一种缩短球床式高温气冷初装堆芯建立过程的方法及系统

技术领域

本发明涉及反应堆堆芯燃料管理和运行技术领域，具体为一种缩短球床式高温气冷初装堆芯建立过程的方法及系统。

背景技术

球床式高温气冷堆的燃料元件不同于传统压水堆燃料组件，一般是直径6cm球形元件，整个堆芯布置上万个甚至几十万个这样的燃料元件。

球床式高温气冷堆的燃料装载过程也不同于压水堆，后者是一次将燃料组件装满整个堆芯。而球床式高温气冷堆是在堆芯下部首先装入一定高度的纯石墨球(外形和燃料元件一样，只是不含铀)垫层，然后在石墨球垫层上面装入一定高度和混合燃料(燃料元件和石墨球按一定配比组成的混合球)，达到初始满装载高度，完成首次装料。首次装料后开始建立初装堆芯，即反应堆在一定功率下运行，堆芯在初始满装载高度上继续装入混合燃料，使混合燃料达到整个活性段高度，然后逐步卸出纯石墨球垫层的石墨球，同时在堆芯上部添加等量的混合燃料，这样纯石墨球垫层高度逐渐降低，混合燃料高度逐渐增加，直到整个活性段全部由混合燃料构成，完成初装堆芯建立。

因此，可以将初装堆芯建立过程描述为在初始满装载高度上增加混合燃料装载到活性段高度，到卸出纯石墨球垫层实现堆芯活性段全部混合燃料装载的过程。在初装堆芯建立过程中，主要花费时间的是卸出纯石墨球垫层的时间，往往在数月以上，原因在于该阶段堆芯燃料元件数量少，反应堆后备反应性小，加上单个燃料元件的功率限制，反应堆运行功率较低，装换料速度慢(装换料速度和反应堆功率成正比)。因此，如果在初始满装载时能减少石墨球垫层的高度，或者说增大混合燃料的装载高度/装载量，就可以缩短初装堆芯建立的时间(纯石墨球垫层的石墨球数量减少，卸出时间减少)。另外，增大初装堆芯混合燃料的装载量，由于燃料元件增多，单个燃料元件的平均功率就可以降低，在初装堆芯建立过程中就可以适当提高反应堆运行功率，这就又增大了石墨球卸出速度，进一步缩短初装堆芯建立时间。

发明内容

本部分的目的在于概述本发明的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳实施例。在本部分以及本申请的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本发明的范围。

鉴于上述存在的问题，提出了本发明。

本发明实施例的第一方面，提供一种缩短球床式高温气冷初装堆芯建立过程的方法，包括：根据各组件的材料和结构参数建立球床式高温气冷堆首次装料及初装堆芯建立过程的物理计算模型；在石墨球、燃料元件或者二者中增加可燃毒物，利用所述物理计算模型选择可行的可燃毒物添加方案；针对所述可行的可燃毒物添加方案进行首次装料及初装堆芯建立过程安全评价，并根据所述安全评价的结果选择最优的可燃毒物添加方案。

作为本发明所述的缩短球床式高温气冷初装堆芯建立过程的方法的一种优选方案，其中：所述各组件的材料和结构参数包括堆芯的直径和高度、燃料元件装的载量和富集度、以及控制棒、吸收球、石墨堆内构件、碳堆内构件、金属堆内构件的材料和结构参数。

作为本发明所述的缩短球床式高温气冷初装堆芯建立过程的方法的一种优选方案，其中：所述物理计算模型的建立包括，

将堆芯活性区在半径方向分成若干个等截面积的直线流道，所述直线流道按照由中心到边缘的顺序，在轴向方向依次进行分层；

将全堆划分为若干个体积相等的“谱区”，作为能谱计算和燃料循环模拟的基本单元，石墨球垫层、混合燃料元件在所述轴向方向上从上向下逐层流动，在所述半径方向上假定各所述直线流道间没有横向流动，实现堆芯球流的模拟和物理计算模型的建立；

所述物理计算模型建立后，根据计算数据评价混合球配比、运行功率、一回路流量、燃料元件富集度、循环次数对堆芯安全参数的影响，得到敏感性参数，根据所述敏感性系数选择可行的可燃毒物添加方案。

作为本发明所述的缩短球床式高温气冷初装堆芯建立过程的方法的一种优选方案，其中：所述可燃毒物添加方案的选择包括，

考虑到石墨球在初装堆芯建立过程中会直接卸出堆芯，对后续反应堆运行的影响远小于燃料元件，优选在石墨球中添加可燃毒物，根据具体的物理计算结果和运行要求，在燃料元件及两者中都添加可燃毒物；

