chapter.14.反應堆燃料管理

反應堆燃料管理本科教學（48學時）2023/2/10哈爾濱工程大學核科學與技術(shù)學院李偉76.核燃料管理中的基本概念2023/2/1哈爾濱工程大學核科學與技術(shù)學院李偉1⑴換料周期與循環(huán)長度【定義】換料周期

兩次停堆換料之間的時間間隔稱為一個換料周期，用符號T表示。反應堆每經(jīng)歷一個換料周期，就稱反應堆經(jīng)歷了一個運行循環(huán)。【定義】循環(huán)長度

核電廠一個運行循環(huán)所經(jīng)歷的運行時間稱為該運行循環(huán)的長度。運行時間通常以等效滿功率天（EFPD）表示。76.核燃料管理中的基本概念2023/2/1哈爾濱工程大學核科學與技術(shù)學院李偉2循環(huán)長度的選取影響到核電廠的經(jīng)濟性：循環(huán)長度較短，燃料在堆芯待的時間短，新燃料的富集度可以較低，有利于核電廠的經(jīng)濟性；循環(huán)長度的縮短將導致循環(huán)燃耗和燃料卸料燃耗深度下降，還將使的停堆換料的頻率增加，導致電廠的容量因子減小，經(jīng)濟性下降。循環(huán)長度的選擇必須綜合考慮以上兩個因素。考慮到換料停堆對用電的影響，換料時間一般選在電力需求較低的春季和秋季。76.核燃料管理中的基本概念2023/2/1哈爾濱工程大學核科學與技術(shù)學院李偉3⑵換料數(shù)與一批換料量為了提高核燃料的利用率，反應堆內(nèi)的燃料組件是分批寫出堆芯的。在每次換料時，只是將燃耗深度已經(jīng)達到或接近限值的那部分燃料組件卸出堆芯，其余燃耗深度較淺的燃料組件則繼續(xù)停留在堆內(nèi)進入下一個循環(huán)。此即分批換料。習慣上把具有同一初始富集度且在堆芯停留同樣時間的燃料組件稱為一批。76.核燃料管理中的基本概念2023/2/1哈爾濱工程大學核科學與技術(shù)學院李偉4設反應堆內(nèi)燃料組件總數(shù)為NT，每次換料更換的燃料組件數(shù)為N。則批料數(shù)定義為：N則稱為一批換料量。在循環(huán)長度不變的情況下，提高批料數(shù)n，就增加了燃料在堆芯的停留時間，從而：增加了卸料燃耗深度；需要提高新料的富集度。76.核燃料管理中的基本概念2023/2/1哈爾濱工程大學核科學與技術(shù)學院李偉5⑶循環(huán)燃耗和卸料燃耗【定義】循環(huán)燃耗深度

全堆芯核燃料在經(jīng)歷一個循環(huán)后所凈增的平均燃耗深度稱為該循環(huán)的循環(huán)燃耗深度，用符號BUc表示?！径x】卸料燃耗深度

新料從進入堆芯開始，經(jīng)過若干個循環(huán)，最后卸出堆芯時所達到的燃耗深度稱為卸料燃耗深度，用符號BUd表示。77.核燃料管理的任務與內(nèi)容2023/2/1哈爾濱工程大學核科學與技術(shù)學院李偉6⑴燃料管理的任務如何在滿足電力系統(tǒng)能量需求的前提下，以及在核電廠安全運行的設計規(guī)范和技術(shù)要求限制內(nèi)，盡可能的提高核燃料的利用率，降低核電廠的單位能量成本，是核燃料管理所要研究的內(nèi)容。核電廠堆芯燃料管理的主要任務就是要在滿足電力系統(tǒng)的能量需求的條件下，在電廠設計規(guī)范和技術(shù)要求的限制下，為核電廠一系列的運行循環(huán)作出其經(jīng)濟安全運行的全部決策。其核心問題就是如何在保證電廠安全運行的條件下，是核電廠的單位能量成本最低。77.