CN115274163B - 一种压水堆核电厂堆芯的燃料组件管理方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种压水堆核电厂堆芯的燃料组件管理方法，包括第一步，筛选长换料周期机组中一定数量的浅燃耗燃料组件；筛选短换料周期机组中一定数量的浅燃耗燃料组件；混合为已辐照燃料组件；将已辐照燃料组件和未辐照的新燃料组件均装载至堆芯；确定是否满足压水堆的设计限值或设计要求，若不满足，改变数量比或改变装载位置；若满足，则完成燃料组件的装载；本发明将长换料周期机组卸出的浅燃耗燃料组件，装入短换料周期机组中，实现群堆模式下的批卸料燃耗和单堆模式下短换料周期的批卸料燃耗相当；解决当前核工业约束条件下、长换料周期机组堆芯燃料管理的燃料利用率低难题，提高核电厂经济性。

Description

一种压水堆核电厂堆芯的燃料组件管理方法
技术领域
本发明涉及核电技术领域，具体涉及一种压水堆核电厂堆芯的燃料组件管理方法。
背景技术
在核电厂中，一批燃料组件往往要在反应堆内停留三年或更长时间，且价格昂贵。因此，如何在满足电力系统能量需求的前提下，以及在核电厂安全运行的设计规范和技术要求限制内，尽可能地提高核燃料的利用率，降低核电厂的单位能量成本，是一个关系到核电厂经济性的重要研究课题，这也是堆芯燃料管理所要研究的内容。
确定换料周期是一个多因素综合考虑的结果，一般核电厂通过经济性分析结果确定。主要考虑机组能力因子的提高带来的收益和实现该目标所需要的投入(新燃料组件使用增多导致的燃料成本增加、大修费用增加等)之间的权衡。
目前全世界尤其在东亚的压水堆核电厂主流的循环长度均在18个月左右。从物理设计上来说，18个月换料周期一方面可以延长电厂每循环的运行时间，显著提高电厂的可利用率；另一方面在当前的核工业约束条件下，燃料组件的批卸料燃耗可以达到较高的水平，燃料经济性也较高。
目前对商用电厂燃料富集度要求限制在5％以下。对于特定的核电厂和燃料组件类型，当燃料组件的最高富集度限定时，为满足特定的循环长度要求，例如24个月换料周期，需要增加换料新组件数量，通常超过堆芯组件总数的一半，换料组件增多会直接导致燃料组件批卸料燃耗降低，燃料的利用率降低，导致燃料经济性指标反而不如18个月换料周期，在工业实践中它的经济性不是很好。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是延长循环周期可以提升电厂利用率，但是会导致燃料组件批卸料燃耗降低，燃料的利用率降低，导致燃料经济性指标降低，目的在于提供一种压水堆核电厂堆芯的燃料组件管理方法，解决了长换料周期下的燃料组件燃耗低、燃料利用率低的问题。
本发明通过下述技术方案实现：
一种压水堆核电厂堆芯的燃料组件管理方法，包括：
第一步，筛选长换料周期机组中一定数量的浅燃耗燃料组件；
第二步，筛选短换料周期机组中一定数量的浅燃耗燃料组件；
第三步，混合第一步中筛选的浅燃耗燃料组件和第二步中筛选的浅燃耗燃料组件，设定为已辐照燃料组件；
第四步，选定一定数量的已辐照燃料组件和未辐照的新燃料组件均装载至堆芯；
第五步，装载完成后，确定是否满足压水堆的设计限值或设计要求，若不满足，则重复第四步，并改变已辐照燃料组件和新燃料组件的数量比或改变已辐照燃料组件和新燃料组件的装载位置；若满足，则完成燃料组件的装载。
具体地，所述第一步的具体方法包括：
建立长换料周期机组的浅燃耗燃料组件数据库，数据库中包括初始富集度、燃耗、反应性、乏池冷却时间；
筛选浅燃耗燃料组件数据库中能与短换料周期机组兼容的燃料组件，并建立子数据库；
对子数据库中的燃料组件进行排序，并形成浅燃耗燃料组件推荐列表；
选取浅燃耗燃料组件推荐列表中的浅燃耗燃料组件。
可选地，所述浅燃耗燃料组件推荐列表的建立方法包括：
依次按照初始富集度从高到低、燃耗从浅到深、反应性从高到低、乏池冷却时间从短到长的顺序对子数据库中的燃料组件进行排序。
具体地，所述第二步的具体方法包括：
建立短换料周期机组的浅燃耗燃料组件数据库，数据库中包括燃耗、反应性；
按照燃耗从浅到深、反应性从高到低排序，形成自身燃料组件推荐列表；
