CN114242283A - 一种压水堆堆芯24个月换料周期燃料装载方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种压水堆堆芯24个月换料周期燃料装载方法，其特征在于，压水堆堆芯由177个燃料组件构成，堆芯的首循环采用24个月换料策略，堆芯从第二循环开始至平衡循环的各个循环的每次换料均采用两种超过5％U‑235富集度的新燃料组件。从首循环即采用24个月换料策略，在过渡循环和平衡循环中每次换料通过采用两种超过5％U‑235富集度的新燃料组件，可以快速实现首循环、过渡循环和平衡循环的循环长度均达到24个月长周期换料设计需求，降低平均燃料成本，提高平均批卸料燃耗，具有极高的经济性。

Description

一种压水堆堆芯24个月换料周期燃料装载方法

技术领域

本发明涉及核电厂反应堆技术领域，具体涉及一种压水堆堆芯24个月换料周期燃料装载方法。

背景技术

目前全世界的在役核电厂，尤其是在东亚的压水堆核电厂的主流循环长度均在18个月左右。针对目前功率越来越高的大型核电厂，由于线功率密度较高和富集度的限制，通常需要每次更换超过1/2的堆芯组件才能达到24个月的循环长度，导致燃料经济性指标反而不如18个月换料，所以24个月换料方式并没有得到广泛应用。

目前针对24个月换料堆芯装载方法，有人每次换料96个组件(堆芯共177个组件)，平均燃料成本高于年换料和18个月换料。有人24个月的换料组件数量达到116个组件(堆芯共221个组件)，平均批卸料燃耗也较18个月方案低。

综上，针对线功率密度较高的大型核电厂，目前24个月换料堆芯的装载方法的平均燃料成本高，平均批卸料燃耗也低于18个月换料周期的方案，导致经济性较低。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对百万千瓦级的大型核电厂，现有的24个月换料堆芯装载方法换料成本高、平均批卸料燃耗低，导致经济性低而无法得到广泛应用。目的在于提供一种压水堆堆芯24个月换料周期燃料装载方法，在过渡循环、平衡循环中采用超过5％富集度的新燃料组件，实现高功率核电厂24个月长周期换料设计的技术需求。

本发明通过下述技术方案实现：

一种压水堆堆芯24个月换料周期燃料装载方法，所述压水堆堆芯由177个燃料组件构成，所述堆芯的首循环采用24个月换料策略，所述堆芯从第二循环开始至平衡循环的各个循环的每次换料均采用两种超过5％U-235富集度的新燃料组件。

可选地，所述两种超过5％U-235富集度的新燃料组件的富集度分别为5.45％、5.95％。

可选地，所述堆芯从第二循环开始至平衡循环的每次换料装入80组新燃料组件。

可选地，从第二循环至平衡循环的各循环的燃料组件采用低泄漏模式布置，已燃耗较深的旧燃料组件置于堆芯最外圈，新燃料组件与已燃耗过的旧燃料组件置于堆芯内圈并交叉间隔布置。

可选地，所述置于堆芯内圈的已燃耗过的旧燃料组件按燃耗深度呈交叉排列布置。

可选地，所有循环的固体可燃物均为一体化钆固体可燃物，其形式为载钆燃料棒，所述载钆燃料棒为由UO₂-Gd₂O₃均匀混合在燃料芯块中形成；

首循环的载钆燃料棒的数量为8根或12根或16根或20根；

第二循环至平衡循环的各循环载钆燃料棒的数量为12根或16根或20根或24根。

可选地，所述第二循环至平衡循环的各循环的UO₂-Gd₂O₃燃料芯块中U-235富集度为2.5％、Gd₂O₃的重量百分比为10％。

可选地，首循环新燃料组件按U-235的富集度分为4区装载，4个区的新燃料组件U-235的富集度分别为3.1％、3.9％、4.45％和4.95％，U-235的富集度为3.1％、3.9％、4.45％和4.95％的新燃料组件分别为69、36、36和36组，首循环新燃料组件采用高泄漏装载模式布置。

