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1、压水堆核电站反应堆核燃料管理基础知识6.1 核燃料循环概述 6.2 堆芯燃料管理 6.2.1 绪言 6.2.2 换料方式概述 6.2.3 压水堆装料换料布置方式 6.3 堆芯装换料的佳化研究 复习题6.1 核燃料循环概述 铀矿的开采，燃料元件制备，燃料在反应堆内的“燃烧”，直到从卸料元件中回收燃料这样一个全过程，称核燃料循环。 整个核燃料循环管理可以分为三个部分： (1)燃料的首端管理：采矿、转型、加浓及燃料元件的制备； (2)堆内燃料管理：堆内燃料布置，反应性和控制要求的估算，燃料成分随运行时间的变化，功率分布分析，堆芯性能评价，以及在整个寿期内的卸料和装料程序； (3)燃料的尾端管理：燃料
2、储存、运输、后处理及废物处理。 第一章中曾经指出，核电站在经济上优于常规电站。其主要原因在于它的燃料成本非常低。它主要取决于堆芯燃料管理以取得最低的燃料成本。 本章首先概略介绍一下核燃料循环中的各主要环节；重点介绍堆芯核燃料管理。加深燃料的燃耗深度，从而提高燃料利用率；获得更均匀的堆芯热功率分布，从而有利于载出更多热量。使得核电站电价降低。6.2 堆芯燃料管理6.2.1 绪言 无论是核电或火电，发电成本包括投资(或基建)成本，运行与维修成本和燃料成本。核电站的电价低于常规电站，其主要原因在于它的燃料成本非常低。在核电成本中，燃料费约占20%或更少，而常规火电站的发电成本中，燃料成本约占60-7
3、0%。堆芯燃料管理是降低燃料成本中最重要的环节。其主要目标是使卸料的平均燃耗深度尽可能地达到设计的允许限值。 在堆芯燃料管理中，通过对堆芯内的燃耗计算及包括核的和经济的各种限制条件下，选定换料程序和装料方案，可以预估(和测量)堆芯内各同位素的成分和燃料深度。 在堆芯燃料管理中，同时要研究在堆芯的核性能和热工条件的限制下，力求使燃料成本为最低。为此，必须确定初始的和换装后的堆芯内燃料富集度的最佳分布。换料周期和换装料方案必须与控制棒和毒物补偿控制方案共同确定。在堆芯燃料管理中，燃耗计算是基本计算手段之一。它能给出燃料的燃耗和各种同位素成份的变化。结合中子扩散计算，能给出堆芯的核特性：比功率、中子
4、通量水平、功率不均匀系数、反应性控制要求等参数随时间的变化。而这些参数正是堆芯燃料管理中所要评价的基本参数。本章节主要介绍堆芯燃料管理中的堆芯换料和装料程序。堆芯的反应性实际上是堆芯内正负反应性效应的总和。当然，燃料提供了堆芯的正反应性。当一个新堆启动运行后，由于裂变产物中毒和温度效应，产生了一个负反应性。运行几天后裂变产物达到饱和值。随着燃料的烧毁(燃耗加深)，燃料的正反应性的减少几乎与燃耗深度成线性关系。6.2.2 换料方式概述 核燃料的换料方式，一般随着核电站的反应堆类型和核燃料的种类不同而异。通常可分为不停堆连续换料和停堆换料两种方式。 1.不停堆连续换料 对于天然铀重水慢化的反应堆（
5、例如CANDU堆）和天然铀石墨慢化气体冷却反应堆的电站，由于反应堆的后备反应性较小，需要经常不断地卸出乏燃料和补充新的核燃料。因此，采用不停堆自动连续装换料，不影响核电站的正常运行，从而保持核电站有效高的负荷系数。 连续换料方式有下列一些优点。 (i)减少堆芯燃料装量 由于连续换料，燃料的初始装量只要略高于临界装量，留下少量后备燃耗即可。这种换料方式为减少堆内燃料占用量提供了可能性，因此有利于提高燃料的周转率。 (ii)减少反应堆的剩余反应性 由于堆内燃料的装量较少，相应地剩余反应性也小。因而需要的控制材料也较少。这对减少中子额外损失，提高中子经济性有很大好处。 (iii)增加了燃料管理的灵活
