一种减少氚排放的方法

技术领域

本发明属于核电领域，具体涉及一种减少氚排放的方法。

背景技术

氚是核电厂正常运行过程中向环境中排放的主要放射性产物之一，作为氢的同位素通常难以通过常规放射性核素分离手段去除。随着核电厂流出物管理水平的提高，氚排放问题日益成为制约核电厂建设和运行的制约因素。氚的产生途径主要包括：1)燃料中的三元裂变产生氚，并透过燃料包壳渗透进入一回路冷却剂；2)可燃毒物中的

发明内容

本发明的目的在于，提供一种减少氚排放的方法，降低由一回路中可溶硼反应生成的氚。

本发明的实施例提供一种减少氚排放的方法，包括以下步骤：提供核反应堆，所述核反应堆包括堆芯与一回路，所述堆芯包括燃料棒与控制棒，所述控制棒包括灰棒；在燃料循环末期前将至少部分所述灰棒至少部分插入堆芯并保持棒位恒定；在反应堆运行过程中，对所述一回路中的可溶硼浓度进行持续调节，补偿燃料和可燃毒物燃耗等因素引起的反应性变化；在燃料循环末期，在所述一回路中的可溶硼浓度低于给定阈值后将所述灰棒逐步提出，以释放灰棒吸收中子的反应性，直至燃料循环结束。在本方法中，一个燃料循环中大多数时间部分灰棒保持完全插入状态，从而充分利用灰棒对中子的吸收效果，减少对一回路冷却中可溶硼的需求，进而降低可溶硼反应产生的氚总量；在燃料循环末期，将灰棒提出以释放出反应后备性，不会影响核电厂运行的经济性。

在运行期间，如需要进行负荷跟踪运行，可先行适当对冷却剂系统进行硼化，部分提出灰棒，以便在负荷跟踪期间通过灰棒控制堆芯反应性，避免在负荷跟踪期间调硼。负荷跟踪结束后，适当对冷却剂系统进行稀释，恢复灰棒至插入状态。由于核电厂参与负荷跟踪较少，短时间实施负荷跟踪运行对冷却剂系统平均硼浓度的增加量较少。

进一步地，在部分实施例中，所述灰棒包括中子吸收能力较弱的中子吸收体，优选地，采用钨合金。由于钨合金中子吸收体中子吸收能力较弱，不会产生显著的功率分布畸变。

进一步地，在部分实施例中，至少部分所述灰棒不含有银铟镉中子吸收体。银铟镉的中子吸收性能过高，完全插入反应堆容易导致功率分布畸变，但可以对其进行改进，由部分的银铟镉中子吸收体和中子吸收能力较弱的中子吸收体组成，以形成中子吸收能力适宜的灰棒。

进一步地，在部分实施例中，对所述一回路中的可溶硼浓度进行持续调节的方法为视可燃毒物和燃料的燃耗情况对对一回路中的可溶硼进行硼化或稀释，以补偿长期反应性变化。采用部分插入的灰棒和/或部分插入的黑棒的组合对冷却剂系统温度、小幅功率波动等短期反应性变化、轴向功率分布等进行控制。

进一步地，在部分实施例中，所述给定阈值为5ppm-100ppm。当一回路中可溶硼浓度低于给定阈值，燃料棒燃耗已较为充分，提出灰棒以释放反应后备性，使燃料棒充分燃耗，保证反应堆的经济性。

进一步地，在部分实施例中，在反应堆运行前还包括针对灰棒长期插入导致的燃耗阴影效应，开展可行性分析的步骤，所述可行性分析包括功率分布峰因子、轴向功率分布控制、停堆裕量、一束棒误提事故和弹棒事故分析。