核燃料管理的任務與內(nèi)容2023/2/1哈爾濱工程大學核科學與技術(shù)學院李偉7⑵燃料管理的內(nèi)容①堆芯燃料管理策略以及初步換料方案的確定這部分內(nèi)容主要包括下列決策變量的確定：批料數(shù)n或一批換料量N；循環(huán)長度T；新燃料的富集度ε；燃料組件在堆芯的裝載方案X(i,j)；控制毒物在堆芯的布置方案BP(i,j)；控制和運行方案。77.核燃料管理的任務與內(nèi)容2023/2/1哈爾濱工程大學核科學與技術(shù)學院李偉8分批換料方案中，一個燃料組件在堆芯內(nèi)將停留多個循環(huán)，因而各循環(huán)之間存在著強烈的耦合關(guān)系。特別是前三個決策變量，各循環(huán)之間的耦合關(guān)系更為強烈。為了優(yōu)化燃料管理變量的決策，必須進行多循環(huán)的分析。核燃料管理是一個多變量、多循環(huán)和空間上多維的決策過程，即使采用數(shù)值方法進行分析，也是非常困難的。77.核燃料管理的任務與內(nèi)容2023/2/1哈爾濱工程大學核科學與技術(shù)學院李偉9目前在實際工程計算中，為了減少決策變量的數(shù)目，降低問題求解的難度，一般都采用脫耦的方法，即把決策變量分為兩組：多循環(huán)燃料管理：n，N，ε；在對這組變量進行決策時，燃料組件在堆芯內(nèi)的空間布置只以批的特性或點堆模型加以簡單考慮；單循環(huán)燃料管理：X(i,j)，BP(i,j)和控制運行方案；在對這組變量進行決策時，需要詳細考慮燃料組件和控制毒物在堆芯內(nèi)的空間分布。當?shù)玫降慕獠荒軡M足需求時，則需要調(diào)整外部決策變量，重新進行多循環(huán)分析，求出新的值。77.核燃料管理的任務與內(nèi)容2023/2/1哈爾濱工程大學核科學與技術(shù)學院李偉10②最終換料堆芯的核設計在得出最佳換料方案后，必須應用精確的堆芯物理/熱工水力程序?qū)ψ罱K換料堆芯進行全面、精確的換料核設計，提供反應堆設計、運行以及安全評價所需的全部技術(shù)參數(shù)，具體包括：壽期內(nèi)各個規(guī)定時刻的堆芯功率分布和功率峰因子；燃耗計算，給出壽期內(nèi)燃料成分、反應性或臨界硼濃度隨時間的變化；77.核燃料管理的任務與內(nèi)容2023/2/1哈爾濱工程大學核科學與技術(shù)學院李偉11反應堆啟動物理試驗以及運行所需的堆芯參數(shù)；反應性控制和運行圖；堆芯動態(tài)特性參數(shù)和換料設計安全評價所需的參數(shù)。在最終核設計階段所使用的必然是一個精確的堆芯物理/熱工水力模型和分析程序系統(tǒng)，它一般是經(jīng)過核安全管理機構(gòu)審查和批準的程序系統(tǒng)。77.核燃料管理的任務與內(nèi)容2023/2/1哈爾濱工程大學核科學與技術(shù)學院李偉12③換料堆芯的安全評價每個循環(huán)確定的換料堆芯的狀態(tài)可能和核電廠設計階段所提供的最終安全分析報告（FSAR）中所描述的狀態(tài)有所差別。必須在FSAR基礎(chǔ)上對該循環(huán)狀態(tài)下所求得的有關(guān)關(guān)鍵安全參數(shù)進行限制檢驗，檢驗范圍包括正常運行和事故工況。對超限的情況，在必須進行事故再分析或評價，以確保換料堆芯的安全運行。77.核燃料管理的任務與內(nèi)容2023/2/1哈爾濱工程大學核科學與技術(shù)學院李偉1378.多循環(huán)燃料管理2023/2/1哈爾濱工程大學核科學與技術(shù)學院李偉14⑴基本概念對于反應堆各循環(huán)的特性，可將其分為：初始循環(huán)（或稱為啟動循環(huán)）、過渡循環(huán)、平衡循環(huán)和受擾動循環(huán)。