CN113496784A - 一种核电站反应堆堆芯 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种核电站反应堆堆芯，包括压力容器、燃料组件和反射层，所述燃料组件与所述反射层均设置于压力容器内部，且所述反射层包裹所述燃料组件；所述燃料组件包括多组第一燃料组件、多组第二燃料组件和多组第三燃料组件，所述多组第一燃料组件围绕压力容器的中心设置，形成内边界；所述多组第三燃料组件围绕所述第一燃料组件设置，形成外边界；所述第二燃料组件设置于内边界与外边界之间。所述第一燃料组件和第二燃料组件中均包括含钆燃料棒，且第一燃料组件含钆燃料棒中三氧化二钆的重量百分比小于所述第二燃料组件含钆燃料棒中三氧化二钆的重量百分比。本发明实施例降低了堆芯轴向功率偏移的最大值，提升了核电站的安全性和运行灵活性。

Description

一种核电站反应堆堆芯
技术领域
本发明涉及核电技术领域，尤其涉及一种核电站反应堆堆芯。
背景技术
燃料组件是核电站反应堆堆芯的重要组成部分，在反应堆堆芯的燃料管理中，燃料组件的布置不仅关乎核电站的经济效益，还关乎核电站的安全性和运行灵活性。
目前由多组燃料组件构成的堆芯，由于含钆燃料组件在寿期内存在反应性拐点，而在反应性拐点，堆芯上下半部的功率差增大，使得寿期中堆芯的轴向功率偏移陡增，导致功率偏移的最大值偏大，为了保证首循环堆芯安全性，核电站中的部分功能会受到限制，从而导致核电站的运行灵活性受到影响。因此现有技术中存在核电站的运行灵活性较低的问题。
发明内容
本发明实施例提供一种核电站反应堆堆芯，以解决现有技术中存在核电站的运行灵活性较低的问题。
本发明实施例提供一种核电站反应堆堆芯，包括压力容器、燃料组件和反射层，所述燃料组件与所述反射层均设置于所述压力容器内部，且所述反射层包裹所述燃料组件；
所述燃料组件包括多组第一燃料组件、多组第二燃料组件和多组第三燃料组件，所述多组第一燃料组件围绕所述压力容器的中心设置，靠近所述压力容器的中心的所述第一燃料组件围设形成内边界；所述多组第三燃料组件围绕所述多组第一燃料组件设置，远离所述压力容器中心的所述第三燃料组件围设形成外边界；
所述第二燃料组件设置于所述内边界与所述外边界之间；
每组所述第一燃料组件、每组所述第二燃料组件和每组所述第三燃料组件中均包括多根第一燃料棒，每组所述第一燃料组件中还包括多根第二燃料棒，每组所述第二燃料组件中还包括多根第三燃料棒，所述第二燃料棒和所述第三燃料棒均为含钆燃料棒；
其中，所述第二燃料棒中三氧化二钆所占的重量百分比小于所述第三燃料棒中三氧化二钆所占的重量百分比。
可选的，所述多组第一燃料组件、多组第二燃料组件和多组第三燃料组件按照U235富集度进行划分，所述多组第一燃料组件的U235富集度相同，所述多组第二燃料组件的U235富集度相同，所述多组第三燃料组件的U235富集度相同；
所述第一燃料组件、第二燃料组件和第三燃料组件的U235富集度各不相同。
可选的，所述第一燃料组件、第二燃料组件和第三燃料组件的U235富集度小于5％。
可选的，每组所述第三燃料组件还包括多根第四燃料棒，所述第四燃料棒为含钆燃料棒，所述第四燃料棒中三氧化二钆所占的重量百分比大于所述第三燃料棒中三氧化二钆所占的重量百分比。
可选的，所述第二燃料棒、第三燃料棒和第四燃料棒均采用轴向非对称分区设置，包括铀芯块和钆芯块，所述铀芯块到所述压力容器顶端的距离小于所述钆芯块到所述压力容器顶端的距离。
可选的，所述第二燃料棒、第三燃料棒和第四燃料棒中三氧化二钆所占的重量百分比为2％～12％。
可选的，所述第二燃料棒、第三燃料棒和第四燃料棒均采用轴向非对称分区设置，包括铀芯块和钆芯块，所述铀芯块到所述压力容器顶端的距离小于所述钆芯块到所述压力容器顶端的距离。