进一步地，在部分实施例中，所述核反应堆包括至少四组灰棒。

进一步地，在部分实施例中，每组所述灰棒包括四束灰棒

进一步地，在部分实施例中，所述核反应堆配置为AP1000、CAP1000或CAP1400反应堆。

附图说明

图1为一实施例中堆芯燃耗期间可燃毒物消耗趋势曲线；

图2为一对比例中堆芯临界可溶硼浓度随堆芯燃耗的变化；

图3为一实施例与对比例中堆芯临界可溶硼浓度变化曲线。

上述附图的目的在于对本发明作出详细说明，以便本领域技术人员能够理解本发明的技术构思，而非旨在限制本发明。

具体实施方式

下面通过具体实施例结合附图对本发明作出进一步的详细说明。

本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本文的至少一个实施例中。在说明书的各个位置出现的该短语并不一定指代同一实施例，也并非限定为互斥的独立或备选的实施例。本领域技术人员应当能够理解，在不发生结构冲突的前提下本文中的实施例可以与其他实施例相结合。本文的描述中，“多个”的含义是至少两个。

目前，大多数在运营中的核电机组为压水堆，压水堆设计中，一回路的可溶硼主要作用为补偿堆芯后对反应性。而在工作过程中，一回路中的可溶硼会发生反应而产生氚，一回路中可溶硼产生的氚是目前核电厂氚排放的主要来源。

除可溶硼外，反应后备性还可以有可燃毒物、控制棒插入进行补偿。

其中，可燃毒物的使用主要用于控制燃料循环前期过剩的反应性，降低初始可溶硼浓度，从而使慢化剂温度系数不为正，并用于展平堆芯径向功率分布。堆芯燃耗过程中，如图1所示，可燃毒物中的中子吸收体与中子反应被消耗，逐步释放出堆芯后备反应性。可燃毒物的装载量在堆芯设计时确定，通常装载量按照慢化剂温度系数不为正、功率分布满足设计限值要求的限制条件确定。因此，无法通过更改可燃毒物含量降低一回路中的可溶硼浓度。

现有控制方案中，在燃料循环过程中，所需要的可溶硼浓度变化曲线如图2所示。在反应初期，随着平衡氙毒水平的建立，临界可溶硼浓度迅速降低；而反应初期可燃毒物消耗速度大于燃料燃耗，临界可溶硼浓度先上升；可燃毒物耗尽后，随着燃料燃耗临界可溶硼浓度单调降低。

反应堆的控制棒包括具有强中子吸收性的黑棒与中子吸收能力较弱的灰棒。黑棒会引起功率分布的显著畸变，通常不会完全插入反应堆内。在一个对比例中，AP1000型压水堆核电厂的反应堆中设置16束灰棒，分为4组，每组灰棒各有4束。在运行时，这些灰棒按照预设的顺序与重叠逻辑插入堆芯，最佳估算机械补偿运行(Best MSHIM)模式下平均棒位为90步。在对比例的运行模式下，一回路中的硼浓度在较长时间内保持恒定(如数月时间)，通过控制灰棒的棒位来满足反应堆运行的反应后备性要求；随着燃料燃耗，所需临界可溶硼浓度下降后再集中对一回路中的可溶硼进行稀释，重复通过灰棒调节反应后备性的过程。因此，在反应堆运行的多数时刻，平均仅有一个棒组少量地插入堆芯。因此，在燃料循环中，各灰棒的中子吸收性并未得到充分利用，该实例中冷却剂系统可溶硼浓度的循环平均值为933ppm。

为了降低可溶硼的浓度，本发明的一个实施例提供了如下方法：

在一个实施例中，对于AP1000型核电厂，进入稳定功率运行后即将全部四组灰棒完全插入反应堆内，每组灰棒包括四束灰棒，以压制过剩的反应性。在反应堆运行的大部分时间，完全插入的灰棒充分发挥对中子的吸收作用，在相同的燃耗水平下，一回路中用于压制过剩后备反应性的可溶硼浓度需求因此显著降低。

