TWI457947B - 改良使用過核燃料燃耗效益之方法 - Google Patents

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Description

改良使用過核燃料燃耗效益之方法
本發明大體而言係關於使用過核燃料之儲存且更特定言之係關於計算使用過核燃料棒之燃耗效益的方法。
使用過核燃料之輸送及運輸以供最終銷毀係由核管理委員會(Nuclear Regulatory Commission，NRC)經由聯邦法規法典(Code of Federal Regulations)第10章第71部分之要求來管理。為滿足10 CFR§71之要求，必須設計輸送桶以確保臨界安全。此等輸送桶之安全分析目前基於燃料組件未受輻照，亦即易裂變含量係與起初製成之組件相同的假設。此假設在使用過核燃料情況中為保守的，因為易裂變同位素已因在反應器中使用燃料組件而燃耗，且因此組件之易裂變同位素含量比起初製成之含量低得多。
因為在使用過燃料組件情況中存在較大臨界安全裕度，所以輸送桶之容量可受"新鮮燃料"假設嚴重限制。若對於組件之燃耗可採納效益，則將產生使用過燃料組件之輸送方面的成本節省。在支持乾式儲存使用過核燃料之罐的發展中，一直尋求支持封裝裝載之燃耗效益方法之核准。燃耗效益方法將依賴於使用反應器記錄之計算燃耗與驗證反應器記錄之燃耗驗證量測的組合。
隨著對與運輸燃料以供最終銷毀相關之問題的關注漸增，燃耗驗證量測及方法呈現具有較大重要性之作用。"新鮮燃料"假設導致使用過燃料架、運輸罐及廢物庫儲存之極保守設計。此等過度保守之設計導致使用過核燃料之儲存及運輸的成本增加。
為利用使用過核燃料之燃耗效益，必須存在可靠地驗證燃料組件之可裂變含量以確保不超過臨界安全限度之方法。典型燃耗驗證方法需要量測燃料組件以確定初始富集、燃耗及衰變時間之反應器記錄。此等量測依賴於測定中子通量及在一些情況下在燃料中線附近之γ劑量。
目前可用商業系統中之量測技術依賴於235 U裂變室以量測中子比活性，及γ電離室、γ閃爍偵測器或固態半導體偵測器(高純度鍺HPGe)以偵測γ射線。裂變室及γ電離室為相當大的氣體填充偵測器。NaI(Tl)閃爍γ射線偵測器通常較大且需要光電倍增管及γ射線屏蔽以在使用過燃料環境中操作。HPGe γ射線偵測器需要液氮低溫系統或電子冷卻系統，因為其不能夠在較高溫度下作為高解析度γ射線偵測器操作。此等偵測器對諸如溫度及強烈混合γ射線及中子場之環境因素敏感。舉例而言，裂變室對γ射線背景敏感，且γ電離室、NaI(Tl)偵測器及HPGe偵測器均對中子誘導背景敏感。
在反應器核心中使用燃料組件之過程期間，藉由一系列中子俘獲，接著β衰變來產生較重錒系元素(higher actinide)。在鈾燃料中，較重錒系元素連鎖累積因存在於燃料中之238 U而發生。較重錒系元素中許多者藉由自發裂變來衰變，該自發裂變為伴隨有與裂變相關之中子發射的過程。中子之二級來源存在於氧化物燃料中，其中可經由高能α粒子(主要來自較重錒系元素之衰變)在氧之18 O同位素上的作用來產生中子。許多研究者已證明使用過燃料之中子比活性係與燃耗有關。亦已使用對使用過燃料組件之量測來推斷在中子發射率與燃耗之間的詳細數學關係。此關係之函數形式為中子發射率與乘冪組件燃耗有關。影響中子發射率之變數包括燃料類型、初始富集、功率歷程及自反應器卸除燃料組件以來之衰變時間。
儘管自發裂變鈈同位素及鈈α發射體為在第一燃料操作週期期間中子之主要來源，但較長反應器核心暴露時間導致產生鋦同位素，該等鋦同位素變成使用過燃料組件之中子比活性的主要來源。大部分中子發射將自242 Cm(163天半衰期)及244 Cm(17.9年半衰期)產生。對於大於幾年之衰變時間而言，244 Cm將為使用過燃料組件之中子比活性的主要來源。