可选的，所述第一燃料组件的数目为73～137组，所述第二燃料组件的数目为48～80组，所述第三燃料组件的数目为28～48组。
可选的，所述第一燃料组件、第二燃料组件和第三燃料组件均还包括多根导向管和一根仪表管；
每组所述第一燃料组件中，所述多根第一燃料棒、多根第二燃料棒、多根导向管和一根仪表管按照17*17的栅格形式设置；
每组所述第二燃料组件中，所述多根第一燃料棒、多根第三燃料棒、多根导向管和一根仪表管按照17*17的栅格形式设置；
每组所述第三燃料组件中，所述多根第一燃料棒、多根导向管和一根仪表管按照17*17的栅格形式设置。
可选的，所述第一燃料组件、第二燃料组件和第三燃料组件中的一根仪表管均由一根燃料棒代替，所述一根燃料棒代替所述一根仪表管设置于所述17*17的栅格中。
在本发明实施例中，由于包括含钆燃料棒的燃料组件在寿期中存在反应性拐点，会导致轴向功率偏移(Axial Offset，简称AO)陡增，而三氧化二钆所占的重量百分比越大，反应性拐点越晚到来。同时由于反应堆堆芯内外圈的燃耗速度差异，内圈的燃料组件的反应性拐点先于外圈的燃料组件的反应性拐点。本发明实施例通过将位于内圈的第一燃料组件中含钆的第二燃料棒三氧化二钆所占的重量百分比低于位于次外圈的第二燃料组件中含钆的第三燃料棒三氧化二钆所占的重量百分比设置，从而可以使得内圈和次外圈燃料组件反应性拐点间的间隔变大，从而减小了堆芯在经过反应性拐点时总的轴向功率偏移幅度，进而降低了轴向功率偏移的最大值保证了反应堆堆芯的安全性，提升了核电站的运行灵活性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获取其他的附图。
图1是本发明实施例提供的核电站堆芯的1/4燃料组件分布示意图；
图2是本发明实施例提供的核电站的1/4堆芯装载示意图；
图3是本发明比较例轴向功率偏移随燃耗变化的示意图；
图4是本发明实施例轴向功率偏移随燃耗变化的示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中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一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获取的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
除非另作定义，本发明中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。本发明中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。同样，“一个”或者“一”等类似词语也不表示数量限制，而是表示存在至少一个。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也相应地改变。
参照图1，图1为本发明实施例中核电站堆芯的1/4燃料组件10分布示意图。本发明实施例提供一种核电站反应堆堆芯，包括压力容器、燃料组件10和反射层，上述燃料组件10与上述反射层均设置于上述压力容器内部，且上述反射层包裹上述燃料组件10；
上述燃料组件10包括多组第一燃料组件11、多组第二燃料组件12和多组第三燃料组件13，上述多组第一燃料组件11围绕上述压力容器的中心设置，靠近上述压力容器的中心的上述第一燃料组件11围设形成内边界；上述多组第三燃料组件13围绕上述第一燃料组件11设置，远离上述压力容器中心的上述第三燃料组件13围设形成外边界；
上述第二燃料组件12设置于上述内边界与上述外边界之间；
