CN113674874A - 一种延长堆芯寿期的堆芯结构及运行方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于核反应堆设计技术领域，具体涉及一种延长堆芯寿期的堆芯结构及运行方法。本发明堆芯结构包括燃料棒、谱移控制棒，任意三根燃料棒呈三角形排列，燃料棒间布置谱移控制棒，谱移控制棒在堆芯内呈均匀对称布置，谱移控制棒沿轴向分为三段，由上至下依次为谱移控制棒中子吸收材料、谱移控制棒中间过渡材料和谱移控制棒慢化剂材料。本发明运行方法，包括快谱运行段和谱移运行段两个部分。本发明用以降低寿期初堆芯反应性控制难度，有效延长堆芯寿期，提高堆芯燃料利用率，进而有效提高反应堆堆芯性能。

Description

一种延长堆芯寿期的堆芯结构及运行方法
技术领域
本发明属于核反应堆设计技术领域，具体涉及一种延长堆芯寿期的堆芯结构及运行方法。
背景技术
堆芯寿期和燃料利用率是核反应堆的重要指标，延长堆芯寿期、提高燃料利用率一直是堆芯核设计的主要目标。
235U和239Pu等易裂变核素在热中子区具有较大的裂变截面，而在快中子区裂变截面均较小。同样可裂变核素238U可以吸收中子可以转换为易裂变核素，该截面在快中子区较大，热中子区几乎为零。即同样装量的235U或239Pu，堆芯能谱偏软时会具有较大的反应性，而同样装量的238U，堆芯能谱较硬时会具有较大的转换比。
根据上述规律，可以使寿期初堆芯能谱变硬，一方面可以通过降低中子价值和快中子的泄漏降低堆芯剩余反应性，另一方面可以增加238U俘获中子的概率，实现核燃料的增殖；在反应堆运行至寿期末的过程中逐渐引入慢化剂，通过慢化中子增加中子价值同时降低中子泄漏，提高堆芯堆芯剩余反应性。该策略即为谱移策略。
谱移控策略能够对堆芯功率展平和反应性控制带来明显便利。寿期初与寿期中较硬的中子能谱具有相对较长的中子平均自由程，功率分布会更加平坦，通过简单的富集度和毒物分区以及低泄漏布置即可展平堆芯功率，寿期初与寿期中平坦的堆芯功率分布也有利于寿期末功率分布的展平，同时较硬能谱带来的低堆芯剩余反应性可为寿期初与寿期中难以满足的“卡棒”准则等反应性控制设计带来便利。
鉴于此，本发明提出一种延长堆芯寿期的堆芯结构及运行方法，用以降低寿期初堆芯反应性控制难度，有效延长堆芯寿期，提高堆芯燃料利用率。
发明内容
本发明的目的在于：
本发明的目的在于提供一种延长堆芯寿期的堆芯结构及运行方法，用以降低寿期初堆芯反应性控制难度，有效延长堆芯寿期，提高堆芯燃料利用率，进而有效提高反应堆堆芯性能。
本发明采用的技术方案：
一种延长堆芯寿期的堆芯结构，包括燃料棒、谱移控制棒，任意三根燃料棒呈三角形排列，燃料棒间布置谱移控制棒，谱移控制棒在堆芯内呈均匀对称布置，谱移控制棒沿轴向分为三段，由上至下依次为谱移控制棒中子吸收材料、谱移控制棒中间过渡材料和谱移控制棒慢化剂材料。
所述谱移控制棒为粗谱移控制棒，即一根粗谱移控制棒占据7根或23根燃料棒的位置。
所述谱移控制棒为细谱移控制棒，即一根细谱移控制棒占据1根燃料棒的位置。
所述燃料棒为UO2燃料棒。
所述谱移控制棒分为安全棒A棒组、调节棒B棒组和补偿棒C棒组。
所述谱移控制棒等效细棒的数目为燃料棒数目的1/10-1/5，其中粗谱移控制棒占据7根燃料棒即等效为7根细棒，粗谱移控制棒占据23根燃料棒即等效为23根细棒。
所述燃料棒燃料富集度范围可为10％-90％。
