由1.463下降至1.408，降幅约4％，有效提升堆芯安全特性。

4)降低寿期初硼浓度，降低对系统的压力，同时保证慢化剂温度负反馈特性。保证堆芯装载方案不变的前提下，含钆燃料组件采用富集钆策略，并相应调整氧化钆质量分数与钆棒中U-235富集度，堆芯寿期内满功率最大临界硼浓度由1713ppm下降至1581ppm，降低132ppm，有效缓解了系统运行压力，同时避免了硼浓度过高导致的慢化剂温度系数偏正。

综上，采用本发明所述装载方法，可有效满足核电厂实现18～24个月乃至更长循环燃料管理的需求，相比天然钆设计，可提高电厂的安全性与燃料经济性。

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为本发明所采用的含钆燃料组件径向布置示意。

图2为本发明的一个典型堆芯装载方案示例。

图3为本发明的堆芯装载方案设计流程图。

具体实施方式

在对本发明的任意实施例进行详细的描述之前，应该理解本发明的应用不局限于下面的说明或附图中所示的结构的细节。本发明可采用其它的实施例，并且可以以各种方式被实施或被执行。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性改进前提下所获得的所有其它实施例，均属于本发明保护的范围。

一种基于钆富集的压水堆堆芯长循环换料装载方法，包括如下步骤：

(1)在堆芯中应用氧化钆作为可燃毒物，所述可燃毒物为由UO₂-Gd₂O₃均匀混合在芯块中形成的载钆燃料棒；典型的载钆燃料棒数量为4、8、12、16、20、24根，组件内布置示意见图1；

(2)对氧化钆中钆的同位素经过纯化、富集，典型同位素质量比例见表2，Gd-155、Gd-157约各占50％；

(3)调整载钆燃料棒中氧化钆的质量分数，典型值为4％；

调整载钆燃料棒中U-235富集度，典型值为3.5％；

(4)采用上述形成的含钆燃料组件设计，将新燃料组件与旧燃料组件相互交叉排布置于堆芯内圈，堆芯最外圈放置已燃耗过的旧燃料组件，形成低泄漏堆芯装载形式，如图2所示。

视情况对燃料组件在轴向设置分区，在端部不设置可燃毒物，并适当降低燃料U-235富集度。

(5)验证堆芯参数(如最大硼浓度、最正慢化剂温度系数、最大径向功率峰因子、循环长度等)是否满足设计要求，若不满足，则重复进行(1)至步骤(4)。

图3给出了上述步骤的简单示意。

下面结合表2、图1至图3、具体实施方式对本发明作进一步说明。

表2钆同位素丰度调整示例

图1给出了典型的含钆燃料组件内径向布置示意。燃料组件呈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；其中载钆燃料棒呈1/8对称布置于燃料组件中，其余位置布置不含钆燃料棒。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。载钆燃料棒数量的典型值为4，8，12，16，20，24，图1中给出8、12、16、20四种情况的布置位置示意。需要说明的是，出于展平组件内功率分布的需求，载钆燃料棒在燃料组件内的位置可在满足旋转对称的前提下进行调整。

单根载钆燃料棒中，钆以氧化钆的形式弥散在UO₂燃料中，其中钆的各同位素的含量调整如表2所示。相比天然钆，去除了Gd-156、Gd-158和Gd-160。该富集方案仅作为示例，实际上同位素含量可根据优化目标进行相应调整。

载钆燃料棒中富集氧化钆的质量分数可在2％～5％的范围内选取，优选的，采用表2所述富集方案的载钆燃料棒中氧化钆的质量分数为4％，以实现提升燃料棒导热性能、增加寿期初反应性控制能力、降低寿期末反应性惩罚的三重目标。

同时将钆棒中U-235的富集度提高至3.5％，增加燃料组件的总铀装量，有利于延长循环长度，提升燃料组件批卸料燃耗；减小含钆燃料棒与不含钆燃料棒之间的功率差异，展平组件以及堆芯的径向功率峰因子。

图2给出了一个典型的平衡循环堆芯的装载示意图。该示例中堆芯共采用177组燃料组件，由于全堆芯的燃料组件布置遵循1/4旋转对称，图中仅给出了四分之一堆芯的布置，横坐标从外圈向里圈依次由A-H排列，纵坐标从里圈向外圈依次由8-15排列，图中的方块代表了燃料组件。新燃料组件方块中上排数字代表该新燃料组件的富集度，下排的数字代表含有载钆燃料棒的根数。但本发明的堆芯并不局限于该种堆芯布置，图2中堆芯布置仅仅给出了本发明提出概念的一种实施例。