啟動循環(huán)：反應堆啟動時的第一個循環(huán)，其是反應堆整個運行壽命中唯一一個全部由新燃料裝載堆芯的循環(huán)。平衡循環(huán)：平衡循環(huán)是反應堆在理想情況下的無限循環(huán)序列，其中每個循環(huán)的性能參數(shù)都保持不變，亦即反應堆進入一個平衡狀態(tài)。78.多循環(huán)燃料管理2023/2/1哈爾濱工程大學核科學與技術(shù)學院李偉15過渡循環(huán)：在初始循環(huán)和平衡循環(huán)中間的多循環(huán)系列。多循環(huán)燃料管理的任務是要確定最佳的各循環(huán)的裝料策略，包括循環(huán)長度T、新燃料的富集度ε、換料數(shù)n或一批換料量T，使得燃料循環(huán)的成本最低。平衡循環(huán)顯然是最理想的情況，但實際上由于多方面的擾動，在反應堆內(nèi)不可能建立起穩(wěn)定的平衡循環(huán)系列。平衡循環(huán)的概念仍然有重要的意義，一般認為它是指標最佳的循環(huán)方案。78.多循環(huán)燃料管理2023/2/1哈爾濱工程大學核科學與技術(shù)學院李偉16⑵初始循環(huán)向平衡循環(huán)的過渡

從初始循環(huán)向平衡循環(huán)過渡，中間需要經(jīng)過過渡循環(huán)序列。過渡循環(huán)序列和平衡循環(huán)序列的新燃料的富集度是不同的。實際中的做法是直接在第二個循環(huán)便使用平衡循環(huán)的新燃料，強制使反應堆盡快過渡到平衡循環(huán)。直到堆芯所有（第一循環(huán)）新料卸出為止，就認為堆芯開始進入“平衡”循環(huán)系列。78.多循環(huán)燃料管理2023/2/1哈爾濱工程大學核科學與技術(shù)學院李偉1779.堆芯燃料布置方案及換料方案2023/2/1哈爾濱工程大學核科學與技術(shù)學院李偉18⑴均勻換料方案

①燃料布置與換料方案Ⅰ.燃料布置整個堆芯內(nèi)采用富集度相同的燃料組件。Ⅱ.換料方案燃料更換時，整個堆芯一起更換全部的核燃料。79.堆芯燃料布置方案及換料方案2023/2/1哈爾濱工程大學核科學與技術(shù)學院李偉19②優(yōu)缺點Ⅰ.優(yōu)點由于堆芯是均勻的，因此中子通量分布可認為是連續(xù)的，無階躍變化。Ⅱ.缺點對于均勻布置方案，其具有以下缺點：堆芯內(nèi)的中子通量分布不均勻性很大，壽期初堆芯的功率因子也很大，限制了堆芯的輸出功率；燃料燃耗不均勻，壽期末換料時，外圍組件的燃耗深度很淺、內(nèi)部組件燃耗深度較大，從而平均卸料燃耗深度也較淺。79.堆芯燃料布置方案及換料方案2023/2/1哈爾濱工程大學核科學與技術(shù)學院李偉20⑵內(nèi)-外換料方案①燃料布置與換料方案Ⅰ.燃料布置堆芯由內(nèi)向外分為三區(qū)，其中：新料裝在最內(nèi)區(qū)；燒過一個循環(huán)的燃料裝在第二區(qū)；燒過兩個循環(huán)的燃料布置在最外區(qū)。79.堆芯燃料布置方案及換料方案2023/2/1哈爾濱工程大學核科學與技術(shù)學院李偉2179.堆芯燃料布置方案及換料方案2023/2/1哈爾濱工程大學核科學與技術(shù)學院李偉22Ⅱ.換料方案在換料時：首先將最外區(qū)的燃料去掉；然后將中間兩區(qū)的燃料依次分別移到第二區(qū)和邊緣區(qū)；在中心區(qū)裝上新的核燃料。79.堆芯燃料布置方案及換料方案2023/2/1哈爾濱工程大學核科學與技術(shù)學院李偉23②優(yōu)缺點Ⅰ.優(yōu)點對于內(nèi)-外換料方案，其具有以下優(yōu)點：燃耗比較均勻，相對均勻裝料可取得較高的平均卸料燃耗深度；由于外圍為燒過的核燃料，裂變產(chǎn)物（毒物）較多，中子吸收截面較大，因此中子的泄漏率較低。