TWI417901B - 使用燃料情況指數預測輕水反應器燃料缺陷之方法 - Google Patents

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Description

使用燃料情況指數預測輕水及應器燃料缺陷之方法
本發明係關於輕水反應器(Light Water Reactor；LWR)燃料整件。更明確地說，本發明提供一種在給定熱及中子通率以及給定水化學下運作給定時間後透過一指數評估用於LWR電廠之核反應器燃料棒及整件的方法。
輕水反應器燃料完整性係總體核反應器安全的重要部分。燃料之結構完整性對分裂產物釋放至環境構成主要障礙，因此，避免了危及燃料循環中的燃料結構完整性。燃料製造商或/及操作者採用許多措施避免危及燃料完整性(即燃料棒故障)，例如使用水下設備對燃料棒執行更換燃料停機目視檢驗、更換燃料棒等。亦追蹤燃料棒之個別位置及核心駐留時間，以便當燃料棒具有界定數量之耗乏燃料時，移除受影響之燃料整件的進一步反應器運轉。
儘管絕大部分努力用於預測燃料棒故障，仍無根據運轉特徵預測燃料棒故障的準確方法。許多因素，例如使用燃料棒之範圍或反應器水化學，可影響燃料棒耐受棒上結構負載之能力使用之修改(即在反應器之另一位置使用燃料棒)進一步增加燃料棒故障可能的變異性。為避免燃料棒故障之不需要結果，核電廠操作者始終決定在可能出現未來損壞徵兆的早期釋放燃料元件。其會減小核能電廠之經濟效益。
同時需要提供預測核燃料整件內之燃料棒故障的方法。
另外需要提供一種在燃料壽命期間的特定時間點，例如更換燃料停機期間，評估燃料棒完整性之方法。
因此，本發明之一目的係提供一種評估電廠變化/改變對於燃料棒完整性之意義的方法。
本發明之另一目的係提供一種在燃料壽命期間的特定時間點，例如更換燃料停機期間，評估燃料棒完整性之方法。
本發明之目的係如本文所述來實現。本發明提供一種評估輕水反應器燃料完整性之方法，其具有以下步驟：允許對於在一核反應器燃料池中之一放電燃料棒及一核燃料整件中之至少一者之存取；計算用於至少一個燃料棒及該核燃料整件之一運轉通率；測量該燃料棒及該核燃料整件中之至少一者上的CRUD厚度；測量至少一個燃料棒及該核燃料整件上之氧化物厚度；針對該至少一個燃料棒及該核燃料整件在一核反應器內之一位置計算用於該至少一個燃料棒及該核燃料整件之一最大化通率；計算用於該核反應器內的該至少一個燃料棒及該核燃料整件之一最大化沈積；計算用於該核反應器內的該至少一個燃料棒及該核燃料整件之一最大化氧化物厚度；計算該燃料棒及該核燃料整件中之至少一者的一燃料情況指數；比較該燃料情況指數與一指數常數；以及當該燃料情況指數大於該指數常數時移除該燃料棒及該核燃料整件中之至少一者的運轉。
亦可執行該方法，其中如下計算該燃料情況指數
此處A為該指數常數。
指數常數可具有與考慮之邊限成一函數關係的低於或等於3.0之任何值。對於20%之安全邊限，指數常數為2.4。
亦可完成該方法，以便採用校正因數計算燃料情況指數，其中 其中B、C及D係值在0.3與1.4間之流量、渣滓及燃料設計調整因數，且FCI係燃料情況指數。可對沸水反應器或壓水反應器燃料執行燃料情況指數之應用。
