chapter.14.反应堆燃料管理

反应堆燃料管理本科教学（48学时）2023/2/10哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟76.核燃料管理中的基本概念2023/2/1哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟1⑴换料周期与循环长度【定义】换料周期

两次停堆换料之间的时间间隔称为一个换料周期，用符号T表示。反应堆每经历一个换料周期，就称反应堆经历了一个运行循环。【定义】循环长度

核电厂一个运行循环所经历的运行时间称为该运行循环的长度。运行时间通常以等效满功率天（EFPD）表示。76.核燃料管理中的基本概念2023/2/1哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟2循环长度的选取影响到核电厂的经济性：循环长度较短，燃料在堆芯待的时间短，新燃料的富集度可以较低，有利于核电厂的经济性；循环长度的缩短将导致循环燃耗和燃料卸料燃耗深度下降，还将使的停堆换料的频率增加，导致电厂的容量因子减小，经济性下降。循环长度的选择必须综合考虑以上两个因素。考虑到换料停堆对用电的影响，换料时间一般选在电力需求较低的春季和秋季。76.核燃料管理中的基本概念2023/2/1哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟3⑵换料数与一批换料量为了提高核燃料的利用率，反应堆内的燃料组件是分批写出堆芯的。在每次换料时，只是将燃耗深度已经达到或接近限值的那部分燃料组件卸出堆芯，其余燃耗深度较浅的燃料组件则继续停留在堆内进入下一个循环。此即分批换料。习惯上把具有同一初始富集度且在堆芯停留同样时间的燃料组件称为一批。76.核燃料管理中的基本概念2023/2/1哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟4设反应堆内燃料组件总数为NT，每次换料更换的燃料组件数为N。则批料数定义为：N则称为一批换料量。在循环长度不变的情况下，提高批料数n，就增加了燃料在堆芯的停留时间，从而：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哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟5⑶循环燃耗和卸料燃耗【定义】循环燃耗深度