具体地，在灰棒完全插入反应堆的状态下，对一回路中的可溶硼浓度进行持续调节来满足反应堆运行的需求。在优选实施例中，每间隔12-48小时对一回路总的可溶硼进行一次稀释。在进一步的优选实施例中，每24小时进行一次稀释。而在燃料循环末期，临界可溶硼浓度趋近于零时，再将灰棒逐步提出，释放出被灰棒压制的过剩后备反应性，直至循环结束。在优选实施例中，开始提出灰棒的可溶硼浓度阈值为5ppm-100ppm，在优选实施例中设置为10ppm。实施例中一回路临界可溶硼浓度曲线如图3所示。在燃料循环周期内，冷却系统硼浓度循环平均值为836ppm，比Best MSHIM方案低约10％。根据冷却剂系统可溶硼途径的产氚原理，在燃料循环周期内，氚的产生量也相应降低约10％。

在优选实施例中，灰棒的中子吸收体包含钨合金，钨合金的中子吸收能力较弱，不容易造成功率分布畸变。

在优选实施例中，灰棒的中子吸收体不包含银铟镉中子吸收体。在部分技术方案中，灰棒采用中子吸收能力较弱的不锈钢与中子吸收能力较强的银铟镉吸收体组合而成。由于银铟镉吸收体中子吸收能力较强，完全插入反应堆会产生显著的功率分布扰动，因而在额定功率运行过程中通常不能将银铟镉中子吸收体完全插入反应堆内。

在优选实施例中，AP1000型、CAP1000型和CAP1400型核电厂仅需对运行方式进行修改，即可采用上述实施例中所提供的方法降低冷却系统中的可溶硼浓度，以实现氚减排。而对于M310型、CPR1000型和华龙一号等核电厂，则需要对灰棒设计、运行方式进行修改，并进行完善的分析论证后才能够实施。

核电厂应电网要求需要大幅降功率运行时，可以预先对冷却剂系统进行适当硼化，以提出部分灰棒，那么在负荷跟踪运行期间，可以利用灰棒对堆芯反应性进行快速控制，避免采用调硼的方式降低响应速度。

在另一些实施例中，也可以采用如下方式：视核电厂的氚排放压力情况，在燃料循环大部分阶段，将大部分灰棒保持插入(比Best MSHIM更多)，而保留部分灰棒不完全插入执行堆芯反应性控制功能；在燃料循环末期，再将插入灰棒逐步提出，释放出被灰棒压制的后备反应性。通常需要在冷却剂系统硼浓度较低时提出，以尽量降低燃料循环的平均硼浓度；但为了减少灰棒插入导致轴向功率分布向下偏移的燃耗阴影效应，可以适当提前(硼浓度降低至100ppm以后)开始提出灰棒，采用提棒、稀释相结合的方式释放反应性，并逐渐削弱轴向燃耗阴影。

在一些实施例中，也可以采用将灰棒不完全插入堆芯，例如插入50％-90％并保持棒位恒定，通过对一回路中的可溶硼进行连续调节来调节后备反应性，直至燃料循环末期可溶硼浓度低于5ppm将灰棒逐步提出释放后备反应性。

在一些实施例中，当反应堆需要进行快速功率调整，例如进行负荷跟踪时，也可以对灰棒进行调整。

在部分实施例中，对于设计初期并未论证灰棒长期插入运行方式的堆芯核特性，灰棒长期插入会导致灰棒所在局部区域的燃料消耗相对减少，从而形成燃耗阴影效应，在发生潜在事故(例如弹棒事故、一束棒误提事故)时，可能导致这些位置的事故后果变得更为极限。因此，在实施本实施例的运行方式之前，必须考虑燃耗阴影效应完成堆芯设计和事故分析论证进行包括功率分布峰因子、轴向功率分布控制、停堆裕量和事故分析在内的可行性分析，以证明仍然满足相应的设计要求。

上述实施例的目的在于结合附图对本发明作出进一步的详细说明，以便本领域技术人员能够理解本发明的技术构思。在本发明公开的范围内，对实施例中所涉及的零件结构或方法步骤进行优化或等效替换，以及在不发生结构与原理冲突的前提下对不同实施例中的实施方式进行结合，均落入本发明的保护范围。