长周期高燃耗的燃料管理方法

技术领域

本发明涉及核工业领域，具体涉及堆芯燃料管理领域。

背景技术

堆芯燃料管理是核电厂堆芯设计的重要内容之一，其主要任务是确定燃料组件的富集度、组件内燃料棒富集度的分布及不同富集度的燃料组件在堆芯内的装载和换料方式，并选择可燃毒物的类型及其在堆芯中的布置等，以提供满足总体设计要求且更具经济性的堆芯燃料管理策略。堆芯燃料管理的优劣直接影响核电厂运行的经济性和安全性。

长周期、高燃耗的燃料管理技术能够为核电厂运行所带来的高经济性价值，这类管理技术一直受到核电厂业主的高度关注，也是进一步提高核电竞争力的关键因素。随着国内在运核电机组数量的不断增加，核电厂对诸如24个月等的更长周期燃料管理方法的需求正在逐步增长。目前，国内在役运行的非能动核电厂主要采用的是18个月燃料管理策略，燃料的名义富集度已接近或达到4.95％，富集度和燃耗已接近或达到限值。

目前18个月换料周期燃料管理方法存在如下不足之处。1)核电厂若需延伸运行、延长换料周期，受限于燃料富集度限值和燃料棒燃耗限值，需进一步增加换料组件数，将导致长周期换料策略的燃料利用率较低；2)受限于当前的燃料富集度和燃料棒燃耗限值，将难以较快地实现更长周期的换料目标，且核电厂的运行安全性和运行灵活性将受到一定地限制。

综上，核电厂燃料管理方案还有进一步优化的空间。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种长周期高燃耗的燃料管理方法，在使用核燃料富集度超过5.0％的燃料基础上显著提高了核电厂循环长度，实现24个月长周期换料目标。

为实现上述目的的长周期高燃耗的燃料管理方法包括如下步骤的循环：S1.确定卸下的燃料组件组数，需卸下的燃料组件中包括一组位于堆芯中心位置的燃料组件；S2.装入的燃料组件包括一组乏燃料池中可以复用的旧燃料组件和其余组全新燃料组件；S3.将所述旧燃料组件替换位于堆芯中心位置的燃料组件，装入所述全新燃料组件，使装入的燃料组件与未卸下的燃料组件呈棋盘式分布，装入的新燃料组件为同一富集度燃料组件或不同富集度燃料组件集合，且燃料组件富集度大于5％；S4.以24个月换料周期的间隔重复步骤S1至S3。

在一个或多个实施例中，使堆芯最外侧的燃料组件为后备反应性最低的旧燃料组件。

在一个或多个实施例中，装入的全新燃料组件数量小于等于堆芯全部燃料组件数量的1/2。

在一个或多个实施例中，装入的全新燃料组件数量越少，装入的全新燃料组件的富集度越高。

在一个或多个实施例中，装入的燃料组件中同时包括整体型可燃毒物和离散型通水环状可燃毒物。

在一个或多个实施例中，使堆芯内的每个燃料组件在堆芯经历2或3个循环后被卸下。

在一个或多个实施例中，在步骤S3中，使装入的所述全新燃料组件不布置在卸下的燃料组件的原位置，使未卸下的燃料组件更换位置。

在一个或多个实施例中，所述燃料组件采用事故容错燃料。

在一个或多个实施例中，堆芯全部燃料组件为193组，卸下的燃料组件组数为97组，包括一组位于堆芯中心位置的燃料组件和其余位置的96组燃料组件，用乏燃料池中可以复用的旧燃料组件替换位于堆芯中心位置的燃料组件，用富集度均为5.5％全新燃料组件替换96组燃料组件。

在一个或多个实施例中，堆芯全部燃料组件为193组，卸下的燃料组件组数为89组，包括一组位于堆芯中心位置的燃料组件和其余位置的88组燃料组件，88组燃料组件包括16组已经历三个循环的富集度为5.7％的燃料组件、36组经历两个循环的富集度为5.7％的燃料组件和36组经历两个循环的富集度为6.2％的燃料组件；用来自乏燃料池中可以复用的旧燃料组件替换位于堆芯中心位置的燃料组件，用52组富集度为5.7％的全新燃料组件和36组富集度为6.2％的全新燃料组件替换88组燃料组件。