可选地，所述高泄漏装载模式为：富集度最高的新燃料组件置于堆芯最外圈，其余富集度的新燃料组件按照富集度高度相互搭配组合。

可选地，首循环中，U-235的富集度为3.1％、3.9％、4.45％和4.95％的新燃料组件中的UO₂-Gd₂O₃燃料芯块中U-235的富集度分别为1.8％、2.2％、2.5％和2.5％，UO₂-Gd₂O₃燃料芯块中Gd₂O₃的重量百分比为8％。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

本发明实施例提供的一种压水堆堆芯24个月换料周期燃料装载方法，从首循环即采用24个月换料策略，在过渡循环和平衡循环中每次换料通过采用两种超过5％U-235富集度的新燃料组件，可以快速实现首循环、过渡循环和平衡循环的循环长度均达到24个月长周期换料设计需求，降低平均燃料成本，提高平均批卸料燃耗。实现了平衡后电厂可利用率达到92％；实现了平衡后每批燃料组件的平均批卸料燃耗达到58000MWd/tU，相对同堆型18个月燃料设计的最高批卸料燃耗提高约10000MWd/tU，可应用于采用177组堆芯的各新建电厂使用，具有极高的经济性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明示例性实施方式的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。在附图中：

图1为本发明实施例提供的一种压水堆堆芯24个月换料周期燃料装载方法的首循环堆芯的装载示意图；

图2为本发明实施例提供的一种压水堆堆芯24个月换料周期燃料装载方法的第二循环堆芯的装载示意图；

图3为本发明实施例提供的一种压水堆堆芯24个月换料周期燃料装载方法的第三循环堆芯的装载示意图；

图4为本发明实施例提供的一种压水堆堆芯24个月换料周期燃料装载方法的平衡循环堆芯的装载示意图。

其中，在图1中每个方格代表一个燃料组件，各个方格中的数值ZZZNN的含义为：ZZZ/100表征燃料组件富集度，NN为燃料组件中钆棒数目。以31008为例，表示该位置燃料组件为富集度3.10％的含8根钆棒的燃料组件。

图2中每个方格代表一个燃料组件，各个方格中

代表含义为：m/100代表燃料组件富集度，NEW代表此处放置的为新燃料组件，且新燃料组件共80组，符号n代表燃料组件中的钆棒数。其余的各方格如M13、P11等则代表已燃耗的旧燃料组件。

图3中的各方格及各方格中的

代表的含义同图2。

图4中各个方格中的数值指各新燃料组件中载钆燃料棒根数，其中数值下有下划线的代表5.45％富集度的新燃料组件，其余是5.95％富集度的新燃料组件。浅色底纹的方格为燃耗过一个循环的可复用燃料组件，深色底纹的方格为燃耗过两个循环的可复用燃料组件。无底纹的方格则代表新燃料组件。

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，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。

在以下描述中，为了提供对本发明的透彻理解阐述了大量特定细节。然而，对于本领域普通技术人员显而易见的是：不必采用这些特定细节来实行本发明。在其他实施例中，为了避免混淆本发明，未具体描述公知的结构、电路、材料或方法。

在整个说明书中，对“一个实施例”、“实施例”、“一个示例”或“示例”的提及意味着：结合该实施例或示例描述的特定特征、结构或特性被包含在本发明至少一个实施例中。因此，在整个说明书的各个地方出现的短语“一个实施例”、“实施例”、“一个示例”或“示例”不一定都指同一实施例或示例。此外，可以以任何适当的组合和、或子组合将特定的特征、结构或特性组合在一个或多个实施例或示例中。此外，本领域普通技术人员应当理解，在此提供的示图都是为了说明的目的，并且示图不一定是按比例绘制的。这里使用的术语“和/或”包括一个或多个相关列出的项目的任何和所有组合。

在本发明的描述中，术语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”、“下”、“竖直”、“水平”、“高”、“低”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