參考圖1，提供一Venn圖表，其說明影響LWR電廠之總體燃料完整性的因素。本發明之方法中使用三種不同相互關聯因數來決定用於輕水核反應器之燃料棒的完整性破壞之可能性。結合燃料棒20之負載(使用量)及燃料棒將或已經歷之環境30使用個別燃料棒之材料情況10，以決定關注之燃料棒或整件的完整性破壞之總體可能性。在材料10、負載20及環境30之三重重疊區域35中，存在危及輕水反應器燃料棒之可能。在Venn圖表40之三重重疊區域中，由於進入關鍵區域之全部因素不會同時發生，結構上危及輕水反應器燃料棒之可能性最小。
參考圖2，依據本發明之方法100允許識別輕水反應器燃料棒，其在即將來臨之燃料循環期間或在評估時具有或將具有結構完整性問題之高風險。方法100計算燃料情況指數180，其係實際運轉情況期間消耗的燃料元件耐久性之部分在燃料元件之最大熱應力區域的度量。
本發明方法100使用核燃料棒之熱通率、燃料棒表面上之Chalk River未確認沈積(CRUD)的厚度及燃料棒之氧化物厚度因數，其係從用於上述因數之環境30、負載20及材料10的三個因數獲得。
核燃料棒之熱通率、燃料棒表面上之Chalk River未確認沈積的厚度及燃料棒之氧化物厚度因數係用於決定歸因於此等因數相互關聯而危及的燃料棒完整性之可能性。明確地說，用於燃料棒之熱通率影響燃料棒上之CRUD厚度以及燃料棒之氧化物厚度。
燃料棒上CRUD特性之變化(例如CRUD層厚度之增加)導致熱通率及燃料棒上氧化物組成物之變化。燃料情況指數180之量化使燃料棒可在特定時間點進行評估，包括完整燃料循環中之時間。
核燃料棒之通率、燃料棒表面上CRUD之厚度及燃料棒之氧化物厚度之因數用於決定本發明之方法中燃料棒完整性破壞的可能性。例如，調整因數包括序列交換間隔、CRUD成熟度及給水化學之效應。
因此，作為時間相依變數之燃料情況指數係表達為：
如上述等式(1)內提供，若個別燃料棒遭遇之運轉通率等於用於該棒之最大可能通率，運轉沈積(CRUD沈積)等於用於棒之最大CRUD沈積，並且用於燃料元件之已測量運轉氧化物厚度等於可能用於元件之最大氧化物厚度，燃料情況指數常數值(A)為三(3)。
使用上述因數，燃料情況指數180用於指示在燃料元件之壽命內的任何給定時刻燃料棒之完整性破壞的可能性，因為計算之值越接近值3，關注燃料越接近故障。
本發明之方法的一替代示範性具體實施例中，燃料情況指數180係定義為併入安全因數，以確保反應器內燃料棒之持續完整性。為此目的，例如，選擇20%之邊限，從而可如下計算燃料情況指數：
上面提供之等式中，考慮了時間效應，其中考慮在不同於感興趣的運轉時間(時刻)之時間的最大通率。當用於運轉組件之運轉時間對於等式中所有三項相同時，最大通率、最大沈積及最大氧化物厚度全部係在不同於運轉開始之時刻獲得，若使用歷史燃料資料，則係燃料元件之整個壽命中。因此，在各運轉點，實現燃料情況指數之不同值。可執行數個燃料情況指數計算，以研究關注燃料棒或整件之趨勢。亦可隨時間描繪燃料情況指數曲線圖，以決定用於特定燃料棒或整件之最大燃料情況指數值。此資料可用於決定是否應移除燃料棒或整件之服務。
組成燃料指數之三個元件的最大值之異步時間係輕水反應器燃料情況指數180之一特徵，因此不僅可用於確定反應器內燃料元件(棒)之當前情況，亦可預測下一燃料循環、該等燃料元件之完整性。
明確考慮時間效應，上述等式變為：
針對沈積壽命將上述等式三(3)內獲得的值平均化。若考慮m＝將燃料元件保持在反應器內之總月數，則運轉值對應於運轉之每月。
如等式(3)所呈現，平均化產生用於燃料情況指數之值，其比等式(2)內之燃料情況指數值更保守。
本發明之方法中，組合調整因數與等式3內之基礎項，以形成以下整合情況模型(給定時刻下)： 其中調整因數係：B＝流量調整因數C＝渣滓調整因數，包括沈積化學D＝燃料設計調整因數FCI＝燃料情況指數