通过增大球床式高温气冷堆初始满装载混合燃料装量，降低纯石墨球垫层高度，就可缩短初装堆芯建立时间，即添加可燃毒物可在原有堆芯装载基础上引入一定的负反应性，减小后备反应性，从而增大所述球床式高温气冷堆初始满装载混合燃料装量；

所述可燃毒物的负反应性的计算包括，

k

其中，s表示快中子增殖因数，p表示逃脱共振吸收概率，f表示热中子利用系数，η表示有效裂变中子数，P

在混合燃料装载一定的情况下，往堆芯添加可燃毒物，所述可燃毒物吸收一部分中子，所有被吸收热中子数份额增加导致所述热中子利用系数降低，从而降低堆芯的反应性，公式表示为：

其中，

作为本发明所述的缩短球床式高温气冷初装堆芯建立过程的方法的一种优选方案，其中：还包括，

所述可燃毒物的添加量不能过多或过少，若过多添加，即使堆芯活性段全部装满混合燃料也无法临界，若过少添加对增加混合燃料装载量的作用有限，即通过所述物理计算模型进行计算选择合理的装载量。

作为本发明所述的缩短球床式高温气冷初装堆芯建立过程的方法的一种优选方案，其中：所述过程安全评价包括，

针对选择的各可燃毒物添加方案，对首次装料及初装堆芯建立过程进行安全评价，确保所述可燃毒物添加方案的整个过程满足反应堆安全分析报告规定的安全参数的要求，且各安全限值在任何工况下不超标；

所述反应堆安全分析报告规定的安全参数包括反应堆一回路压力、燃料元件最高温度、单球最大功率、进出口温度以及最大卸料燃耗。

作为本发明所述的缩短球床式高温气冷初装堆芯建立过程的方法的一种优选方案，其中：所述最优的可燃毒物添加方案的选择包括，

对于通过安全评价的可行的可燃毒物添加方案，从燃料经济性、安全裕度、初装堆芯建立时长、反应堆运行功率水平、装换料速度方面进行综合考虑，确定最优的可燃毒物添加方案。

本发明实施例的第二方面，提供一种缩短球床式高温气冷初装堆芯建立过程的系统，包括：

模型建立单元，用于根据各组件的材料和结构参数建立球床式高温气冷堆首次装料及初装堆芯建立过程的物理计算模型；

添加方案选择单元，用于在石墨球、燃料元件中或者二者中增加可燃毒物，利用所述物理计算模型选择可行的可燃毒物添加方案；

评价择优单元，用于针对所述可行的可燃毒物添加方案进行首次装料及初装堆芯建立过程安全评价，并根据所述安全评价的结果选择最优的可燃毒物添加方案。

本发明实施例的第三方面，提供一种设备，所述设备包括，

处理器；

用于存储处理器可执行指令的存储器；

所述处理器被配置为调用所述存储器存储的指令，以执行本发明任一实施例所述的方法。

本发明实施例的第四方面，提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序指令，包括：

所述计算机程序指令被处理器执行时实现如本发明任一实施例所述的方法。

本发明的有益效果：本发明提供的一种缩短球床式高温气冷初装堆芯建立过程的方法及系统，降低了石墨球垫层高度，即减少了石墨球用量，将大大降低石墨球的采购费用，节约电站投资，提高经济性；同时减少了石墨球需求量，使初装堆芯石墨球的卸出数量减小，显著降低了初装堆芯建立时间；此外，本发明增大了初始满装载混合燃料的装载量，提高了初装堆建立过程的功率水平，加大了装换料速度，进一步降低了初装堆芯建立时间，缩短电站的调试期，大大提高球床式高温气冷堆的经济性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：

图1为本发明提供的一种缩短球床式高温气冷初装堆芯建立过程的方法及系统的整体流程图；

图2为本发明提供的一种缩短球床式高温气冷初装堆芯建立过程的方法及系统的球床式高温气冷堆燃料元件结构示意图；

图3为本发明提供的一种缩短球床式高温气冷初装堆芯建立过程的方法及系统的球床式高温气冷堆首次装料活性段装载分区示意图；

图4为本发明提供的一种缩短球床式高温气冷初装堆芯建立过程的方法及系统的球床式高温气冷堆初始满装载示意图；

图5为本发明提供的一种缩短球床式高温气冷初装堆芯建立过程的方法及系统的球床式高温气冷堆初装堆芯建立过程堆芯装载变化示意图；

图6为本发明提供的一种缩短球床式高温气冷初装堆芯建立过程的方法及系统的球床式高温气冷堆初装堆芯装载示意图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式做详细的说明，显然所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明的保护的范围。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在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做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

其次，此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。

本发明结合示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。

同时在本发明的描述中，需要说明的是，术语中的“上、下、内和外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一、第二或第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

本发明中除非另有明确的规定和限定，术语“安装、相连、连接”应做广义理解，例如：可以是固定连接、可拆卸连接或一体式连接；同样可以是机械连接、电连接或直接连接，也可以通过中间媒介间接相连，也可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例1