對於較短衰變時間而言，必須考量242 Cm之中子活動。儘管函數形式一般覆蓋特定設計之所有燃料組件，對於不同設計類型而言具有不同指數，但曲線將隨初始富集而位移。因此，需要知悉初始富集及自卸除以來之時間(衰變時間)以將所觀察中子發射率與燃耗精確關聯。
通常將中子量測與反應器記錄之組合用以測定燃料燃耗。在一些情況下，將裂變產物同位素γ射線(主要137 Cs)之γ射線量測用作對衰變時間之檢查。可使總γ射線衰變率除以中子發射率與具有常見卸除時間之組件之群關聯，或直接量測134 Cs與137 Cs γ衰變率比以測定衰變時間。134 Cs具有2.06年之半衰期，且137 Cs具有30.1年之半衰期，因此衰變率之比將隨時間歷經在自反應器卸除燃料組件之後0至20年之時間段而迅速改變。需要對134 Cs/137 Cs γ發射比或總γ發射率之量測以驗證自組件之卸除以來的時間(衰變時間)。在134 Cs/137 Cs之情況下，γ射線強度比提供對衰變時間之直接度量。在總γ之情況下，假設大部分觀察到之活動為137 Cs，且總γ與中子之比率允許根據常見卸除時間將組件分組。接著自燃料組件記錄來測定精確衰變時間。
無論支持池儲存或裝載以便乾式儲存，均在水下對於以高架起重機自燃料儲存架提昇之隔離燃料組件以習知方式進行該等量測。將偵測器固定物設計為可再現地附著於燃料組件，且通常在燃料中線處進行量測，且在相反燃料平面上採用同時量測以修正中子發射率之不對稱。
燃耗驗證方法一般需要對給定類型之一組燃料組件進行量測。將與燃耗有關之中子響應的函數形式建立在至少三次量測之基礎上且當添加來自最新量測組件之資料時加以更新。基於與預測擬合函數之相符來識別離群值(通常，相對於預測值三個以上之標準偏差為剔除之根據)，且加以識別以便進一步研究。不正確記錄或量測之問題均可造成離群值資料點。
所有目前所用系統之常見特徵為對在一個軸向位置處之單次量測的依賴性。在該位置處之中子發射率係視反應器之平均軸向功率概況而定。儘管一些目前可用系統能夠在多個軸向位置處量測，但對於在各軸向位置處之各量測而言，需要偵測器與組件之相對位置的調節序列。此量測過程必然引起與軸向位置之所需數目大致成比例之量測時間及大量所涉及運動造成之較大燃料損害風險。
頒予本發明之受讓人的美國專利第5,969,359號提出用於進行與使用過核燃料燃耗相關之量測的改良方法及裝置，其採用允許同時監測自使用過核燃料之γ及中子發射率的微型耐溫及抗輻射半導體偵測器。可將半導體偵測器之陣列用以自關鍵軸向位置獲得資訊以界定使用過核燃料組件之軸向燃耗概況。使用改良之使用過燃料監測裝置使得用於量測之成本及時間顯著降低，以及改良精確性、安全性且降低對使用過核燃料量測中所涉及人員之輻射劑量。
在美國專利第5,969,359號中描述之核偵測器較佳使用諸如SiC之寬帶隙半導體材料，其能夠在高溫下提供資料且亦為抗輻射半導體(rad-hard semiconductor)。可用具有極低漏電流之提供高品質核偵測信號之高品質微型偵測器來實現帶電粒子、中子及γ射線偵測。
此等微型半導體偵測器能夠在單次量測中測定中子及總γ發射率。單一半導體偵測器因此可在目前所用系統中進行中子及γ偵測器之功能。基於SiC半導體之較佳核偵測器因此能夠在單一能量解析光譜中同時量測γ射線及中子。
半導體偵測器之陣列可同時量測在關鍵軸向位置處之中子發射率以界定燃料燃耗概況之形狀。舉例而言，同時記錄資料且經多路傳輸以提供各軸向位置之獨立資料之微型半導體中子偵測器的通條(stringer)可提供關於整個軸向燃耗概況之資訊。半導體偵測器陣列可在通道內或在使用過燃料組件之相反平面上進行量測。