全堆芯核燃料在经历一个循环后所净增的平均燃耗深度称为该循环的循环燃耗深度，用符号BUc表示。【定义】卸料燃耗深度

新料从进入堆芯开始，经过若干个循环，最后卸出堆芯时所达到的燃耗深度称为卸料燃耗深度，用符号BUd表示。77.核燃料管理的任务与内容2023/2/1哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟6⑴燃料管理的任务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，尽可能的提高核燃料的利用率，降低核电厂的单位能量成本，是核燃料管理所要研究的内容。核电厂堆芯燃料管理的主要任务就是要在满足电力系统的能量需求的条件下，在电厂设计规范和技术要求的限制下，为核电厂一系列的运行循环作出其经济安全运行的全部决策。其核心问题就是如何在保证电厂安全运行的条件下，是核电厂的单位能量成本最低。77.核燃料管理的任务与内容2023/2/1哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟7⑵燃料管理的内容①堆芯燃料管理策略以及初步换料方案的确定这部分内容主要包括下列决策变量的确定：批料数n或一批换料量N；循环长度T；新燃料的富集度ε；燃料组件在堆芯的装载方案X(i,j)；控制毒物在堆芯的布置方案BP(i,j)；控制和运行方案。77.核燃料管理的任务与内容2023/2/1哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟8分批换料方案中，一个燃料组件在堆芯内将停留多个循环，因而各循环之间存在着强烈的耦合关系。特别是前三个决策变量，各循环之间的耦合关系更为强烈。为了优化燃料管理变量的决策，必须进行多循环的分析。核燃料管理是一个多变量、多循环和空间上多维的决策过程，即使采用数值方法进行分析，也是非常困难的。77.核燃料管理的任务与内容2023/2/1哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟9目前在实际工程计算中，为了减少决策变量的数目，降低问题求解的难度，一般都采用脱耦的方法，即把决策变量分为两组：多循环燃料管理：n，N，ε；在对这组变量进行决策时，燃料组件在堆芯内的空间布置只以批的特性或点堆模型加以简单考虑；单循环燃料管理：X(i,j)，BP(i,j)和控制运行方案；在对这组变量进行决策时，需要详细考虑燃料组件和控制毒物在堆芯内的空间分布。当得到的解不能满足需求时，则需要调整外部决策变量，重新进行多循环分析，求出新的值。77.核燃料管理的任务与内容2023/2/1哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟10②最终换料堆芯的核设计在得出最佳换料方案后，必须应用精确的堆芯物理/热工水力程序对最终换料堆芯进行全面、精确的换料核设计，提供反应堆设计、运行以及安全评价所需的全部技术参数，具体包括：寿期内各个规定时刻的堆芯功率分布和功率峰因子；燃耗计算，给出寿期内燃料成分、反应性或临界硼浓度随时间的变化；77.核燃料管理的任务与内容2023/2/1哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟11反应堆启动物理试验以及运行所需的堆芯参数；反应性控制和运行图；堆芯动态特性参数和换料设计安全评价所需的参数。在最终核设计阶段所使用的必然是一个精确的堆芯物理/热工水力模型和分析程序系统，它一般是经过核安全管理机构审查和批准的程序系统。77.核燃料管理的任务与内容2023/2/1哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟12③换料堆芯的安全评价每个循环确定的换料堆芯的状态可能和核电厂设计阶段所提供的最终安全分析报告（FSAR）中所描述的状态有所差别。必须在FSAR基础上对该循环状态下所求得的有关关键安全参数进行限制检验，检验范围包括正常运行和事故工况。对超限的情况，在必须进行事故再分析或评价，以确保换料堆芯的安全运行。77.核燃料管理的任务与内容2023/2/1哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟1378.多循环燃料管理2023/2/1哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟14⑴基本概念对于反应堆各循环的特性，可将其分为：初始循环（或称为启动循环）、过渡循环、平衡循环和受扰动循环。启动循环：反应堆启动时的第一个循环，其是反应堆整个运行寿命中唯一一个全部由新燃料装载堆芯的循环。平衡循环：平衡循环是反应堆在理想情况下的无限循环序列，其中每个循环的性能参数都保持不变，亦即反应堆进入一个平衡状态。78.多循环燃料管理2023/2/1哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟15过渡循环：在初始循环和平衡循环中间的多循环系列。多循环燃料管理的任务是要确定最佳的各循环的装料策略，包括循环长度T、新燃料的富集度ε、换料数n或一批换料量T，使得燃料循环的成本最低。平衡循环显然是最理想的情况，但实际上由于多方面的扰动，在反应堆内不可能建立起稳定的平衡循环系列。平衡循环的概念仍然有重要的意义，一般认为它是指标最佳的循环方案。78.多循环燃料管理2023/2/1哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟16⑵初始循环向平衡循环的过渡

从初始循环向平衡循环过渡，中间需要经过过渡循环序列。过渡循环序列和平衡循环序列的新燃料的富集度是不同的。实际中的做法是直接在第二个循环便使用平衡循环的新燃料，强制使反应堆尽快过渡到平衡循环。直到堆芯所有（第一循环）新料卸出为止，就认为堆芯开始进入“平衡”循环系列。78.多循环燃料管理2023/2/1哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟1779.堆芯燃料布置方案及换料方案2023/2/1哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟18⑴均匀换料方案