根據計算並藉由與實際電廠資料進行比較，因數B、C及D具有0.3與1.4間的值。
執行調整因數之選擇，以使個別因數之權重識別可決定關於其對燃料完整性之影響更重要的因數。
執行各種調整因數之權重選擇，以維持平衡之指數，其中識別並評估真實情況。為此原因，所有個別調整因數之平均值用於修改基礎因數。模型各項具有1.2之最大值及0.64之實際最小值(對於具有20%邊限之電廠)。因此，用於大部分核電廠之燃料情況指數落在1.9與3.6間。
如透過核動力反應器內之實際燃料元件的測試所獲得，藉由將燃料情況指數之期望範圍(1.9至3.6)分成三類以提供指數常數，將核反應器設施分為高、中等及低風險循環電廠。此結果產生以下分類：．FCI≧3.0＝高風險情況．FCI2.4至2.9＝中等風險情況．FCI<2.4＝低風險情況
FCI可用於，但不限於，在詳細分析前(或無)對燃料(變化、序列交換、水化學等)進行運轉情況之初步評估。燃料情況指數亦可估計與供應燃料至電廠相關聯之風險，其中無先前運轉經歷。燃料情況指數亦可用於估計與運轉偏離相關聯，或者若反應器燃料循環期間需要更換操作，燃料製造商之保證風險。
依據本發明之一替代具體實施例中，藉由以基於燃料整件之目視檢驗的沈積因數取代燃料情況指數計算中之第二項，為無關於CRUD沈積厚度或形態之資料的電廠決定燃料情況指數180，如以下等式5所提供。
等式5內呈現的沈積因數值取決於欲評估之反應器元件的設計及放置於元件上之CRUD的數量。如圖3所提供，例如，給附著於燃料針而非分隔柵之CRUD的低數量指派值.6。如圖4所示，例如，給採用分隔柵上某些有限CRUD覆蓋整個燃料針表面之CRUD指派值.8。如圖5所示，例如，給實質材料放置於燃料針及分隔柵上的重度CRUD結殼整件指派值1.2。
運轉中，如圖2所提供，藉由允許對於在核反應器燃料池110中之放電燃料棒及核燃料整件中之至少一者之存取完成用於評估沸水反應器燃料完整性之方法100。該至少一個燃料棒或核燃料整件可為新棒/燃料整件或先前用於反應器內之棒/整件。若先前已使用燃料棒或核燃料整件，將棒/整件與反應器之其他加熱表面隔離，以供進一步處理，如下所述。若使用核燃料整件，可評估整個整件，或可評估個別組件片。
接著由反應器工程師決定/選擇棒或整件在核反應器內之總體期望位置。根據反應器內燃料棒/燃料整件之預期(或實際)位置，接著計算燃料棒或燃料整件之運轉通率120。
隔離棒或核燃料整件時，接著測量燃料棒及核燃料整件中之至少一者上的CRUD厚度130。例如，上述示範性方法中，藉由刮掉至少一個燃料棒或核燃料整件之外部並在實驗室內測量產生碎屑之厚度獲得測量。亦可透過非破壞性檢查(例如ECT：渦流技術)獲得測量。
除測量燃料棒及核燃料整件中之至少一者的CRUD之厚度外，亦透過ECT或透過熱室內之破壞性檢查測量至少一個燃料棒及核燃料整件上之氧化物厚度140。
根據反應器內部預期位置，針對至少一個燃料棒及核燃料整件之特定位置計算用於至少一個燃料棒及核燃料整件之最大化通率150。最大化通率係沿棒或整件之最大熱應力部分計算。
接著計算可為核反應器內至少一個燃料棒及核燃料整件實現的最大化沈積160。最大化沈積係透過從燃料在其壽命中經歷的最差已知沈積之資料庫中選擇而加以決定。選擇之時間長度可係即時時間，或者評估可發生於燃料循環之長度上。