每组上述第一燃料组件11、每组上述第二燃料组件12和每组上述第三燃料组件13中均包括多根第一燃料棒，每组上述第一燃料组件11中还包括多根第二燃料棒，每组上述第二燃料组件12中还包括多根第三燃料棒，上述第二燃料棒和第三燃料棒均为含钆燃料棒；
其中，上述第二燃料棒中三氧化二钆所占的重量百分比小于上述第三燃料棒中三氧化二钆所占的重量百分比。
具体的，上述第一燃料组件11、第二燃料组件12与上述第三燃料组件13的布置形式可以根据实际需要进行设置。在本发明实施例中，如图1所示，以堆芯中心为原点建立平面直角坐标系，X轴正方向为图中H列到A列的方向，Y轴正方向为图中15行到8行的方向。可以理解的是，图1为堆芯中燃料组件10在第四象限的分布示意图。燃料组件10在第一、二和三象限中的分布示意图与图1关于原点旋转对称。
上述多组第一燃料组件11、多组第二燃料组件12与多组第三燃料组件13大致围设成一圆形，且上述多组第一燃料组件11位于内圈，上述第二燃料组件12位于次外圈，上述第三燃料组件13位于外圈。
上述第一燃料棒可以为铀棒，其中，每组燃料组件10中铀棒的U235富集度大致相同，而不同组的燃料组件10中铀棒的U235富集度可以不同。
其中，每组上述第一燃料组件11中第二燃料棒的数目可以根据实际需要进行设置，具体可以为4～24根。同时，为了展平堆芯的功率峰因子，位于功率峰因子较高的位置的第一燃料组件11中的第二燃料棒的数目可以多于其余组第一燃料组件11中的第二燃料棒的数目。相应的，每组上述第二燃料组件12中的第二燃料棒的数据可以根据实际需要进行设置，具体可以为4～24根。
需要说明的是，由于含钆燃料组件10存在反应性拐点，因此在满足慢化剂温度系数要求的前提下，需要尽量少用钆，因此上述第三燃料组件13中可以不包括含钆燃料棒。
在本发明实施例中，由于包括含钆燃料棒的燃料组件10在寿期中存在反应性拐点，会导致轴向功率偏移陡增，而三氧化二钆所占的重量百分比越大，反应性拐点越晚到来。同时由于反应堆堆芯内外圈的燃耗速度差异，内圈的燃料组件10的反应性拐点的到来先于外圈的燃料组件10的反应性拐点。本发明实施例通过将第一燃料组件11中含钆的第二燃料棒三氧化二钆所占的重量百分比低于第二燃料组件12中含钆的第三燃料棒三氧化二钆所占的重量百分比设置，从而可以使得内圈和外圈燃料组件10反应性拐点间的间隔变大，从而减小了堆芯在寿期中总的轴向功率偏移幅度，进而降低了轴向功率偏移的最大值，保证了反应堆堆芯的安全性，提升了核电站的运行灵活性。
进一步的，为了简化组件制造，上述多组第一燃料组件11、多组第二燃料组件12和多组第三燃料组件13可以按照U235富集度进行划分。即每组上述第一燃料组件11的U235富集度相同，每组上述第二燃料组件12的U235富集度相同，每组上述第三燃料组件13的U235富集度相同；
上述第一燃料组件11、第二燃料组件12和第三燃料组件13的U235富集度各不相同。具体U235富集度可以根据实际需要进行设置，在本发明实施例中，上述第一燃料组件11、第二燃料组件12和第三燃料组件13的U235富集度均小于5％，可以分别为2.4％、3.1％和1.8％。
可以理解的是，当堆芯循环长度较长时，为了满足慢化剂温度系数要求，每组上述第三燃料组件13还可以包括多根第四燃料棒，上述第四燃料棒为含钆燃料棒，上述第四燃料棒中三氧化二钆所占的重量百分比大于上述第三燃料棒中三氧化二钆所占的重量百分比。
由于堆芯中上下半部温差，因此堆芯在首循环寿期初的轴向功率偏移较负。为了降低堆芯寿期初的轴向功率偏移绝对值，上述第二燃料棒、第三燃料棒和第四燃料棒均可以采用轴向非对称分区设置，包括铀芯块和钆芯块。
具体的，上述铀芯块到上述压力容器顶端的距离小于上述钆芯块到上述压力容器顶端的距离，换句话说，上述铀芯块设置于活性区的顶端，从而使得首循环寿期初堆芯上半部的功率升高，进而使得首循环寿期初堆芯轴向功率偏移趋近于0。