使用半導體核偵測器之本發明之燃耗驗證系統提供若干優勢。舉例而言，微型半導體偵測器可比目前所用之偵測器更精確地定位，且可用以在單次量測間隔期間測定燃料軸向燃耗概況。儘管習知方法依賴於使用高架起重機來隔離使用過燃料組件，但本發明之半導體偵測器可對位於燃料架中之使用過燃料組件進行量測。根據本發明，可用較少人員在較短時間內安全地進行量測，同時消除移動燃料組件以便量測之要求。舉例而言，單一微型半導體偵測器可提供與用於本發明系統上之兩種大得多之中子及γ偵測器相同的γ及中子資訊。較佳半導體偵測器能夠在嚴峻之輻射及溫度環境中高度穩定地操作。因為此等優勢，所以由本發明之基於半導體的系統所作之量測比由商業系統所作之量測成本更低。
已鑒於前述內容開發了本發明以進一步改良燃耗效益計算以進一步降低必須構築於使用過燃料儲存及運輸容器中之安全裕度且因此進一步降低成本。儘管美國專利第5,969,359號提供量測軸向概況之大體上改良之方式，但其使用該概況來更精確地計算組件之總燃耗。將總燃耗數用以建立燃耗效益，然而未採用軸向燃耗概況之形狀以進一步增強燃耗效益。本發明之目標在於利用軸向燃耗形狀以進一步增強燃耗效益。
使用過燃料燃耗效益之臨界分析的目前保守方法(其中假設所有組件均具有不利軸向燃耗分布)消耗至k-eff限度之裕度的3%至4%。若使用實測軸向燃耗分布且重構臨界性分析以基於軸向燃耗分布之形狀對富集相對於燃耗之限制曲線產生額外尺度，則諸如TracWorks(在美國專利第5,793,636號中所述)之使用過燃料燃耗監測軟體可實施保護之額外尺度，從而向核電站操作者提供顯著額外儲存裕度(可能拖延再設架或桶購買)而對安全性無不良影響。本發明之方法將軸向燃耗形狀用作保護之明顯額外尺度(稱為尺度反應性管理)。為實施尺度反應性管理之用途，需要三種獨立作用。第一，需要產生使用過燃料容器中各燃料組件之實際軸向燃耗形狀。第二，如目前使用平均燃耗，需要產生燃耗效益限度，其包括將作為獨立保護尺度之軸向燃耗形狀加以表徵。第三，需要實施可跟蹤軸向燃耗形狀資料且使用其以測定燃料在使用過燃料容器中之置放的可接受性之自動工具。
更特定言之，本發明之方法測定新穎使用過燃料組件在儲存容器內之許多使用過燃料組件中置放之可接受性。為進行此舉，本發明之方法產生富集相對於當前燃耗之一系列曲線，各曲線代表不同數目之具有通常所用之不利軸向燃耗分布(目前由先前技術假設)的使用過燃料組件。本發明接著測定直接包圍新穎使用過燃料組件之擬定置放位置的容器內之燃料組件中每一者之實際軸向燃耗分布，且記錄多少使用過燃料組件具有不利軸向燃耗分布。本發明接著自記錄為具有不利軸向燃耗分布之使用過燃料組件的數目確定一系列曲線中何者適用於新穎燃料組件。該方法接著在可適用曲線繪製於其上之圖上發現對應於新穎使用過燃料組件之當前燃耗及初始富集之點，且確定圖上之點是否在可適用曲線上方，其將指示置放之可接受性。
當結合隨附圖式閱讀時，可自較佳實施例之以下描述得到對本發明之進一步理解。
圖1示意性說明根據本發明之一實施例鄰近於使用過核燃料之中子及γ半導體偵測器陣列之置放。如圖1中所示，提供量測自使用過核燃料之中子及γ發射的系統1。如本文中所用，術語"中子發射"意謂包括自發裂變，例如244 Cm衰變，及作為錒系元素同位素之α衰變之二級結果的(α,n)反應之中子產生。術語"γ發射"意謂作為放射性同位素之自發α及β衰變的伴隨物之γ射線產生。通常以至少一個藉由頂板3及底板4固定之燃料組件2之形式提供核燃料。因此以架子之形式提供燃料組件2。在圖1中所示之實施例中，半導體偵測器10之陣列5以串形式提供於燃料組件2之架子外側。提供電線6或其他合適構件以轉移半導體偵測器10產生之電子信號。半導體偵測器10之陣列5沿燃料組件2之軸長延伸。此排列允許在沿燃料組件2之不同軸向位置處量測中子及γ發射，以及允許量測燃料組件2之軸向燃耗概況。