6、性 根据燃料的辐照程度，有计划地先卸出燃耗较深的元件，使卸料的燃耗尽可能加深和均匀。 (iv)减少反应堆的停役时间 节省了电站因换料而停役的时间，提高了电站的负荷系数。 不停堆换料虽然有上述优点。但是要实现这种换料方式却有相当大的技术难度。为此，要在堆芯结构和专用换料设备方面进行大量的研制工作。 2.停堆换料 采用低富集铀的压水堆，由于冷却剂的工作压力较高，不宜经常揭开密封顶盖。另外，压水堆有可能提供较大的后备反应性，不必象CANDU堆和气冷堆那样经常地更换核燃料。因此，采用定期停堆的换料方式。目前，一般压水堆核电站大约满功率运行一年停堆一次，在检修设备的同时打开反应堆的压力容器顶盖，更换核燃
7、料。这种换料操作比较简单，但换料期间核电站停止供电，使核电站的负荷系数降低。 一般地说，换料频率增加时，对于一定的功率输出所需的燃料装载量就减少。然而，这里需要折衷，因为堆芯较频繁地换料会导致停堆时间的增加，从而由于停止供电而增加了成本。最近一个时期以来，大多数反应堆换料由每年一次向18个月一次或更长周期过渡(尽管还应指出，CANDU或SGHWR型压力管式反应堆可允许不停堆连续地或很快地换料)。然而近来也提出了一些另外的换料循环方案。6.2.3 压水堆装料换料布置方式 现在把注意力转向讨论装换料时新燃料在反应堆堆芯内应如何分配，以及应取出哪些废燃料元件(假定采用分批换料方案)。压水堆的装料布置
8、基本上分均匀布置和非均匀布置。均匀布置的换料方式又可以分为整批换料和分批换料，下面将分别介绍。 1. 均匀布置，整批换料燃耗比其他方案都小。堆芯中心处的通量峰将使这部分燃料元燃耗较深，并在堆芯寿命末期使功率分布得到相当程度的展平(见图6.2-1)。不幸的是，这种均匀布置将使堆芯寿命初期的功率峰值因子较大。同时这也造成装在堆芯边界处的燃料元件燃耗过低。而且堆芯内功率分布随时间和空间有很大的变化，对于载热带来了较大的困难。因此，除了早期个别试验电站外，后来的压水堆电站均不采用这种装换料方式。装料布置见图6.2-2。 图6.2-1 成批换料引起不均匀燃耗所产生的功率分布变化 2. 均匀布置，由中心向
9、外缘分批移动装料 经常地由堆芯中心添入，该处的中子泄漏较少因而燃料价值较高，然后将燃料元件逐渐向外移动。乏燃料元件由堆芯外缘区域卸出。由于中子得到最有效的利用，这种燃料管理方案所获得的燃耗为各方案中的最高者。然而，由于在堆芯中央的中子通量与易裂变核密度均为最高，向外逐渐减小。因此，堆芯中功率密度的变化甚至比整批换料还大。 3. 均匀布置，由外缘向中心分批移动装料 这一方案的装换料次序正好与上一方案相反。新燃料装入堆芯外缘区，然后将燃料逐渐向中心移动，而最后乏燃料在中心区卸下。这种装换料方案的燃料燃耗比整批换料的要深。但由于新燃料先装入堆芯外缘区，中子的泄漏要大，因而中子利用率不如由中心向外移动