其中，铀芯块的U235富集度与同一组燃料组件10中第一燃料棒的U235富集度一致。上述铀芯块与钆芯块的具体长度和重量占比可以根据实际需要进行设置。
进一步的，上述第二燃料棒、第三燃料棒和第四燃料棒中三氧化二钆所占的重量百分比可以根据实际需要进行设置。在满足三者之间的大小关系的前提下，具体可以为2％～12％。例如，在一实施例中，上述第二燃料棒、第三燃料棒和第四燃料棒中三氧化二钆所占的重量百分比可以分别为8％、9％和10％。
进一步的，上述多组第一燃料组件11、多组第二燃料组件12和多组第三燃料组件13的数目可以根据实际需要进行设置。在本发明实施例中，上述第一燃料组件11的数目可以为73～137组，上述第二燃料组件12的数目可以为48～80组，上述第三燃料组件13的数目可以为28～48组。
进一步的，上述第一燃料组件11、第二燃料组件12和第三燃料组件13均还可以包括多根导向管和一根仪表管；
每组上述第一燃料组件11中，上述多根第一燃料棒、多根第二燃料棒、多根导向管和一根仪表管可以按照17*17的栅格形式设置；
每组上述第二燃料组件12中，上述多根第一燃料棒、多根第三燃料棒、多根导向管和一根仪表管可以按照17*17的栅格形式设置；
每组上述第三燃料组件13中，上述多根第一燃料棒、多根导向管和一根仪表管可以按照17*17的栅格形式设置。
需要说明的是，由于上述仪表管的功能可以由设置于燃料组件中的导向管实现，上述第一燃料组件11、第二燃料组件12和第三燃料组件13中的一根仪表管均可以由一根燃料棒代替，上述一根燃料棒代替上述一根仪表管设置于上述17*17的栅格中。
其中，燃料棒的具体数量可以根据实际情况进行设置。在本发明实施例中，上述第一燃料组件11中多根第一燃料棒与多根第二燃料棒的数目之和可以为264根，分别设置于264个栅格中。其余25个栅格中每一栅格用于设置一仪表管，或一导向管。相应的，上述第二燃料组件12中多根第一燃料棒与多根第三燃料棒的数目之和可以为264根。上述第三燃料组件13中多根第一燃料棒的数目可以为264根。
为了更好的理解本发明，以下将以一具体实施方式为例，详细阐述本发明的具体实现过程。
参照图2，在一发明实施例中，反应堆堆芯由由177组活性区长度为3657.6mm的燃料组件组成，其中富集度1.8％的32组、2.4％的73组和3.1％的72组。
上述反应堆堆芯燃料组件布局如图2设置，其中富集度2.4％的燃料组件位于堆芯内圈；为了降低堆芯的功率峰因子，富集度3.1％的燃料组件可以少量位于堆芯内圈，少量位于堆芯外圈，其余均位于堆芯次外圈；富集度1.8％的燃料组件位于堆芯外圈。
其中，富集度2.4％的燃料组件、富集度3.1％的燃料组件和富集度1.8％的燃料组件均包括多根不含钆燃料棒。同时，富集度2.4％的燃料组件和富集度3.1％的燃料组件中还包括多根含钆燃料棒，具体数目可以设置为4～24根。
为了简化组件制造，设置富集度2.4％和3.1％燃料组件中含钆燃料棒的三氧化二钆所占的重量百分比分别为8％和9％。当然，在其他实施例中，也可以设置内圈和次外圈燃料组件中含钆燃料棒的三氧化二钆所占的重量百分比分别为8％和9％。
同时，含钆燃料棒采用轴向分区设计，富集度2.4％和3.1％的燃料组件中含钆燃料棒顶部304.8mm分别为2.4％和3.1％的铀芯块。
设置一比较例，其中，比较例中富集度2.4％和3.1％燃料组件中含钆燃料棒的三氧化二钆所占的重量百分比相同，均为8％，且含钆燃料棒轴向采用不分区设置。
图3为比较例中核电站堆芯轴向功率偏移随燃耗变化的示意图，由图3可知，比较例在寿期中轴向功率偏移AO陡增，影响与轴向功率偏移有关的轴向功率偏差参考值(△Iref，△I＝AO*Pr)定值设定的有效性，需要增加有关的周期性试验次数和参数定值设定次数。同时陡增后的最大值偏大，会降低核电站的安全性和运行灵活性。