现有的针对百万千瓦级的大型核电厂的24个月换料堆芯装载方法，平均燃料成本高于年换料和18个月换料，平均批卸料燃耗也较低，无法实现高功率核电厂24个月长周期换料设计的技术需求。

为解决以上问题，采用以下技术方案：

一种压水堆堆芯24个月换料周期燃料装载方法，所述压水堆堆芯由177个燃料组件构成，所述堆芯的首循环采用24个月换料策略，所述堆芯从第二循环开始至平衡循环的各个循环的每次换料均采用两种超过5％U-235富集度的新燃料组件。

其中，本发明实施例从首循环即采用24个月换料策略，从首循环即开始实现24个月换料，在过渡循环和平衡循环中每次换料通过采用两种超过5％U-235富集度的新燃料组件，可以快速实现首循环、过渡循环和平衡循环的循环长度均达到24个月长周期换料设计需求。采取高于5％富集度的换料组件可以在不大幅增加换料组件数量的前提下，增加初始堆芯的剩余反应性，从而达到更长的循环长度。而更长的循环长度、尽量少的换料新组件，可以大幅提高组件的批卸料燃耗，带来提高组件利用率、降低燃料成本、减少高放废物等一系列好处。两种新燃料组件的富集度可以分别选择5.45％、5.95％。

进一步地，所述堆芯从第二循环开始至平衡循环的每次换料装入80组新燃料组件。其中，可以根据需要选择两种富集度的新燃料组件的组数。如80组新燃料组件包括4组富集度为5.45％的新燃料组件和76组富集度为5.95％新燃料组件。

进一步地，从第二循环至平衡循环的各循环的燃料组件采用低泄漏模式布置，已燃耗较深的旧燃料组件置于堆芯最外圈，新燃料组件与已燃耗过的旧燃料组件置于堆芯内圈并交叉间隔布置。其中已燃耗过的旧燃料组件的燃耗程度也是不相同的。

进一步地，所述置于堆芯内圈的已燃耗过的旧燃料组件按燃耗深度呈交叉排列布置。

通过合理布置过渡循环、平衡循环中新燃料组件与旧燃料组件及合理利用可复用组件，达到过渡循环与平衡循环的换料循环极低泄漏，显著提高燃料组件的批卸料燃耗，实现更高的燃料利用率，并使过渡循环和平衡循环的堆芯循环长度达到24个月长循环换料设计要求。

进一步地，所有循环的固体可燃物均为一体化钆固体可燃物，其形式为载钆燃料棒，所述载钆燃料棒为由UO₂-Gd₂O₃均匀混合在燃料芯块中形成；

首循环的载钆燃料棒的数量为8根或12根或16根或20根；

第二循环至平衡循环的各循环载钆燃料棒的数量为12根或16根或20根或24根。

进一步地，所述第二循环至平衡循环的各循环的UO₂-Gd₂O₃燃料芯块中U-235富集度为2.5％、Gd₂O₃的重量百分比为10％。

通过合理设计首循环、过渡循环、平衡循环的载钆燃料棒数量，以及过渡循环、平衡循环的UO₂-Gd₂O₃燃料芯块中U-235富集度、Gd₂O₃的重量百分比，使平衡后的电厂可利用率达到了92％，实现更高的电厂可利用率。

进一步地，首循环新燃料组件按U-235的富集度分为4区装载，4个区的新燃料组件U-235的富集度分别为3.1％、3.9％、4.45％和4.95％，U-235的富集度为3.1％、3.9％、4.45％和4.95％的新燃料组件分别为69、36、36和36组，首循环新燃料组件采用高泄漏装载模式布置。