在一个或多个实施例中，堆芯全部燃料组件为193组，卸下的燃料组件组数为77组，包括一组位于堆芯中心位置的燃料组件和其余位置的76组燃料组件，其余位置的76组燃料组件包括12组已经历三个循环的富集度为5.8％的旧燃料组件、4组已经历三个循环的富集度为6.1％的燃料组件、24组已经历三个循环的富集度为6.5％的燃料组件、4组经历两个循环的富集度为5.8％的燃料组件、24组经历两个循环的富集度为6.1％的燃料组件和8组经历两个循环的富集度为6.5％的燃料组件；用乏燃料池中可以复用的一组旧燃料组件替换位于堆芯中心位置的燃料组件，用16组富集度为5.8％的全新燃料组件、28组富集度为6.1％的全新燃料组件和32组富集度为6.5％的全新燃料组件替换76组燃料组件。

上述长周期高燃耗的燃料管理方法采用事故容错燃料，使得燃料富集度超过5.0％，提升了燃耗限值的基础上，实现了长周期燃料管理方案，平衡循环寿期达670至710个等效满功率天，实现24个月长周期换料设计目标，提高卸料燃耗，优化堆芯设计，能够大幅度提升核电厂运行经济性和灵活性，可以更进一步提升核电厂的安全性。

附图说明

本发明的上述的以及其他的特征、性质和优势将通过下面结合附图和实施例的描述而变得更加明显，其中：

图1是第一实施例的平衡循环堆芯布置图；

图2是第二实施例的平衡循环堆芯布置图；

图3是第三实施例的平衡循环堆芯布置图；

图4是128根含整体型可燃毒物燃料棒的燃料组件分布结构示意图；

图5是156根含整体型可燃毒物燃料棒的燃料组件分布结构示意图；

图6是200根含整体型可燃毒物燃料棒的燃料组件分布结构示意图；

图7是156根整体型可燃毒物燃料棒和8根离散型通水环状可燃毒物棒的燃料组件分布结构示意图；

图8是200根整体型可燃毒物燃料棒和8根离散型通水环状可燃毒物棒的燃料组件分布结构示意图；

图9是156根整体型可燃毒物燃料棒和16根离散型通水环状可燃毒物棒的燃料组件分布结构示意图；

图10是200根整体型可燃毒物燃料棒和16根离散型通水环状可燃毒物棒的燃料组件分布结构示意图；

图11是长周期高燃耗的燃料管理方法的流程图。

具体实施方式

下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步说明，在以下的描述中阐述了更多的细节以便于充分理解本发明，但是本发明显然能够以多种不同于此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下根据实际应用情况作类似推广、演绎，因此不应以此具体实施例的内容限制本发明的保护范围。

需要注意的是，这些以及后续其他的附图均仅作为示例，其并非是按照等比例的条件绘制的，并且不应该以此作为对本发明实际要求的保护范围构成限制。

自2011年福岛核事故以来，国际核工业界投入大量资源开展事故容错燃料(Accident Tolerant Fuel，ATF)技术的研究和开发工作。历经十余年的努力，以铬涂层锆合金包壳和掺杂大晶粒芯块为代表的ATF技术逐步走向成熟，具备大规模商业应用的条件。利用ATF新技术，在燃料性能上可以支撑棒平均燃耗突破62000MWd/tU的限值，再加上燃料富集度提升到5％以上，就有望实现更具有经济性的24个月换料周期燃料管理策略。燃耗限值的提升和24个月换料周期的实现，将大幅度节约机组全寿期的大修费用，减少乏燃料的产出并节约乏燃料处理成本，也平衡掉了ATF研发成本和制造费用的增加，具有可观的商业前景。

本公开的长周期高燃耗的燃料管理方法是一种核燃料富集度超过5.0％、达到24个月长周期的高燃耗燃料管理方法，具体包括如下步骤：S1.确定卸下的燃料组件组数，需卸下的燃料组件中包括一组位于堆芯中心位置的燃料组件；S2.装入的燃料组件包括一组乏燃料池中可以复用的旧燃料组件和其余组全新燃料组件；S3.将旧燃料组件替换位于堆芯中心位置的燃料组件，装入全新燃料组件，使装入的燃料组件与未卸下的燃料组件呈棋盘式分布，装入的新燃料组件为同一富集度燃料组件或不同富集度燃料组件集合，且的燃料组件富集度大于5％；S4.以24个月换料周期的间隔重复步骤S1至S3。