参照图1～6为本发明的一个实施例，提供了一种缩短球床式高温气冷初装堆芯建立过程的方法，球床式高温气冷堆的燃料元件不同于传统压水堆燃料组件，一般是直径6cm球形元件(如图2所示)，整个堆芯布置上万个甚至几十万个这样的燃料元件，球床式高温气冷堆的堆芯装载和初装堆芯建立过程示意图如图3～6所示。目的在于提出一种增大球床式高温气冷堆初始满装载混合燃料装载量、缩短初装堆芯建立过程的方法，实现减少石墨球用量，同时提高初装堆芯建立阶段运行功率水平，缩短初装堆芯建立时间，大大提高球床式高温气冷堆的经济性。具体步骤包括：

S1：根据各组件的材料和结构参数建立球床式高温气冷堆首次装料及初装堆芯建立过程的物理计算模型。需要说明的是：

各组件的材料和结构参数包括堆芯的直径和高度、燃料元件装的载量和富集度、以及控制棒、吸收球、石墨堆内构件、碳堆内构件、金属堆内构件的材料和结构参数；

进一步的，球床式高温气冷堆首次装料及初装堆芯建立过程不同于压水堆，堆芯存在不同的装载区，如石墨球垫层、混合燃料，而且不同的装载区高度也将逐渐变化(如图3～图6)，整个过程相当复杂，因此需要建立精确的物理计算模型，对整个过程进行分析计算。

应说明的，物理计算模型的建立包括，

将堆芯活性区在半径方向分成若干个等截面积的直线流道，直线流道按照由中心到边缘的顺序，在轴向方向依次进行分层；

将全堆划分为若干个体积相等的“谱区”，作为能谱计算和燃料循环模拟的基本单元，石墨球垫层、混合燃料元件在轴向方向上从上向下逐层流动，在半径方向上假定各直线流道间没有横向流动，实现堆芯球流的模拟和物理计算模型的建立；

物理计算模型建立后，根据计算数据评价混合球配比、运行功率、一回路流量、燃料元件富集度、循环次数对堆芯安全参数的影响，得到敏感性参数，根据敏感性系数选择可行的可燃毒物添加方案。

S2：在石墨球、燃料元件或者二者中增加可燃毒物，利用物理计算模型选择可行的可燃毒物添加方案。需要说明的是：

对于球床式高温气冷堆，由于首次装料装载的都是新燃料元件，因此没有裂变毒物，仅需要较少的装载量就可以实现临界，加上停堆裕度的安全要求，就表现在初始满装载时混合燃料的装载只占堆型活性段的一部分(见图4)，下部需要加装纯石墨球垫层。石墨球垫层越高，卸出其中全部的石墨球所需的时间就越长，即初装堆芯建立时间越长。因此，增大球床式高温气冷堆初始满装载混合燃料装量，降低纯石墨球垫层高度，就可以缩短初装堆芯建立时间；

国内建设的球床式高温气冷堆，不论是HTR-10还是HTR-PM，都没有采用可燃毒物。可燃毒物的作用是抵消反应堆首次装料大部分的过剩后备反应性。对于球床式高温气冷堆，直观的说就是添加可燃毒物可以在原有堆芯装载基础上引入一定的负反应性，减小后备反应性，从而增大初始满装载混合燃料装量；

具体的，可燃毒物的负反应性的计算包括，

k

其中，ε表示快中子增殖因数，p表示逃脱共振吸收概率，f表示热中子利用系数，η表示有效裂变中子数，P

在混合燃料装载一定的情况下，往堆芯添加可燃毒物，可燃毒物吸收一部分中子，所有被吸收热中子数份额增加导致热中子利用系数降低，从而降低堆芯的反应性，公式表示为：

其中，

应说明的，至于在石墨球或燃料元件中添加可燃毒物，还是在二者中都添加可燃毒物，这在反应堆物理上都可以实现。考虑到石墨球在初装堆芯建立过程中会直接卸出堆芯(也可能部分再入堆做一次循环)，对后续反应堆运行的影响远小于燃料元件(一般多次通过堆芯)，可以逃脱或减小可燃毒物惩罚，因此优选在石墨球中添加可燃毒物。当然，根据具体的物理计算结果和运行要求，也可在燃料元件及两者中都添加可燃毒物；

应说明的，可燃毒物的添加量不能过多或过少，若过多添加，即使堆芯活性段全部装满混合燃料也无法临界，若过少添加对增加混合燃料装载量的作用有限，即通过物理计算模型进行计算选择合理的装载量。

