第9章核反应堆物理基础.ppt

第9章核反应堆物理基础.ppt第9章核燃料管理
反应堆核燃料管理的目的? 为了经济和安全
两次停堆换料之间的时间间隔称换料周期
反应堆经历了一个换料周期,也就是经历了一个运行循环。一个运行循环经历的运行时间以等效满功率天(EFPD)表示称为循环长度
循环长度的选取直接影响到核电厂的经济性。若较短,反应堆的初始剩余反应性可以较小,核燃料的装载量可以较小,这有利于核电厂的经济性;但循环长度过短将导致频繁停堆换料,燃料的燃耗也达不到足够的深度,这使经济性下降;世界上大多数压水堆核电厂都取18个月或1年为换料周期,而且将换料时间取在电力需求相对较低的春季或秋季。
核燃料管理中的基本物理量
一、换料周期与循环长度
批料数n=NT/N,NT为堆内燃料组件总数,N为一批换料量,即一次换料更换的换料组件数。如秦山核电厂,堆芯共121个燃料组件,一批换料量为40或41,则批料数为3,称3批换料方案,这是目前大部分压水堆核电站采用的换料方案。
三、循环燃耗Bc和卸料燃耗Bd
循环燃耗Bc:堆芯经过一个运行循环后净增燃耗深度。
卸料燃耗Bd:新燃料从进入堆芯(经若干个循环)到卸出堆芯所达到的燃耗深度。
二、批料数n和一批换料量N
堆芯燃耗深度与位置有关,中心较深,边缘较浅,换料时实行分批换料,即只换掉燃耗较深的部分燃料。
核燃料管理的主要任务
管理的核心问题:是如何在保证核电厂安全运行的条件下,使核电厂的单位能量成本最低。包括以下两个管理内容。
一、堆芯燃料管理策略及换料方案确定






上述变量之间存在相互影响和耦合的关系,例如各运行循环之间存在强耦合,因为分批换料方案使燃料在堆芯停留三个循环以上,在选择变量时,必须进行优化决策处理。
要决策的变量:
(1)多循环或堆外燃料管理。此步骤主要确定a-c三个变量,这些变量受燃料在堆芯的空间分布影响较小,可用“点堆”模型分析,即将空间效应通过“批”平均特性表示,因此此步骤也称为堆外燃料管理。
核燃料管理是一个多变量(多级循环和空间上多维)的决策过程,应用数值方法计算。实际计算,为降低求解的困难,采用脱耦的办法,即将变量a-f的决策问题分解为对变量a-d和e-f两个相对独立的决策步骤,分别为:
(2)单循环或堆内燃料管理。此步骤主要考虑燃料和毒物的空间分布影响,而不考虑循环之间的影响,一般通过二维堆芯分析计算,得到最佳换料方案。
上述两个步骤往往需要迭代,
二、初始堆芯及换料堆芯的核设计
设计方法:先用具有一定精度的计算模型和软件对成百上千个换料方案进行初选,然后用精确堆芯物理/热工水力模型对所选方案进行计算评价,得到最终的换料核设计。
最终的换料核设计要提供:
寿期内各规定时刻的堆芯功率分布和功率峰因子
寿期内燃料成分、反应性或临界可溶硼浓度随时间的变化
反应堆启动物理试验参数及运行所需堆芯参数
反应堆控制和运行图
堆芯动态特性参数(燃料和慢化剂温度系数,硼微分价值等)和换料设计安全评价所需的参数
多循环燃料管理
核电厂从建成到退役约40-60年,要经历几十个运行循环,形成一运行循环系列。可按各运行循环特性,分为
初始循环(或启动循环): 第一个循环,唯一一个堆芯全部由新
燃料组成的循环。
过渡循环:通常将从第2循环到初始循环堆芯内的燃料全部卸出的循环
系列。受扰动的平衡循环到平衡循环重新建立之间的循环也
称过渡循环。
平衡循环:指一循环系列中每个循环的性能参数相同,例如循环长度、新料富集度、一批换料量及平均卸料燃耗等
受扰动循环:相对于平衡循环而言,实际的循环都是一个受各种因素
扰动的循环,平衡循环是性能指标最佳的循环方案,是
燃料管理追求的目标。
一、平衡循环
是最简单也最重要的循环。采用点堆模型讨论平衡循环各性能参数之间的关系
用Fi和Ai分别表示堆芯第i个组件裂变产生的中子数和被吸收的中子数,AR为泄漏中子数,则反应性为
1. 点堆模型堆芯物理状态的描述
(9-1)
用ρi表第i个组件的反应性
(9-2)
得
其中
(9-3)
为泄漏反应性损失
qi为组件i产生的功率,fi为相对功率分额(显然各fi之和为1),fi是点堆模型的一个重要参量,知道了各fi,就能由9-3式得到反应性,有多种计算fi的表达式,对功率展平很好的压水堆,有半经验公式为
其中
不泄漏几率PL,,,α为调节参数,。
点堆模型中,还需考虑反应性随燃耗深度(B)的变化关系,对典型的轻水堆,可表示成线性关