优选的，在步骤S3中，使装入的全新燃料组件并不直接布置在卸下的燃料组件的原位置，使未卸下的燃料组件更换位置，也即未卸下的燃料组件也需要更换原有位置，最终使装入的全新燃料组件与未卸下的燃料组件呈棋盘式分布。棋盘式分布是指，燃料组件设置在一格状区域，该格状区域包括相邻的多个格状区域，在这相邻的多个格状区域中，至少存在一个格状区域与该格状区域内的燃料组件的新旧属性相反。如图1中，格状区域为方形格，在一方形格内的燃料组件为全新燃料组件，则该方形格相邻的四个格状区域中至少存在一格内的燃料组件为旧燃料组件。

下面通过三个具体实施例及对应的附图1至3对本公开所述的长周期高燃耗燃料管理方法进行介绍。附图1-3中每个框内由上至下的三组数据分别代表燃料组件所在的区编号、燃料元件表面涂硼毒物(IFBA)/离散型通水环状可燃毒物棒(WABA)数目以及该燃料组件的经历循环次数，堆芯内的每组燃料组件在堆芯经历2或3个循环次数后被卸下。

第一实施例

非能动核电厂总燃料组件数量为193组，新燃料组件采用同一种燃料富集度5.5％。对燃料组件数量的二分之一进行换料，即换料循环新入堆96组全新燃料组件。在本实施例中，待更换的燃料包括1组位于堆芯中心位置的燃料组件和其余位置的96组燃料组件。优选的，卸下的96燃料组件为所有燃料组件中后备反应性最低的的燃料组件。

用乏燃料池中后备反应性较高的1组旧燃料组件替换位于堆芯中心的1组燃料组件，这样可以有效展平堆芯中心附近的功率分布，并可以提高燃料利用率。

用96组燃料富集度为5.5％的全新燃料组件替换相应数量的燃料组件。

96组新燃料组件整体上布置于堆芯内区，与旧燃料组件总体上呈棋盘式布置，如图1所示，白色区块为新燃料组件，灰色区块为经过一次循环的燃料组件。

24个月换料周期的平衡循环使堆芯寿期初的后备反应性较高，功率峰因子也较高。

装载的新燃料组件将同时使用整体型可燃毒物和离散型通水环状可燃毒物，一方面可以降低寿期初堆芯硼浓度，以防止过高的硼浓度导致正的慢化剂温度反馈，另一方面有助于展平堆芯功率分布。

全新燃料组件中含整体型可燃毒物燃料棒的燃料棒数量分别为128、156、200，对应的组件数量分别为12、20、64，也即96组燃料组件。上述组件的组合能够使堆芯的功率实现展平，是满足24个月换料周期、符合安全限值要求以及较高经济性等多因素下的最优解。

全新燃料组件中含离散型通水环状可燃毒物棒数量为8，对应的组件数量为44，这些组件也可以同时含有整体型可燃毒物燃料棒。

在堆芯中布置可燃毒物，一方面可以降低寿期初堆芯硼浓度，以防止过高的硼浓度导致正的慢化剂温度反馈，另一方面有助于展平堆芯功率分布。

堆芯最外侧布置未卸掉的后备反应性最低的旧燃料组件，以进一步降低堆芯泄漏，提高经济性，并减小压力容器的中子辐照剂量。

第一实施例针对非能动核电厂，可实现富集度超过5.0％的24个月换料周期循环，提升了燃料棒燃耗限值，减少了新燃料组件数目，整体上提升了核电厂的运行经济性。

第二实施例

独立于第一实施例，第二实施例提供了一种燃料富集度更高的非能动核电厂平衡循环长度为24个月、卸下的燃料组件组数相对更少的燃料管理方法。

卸出1组位于堆芯中心位置的燃料组件。

卸出88组后备反应性最低的旧燃料组件。卸下的燃料组件包括16组已经历三个循环的富集度为5.7％的燃料组件、36组经历两个循环的富集度为5.70％的燃料组件和36组经历两个循环的富集度为6.2％的燃料组件。

装入的换料组件数量为89组，包括1组来自乏燃料池中后备反应性较高的可以复用的旧燃料组件和88组全新燃料组件。复用一组来自乏燃料池中的可用的旧燃料组件替换位于堆芯中心位置的燃料组件。装入的88组新燃料组件包含两种不同的富集度，分别是52组富集度为5.7％的新燃料组件和36组富集度为6.2％的新燃料组件。

该方案具有更优的经济性，同时考虑到需满足24个月换料周期目标要求，装入的全新燃料组件数量越少，则使装入的全新燃料组件的富集度越高。如对比第一实施例，在第二实施例中卸出的88组燃料组件小于第一实施例中卸下的96组，因而使用新燃料组件的富集度为5.7％和6.2％的组合高于富集度为5.5％。