79.堆芯燃料布置方案及換料方案2023/2/1哈爾濱工程大學核科學與技術(shù)學院李偉24Ⅱ.缺點對于內(nèi)-外換料方案，其具有以下缺點：由于堆芯裝的是新的核燃料，從而使得堆芯的中子通量密度更大，堆芯內(nèi)的中子通量分布更加不均勻；壽期初，中心區(qū)域的功率峰因子更大，限制反應堆的功率水平；在燃料富集度不同區(qū)域交界處，由于核燃料的燃耗差異較大，使得中子通量分布有階躍的變化，從而功率分布有顯著突變，將導致較大的局部功率峰因子。79.堆芯燃料布置方案及換料方案2023/2/1哈爾濱工程大學核科學與技術(shù)學院李偉25⑶外-內(nèi)換料方案①燃料布置與換料方案Ⅰ.布置方案堆芯由內(nèi)向外仍然分為若干個區(qū)域：最新的核燃料放置在堆芯最靠外的區(qū)域；燃耗深度最大的核燃料放在堆芯最靠內(nèi)的區(qū)域；堆芯由內(nèi)向外，燃料的燃耗深度逐漸減小。79.堆芯燃料布置方案及換料方案2023/2/1哈爾濱工程大學核科學與技術(shù)學院李偉2679.堆芯燃料布置方案及換料方案2023/2/1哈爾濱工程大學核科學與技術(shù)學院李偉27Ⅱ.換料方案換料時：將中心區(qū)域的燃料卸出；把外部組件依次往內(nèi)移動；在最外層裝上最新的核燃料。79.堆芯燃料布置方案及換料方案2023/2/1哈爾濱工程大學核科學與技術(shù)學院李偉28②優(yōu)缺點Ⅰ.優(yōu)點對于外-內(nèi)換料方案，其具有以下優(yōu)點：堆芯中子通量分布較為平坦，功率峰因子較低。相對內(nèi)-外換料方案，其燃耗深度較大。79.堆芯燃料布置方案及換料方案2023/2/1哈爾濱工程大學核科學與技術(shù)學院李偉29Ⅱ.缺點對于外-內(nèi)換料方案，其具有以下缺點：新燃料布置在堆芯邊緣，中子泄漏率較大，對壓力容器的輻照加強，使壓力容器的壽命降低。在燃料富集度不同區(qū)域交界處，由于核燃料的燃耗差異較大，使得中子通量分布有階躍的變化，從而功率分布有顯著突變，將導致較大的局部功率峰因子。79.堆芯燃料布置方案及換料方案2023/2/1哈爾濱工程大學核科學與技術(shù)學院李偉30⑷外-內(nèi)交替換料方案①燃料布置與換料方案Ⅰ.布置方案外-內(nèi)交替換料方案是在外-內(nèi)換料方案的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的：堆芯由內(nèi)向外分為若干個區(qū)域；新的核燃料裝在堆芯的外圍；已經(jīng)燒過一個或兩個循環(huán)的核燃料分散交替分布在堆芯內(nèi)層。79.堆芯燃料布置方案及換料方案2023/2/1哈爾濱工程大學核科學與技術(shù)學院李偉3179.堆芯燃料布置方案及換料方案2023/2/1哈爾濱工程大學核科學與技術(shù)學院李偉32Ⅱ.換料方案換料時：將已經(jīng)燒過三個循環(huán)的核燃料卸出堆外；其空出來的位置有堆芯外層已經(jīng)燒過一個循環(huán)的核燃料來填充；新的核燃料裝填在堆芯外層空出來的位置上。79.堆芯燃料布置方案及換料方案2023/2/1哈爾濱工程大學核科學與技術(shù)學院李偉33②優(yōu)缺點Ⅰ.優(yōu)點對于外-內(nèi)交替換料方案，其具有以下優(yōu)點：展平了堆芯功率分布；由于內(nèi)層燃料的成份差異較小，因此在交界處，中子通量分布的擾動較小，從而降低了局部功率峰因子；每次換料時不必移動堆芯所有的燃料組件，縮短了換料時間，裝卸料較為簡單。Ⅱ.