每次换料加入84组新燃料组件，其中较高富集度或含钆毒物较少的较大反应性新燃料组件置于堆芯的次外圈，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，以展平堆芯内功率分布。堆芯内圈的已燃耗过的旧燃料组件与新燃料组件相互搭配组合，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；堆芯最外圈放置旧燃料组件，以降低堆芯中子泄漏，提高堆芯中子经济性，降低压力容器中子辐照，以满足压力容器寿命要求，因为压力容器的寿命基本决定了整个核电厂的寿命。

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可以根据展平堆芯功率分布及寿期初慢化剂负反馈特性的需要加以确定。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。对于该示例，新燃料组件富集度在当前的监管限值(5％)下采用4.95％，以实现最高的经济性。采用的钆棒数目有8、12、20、24四种，以配合展平堆芯径向功率分布。

如上所述，可较好地实现本发明。

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)

1.一种基于钆富集的压水堆堆芯长循环换料装载方法，其特征在于：

（A）燃料组件设计方面，应用含钆燃料棒作为可燃毒物：对氧化钆中钆的同位素进行纯化、富集，并基于富集钆方案进一步调整载钆燃料棒中氧化钆的质量分数、提升含钆燃料棒中U-235富集度；

堆芯装载设计方面：使用低泄漏装载方式，低泄漏装载方式为：新燃料组件置于堆芯内圈，堆芯最外圈放置已燃耗过的旧燃料组件，其中含钆新燃料组件为纯化、富集后的燃料组件；对燃料组件在轴向设置分区，在端部不设置可燃毒物用于抑制堆芯轴向功率分布振荡；

（B）验证堆芯参数是否满足设计要求，若不满足，则重复进行（A）；

包括如下具体步骤：

（1）在堆芯中应用氧化钆作为可燃毒物，所述可燃毒物为由UO₂-Gd₂O₃均匀混合在芯块中形成的载钆燃料棒；

（2）对氧化钆中钆的同位素经过纯化、富集；

（3）调整载钆燃料棒中氧化钆的质量分数；

调整载钆燃料棒中U-235富集度；

（4）将新燃料组件与旧燃料组件相互交叉排布置于堆芯内圈，堆芯最外圈放置已燃耗过的旧燃料组件，形成低泄漏堆芯装载形式；

（5）验证堆芯参数最大硼浓度、最正慢化剂温度系数、最大径向功率峰因子、循环长度是否满足设计要求，若不满足，则重复进行（1）至步骤（4）；

步骤（A）中，富集钆方案的确定过程为：

根据 设计约束去除天然钆中的一种或几种同位素，仅保留剩余的一种或多种同位素，确定可燃毒物内的同位素富集方案，所述设计约束包括循环长度、系统运行能力限值、慢化剂温度系数负反馈和功率峰因子限值，同位素富集方案包括采用富集钆的一种或两种同位素策略：对于降低寿期末毒物残留的反应性惩罚而言，仅富集Gd-157；对于降低寿期初最大硼浓度、保证慢化剂温度系数负反馈而言，等比例富集Gd-155、Gd-157两种同位素；

载钆燃料棒中氧化钆的质量分数不高于4%；

载钆燃料棒的U-235富集度高于3%。

2.根据权利要求1所述的一种基于钆富集的压水堆堆芯长循环换料装载方法，其特征在于，包括协调¹⁵⁵Gd与¹⁵⁷Gd的份额降低寿期初堆芯临界硼浓度。

3.根据权利要求1所述的一种基于钆富集的压水堆堆芯长循环换料装载方法，其特征在于，（1）中提升载钆燃料棒中U-235的富集度，包括增加堆芯中铀装量用于延长循环长度，还包括控制载钆燃料棒中U-235的富集度高于3%，控制载钆燃料棒为非热棒。

4.根据权利要求3所述的一种基于钆富集的压水堆堆芯长循环换料装载方法，其特征在于，对燃料组件在轴向设置分区，包括通过调整新燃料组件中不同富集度组件的数量配比对应调整堆芯的循环长度，叠加调整新燃料组件数目，控制机动循环循环长度相比平衡循环有±90EFPD的机动区间。

5.根据权利要求4所述的一种基于钆富集的压水堆堆芯长循环换料装载方法，其特征在于，载钆燃料棒呈1/8对称布置于燃料组件中；控制获得均匀的组件内径向功率分布。

6.根据权利要求4所述的一种基于钆富集的压水堆堆芯长循环换料装载方法，其特征在于，较高富集度或含钆毒物较少的较大反应性燃料组件置于堆芯的次外圈，而较低富集度或含钆毒物较多的较小反应性燃料组件则主要放在堆芯内圈；堆芯最外圈放置旧燃料组件，堆芯内圈的已燃耗过的旧燃料组件与新燃料组件相互搭配组合，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。

7.根据权利要求4所述的一种基于钆富集的压水堆堆芯长循环换料装载方法，其特征在于，（4）还包括对燃料组件在轴向设置分区，在端部不设置可燃毒物，控制降低燃料U-235富集度。

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