10、方案。这方案的优点是可以给出相当平坦的径向功率分布，然而，在大型堆芯内，由于边缘区(反应性大的)燃料与内区燃料的中子耦合较差，致使中心区域变为一个低功率密度区，从而丧失了上述优点。 4. 分区布置，分批换料在初装料时，将不同富集度的燃料按富集度由低到高在堆芯由中心向外缘布置(见图6.22b,c)。表6.21表示了图6.22c的装料说明。 表6.21 三区装料说明堆芯位置235U富集度(wt%)组件数内区2.1-2.441中区2.6-2.840外区3.0-3.240 各区的组件数约为总数的1/3，组件结构形式完全相同，只是其中燃料芯块的富集度不同。这种分区装料与均匀装料整批换料方案相比，反应堆的
11、主要物理性能差别如表6.22所示。由于在分区装料方案中将较高富集的燃料放在外区，因此其中子泄漏的几率增大，对中子经济性不利。同时压力壳内的中子积分通量密度较高，对压力壳的热冲击大，使压力壳的寿命降低。高富集度燃料在外区，对反应堆的反应性贡献也略有减少，因此堆的燃烧周期较短，而燃耗深度也浅些。但是，这种分区装料的突出优点在于：它展平了堆芯功率密度的分布，大大降低了堆芯的功率不均匀系数，从而提高了反应堆的功率密度，可以充分发挥堆芯功率容量的潜力，同时能改善堆芯功率分布，更有利于反应堆安全运行。虽然分区装料在一次换料期内燃耗稍浅，但分区装料和分批换料相结合，则要比整体换料的燃耗深度大得多。例如每次只
12、卸下中心区域(占全堆1/3)的燃料组件，将中区和外区的组件依次内移，新燃料加在外区。这样每个组件将经历三个换料循环。每一次循环平均燃耗深度可达8000-11000兆瓦日/吨铀，累计可达24000-32000兆瓦日/吨铀。这是整体换料无法与其相比的。这种装换料方案，既展平了堆芯功率分布，又加深了燃耗，这对提高核电站反应堆的性能，降低燃料成本有明显的效果。 表6.22均匀装料与分区装料堆芯性能比较装料方式初始keff平均转换比径向功率不均匀系数燃耗深度(第一循环)(兆瓦天/吨铀)均匀装料C52.8%1.240.581.8415700分三区装料内区2.5%,中区2.8%,外区3.1%,(C5)1.2
13、250.571.4014000 5. 分散布置，分批换料 大型电站反应堆的换料方案大都采用分散布置，分批换料(图6.2-2d-e)。它结合了分区布置和由外缘向中心分批换料的特点。可以减少卸料时倒换料的次数，功率不均匀系数较小，平均燃耗较深。6. 低泄漏装料这是最近发展起来的压水堆的装料方式，它吸收了前面几种装料方案的优点，在这装料方式中，将新鲜燃料组件多数布置在离开边缘靠近中心的位置上，而把烧过二个循环以上燃耗深度比较大的组件安置在堆芯的最外边缘区，把烧过的第二和第三循环组件交替地布置在堆芯地中间区。这种装料方式的重要优点在于，由于新组件是布置在堆芯内区，最外区是燃耗深度较大的辐照过的组件，因
14、而堆芯边缘中子通量密度较低，减少了中子从堆芯的泄漏，提高了中子利用的经济性和芯部的有效增殖系数，延长了堆芯的寿期。但是，低泄漏装料也带来了新的问题。由于新燃料组件装入到中心，因而使功率峰值较内外装料方案时增加。为了得到可接受的功率峰值，除了恰当地选择组件的合理布置外，必须采用一定数量的可燃毒物来抑制功率峰以达到允许的数值。6.3 堆芯装换料的佳化研究 堆芯装换料的佳化研究是一个较为复杂的课题。它牵涉到堆物理、热工、运行和材料辐照等多方面因素的制约。虽然在处理燃料管理这一方面问题时，常采用凭物理上直觉的主观选择进行尝试再修正的方法，但目前的趋势是力图在堆芯燃料管理内采用直接的最佳化方法(如线性规