①燃料布置与换料方案Ⅰ.燃料布置整个堆芯内采用富集度相同的燃料组件。Ⅱ.换料方案燃料更换时，整个堆芯一起更换全部的核燃料。79.堆芯燃料布置方案及换料方案2023/2/1哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟19②优缺点Ⅰ.优点由于堆芯是均匀的，因此中子通量分布可认为是连续的，无阶跃变化。Ⅱ.缺点对于均匀布置方案，其具有以下缺点：堆芯内的中子通量分布不均匀性很大，寿期初堆芯的功率因子也很大，限制了堆芯的输出功率；燃料燃耗不均匀，寿期末换料时，外围组件的燃耗深度很浅、内部组件燃耗深度较大，从而平均卸料燃耗深度也较浅。79.堆芯燃料布置方案及换料方案2023/2/1哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟20⑵内-外换料方案①燃料布置与换料方案Ⅰ.燃料布置堆芯由内向外分为三区，其中：新料装在最内区；烧过一个循环的燃料装在第二区；烧过两个循环的燃料布置在最外区。79.堆芯燃料布置方案及换料方案2023/2/1哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟2179.堆芯燃料布置方案及换料方案2023/2/1哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟22Ⅱ.换料方案在换料时：首先将最外区的燃料去掉；然后将中间两区的燃料依次分别移到第二区和边缘区；在中心区装上新的核燃料。79.堆芯燃料布置方案及换料方案2023/2/1哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟23②优缺点Ⅰ.优点对于内-外换料方案，其具有以下优点：燃耗比较均匀，相对均匀装料可取得较高的平均卸料燃耗深度；由于外围为烧过的核燃料，裂变产物（毒物）较多，中子吸收截面较大，因此中子的泄漏率较低。79.堆芯燃料布置方案及换料方案2023/2/1哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟24Ⅱ.缺点对于内-外换料方案，其具有以下缺点：由于堆芯装的是新的核燃料，从而使得堆芯的中子通量密度更大，堆芯内的中子通量分布更加不均匀；寿期初，中心区域的功率峰因子更大，限制反应堆的功率水平；在燃料富集度不同区域交界处，由于核燃料的燃耗差异较大，使得中子通量分布有阶跃的变化，从而功率分布有显著突变，将导致较大的局部功率峰因子。79.堆芯燃料布置方案及换料方案2023/2/1哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟25⑶外-内换料方案①燃料布置与换料方案Ⅰ.布置方案堆芯由内向外仍然分为若干个区域：最新的核燃料放置在堆芯最靠外的区域；燃耗深度最大的核燃料放在堆芯最靠内的区域；堆芯由内向外，燃料的燃耗深度逐渐减小。79.堆芯燃料布置方案及换料方案2023/2/1哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟2679.堆芯燃料布置方案及换料方案2023/2/1哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟27Ⅱ.换料方案换料时：将中心区域的燃料卸出；把外部组件依次往内移动；在最外层装上最新的核燃料。79.堆芯燃料布置方案及换料方案2023/2/1哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟28②优缺点Ⅰ.优点对于外-内换料方案，其具有以下优点：堆芯中子通量分布较为平坦，功率峰因子较低。相对内-外换料方案，其燃耗深度较大。79.堆芯燃料布置方案及换料方案2023/2/1哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟29Ⅱ.缺点对于外-内换料方案，其具有以下缺点：新燃料布置在堆芯边缘，中子泄漏率较大，对压力容器的辐照加强，使压力容器的寿命降低。在燃料富集度不同区域交界处，由于核燃料的燃耗差异较大，使得中子通量分布有阶跃的变化，从而功率分布有显著突变，将导致较大的局部功率峰因子。79.堆芯燃料布置方案及换料方案2023/2/1哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟30⑷外-内交替换料方案①燃料布置与换料方案Ⅰ.布置方案外-内交替换料方案是在外-内换料方案的基础上发展起来的：堆芯由内向外分为若干个区域；新的核燃料装在堆芯的外围；已经烧过一个或两个循环的核燃料分散交替分布在堆芯内层。79.堆芯燃料布置方案及换料方案2023/2/1哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟3179.