选取自身燃料组件推荐列表中的浅燃耗燃料组件。
具体地，所述第四步的具体方法包括：
步骤一，确定已辐照燃料组件的数量和新燃料组件的数量；
步骤二，将堆芯最外圈全部装载已辐照燃料组件；
步骤三，将剩余的已辐照燃料组件按照棋盘式布局装载在堆芯内圈；
步骤四，将新燃料组件装载至其余未装载燃料组件的位置。
可选地，所述第五步中压水堆的设计限值或设计要求包括：平均富集度、功率分布、慢化剂温度系数、停堆裕量、燃耗。
具体地，所述第五步的具体方法包括：
步骤五，根据循环长度要求，结合已辐照燃料组件的反应性，确定新燃料组件的平均富集度；
步骤六，判断平均富集度是否满足设计限值，若不满足，则减少已辐照燃料组件的数量，并重复步骤一至步骤五；若满足，则进行步骤七；
步骤七，依次验证功率分布、慢化剂温度系数、停堆裕量是否满足设计限值或设计要求，若不满足，则调整步骤三和步骤四中已辐照燃料组件和新燃料组件的位置关系，并重复步骤三至步骤六；若满足，则进行步骤八；
步骤八，判断燃耗是否满足设计限值，若不满足，则减少已辐照燃料组件的数量，并重复步骤一至步骤七；若满足，则完成短换料周期机组的燃料组件装载。
可选地，所述平均富集度的设计限值为不超过5％；
可选地，在步骤七中，若不满足，还可以调整新燃料组件中毒物含量。
可选地，所述长换料周期机组的换料周期为24个月，所述短换料周期机组的换料周期为18个月。
本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
本发明通过多机组的燃料组件的共享使用，将长换料周期机组卸出的浅燃耗燃料组件，装入短换料周期机组中；进而减少短换料周期机组的新燃料组件数量，实现群堆模式下的批卸料燃耗和单堆模式下短换料周期的批卸料燃耗相当；解决当前核工业约束条件下、长换料周期机组堆芯燃料管理的燃料利用率低难题，提高核电厂经济性。
附图说明
附图示出了本发明的示例性实施方式，并与其说明一起用于解释本发明的原理，其中包括了这些附图以提供对本发明的进一步理解，并且附图包括在本说明书中并构成本说明书的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。
图1是根据本发明的一种压水堆核电厂堆芯的燃料组件管理方法的流程示意图。
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，下面结合附图和实施方式对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于解释相关内容，而非对本发明的限定。
另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分。
在不冲突的情况下，本发明中的实施方式及实施方式中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施方式来详细说明本发明。
实施例一
目前国内核电厂堆芯燃料管理均采用单堆模式，即某机组采购的燃料组件仅供本机组自身使用。IAEA–TECDOC-1052指出：营运单位/核电站之间的人力和其他资源共享，明确提出了“群堆管理”是良好实践。实现核电厂多机组燃料组件共享使用(以下简称群堆模式)，将提高群堆模式下燃料组件的使用灵活性，进一步将会提高核电厂燃料利用率和经济性。
为达到上述目的，实现将长换料周期机组卸出的浅燃耗燃料组件装入短换料周期机组中，进而减少短换料周期机组的新燃料组件数量，如图1所示，提供一种压水堆核电厂堆芯的燃料组件管理方法，包括：
S1、建立长换料周期机组的浅燃耗燃料组件数据库，数据库中包括乏燃料组件名称、类型、初始富集度、燃耗、反应性、乏池冷却时间、预估运输成本等；且数据库内的所有燃料组件均不存在破损等异常情况。
S2、筛选浅燃耗燃料组件数据库中能与短换料周期机组兼容的燃料组件，并建立子数据库；即从适合长换料周期机组内的燃料组件中挑选主要结构尺寸及设计特征适配短换料周期机组的，以便共同装载于同一个堆芯中。
S3、对子数据库中的燃料组件，依次按照初始富集度从高到低、燃耗从浅到深、反应性从高到低、乏池冷却时间从短到长的顺序对子数据库中的燃料组件进行排序，作为浅燃耗燃料组件选用的排序依据，并形成浅燃耗燃料组件推荐列表。