缺點由于堆芯邊緣采用新的核燃料，因此中子泄漏率較高，縮短了壓力容器的壽命。79.堆芯燃料布置方案及換料方案2023/2/1哈爾濱工程大學核科學與技術(shù)學院李偉34⑸低泄漏換料方案①燃料布置與換料方案Ⅰ.燃料布置其與外-內(nèi)交替換料方案的差別在于：新燃料組件多數(shù)布置在離開堆芯邊緣、靠近堆芯中心的位置上；將燒過兩個循環(huán)以上、燃耗深度較大的燃料放置在堆芯最外的邊緣上。Ⅱ.換料方案其換料方式與外-內(nèi)交替換料方案相同。79.堆芯燃料布置方案及換料方案2023/2/1哈爾濱工程大學核科學與技術(shù)學院李偉3579.堆芯燃料布置方案及換料方案2023/2/1哈爾濱工程大學核科學與技術(shù)學院李偉36②優(yōu)缺點Ⅰ.優(yōu)點對于低泄漏裝料方案，其具有以下優(yōu)點：減少了中子的泄漏率，提高了中子利用的經(jīng)濟性，從而提高了堆芯的反應性，延長了堆芯壽期；低泄漏裝料方案的新燃料的富集度可比外-內(nèi)換料方案減少5%～10%；減少了壓力容器的中子輻照通量，延長了壓力容器的壽命。79.堆芯燃料布置方案及換料方案2023/2/1哈爾濱工程大學核科學與技術(shù)學院李偉3779.堆芯燃料布置方案及換料方案2023/2/1哈爾濱工程大學核科學與技術(shù)學院李偉38Ⅱ.缺點由于新燃料裝在了反應堆內(nèi)部，從而使功率峰因子增加。為了抑制功率峰因子，需要采用一定的可燃毒物。其會造成如下影響：可燃毒物反應性懲罰；如果可燃毒物布置不當，在壽期末，可燃毒物未能全部燒完，這將減少反應堆的剩余反應性，從而縮短堆芯的壽期，稱之為可燃毒物反應性懲罰。79.堆芯燃料布置方案及換料方案2023/2/1哈爾濱工程大學核科學與技術(shù)學院李偉3979.堆芯燃料布置方案及換料方案2023/2/1哈爾濱工程大學核科學與技術(shù)學院李偉40使燃料布置方案設計更加復雜。在傳統(tǒng)換料方案中，除第一循環(huán)外，一般不采用可燃毒物。因而功率峰值將隨燃耗增加而減少。因此在換料時，只要保證循環(huán)壽期初滿足功率峰值的約束條件即可。在低泄漏方案中，由于采用了大量的可燃毒物，功率峰值可能隨著燃耗的增加而增大。因此在低泄漏裝料方案中，應檢驗整個循環(huán)壽期內(nèi)的功率峰值變化。80.單循環(huán)燃料管理的核設計2023/2/1哈爾濱工程大學核科學與技術(shù)學院李偉41⑴燃料組件計算或少群常數(shù)計算這部分計算主要根據(jù)核設計需要，生成堆芯內(nèi)各種類型組件在不同燃耗深度和工況下的雙群等效均勻化常數(shù)，以供堆芯擴散-燃耗計算使用。燃料組件計算程序主要包括以下模塊：柵元計算模塊，它提供各種類型柵元的多群能譜以及等效柵元均勻化多群常數(shù)；燃料組件計算模塊，它提供各種類型組件的能譜、以及組件等效均勻化少群常數(shù)；燃耗計算，它提供各個燃耗深度下，燃料中的各種同位素成分的變化。80.單循環(huán)燃料管理的核設計2023/2/1哈爾濱工程大學核科學與技術(shù)學院李偉42燃料組件程序系統(tǒng)常用的有：CASMO（美國）；PHOENIX（美國，西屋）；APPOLO-2（法國）；WIMS（歐洲）；HELIOS（美國）。這些程序都采用基于ENDF/B核數(shù)據(jù)庫所產(chǎn)生的多群常數(shù)庫。計算方法一般采用SN方法或積分輸運理論（CPM，TPM）。80.單循環(huán)燃料管理的核設計2023/2/1哈爾濱工程大學核科學與技術(shù)學院李偉43⑵堆芯計算模塊①截面處理接口程序由組件計算程序產(chǎn)生的各種工況下組件的等效均勻化少群截面數(shù)據(jù)庫，只能