进一步地，所述高泄漏装载模式为：富集度最高的新燃料组件置于堆芯最外圈，其余富集度的新燃料组件按照富集度高度相互搭配组合。

其中，其余富集度的新燃料组件的富集度不同，在堆芯内部把富集度稍大的新燃料组件和富集度低的新燃料组件相互搭配组合。

进一步地，首循环中，U-235的富集度为3.1％、3.9％、4.45％和4.95％的新燃料组件中的UO₂-Gd₂O₃燃料芯块中U-235的富集度分别为1.8％、2.2％、2.5％和2.5％，UO₂-Gd₂O₃燃料芯块中Gd₂O₃的重量百分比为8％。

通过在首循环中合理设计不同富集度的新燃料组件、采用高泄漏装载模式、合理设计新燃料组件的组数，实现首循环24个月的换料策略。

本发明实施例提供的一种压水堆堆芯24个月换料周期燃料装载方法，使用两种超过5％燃料富集度的新燃料组件进行换料；首循环、过渡循环和平衡循环的循环长度均达到24个月，平衡后电厂可利用率达到了92％；换料循环采用极低泄漏的装载方式以及合理利用可复用组件，燃料组件批卸料燃耗显著提高。

该方法同时兼顾了增加循环长度和展平堆芯功率分布，大幅提升了核燃料的利用率和电厂的可利用率，带来增加发电量、减少大修次数、降低高放废物产生、降低电厂工作人员受放射性照射水平等等一系列好处。由于使用的固体可燃毒物、燃料材料都很成熟，在技术上较易实现，可应用于采用177组堆芯的各新建电厂使用，具有极高的经济性。

实施例1

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。本实施例从首循环即开始实现24个月换料，给出一种快速达到24个月换料平衡循环的燃料装载方案。

如图1所示，首循环堆芯装载采用4种不同U-235富集度的燃料组件，3.1％、3.9％、4.45％和4.95％富集度的燃料组件分别为69、36、36和36组。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。富集度最高的4.95％的新燃料组件布置在堆芯的最外圈，其余3种富集度分别为3.1％、3.9％和4.45％的新燃料组件则布置在堆芯的内部，且较低富集度的3种新燃料组件在堆芯内部呈交叉棋盘式布置。首循环固体可燃毒物为钆，U-235的富集度为3.1％、3.9％、4.45％和4.95％的新燃料组件中的UO₂-Gd₂O₃燃料芯块中U-235富集度分别为1.8％、2.2％、2.5％和2.5％，Gd₂O₃的重量百分比为8％。新燃料组件带载钆燃料棒的典型数量为8根、12根、16根或20根。

采用上述的首循环堆芯装载方法能够满足安全准则要求，其主要的计算结果见表1。

表1首循环堆芯装载方法计算结果

从第二循环到平衡循环，换料使用的新燃料组件的富集度采用5.45％和5.95％。过渡循环与平衡循环的燃料组件按照低泄漏模式布置。从第二循环到平衡循环的每个循环每次加入的80个新燃料组件放在堆芯内部，在堆芯最外圈放置燃耗过多个循环的燃耗较深的旧燃料组件，堆芯里圈还放置有多个燃耗过的旧燃料组件，且堆芯里圈的旧燃料组件与新燃料组件相互搭配组合；也可以按照组件燃耗深度的不同将位于里圈的旧燃料组件呈交叉排列方式。具体地第二循环、第三循环、平衡循环的堆芯装载方法见图2-4。

过渡循环与平衡循环的燃料组件的固体可燃毒物也使用钆，UO₂-Gd₂O₃燃料芯块中U-235富集度为2.5％、Gd₂O₃的重量百分比为10％。第二循环至平衡循环的各循环新燃料组件带载钆燃料棒的典型数量为12根、16根、20根或24根。

过渡循环与平衡循环的堆芯主要计算结果见表2。由表2可以看出，采用本实施例所述堆芯装载方法可以快速实现24个月长周期换料设计；平衡循环的循环长度为665等效满功率天；电厂可利用率达到92％；同时兼顾了展平堆芯功率分布、增加后续循环堆芯的循环长度，提升了核燃料的利用率和电厂的运行经济性。最大核焓升因子满足不超1.65的安全限值要求，最大卸料组件平均燃耗低于62GWd/tU。