S4、确定浅燃耗燃料组件推荐列表中的浅燃耗燃料组件，并根据需求一定数量的浅燃耗燃料组件。
S5、建立短换料周期机组的浅燃耗燃料组件数据库，数据库中包括燃耗、反应性，按照燃耗从浅到深、反应性从高到低排序，形成自身燃料组件推荐列表，选取自身燃料组件推荐列表中的浅燃耗燃料组件。
S6、步骤S4和步骤S5中的浅燃耗然组件无需区分，并将其混合，统称为已辐照燃料组件。
S7、确定已辐照燃料组件的数量和新燃料组件的数量。
S8、将堆芯最外圈全部装载已辐照燃料组件，将剩余的已辐照燃料组件按照棋盘式布局装载在堆芯内圈；
S9、将新燃料组件装载至其余未装载燃料组件的位置。
S10、根据循环长度要求，结合已辐照燃料组件的反应性，确定新燃料组件的平均富集度。
S11、判断平均富集度是否满足不超过5％，若不满足，则减少S7中已辐照燃料组件的数量，并重复S7-S11；若满足，则进行S12；
S12、得到基于步骤S11的堆芯装载方案，依次验证功率分布、慢化剂温度系数、停堆裕量(其为非固定值，根据具体情况进行测定)是否满足设计限值或设计要求，若不满足，保证堆芯最外圈位置全部装载已辐照燃料组件的前提下，调整已辐照燃料组件和新燃料组件的布置位置或新燃料组件毒物含量，直至堆芯装载满足各项限值要求；若满足，则进行S13。
S13、得到基于步骤S12的堆芯装载方案，判断燃耗是否满足设计限值，若不满足，则减少S7中已辐照燃料组件的数量，并重复S7-S12直至满足设计限值；若满足，则完成短换料周期机组的燃料组件装载。
本实施例将长换料周期机组卸出的且不再使用的浅燃耗燃料组件，装入短换料周期机组中，在保障短换料周期的前提下，减少机组的新燃料组件数量，所取得的有益效果为：
减少新燃料组件使用总数，节约采购费用；减少核电基地的乏燃料组件总数，节约了后处理费用；减少放射性废物的数量，有利于环境保护及人员辐射剂量减少；充分利用长换料周期机组的乏燃料组件，提高了燃料利用率；实现群堆模式下的批卸料燃耗和单堆模式下短换料周期的批卸料燃耗相当；当前核工业约束条件下，使长换料周期堆芯燃料管理策略在燃料经济性方面具备了实施可行性。
且作为一个优选的方案，本实施例中长换料周期机组的换料周期为24 个月，短换料周期机组的换料周期为18个月。
实施例二
本实施例提供一个具体的实施例，对上述压水堆核电厂堆芯的燃料组件管理方法进行说明。
以一个百万千瓦级核电厂反应堆堆芯为例，该堆芯由177组燃料组件构成，梳理24个月换料周期堆芯燃料管理策略下的乏燃料组件数据，形成可选的浅燃耗燃料组件数据库，示例见表1。目标18个月换料周期机组的燃料组件为AFA3G燃料组件，燃料组件均为17*17栅格布置，含264根燃料棒、24 根锆合金导向管和一个锆合金仪表管，燃料活性段高度均为365.8cm。与表中所列浅燃耗燃料组件类型相同，可以装载于同一个堆芯中。表1中按照反应性从高到低进行了浅燃耗燃料组件排序，形成了浅燃耗燃料组件推荐列表。
表1浅燃耗燃料组件数据库示例
基于浅燃耗燃料组件推荐列表，将41组来自24个月换料周期机组的优选浅燃耗燃料组件和72组来自18个月换料周期机组自身的燃耗相对较浅的燃料组件，装入目标18个月换料周期机组的堆芯中；将堆芯最外圈位置全部装载已辐照燃料组件，其余已辐照燃料组件和64组新燃料组件按照棋盘式布置于堆芯内部。结合已辐照燃料组件的反应性，确定新燃料组件的平均富集度需求为4.825％。
可得到的一个可能的堆芯装载布置，该首循环堆芯共布置177个燃料组件，分别为20组4.45％富集度、44组4.95％富集度的新燃料组件；41组来自 24个月换料周期机组的已辐照燃料组件分别为辐照一个循环的29组4.95％富集度的燃料组件，辐照二个循环的12组4.95％富集度的燃料组件；72组来自18个月换料周期机组自身的已辐照燃料组件分别为辐照一个循环的44组 4.95％富集度和20组4.45％富集度的燃料组件，以及辐照二个循环的8组 4.95％富集度的燃料组件。这些已辐照燃料组件在燃耗方面满足对称性原则。以H02位置的新燃料组件为例，该位置所标注的数字“NEW”含义为新燃料组件。