可針對核反應器內至少一個燃料棒及核燃料整件在關注之時間框期間實現的最大化氧化物厚度係作為燃料元件壽命末端之最差測量氧化物厚度與規定允許之最大氧化物厚度間的較小值而獲得170。選擇之時間長度可係即時時間，或者評估可發生於燃料循環之長度上。
接下來，計算燃料棒及核燃料整件中之至少一者的燃料情況指數180。接著比較計算之燃料情況指數與指數常數190。
最後，當燃料情況指數大於識別高風險情況時識別的指數常數時，移除燃料棒及核燃料整件中之至少一者的運轉200。
本發明提供可允許量化高風險燃料棒/燃料整件之方法。評估方法藉由大幅減小洩漏燃料之機率改善了現有方法。評估方法亦最小化了反應器水清潔系統之劣化可能。
依據本發明之方法亦提供未來燃料棒/整件洩漏之預測，其不同於無此能力的當前目視調查技術。
該方法亦使核電廠操作者可滿足管理機構之要求，其要求核能電廠操作者發展多重可靠方法以根據運轉期間實施的電廠變化評估燃料棒完整性。
以上說明中已參考特定示範性具體實施例而說明本發明。然而，顯然可根據其作出各種修改及變化，而不背離隨附申請專利範圍中提出的本發明之更廣精神與範疇。因此說明書及圖式係視為說明性而非限制性。
10．．．材料情況
20．．．燃料棒負載
30．．．環境
35．．．三重重疊區域
圖1係輕水反應器燃料故障之構成因素的Venn圖表。
圖2係用於預測燃料棒故障及評估燃料棒完整性之方法之流程圖。
圖3係放置於燃料針/分隔柵界面上之低沈澱因數材料的代表圖。
圖4係放置於燃料針/分隔柵界面上之中度沈澱材料的代表圖。
圖5係放置於燃料針/分隔柵界面上之重度沈澱材料的代表圖。
(無元件符號說明)

Claims (10)

  1. 一種評估輕水反應器燃料完整性之方法，其包含：允許對於在一核反應器燃料池中之一放電燃料棒及一核燃料整件中之至少一者之存取；計算用於該至少一個燃料棒及該核燃料整件之一運轉通率；測量該燃料棒及該核燃料整件之該至少一者上的CRUD之一厚度；測量該燃料棒及該核燃料整件之該至少一者上的氧化物之一厚度；在該燃料整件之一壽命中，針對該至少一個燃料棒及該核燃料整件在一核反應器內之一位置，計算用於該至少一個燃料棒及該核燃料整件之一最大化通率；計算用於該核反應器內的該至少一個燃料棒及該核燃料整件之一最大化沈積；計算用於該核反應器內的該至少一個燃料棒及該核燃料整件之一最大化氧化物厚度；計算該燃料棒及該核燃料整件中之該至少一者的一燃料情況指數；比較該燃料情況指數與一指數常數；以及當該燃料情況指數大於該指數常數時移除該燃料棒及該核燃料整件中之該至少一者的運轉。
  2. 如請求項1之方法，其中如下計算該燃料情況指數 此處A為該指數常數。
  3. 如請求項2之方法，其中該指數常數A具有與一安全邊限之一大小成一函數關係而決定的一值。
  4. 如請求項3之方法，其中該指數常數具有無該安全邊限之一值3.0。
  5. 如請求項1之方法，其中如下計算該燃料情況指數： 此處B、C及D係流量、渣滓及燃料設計調整因數。
  6. 如請求項1之方法，其中如下計算該燃料情況指數： 此處B及D係流量及燃料設計調整因數。
  7. 如請求項5之方法，其中該等調整因數具有0.3至1.4間之值。
  8. 如請求項1之方法，其中計算之燃料情況指數將電廠分成高、中等及低風險燃料。
  9. 如請求項1之方法，其中該輕水反應器係一沸水反應器及一壓水反應器中之一者。
  10. 如請求項6之方法，其中該等調整因數具有0.3至1.4間之值。
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