表2过渡循环、平衡循环堆芯计算结果

本发明实施例提供的一种压水堆堆芯24个月换料周期燃料装载方法，针对百万千瓦压水堆堆芯由177个燃料组件所组成，实现了从首循环开始24个月长周期换料设计的技术需求。平衡后电厂可利用率达到92％。平衡后，每批燃料组件的平均批卸料燃耗达到58000MWd/tU，相对同堆型18个月燃料设计的最高批卸料燃耗提高约10000MWd/tU。

本发明中未涉及的方法、过程、设备等均为已知技术，在此不进行赘述。

以上的具体实施方式，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)

1.一种压水堆堆芯24个月换料周期燃料装载方法，其特征在于，所述压水堆堆芯由177个燃料组件构成，所述堆芯的首循环采用24个月换料策略，所述堆芯从第二循环开始至平衡循环的各个循环的每次换料均采用两种超过5％U-235富集度的新燃料组件。

2.根据权利要求1所述的一种压水堆堆芯24个月换料周期燃料装载方法，其特征在于，所述两种超过5％U-235富集度的新燃料组件的富集度分别为5.45％、5.95％。

3.根据权利要求2所述的一种压水堆堆芯24个月换料周期燃料装载方法，其特征在于，所述堆芯从第二循环开始至平衡循环的每次换料装入80组新燃料组件。

4.根据权利要求1所述的一种压水堆堆芯24个月换料周期燃料装载方法，其特征在于，从第二循环至平衡循环的各循环的燃料组件采用低泄漏模式布置，已燃耗较深的旧燃料组件置于堆芯最外圈，新燃料组件与已燃耗过的旧燃料组件置于堆芯内圈并交叉间隔布置。

5.根据权利要求4所述的一种压水堆堆芯24个月换料周期燃料装载方法，其特征在于，所述置于堆芯内圈的已燃耗过的旧燃料组件按燃耗深度呈交叉排列布置。

6.根据权利要求1所述的一种压水堆堆芯24个月换料周期燃料装载方法，其特征在于，所有循环的固体可燃物均为一体化钆固体可燃物，其形式为载钆燃料棒，所述载钆燃料棒为由UO₂-Gd₂O₃均匀混合在燃料芯块中形成；

首循环的载钆燃料棒的数量为8根或12根或16根或20根；

第二循环至平衡循环的各循环载钆燃料棒的数量为12根或16根或20根或24根。

7.根据权利要求6所述的一种压水堆堆芯24个月换料周期燃料装载方法，其特征在于，所述第二循环至平衡循环的各循环的UO₂-Gd₂O₃燃料芯块中U-235富集度为2.5％、Gd₂O₃的重量百分比为10％。

8.根据权利要求1所述的一种压水堆堆芯24个月换料周期燃料装载方法，其特征在于，首循环新燃料组件按U-235的富集度分为4区装载，4个区的新燃料组件U-235的富集度分别为3.1％、3.9％、4.45％和4.95％，U-235的富集度为3.1％、3.9％、4.45％和4.95％的新燃料组件分别为69、36、36和36组，首循环新燃料组件采用高泄漏装载模式布置。

9.根据权利要求8所述的一种压水堆堆芯24个月换料周期燃料装载方法，其特征在于，所述高泄漏装载模式为：富集度最高的新燃料组件置于堆芯最外圈，其余富集度的新燃料组件按照富集度高度相互搭配组合。

10.根据权利要求1所述的一种压水堆堆芯24个月换料周期燃料装载方法，其特征在于，首循环中，U-235的富集度为3.1％、3.9％、4.45％和4.95％的新燃料组件中的UO₂-Gd₂O₃燃料芯块中U-235的富集度分别为1.8％、2.2％、2.5％和2.5％，UO₂-Gd₂O₃燃料芯块中Gd₂O₃的重量百分比为8％。

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