该示例方案中，堆芯最外围(K01、J01、H01、G01、F01、M02、L02、E02、 D02、N03、C03、P04、B04、P05、B05、R06、A06、R07、A07、R08、A08、R09、 A09、R10、A10、P11、B11、P12、B12、N13、C13、M14、L14、E14、D14、K15、 J15、H15、G15、F15)布置了40组已辐照燃料组件。布置于外围的已辐照燃料组件使得堆芯装载呈现低泄漏装载特性，可相应减少中子泄漏，提高中子经济性。布置于堆芯内部的已辐照燃料组件与新燃料组件间隔排布，起到展平堆芯内部功率分布、降低临界硼浓度避免慢化剂温度系数为正等效果。
该示例方案的循环长度、燃耗期间的最大功率峰因子、寿期初零功率全提棒的慢化剂温度系数等参数均满足设计限值或要求，其主要的计算结果见表2。
表2实施例与传统设计方案主要参数对比
本示例方案中所布置的41组来自24个月换料周期机组的优选浅燃耗燃料组件，替代了8组新燃料组件和33组燃耗相对较深的燃料组件。相比同堆型的单堆模式下的18个月换料周期堆芯装载方案，燃料组件最大燃耗满足设计限值要求；在保证循环长度仍相近的前提下；减少28组4.45％富集度新燃料组件，增加使用20组4.95％富集度新燃料组件。以具有两台机组(一台18 个月换料周期机组和一台24个月换料周期机组)的核电厂为例，考虑核电厂寿期为60年，预计可实施本方法30次，每次应用本方法所带来的新燃料组件采购费用节省约为0.9亿元，总价约27亿元；此外，减少核电厂乏燃料组件总数约240组，节约后处理费用约7.2亿元，相当可观。相比同堆型的单堆模式下的24个月换料周期堆芯装载方案，将平均批卸料燃耗由44042 MWd/tU提高到群堆模式下47827MWd/tU，实现群堆模式下的批卸料燃耗和单堆模式下18个月换料周期的批卸料燃耗相当，当前核工业约束条件下，使 24个月换料周期堆芯燃料管理策略在燃料经济性方面具备了实施可行性。
表3实施例与传统设计方案经济分析对比
实施例三
另外，本提供一种压水堆核电厂长周期堆芯燃料管理终端，包括存储器、处理器以及存储在存储器中并可在处理器上运行的计算机程序，处理器执行计算机程序时实现上实施例一中的压水堆核电厂堆芯的燃料组件管理方法的步骤。
存储器可用于存储软件程序以及模块,处理器通过运行存储在存储器的软件程序以及模块,从而执行终端的各种功能应用以及数据处理。存储器可主要包括存储程序区和存储数据区,其中,存储程序区可存储操作系统、至少一个功能所需的执行程序等。
存储数据区可存储根据终端的使用所创建的数据等。此外,存储器可以包括高速随机存取存储器,还可以包括非易失性存储器,例如至少一个磁盘存储器件,闪存器件、或其他易失性固态存储器件。
一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现上实施例一中的压水堆核电厂堆芯的燃料组件管理方法的步骤。
不失一般性，计算机可读介质可以包括计算机存储介质和通信介质。计算机存储介质包括以用于存储诸如计算机可读指令数据结构,程序模块或其他数据等信息的任何方法或技术实现的易失性和非易失性、可移动和不可移动介质。计算机存储介质包括RAM、ROM、EPROM、EEPROM、闪存或其他固态存储技术,CD-ROM、DVD或其他光学存储﹑磁带盒﹑磁带﹑磁盘存储或其他磁性存储设备。当然,本领域技术人员可知计算机存储介质不局限于上述几种。上述的系统存储器和大容量存储设备可以统称为存储器。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例/方式”、“一些实施例/方式”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例/方式或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例/方式或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例/方式或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例/方式或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例/方式或示例以及不同实施例/方式或示例的特征进行结合和组合。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