图4为实施例中核电站堆芯轴向功率偏移随燃耗变化的示意图，由图4可知，与现有技术的比较例对比，本发明实施例中寿期初轴向功率偏移被调整到0附近；寿期中轴向功率偏移变化平缓，变化速度和变化幅度与其它阶段相当，已消除比较例在寿期中轴向功率偏移幅度陡增的问题。
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，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种核电站反应堆堆芯，包括压力容器、燃料组件和反射层，所述燃料组件与所述反射层均设置于所述压力容器内部，且所述反射层包裹所述燃料组件；其特征在于，
所述燃料组件包括多组第一燃料组件、多组第二燃料组件和多组第三燃料组件，所述多组第一燃料组件围绕所述压力容器的中心设置，靠近所述压力容器的中心的所述第一燃料组件围设形成内边界；所述多组第三燃料组件围绕所述多组第一燃料组件设置，远离所述压力容器中心的所述第三燃料组件围设形成外边界；
所述第二燃料组件设置于所述内边界与所述外边界之间；
每组所述第一燃料组件、每组所述第二燃料组件和每组所述第三燃料组件中均包括多根第一燃料棒，每组所述第一燃料组件中还包括多根第二燃料棒，每组所述第二燃料组件中还包括多根第三燃料棒，所述第二燃料棒和所述第三燃料棒均为含钆燃料棒；
其中，所述第二燃料棒中三氧化二钆所占的重量百分比小于所述第三燃料棒中三氧化二钆所占的重量百分比。
2.根据权利要求1所述的核电站反应堆堆芯，其特征在于，所述多组第一燃料组件、多组第二燃料组件和多组第三燃料组件按照U235富集度进行划分，所述多组第一燃料组件的U235富集度相同，所述多组第二燃料组件的U235富集度相同，所述多组第三燃料组件的U235富集度相同；
所述第一燃料组件、第二燃料组件和第三燃料组件的U235富集度各不相同。
3.根据权利要求1所述的核电站反应堆堆芯，其特征在于，所述第一燃料组件、第二燃料组件和第三燃料组件的U235富集度小于5％。
4.根据权利要求1所述的核电站反应堆堆芯，其特征在于，每组所述第三燃料组件还包括多根第四燃料棒，所述第四燃料棒为含钆燃料棒，所述第四燃料棒中三氧化二钆所占的重量百分比大于所述第三燃料棒中三氧化二钆所占的重量百分比。
5.根据权利要求4所述的核电站反应堆堆芯，其特征在于，所述第二燃料棒、第三燃料棒和第四燃料棒中三氧化二钆所占的重量百分比为2％～12％。
6.根据权利要求4所述的核电站反应堆堆芯，其特征在于，所述第二燃料棒、第三燃料棒和第四燃料棒均采用轴向非对称分区设置，包括铀芯块和钆芯块，所述铀芯块到所述压力容器顶端的距离小于所述钆芯块到所述压力容器顶端的距离。
7.根据权利要求1所述的核电站反应堆堆芯，其特征在于，所述第一燃料组件的数目为73～137组，所述第二燃料组件的数目为48～80组，所述第三燃料组件的数目为28～48组。
8.根据权利要求1所述的核电站反应堆堆芯，其特征在于，所述第一燃料组件、第二燃料组件和第三燃料组件均还包括多根导向管和一根仪表管；
每组所述第一燃料组件中，所述多根第一燃料棒、多根第二燃料棒、多根导向管和一根仪表管按照17*17的栅格形式设置；
每组所述第二燃料组件中，所述多根第一燃料棒、多根第三燃料棒、多根导向管和一根仪表管按照17*17的栅格形式设置；
每组所述第三燃料组件中，所述多根第一燃料棒、多根导向管和一根仪表管按照17*17的栅格形式设置。
9.根据权利要求8所述的核电站反应堆堆芯，其特征在于，所述第一燃料组件、第二燃料组件和第三燃料组件中的一根仪表管均由一根燃料棒代替，所述一根燃料棒代替所述一根仪表管设置于所述17*17的栅格中。
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