圖2示意性說明根據本發明之另一實施例定位於燃料組件內之半導體中子及γ偵測器陣列5。此實施例類似於圖1中所示之實施例，但將偵測器陣列5定位於燃料組件2之架子的中間。
藉由導線6或任何其他合適構件將圖1及圖2中所示之偵測器陣列5連接至信號處理電子設備7。信號處理電子設備7處理藉由γ射線及中子-誘導帶電粒子之相互作用產生之電壓脈衝且將脈衝電子計數。如圖2中所示，可將微處理器8用以儲存資料且/或產生中子及γ射線量測之視訊顯示或印出。
儘管在圖1及圖2中展示六個個別偵測器10，但可沿燃料組件之長度將任何合適數目用於陣列5中。偵測器陣列5較佳包括2至約100個個別半導體偵測器，更佳約4至約50個偵測器。半導體偵測器10之間距可視燃料組件之輻射梯度而變動。選擇間距以得到關於特定燃料類型之軸向梯度的形狀之細節的足夠資訊。舉例而言，較近間距將用於為沸水反應器(BWR)燃料應用設計之陣列中，此與其中遭遇嚴重性較小梯度之壓水反應器(PWR)燃料相反。
半導體燃耗計之典型設計包含位於沿燃料組件涵蓋至多約150吋之長度的關鍵軸向位置之微型SiC中子/γ偵測器的通條。此等個別半導體偵測器較佳同時記錄中子及γ射線計數率。將計數率多路傳輸至量測控制電腦，諸如膝上型PC。電腦較佳含有處理個別中子及γ射線計數率，測定燃耗概況之形狀，且藉由分析概況形狀，精確測定組件之總燃耗的軟體。若對於使用過燃料桶裝載操作而言為所需，則亦可將軸向燃耗概況資料用以精確測定燃料組件上之最大燃耗位置。
各半導體偵測器10較佳包含中子轉換層及經設計以避免對半導體材料之輻射損害的半導體活性區域。由高能粒子造成之損害引起的先前技術固態輻射偵測器之劣化為熟知現象。輻射損害在半導體材料中之累積引起增加之漏電流及降低之電荷收集效率。此輻射損害係由高能帶電粒子使半導體中原子移位所引起。隨時間流逝，此損害引起偵測器效能之實質劣化。
當帶電粒子在材料中損失能量時，其產生電子激發事件及經移位原子。能量損失可由布拉格曲線(Bragg curve)描述。本發明之較佳中子偵測器陣列利用沿帶電粒子之範圍在電子激發與移位事件之間分配的改變。對於高能α粒子(4 He離子)而言，電子激發為主要能量損失機制。當粒子損失能量時，移位損害之重要性增大。大部分移位損害因此在帶電粒子行進範圍之終點附近出現。
在較佳半導體偵測器10中，控制中子轉換層之類型、半導體材料之類型及半導體活性區域之厚度及置放以允許帶電粒子在無實質移位損害之情況下穿過活性半導體區域。半導體活性區域為充分薄以避免移位損害，但足夠厚以允許足夠電離或電子激發產生可量測之電子脈衝。相對較薄半導體偵測器比習知厚半導體偵測器大體上更不易受輻射損害之影響。可接著將此等偵測器用以更精確地量測燃料組件之軸向燃耗概況。