S3：针对可行的可燃毒物添加方案进行首次装料及初装堆芯建立过程安全评价，并根据安全评价的结果选择最优的可燃毒物添加方案。需要说明的是：

过程安全评价包括，

针对选择的各可燃毒物添加方案，对首次装料及初装堆芯建立过程进行安全评价，确保可燃毒物添加方案的整个过程满足反应堆安全分析报告规定的安全参数的要求，且各安全限值在任何工况下不超标；

反应堆安全分析报告规定的安全参数包括反应堆一回路压力、燃料元件最高温度、单球最大功率、进出口温度以及最大卸料燃耗；

进一步的，最优的可燃毒物添加方案的选择包括，

对于通过安全评价的可行的可燃毒物添加方案，从燃料经济性、安全裕度、初装堆芯建立时长、反应堆运行功率水平、装换料速度方面进行综合考虑，确定最优的可燃毒物添加方案。

应说明的，本发明提供的一种缩短球床式高温气冷初装堆芯建立过程的方法及系统，降低了石墨球垫层高度，即减少了石墨球用量，将大大降低石墨球的采购费用，节约电站投资，提高经济性；同时减少了石墨球需求量，使初装堆芯石墨球的卸出数量减小，显著降低了初装堆芯建立时间；此外，本发明增大了初始满装载混合燃料的装载量，提高了初装堆建立过程的功率水平，加大了装换料速度，进一步降低了初装堆芯建立时间，缩短电站的调试期，大大提高球床式高温气冷堆的经济性。

本发明公开的第二方面，

提供一种缩短球床式高温气冷初装堆芯建立过程的系统，包括：

模型建立单元，用于根据各组件的材料和结构参数建立球床式高温气冷堆首次装料及初装堆芯建立过程的物理计算模型；

添加方案选择单元，用于在石墨球、燃料元件中或者二者中增加可燃毒物，利用物理计算模型选择可行的可燃毒物添加方案；

评价择优单元，用于针对可行的可燃毒物添加方案进行首次装料及初装堆芯建立过程安全评价，并根据安全评价的结果选择最优的可燃毒物添加方案。

本发明公开的第三方面，

提供一种设备，包括：

处理器；

用于存储处理器可执行指令的存储器；

其中，处理器被配置为调用存储器存储的指令，以执行前述中任意一项的方法。

本发明公开的第四方面，

提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序指令，包括：

计算机程序指令被处理器执行时实现前述中任意一项的方法。

本发明可以是方法、装置、系统和/或计算机程序产品，计算机程序产品可以包括计算机可读存储介质，其上载有用于执行本发明的各个方面的计算机可读程序指令。

计算机可读存储介质可以是可以保持和存储由指令执行设备使用的指令的有形设备。计算机可读存储介质例如可以是――但不限于――电存储设备、磁存储设备、光存储设备、电磁存储设备、半导体存储设备或者上述的任意合适的组合。计算机可读存储介质的更具体的例子(非穷举的列表)包括：便携式计算机盘、硬盘、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦式可编程只读存储器(EPROM或闪存)、静态随机存取存储器(SRAM)、便携式压缩盘只读存储器(CD-ROM)、数字多功能盘(DVD)、记忆棒、软盘、机械编码设备、例如其上存储有指令的打孔卡或凹槽内凸起结构、以及上述的任意合适的组合。这里所使用的计算机可读存储介质不被解释为瞬时信号本身，诸如无线电波或者其他自由传播的电磁波、通过波导或其他传输媒介传播的电磁波(例如，通过光纤电缆的光脉冲)、或者通过电线传输的电信号。

实施例2

该实施例不同于第一个实施例的是，提供了一种缩短球床式高温气冷初装堆芯建立过程的方法及系统的验证测试，为对本方法中采用的技术效果加以验证说明。

本实施例以高温气冷堆核电站示范工程HTR-PM为例，初始装载前堆芯下部纯石墨球垫层约为6m，大约240000个纯石墨球。初装堆芯建立就是逐步卸出这240000个石墨球，用同样数量的混合燃料替代。HTR-PM燃料装卸系统的卸料能力约为6000元件/天，因此完成初装堆芯的时间约为240000/6000＝40天。

如果增大初装堆混合燃料装载量，相应的减少纯石墨球的装载量，就可以显著减少初装堆芯建立时间，例如，增大120000个混合燃料装载量，就可以减少120000/6000＝20天，带来可观的进度和经济效益。因此，本发明提供的方法降低了石墨球垫层高度，即减少了石墨球用量，将大大降低石墨球的采购费用，节约电站投资，提高经济性；同时减少了石墨球需求量，使初装堆芯石墨球的卸出数量减小，显著降低了初装堆芯建立时间；此外，本发明增大了初始满装载混合燃料的装载量，提高了初装堆建立过程的功率水平，加大了装换料速度，进一步降低了初装堆芯建立时间，缩短电站的调试期，大大提高球床式高温气冷堆的经济性。

应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。