堆芯燃料布置方案及换料方案2023/2/1哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟32Ⅱ.换料方案换料时：将已经烧过三个循环的核燃料卸出堆外；其空出来的位置有堆芯外层已经烧过一个循环的核燃料来填充；新的核燃料装填在堆芯外层空出来的位置上。79.堆芯燃料布置方案及换料方案2023/2/1哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟33②优缺点Ⅰ.优点对于外-内交替换料方案，其具有以下优点：展平了堆芯功率分布；由于内层燃料的成份差异较小，因此在交界处，中子通量分布的扰动较小，从而降低了局部功率峰因子；每次换料时不必移动堆芯所有的燃料组件，缩短了换料时间，装卸料较为简单。Ⅱ.缺点由于堆芯边缘采用新的核燃料，因此中子泄漏率较高，缩短了压力容器的寿命。79.堆芯燃料布置方案及换料方案2023/2/1哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟34⑸低泄漏换料方案①燃料布置与换料方案Ⅰ.燃料布置其与外-内交替换料方案的差别在于：新燃料组件多数布置在离开堆芯边缘、靠近堆芯中心的位置上；将烧过两个循环以上、燃耗深度较大的燃料放置在堆芯最外的边缘上。Ⅱ.换料方案其换料方式与外-内交替换料方案相同。79.堆芯燃料布置方案及换料方案2023/2/1哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟3579.堆芯燃料布置方案及换料方案2023/2/1哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟36②优缺点Ⅰ.优点对于低泄漏装料方案，其具有以下优点：减少了中子的泄漏率，提高了中子利用的经济性，从而提高了堆芯的反应性，延长了堆芯寿期；低泄漏装料方案的新燃料的富集度可比外-内换料方案减少5%～10%；减少了压力容器的中子辐照通量，延长了压力容器的寿命。79.堆芯燃料布置方案及换料方案2023/2/1哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟3779.堆芯燃料布置方案及换料方案2023/2/1哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟38Ⅱ.缺点由于新燃料装在了反应堆内部，从而使功率峰因子增加。为了抑制功率峰因子，需要采用一定的可燃毒物。其会造成如下影响：可燃毒物反应性惩罚；如果可燃毒物布置不当，在寿期末，可燃毒物未能全部烧完，这将减少反应堆的剩余反应性，从而缩短堆芯的寿期，称之为可燃毒物反应性惩罚。79.堆芯燃料布置方案及换料方案2023/2/1哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟3979.堆芯燃料布置方案及换料方案2023/2/1哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟40使燃料布置方案设计更加复杂。在传统换料方案中，除第一循环外，一般不采用可燃毒物。因而功率峰值将随燃耗增加而减少。因此在换料时，只要保证循环寿期初满足功率峰值的约束条件即可。在低泄漏方案中，由于采用了大量的可燃毒物，功率峰值可能随着燃耗的增加而增大。因此在低泄漏装料方案中，应检验整个循环寿期内的功率峰值变化。80.单循环燃料管理的核设计2023/2/1哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟41⑴燃料组件计算或少群常数计算这部分计算主要根据核设计需要，生成堆芯内各种类型组件在不同燃耗深度和工况下的双群等效均匀化常数，以供堆芯扩散-燃耗计算使用。燃料组件计算程序主要包括以下模块：栅元计算模块，它提供各种类型栅元的多群能谱以及等效栅元均匀化多群常数；燃料组件计算模块，它提供各种类型组件的能谱、以及组件等效均匀化少群常数；燃耗计算，它提供各个燃耗深度下，燃料中的各种同位素成分的变化。80.单循环燃料管理的核设计2023/2/1哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟42燃料组件程序系统常用的有：CASMO（美国）；PHOENIX（美国，西屋）；APPOLO-2（法国）；WIMS（欧洲）；HELIOS（美国）。这些程序都采用基于ENDF/B核数据库所产生的多群常数库。计算方法一般采用SN方法或积分输运理论（CPM，TPM）。80.单循环燃料管理的核设计2023/2/1哈尔滨工程大学核科学与技术学院李伟43⑵堆芯计算模块①截面处理接口程序由组件计算程序产生的各种工况下组件的等效均匀化少群截面数据库，只能