一种延长堆芯寿期的堆芯结构的运行方法，包括快谱运行段和谱移运行段两个部分。
快谱运行段内，控制棒运行策略为：安全棒组往上提，提至谱移控制棒中间过渡材料与堆芯活性区平齐，然后调节棒B棒组上提半个谱移控制棒中子吸收材料高度，然后补偿棒C棒组往上提，提至谱移控制棒中间过渡材料与堆芯活性区平齐，最后继续提调节棒B棒组至谱移控制棒中间过渡材料与堆芯活性区平齐。
谱移运行段内，控制棒运行策略为：安全棒组往上提，提至谱移控制棒慢化剂材料与堆芯活性区平齐，然后调节棒B棒组上提，提至谱移控制棒慢化剂材料与堆芯活性区平齐，最后补偿棒C棒组上提，提至谱移控制棒慢化剂材料与堆芯活性区平齐。
本发明的有益效果：
本发明所述一种延长堆芯寿期的堆芯结构及运行方法，通过在堆芯寿期初布置为快谱，寿期中逐渐引入慢化剂，寿期末堆芯能谱为超热谱或热谱，同时将控制棒分段设计，由上至下依次为中子吸收材料、中间过渡材料和慢化剂材料，同时堆内布置尽可能多的控制棒，软化寿期末堆芯能谱，提高堆芯反应性；同时使燃料富集度为中、低富集度，在保证堆芯235U装量的前提下，增加堆内238U装量，提高燃料增殖率，最终通过该谱移策略达到有效延长堆芯寿期的目的。
附图说明
图1为粗谱移控制棒与燃料棒布置示意图；
图2为细谱移控制棒与燃料棒布置示意图；
图3为采用谱移控制策略的反应堆径向布置；
图4为谱移控制棒轴向分段设计及运行示意图；
图中：1、燃料棒；2、粗谱移控制棒；3、细谱移控制棒；4、安全棒A棒组；5、调节棒B棒组；6、补偿棒C棒组；7、谱移控制棒中子吸收材料；8、谱移控制棒中间过渡材料；9、谱移控制棒慢化剂材料。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。
如图3所示，一种延长堆芯寿期的堆芯结构，包括燃料棒1、安全棒A棒组4、调节棒B棒组5和补偿棒C棒组6，
堆内所有燃料棒1呈三角形排列，燃料棒1间布置谱移控制棒，谱移控制棒可设计为粗谱移控制棒2，即一根粗谱移控制棒2占据7根或23根燃料棒1的位置见图1，也可以设计为细谱移控制棒3，即一根细谱移控制棒3占据1根燃料棒1的位置见图2。
燃料棒1为UO2燃料棒。
根据反应堆反应性控制需求，堆芯内谱移控制棒不仅承担谱移功能，也具备反应性控制功能，所有谱移控制棒按功能分为3组，安全棒A棒组4、调节棒B棒组5和补偿棒C棒组6。
所有谱移控制棒根据功能需求，沿轴向分为三段，由上至下依次为谱移控制棒中子吸收材料7、谱移控制棒中间过渡材料8和谱移控制棒慢化剂材料9。
停堆状态时中子吸收材料部分与堆芯活性区平齐，启堆后中子吸收材料逐步提出堆芯，至到中间过渡材料一般设置为结构材料或冷却剂与堆芯活性区平齐，然后控制棒继续提出堆芯，慢化剂材料引入堆芯，软化堆芯能谱，提高堆芯反应性，至到慢化剂材料与堆芯活性区平齐，达到寿期末。
为体现谱移控制策略的优势，一种延长堆芯寿期的运行方法包括快谱运行段和谱移运行段两个部分。
快谱运行段内，控制棒运行策略为：安全棒组4往上提，提至谱移控制棒中间过渡材料8与堆芯活性区平齐，然后调节棒B棒组5上提半个谱移控制棒中子吸收材料7高度，然后补偿棒C棒组6往上提，提至谱移控制棒中间过渡材料8与堆芯活性区平齐，最后继续提调节棒B棒组5至谱移控制棒中间过渡材料8与堆芯活性区平齐。