實施尺度反應性管理之用途以改良燃耗效益之較佳方法理想地採用三種獨立作用。第一者為測定使用過燃料容器中各燃料組件之實際軸向燃耗形狀。應瞭解使用過燃料容器可為使用過燃料池、獨立儲存容器或使用過燃料運輸容器且並不限於大多數使用過核燃料組件目前儲存於其中之使用過燃料池。第二項為如目前採用平均燃耗，再生燃耗效益限度，其包括將作為獨立保護尺度之軸向燃耗形狀加以表徵。第三總體作用為在跟蹤軸向燃耗形狀資料且使用其以測定燃料在使用過燃料容器中之置放的可接受性之自動工具中實施方法。第一作用可經以下兩個方式中任一者來實現：藉由再生所有操作週期之核模型且自彼等結果導出形狀，或藉由使用如上述燃耗量測器件之燃耗量測器件，以提供實際量測。第二作用需要與容器內燃料組件數目有關再生富集相對於當前燃耗之曲線，該等燃料組件緊包圍擬定置放位置、具有先前技術計算中假設之不利軸向燃耗分布。第三作用可藉由將軸向燃耗資料儲存於諸如TracWorks之資料庫中來實現，TracWorks為自Westinghouse Electric Corporation LLC可許可之燃料管理資料庫程式且目前用以支持使用過燃料池燃耗效益之實施。TracWorks將必須如下文所述來升級以考量尺度反應性管理。
本發明之系統一般係由圖3中所示之方塊圖來說明且將諸如美國專利5,793,636中所述之TracWorks的資料庫管理軟體用作基本資料管理工具。使用諸如關於圖1及圖2所述之燃耗計的燃耗計，量測目前使用過燃料池庫存之軸向燃耗形狀一次。將此資訊在12處輸入至如圖3中所示之TracWorks 20，但應瞭解其他資料庫管理軟體亦可用於此目的。亦使自使用過燃料池卸載之任何燃料組件的燃耗形狀資料在14處進入至TracWorks 20中。將如以下文將描述之初始富集相對於燃耗曲線表示之與軸向燃耗分布形狀有關的臨界性儲存限度在22處輸入至TracWorks中。另外，使對定位於使用過燃料池中之新穎使用過燃料組件量測之初始富集及當前燃耗資料在18處進入且使新穎燃料組件將定位之位置的座標在16處進入。藉由量測來獲得自核進入使用過燃料池或其他儲存容器中之各燃料組件的資料，然後將其置於使用過燃料池中之需要軸向形狀效益之位置中。必須進行臨界性分析，從而採納軸向燃耗形狀之效益且向TracWorks提供對初始富集、平均燃耗及燃耗形狀之限度。此等限度具體化於將相對於圖5及圖6描述之曲線中。接著藉由TracWorks使用自臨界性分析之限度、初始富集及平均燃耗及實測燃耗形狀資料就燃耗效益而言來評估組件在使用過燃料池中之各可能置放，即評估置放之可接受性。
舉例而言，當將燃料組件2排列於使用過燃料池中時，最常見排列係基於2×2位置組之分組，其中所置放之組件的所需位置係對所有四者均通用。更特定言之，舉例而言，考量圖4，其中待置放之組件的位置為B2且四個2×2組為(A1、A2、B1、B2)、(B1、B2、C1、C2)、(A2、A3、B2、B3)及(B2、B3、C2、C3)。當置放組件時，其必須滿足所有四個此等位置組中之約束。可實施許多基於幾何形狀之限制中任一者：所有位置(4/4)、4個中3個，一者為空(3/4)，呈棋盤方式的4個中2個(2/4)等。為了此實例之目的，假設所有其他八個位置均被填充，考量對4/4置放之限制。在目前技術狀態中，臨界性分析對於所有組件而言假設常見之不利軸向燃耗分布且將初始富集相對於當前燃耗之單一曲線用以測定是否可將組件置於位置B2中。在圖5中展示先前技術曲線。可將富集及燃耗落於曲線上方之組件置於B2中。在本發明之較佳實施例中，將存在至多五條曲線，其中各曲線基於2×2位置組中其他組件之軸向燃耗分布來代表組件之臨界性限度。