88组新燃料组件整体上布置于堆芯内区，与旧燃料组件总体上呈棋盘式布置，如图2所示，白色区块为新燃料组件，灰色区块为经过一次循环的燃料组件，网格区块为经历两次循环次数的燃料组件，位于堆芯的最外侧。

这样，通过装载不同富集度的新燃料组件的方式，可以进一步提高燃料的利用效率，并有助于展平堆芯功率分布。上述布置方式有助于降低堆芯中子泄漏，提高燃料管理策略的经济性。

88组全新燃料组件中含整体型可燃毒物燃料棒的燃料棒数量分别为128、156、200，对应的组件数量分别为4、24、60。新燃料组件中含离散型通水环状可燃毒物棒数量为16，对应的组件数量分别为64，这些组件同时也含整体型可燃毒物燃料棒。

堆芯最外侧布置未卸掉的后备反应性最低的旧燃料组件，以进一步降低堆芯泄漏，提高经济性，并减小压力容器的中子辐照剂量。

第二实施例针对非能动核电厂，实现富集度超过5.0％的24个月换料周期循环，提升了燃料棒燃耗限值，比第一实施例进一步减少了新燃料组件数目，整体上提升了核电厂的运行经济性。

第三实施例

独立于第一实施例和第二实施例，第三实施例的燃料富集度比第一实施例和第二实施例更高。循环换料组件数量为77组，包括1组来自乏燃料池中可以复用的旧燃料组件和76组全新燃料组件。

卸出1组中心位置的燃料组件，并在该位置复用一组来自乏燃料池中的可用的旧燃料组件。

卸出76组后备反应性最低的旧燃料组件。卸料组件包括12组已经历三个循环的富集度为5.8％的燃料组件、4组已经历三个循环的富集度为6.1％的燃料组件、24组已经历三个循环的富集度为6.5％的燃料组件、4组经历两个循环的富集度为5.8％的燃料组件、24组经历两个循环的富集度为6.1％的燃料组件和8组经历两个循环的富集度为6.5％的燃料组件，如图3所示。

76组全新燃料组件包含三种不同的富集度，分别是16组富集度为5.8％的全新燃料组件、28组富集度为6.1％的全新燃料组件和32组富集度为6.5％的全新燃料组件。

76组新燃料组件整体上布置于堆芯内区，但并不布置在被卸下的位置，而是与未卸下的燃料组件共同重新布置，使未卸下的燃料组件与装入的全新燃料组件总体上呈棋盘式布置。这样，通过装载不同富集度的新燃料组件的方式，可以进一步提高燃料的利用效率，并有助于展平堆芯功率分布。上述布置方式有助于降低堆芯中子泄漏，提高燃料管理策略的经济性。

新燃料组件中含整体型可燃毒物燃料棒的燃料棒数量分别为156、200，对应的组件数量分别为20、56。新燃料组件中含离散型的通水环状可燃毒物棒数量为16，对应的组件数量分别为44，这些组件同时也含整体型可燃毒物燃料棒。在堆芯中布置可燃毒物，一方面可以降低寿期初堆芯硼浓度，以防止过高的硼浓度导致正的慢化剂温度反馈，另一方面有助于展平堆芯功率分布。

堆芯最外侧布置未卸掉的后备反应性最低的旧燃料组件，以进一步降低堆芯泄漏，提高经济性，并减小压力容器的中子辐照剂量。

上述长周期高燃耗的燃料管理方法采用了事故容错燃料，使得燃料富集度超过5.0％，且提升燃耗限值，并可进行超过18个月、达到24个月的长周期燃料管理方案。采用整体型可燃毒物和离散型通水环状可燃毒物，降低堆芯初始硼浓度和展平堆芯功率分布，

根据不同的换料组件数，如二分之一换料、三分之一换料等，结合新燃料组件的不同富集度，采用了同一种富集度(5.5％)、两种不同富集度(5.7％和6.2％)、三种不同富集度(5.8％、6.1％和6.5％)等多种新料批数，实现了不同方案的长周期燃料管理策略，平衡循环寿期达670至710个等效满功率天，完成24个月的长周期换料设计目标，可满足核电厂延伸运行、长周期换料等不同寿期长度需求。

本发明虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何修改、等同变化及修饰，均落入本发明权利要求所界定的保护范围之内。