谱移运行段内，控制棒运行策略为：安全棒组4往上提，提至谱移控制棒慢化剂材料9与堆芯活性区平齐，然后调节棒B棒组5上提，提至谱移控制棒慢化剂材料9与堆芯活性区平齐，最后补偿棒C棒组6上提，提至谱移控制棒慢化剂材料9与堆芯活性区平齐。
通过上述谱移控制策略，常规快谱堆芯的寿期末为快谱运行段，通过采用本专利提出的谱移控制棒和谱移控制策略，可以使堆芯进入谱移运行段内，堆芯寿期将增长快谱运行段寿期的1/3至1/2，可以有效延长寿期，提高燃料利用率。
为了实现更好的谱移控制效果，可在堆内布置尽可能多的谱移控制棒，软化谱移运行段堆芯能谱，延长堆芯寿期，谱移控制棒等效细棒的数目粗谱移控制棒占据7根燃料棒即等效为7根细棒可达到燃料棒数目的1/10-1/5。
为进一步提高谱移控制棒效果，燃料富集度尽可能为中、低富集度，燃料富集度范围可为10％-90％，在维持快谱运行段时间一定的情况下，燃料富集度越低，238U转化为239Pu的转化率越高，谱移运行段时间约长，燃料利用率越高。

Claims (10)

1.一种延长堆芯寿期的堆芯结构，其特征在于：包括燃料棒(1)、谱移控制棒，任意三根燃料棒(1)呈三角形排列，燃料棒(1)间布置谱移控制棒，谱移控制棒在堆芯内呈均匀对称布置，谱移控制棒沿轴向分为三段，由上至下依次为谱移控制棒中子吸收材料(7)、谱移控制棒中间过渡材料(8)和谱移控制棒慢化剂材料(9)。
2.根据权利要求1所述的一种延长堆芯寿期的堆芯结构，其特征在于：所述谱移控制棒为粗谱移控制棒(2)，即一根粗谱移控制棒(2)占据7根或23根燃料棒(1)的位置。
3.根据权利要求1所述的一种延长堆芯寿期的堆芯结构，其特征在于：所述谱移控制棒为细谱移控制棒(3)，即一根细谱移控制棒(3)占据1根燃料棒(1)的位置。
4.根据权利要求1所述的一种延长堆芯寿期的堆芯结构，其特征在于：所述燃料棒(1)为UO2燃料棒。
5.根据权利要求2或3所述的一种延长堆芯寿期的堆芯结构，其特征在于：所述谱移控制棒分为安全棒A棒组(4)、调节棒B棒组(5)和补偿棒C棒组(6)。
6.根据权利要求5所述的一种延长堆芯寿期的堆芯结构，其特征在于：所述谱移控制棒等效细棒的数目为燃料棒数目的1/10-1/5，其中粗谱移控制棒占据7根燃料棒即等效为7根细棒，粗谱移控制棒占据23根燃料棒即等效为23根细棒。
7.根据权利要求4所述的一种延长堆芯寿期的堆芯结构，其特征在于：所述燃料棒(1)燃料富集度范围可为10％-90％。
8.根据权利要求5所述的一种延长堆芯寿期的堆芯结构的运行方法，其特征在于：包括快谱运行段和谱移运行段两个部分。
9.根据权利要求8所述的运行方法，其特征在于：快谱运行段内，控制棒运行策略为：安全棒组(4)往上提，提至谱移控制棒中间过渡材料(8)与堆芯活性区平齐，然后调节棒B棒组(5)上提半个谱移控制棒中子吸收材料(7)高度，然后补偿棒C棒组(6)往上提，提至谱移控制棒中间过渡材料(8)与堆芯活性区平齐，最后继续提调节棒B棒组(5)至谱移控制棒中间过渡材料(8)与堆芯活性区平齐。
10.根据权利要求9所述的运行方法，其特征在于：谱移运行段内，控制棒运行策略为：安全棒组(4)往上提，提至谱移控制棒慢化剂材料(9)与堆芯活性区平齐，然后调节棒B棒组(5)上提，提至谱移控制棒慢化剂材料(9)与堆芯活性区平齐，最后补偿棒C棒组(6)上提，提至谱移控制棒慢化剂材料(9)与堆芯活性区平齐。
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