本领域的技术人员应当理解，上述实施方式仅仅是为了清楚地说明本发明，而并非是对本发明的范围进行限定。对于所属领域的技术人员而言，在上述发明的基础上还可以做出其它变化或变型，并且这些变化或变型仍处于本发明的范围内。

Claims (8)

1.一种压水堆核电厂堆芯的燃料组件管理方法，其特征在于，包括：
第一步，筛选长换料周期机组中一定数量的浅燃耗燃料组件；
第二步，筛选短换料周期机组中一定数量的浅燃耗燃料组件；
第三步，混合第一步中筛选的浅燃耗燃料组件和第二步中筛选的浅燃耗燃料组件，设定为已辐照燃料组件；
第四步，选定一定数量的已辐照燃料组件和未辐照的新燃料组件均装载至堆芯；
第五步，装载完成后，确定是否满足压水堆的设计限值或设计要求，若不满足，则重复第四步，并改变已辐照燃料组件和新燃料组件的数量比或改变已辐照燃料组件和新燃料组件的装载位置；若满足，则完成燃料组件的装载；
其中，所述第一步的具体方法包括：
建立长换料周期机组的浅燃耗燃料组件数据库，数据库中包括初始富集度、燃耗、反应性、乏池冷却时间；
筛选浅燃耗燃料组件数据库中能与短换料周期机组兼容的燃料组件，并建立子数据库；
对子数据库中的燃料组件进行排序，并形成浅燃耗燃料组件推荐列表；
选取浅燃耗燃料组件推荐列表中的浅燃耗燃料组件。
2.根据权利要求1所述的一种压水堆核电厂堆芯的燃料组件管理方法，其特征在于，所述浅燃耗燃料组件推荐列表的建立方法包括：
依次按照初始富集度从高到低、燃耗从浅到深、反应性从高到低、乏池冷却时间从短到长的顺序对子数据库中的燃料组件进行排序。
3.根据权利要求1所述的一种压水堆核电厂堆芯的燃料组件管理方法，其特征在于，所述第二步的具体方法包括：
建立短换料周期机组的浅燃耗燃料组件数据库，数据库中包括燃耗、反应性；
按照燃耗从浅到深、反应性从高到低排序，形成自身燃料组件推荐列表；
选取自身燃料组件推荐列表中的浅燃耗燃料组件。
4.根据权利要求1所述的一种压水堆核电厂堆芯的燃料组件管理方法，其特征在于，所述第四步的具体方法包括：
步骤一，确定已辐照燃料组件的数量和新燃料组件的数量；
步骤二，将堆芯最外圈全部装载已辐照燃料组件；
步骤三，将剩余的已辐照燃料组件按照棋盘式布局装载在堆芯内圈；
步骤四，将新燃料组件装载至其余未装载燃料组件的位置。
5.根据权利要求4所述的一种压水堆核电厂堆芯的燃料组件管理方法，其特征在于，所述第五步中压水堆的设计限值或设计要求包括：平均富集度、功率分布、慢化剂温度系数、停堆裕量、燃耗。
6.根据权利要求5所述的一种压水堆核电厂堆芯的燃料组件管理方法，其特征在于，所述第五步的具体方法包括：
步骤五，根据循环长度要求，结合已辐照燃料组件的反应性，确定新燃料组件的平均富集度；
步骤六，判断平均富集度是否满足设计限值，若不满足，则减少已辐照燃料组件的数量，并重复步骤一至步骤五；若满足，则进行步骤七；
步骤七，依次验证功率分布、慢化剂温度系数、停堆裕量是否满足设计限值或设计要求，若不满足，则调整步骤三和步骤四中已辐照燃料组件和新燃料组件的位置关系，或调整新燃料组件中毒物含量，并重复步骤三至步骤六；若满足，则进行步骤八；
步骤八，判断燃耗是否满足设计限值，若不满足，则减少已辐照燃料组件的数量，并重复步骤一至步骤七；若满足，则完成短换料周期机组的燃料组件装载。
7.根据权利要求6所述的一种压水堆核电厂堆芯的燃料组件管理方法，其特征在于，所述平均富集度的设计限值为不超过5%。
8.根据权利要求1所述的一种压水堆核电厂堆芯的燃料组件管理方法，其特征在于，所述长换料周期机组的换料周期为24个月，所述短换料周期机组的换料周期为18个月。
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