15、划法)。 反应堆物理计算中要确定反应堆的几何尺寸，燃料的富集度，燃料换料周期，换料布置方式以及有关的控制管理程序。堆芯性能在热工方面的两个主要限制就是：燃料中心线温度必须低于熔点；以及元件表面热流不能超过其偏离泡核沸腾极限值。这些要求限制了局部的功率密度(由燃料的中心线温度制约)，同时也限制了每个燃料组件的功率或每个冷却剂流道的焓升(由临界热流限制制约)。在确定燃料布置时必须记住这些限制，因为堆芯必须在整个反应堆工作周期，在保证不超过热工极限条件下，能够按其额定功率水平运行。由于堆芯功率分布在堆芯寿命期内将随燃耗而变化，所以必须能够预先估计整个循环周期内的局部功率密度。这是燃料管理计算中极为费
16、钱和费时间的部分。 反应堆控制系统必须始终能够控制住堆芯内为补偿燃耗而装载的过剩反应性。尽管在堆芯的初始燃料装载内这种过剩反应性往往是很大的(因为所有燃料都是新的)，但可采用可燃毒物和(或)化学补偿来加以控制。在以后换装的堆芯内，可供选用的控制手段则较少，例如想把可燃毒物安放到辐照过的燃料组件内就很困难。上述这方面严重限制了堆芯的许用燃耗深度。图6.2-2 压水堆堆芯装料形式的发展 反应堆应始终能满足负载变化的要求。由于控制棒当量取决于通量分布，同时由于通量在堆芯寿命期内将有所变化，所以必须保证有足够的反应性来适应这类功率变化的需要。 燃耗在很大程度上还受到燃料所能承受的辐照损伤的限制，后者不
17、应引起明显的破损几率。例如，燃料辐照会引起燃料肿胀使包壳承受压力。而且，元件内积累的裂变气体也会在包壳上造成应力，使燃料棒在高温下发生塑性变形(高温蠕变)。反应堆启动和停堆时产生的温度变化(热循环)所引起燃料棒和包壳的热梯度，在堆芯强照射条件下也会引起包壳破损。当要求达到很高燃耗时(如在液态金属快中子增殖堆内)，上述燃料破损对燃耗的限制尤其重要。 往往对堆芯换料程序还提出一些其它的要求。例如，希望在电力负荷峰值期间尽量避免停堆换料(如在夏季或冬季的中间月份)。一般地说，换料愈频繁则所要求的燃料装载量愈小(较短的堆芯寿命只需要较小的过剩反应性)，但却以更多的停堆时间和增加热循环次数作为代价。 总
18、的来说，堆芯燃料管理希望达到三个目的： (1)加深燃料的燃耗深度，以提高燃料的利用率。一般情况下，在分批换料的方案中，通过倒料，使得每个燃料组件在堆芯内的辐照时间至少大于一次循环。使得燃料组件的燃耗加深。 (2)在整个运行期中，使得堆芯的功率分布不均匀系数尽量小，从而有利于输出更多的能量。展平堆芯功率(通量)分布除了采用反射层外，在堆芯的装换料布置中，采用不同富集度的燃料分区布置，在中子通量最高的中心区内，所装燃料的富集度可以低一些，较高富集度的燃料装在堆芯外区。这已在压水堆换料方式章节中详细作了介绍，燃耗计算也得出同样的结果。展平功率分布的另一种途径是调节控制棒的插入程度，使得在通量原来高的那些区域内的中子俘获加大。如果把某种中子吸收剂掺在燃料物质中，或者把吸收剂做成某种溶液在堆内循环，用以降低堆芯某些部分的中子通量，那么或许能够更加有效地达到相同的效果。 (3)延长换料周期，缩短反应堆换料停产的时间。来提高核电的经济性。复 习 题1. 燃料循环包括哪些过程?2. 电厂的发电成本包括哪些?核电厂的电价低于常规电厂的主要原因是什么?3. 压水堆装料换料的布置方式有哪几种?优缺点如何?4. 田湾核电站的装换料方案是怎样的？5. 堆芯燃料管理希望达到什么目的?