圖6展示本發明之較佳實施例，其採用所有四個位置均被填充之2×2陣列的五條曲線，但應瞭解亦可使用2與5條之間的曲線，且若採用小於五條曲線，則犧牲一些裕度。在圖6上，最高曲線代表其中所有4個組件均具有不利燃耗形狀之情況且對應於圖5中所示之曲線。下方下一曲線代表其中四者中三者具有不利軸向燃耗形狀之情況。向下第三條曲線代表其中4者中2者具有不利軸向燃耗形狀之情況。向下第四條曲線，自最下方曲線之第二條代表其中僅一個組件具有不利軸向燃耗形狀之情況。類似地，最底部曲線代表其中無組件具有不利軸向燃耗形狀之情況。五條曲線代表2×2陣列之限度。若陣列不同於2×2或並非所有四個位置均將被填充(例如，3/4)，則對曲線數目之限度將不同。對曲線數目之限度將比基本陣列中經填充位置之數目多一個(例如，若陣列為3×3，則應存在10條曲線，而使用3/4裝載限制之2×2將具有4條)。另外，應瞭解曲線未必必須如圖6中所示為平行。曲線之形狀將部分地視所用特定裝載限制而定。以此方式，軸向燃耗形狀資料之管理可提供否則將不可得之顯著額外裕度，且使能夠較緊密裝填使用過燃料，其將為額外組件開啟餘地。
儘管已詳細描述了本發明之特定實施例，但熟習此項技術者應瞭解根據本揭示案之總體教示可對彼等細節產生各種修改及替代。因此，所揭示之特定實施例意欲關於本發明之範疇僅為說明性且並非限制的，本發明之範疇待由隨附申請專利範圍及其任何及所有等效物之全寬度給定。
1．．．系統
2．．．燃料組件
3．．．頂板
4．．．底板
5．．．陣列/半導體中子及γ偵測器陣列/偵測器陣列
6．．．電線/導線
7．．．信號處理電子設備
8．．．微處理器
10．．．半導體偵測器
20．．．TracWorks
圖1為根據本發明之一實施例鄰接使用過核燃料組件而定位之中子及γ輻射偵測器串的局部示意圖；
圖2為根據本發明之另一實施例定位於使用過核燃料組件內之中子及γ輻射偵測器串的局部示意圖；
圖3為本發明之方法的方塊圖；
圖4為使用過燃料組件在使用過燃料儲存池內之置放的圖解布局圖；
圖5為用於對於所有組件而言均假設常見不利軸向分布之先前技術所用的臨界性分析中之初始富集相對於當前燃耗之圖，以確定是否可將組件置於給定使用過燃料儲存位置中；且
圖6為由本發明採用以應用尺度反應性管理之初始富集相對於當前燃耗之一系列圖解圖。
20．．．TracWorks

Claims (5)

  1. 一種測定一新穎使用過燃料組件於一使用過燃料儲存容器中之置放之可接受性的方法，其中存在X數目個包圍該新穎使用過燃料組件之該置放的使用過燃料組件，及X+1為該新穎使用過燃料組件之數目加上包圍該新穎使用過燃料組件之該置放的使用過燃料組件之數目，其包含以下步驟：產生一系列由一數目富集相對於當前燃耗之曲線所構成的曲線，各曲線代表具有通常工業上所用之不利軸向燃耗分布的X+1個使用過燃料組件中之不同數目者；驗證該X+1個燃料組件中每一者之實際軸向燃耗分布；記錄該X+1個使用過燃料組件中具有該不利軸向燃耗分布者之數量；自記錄為具有該不利軸向燃耗分布之使用過燃料組件的數目識別該等數目曲線中哪一者適用於該新穎使用過燃料組件；在適用於該新穎使用過燃料組件之該可適用曲線繪製於其上之圖上發現一對應於該新穎使用過燃料組件之當前燃耗及初始富集的點；及測定該圖上之該點是否在該可適用曲線上方，其中若該圖上之該點在該可適用曲線上方，該新穎燃料組件之該置放為可接受的。
  2. 如請求項1之方法，其中X等於3。
  3. 如請求項2之方法，其中對該等系列曲線的曲線數目總計為五條曲線。
  4. 如請求項1之方法，其中對該等系列曲線中的曲線數目等於X+2。
  5. 如請求項4之方法，其中該等系列X+2條曲線包含各自彼此疊置之五條間隔曲線，其中最上方曲線代表所有該等燃料組件具有該不利軸向燃耗分布且最下方曲線代表該X+1個使用過燃料組件中無一者具有該不利軸向燃耗分布，在最上方與最下方曲線中間之該等曲線中每一者具有該不利軸向燃耗之該X+1個燃料組件之數目的遞降次序，代表具有該不利軸向燃耗之該X+1個燃料組件中之不同數目者。
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