第十一屉反应堆教值计算和粒子辅运学术台议量2 0 0 6 年反应堆精4 会议 C A N D U 堆高性能稍加浓铀燃料的 换料管理研究 陈明军1 0 张少汪2唐炯然 l 泰山第二棱电有限心曰，渐讧海盐，3 1 4 3 0 02 上海交通大学，上海，2 0 0 0 3 0 ■要t 奉论文的目的是研究秦山三期C A N D U { 帆组高性艟精加浓铀( C A N F L E X - S E U ) 先进燃料的换科管理 蘸喀．研究中．对0 9 ％- I3 ％的各种浓缩度精加浓铀燃料进行2 区时均模型计算，丹析和比较它们的可替作性， 安全性和经济性．确定I ．I 粥为C A N D U - 6 反应堆辅加浓铀燃料的最佳诹缔度．井对晕佳浓螭度的 C A N F L E X - S E U 燃料进行l O 区时均模型糟蛆计算．确定平衡堆芯∞换柑速率，功串丹布和卸料燃耗等特性参 数．通过深入研究和计算分析．控到T 过渡堆芯的挠料方案；通过首趺过渣换科采用标准6 棒束方式- 第= 放过蘸挟科采甩标准4 棒柬．虬盈适当的3 7 - N U 燃料和C A N F L E X q1 5 0 ／- s E u 燃料的混合使用，可班实现从 目前的3 7 - N U 燃料向C A N I L E X ．11 5 ％s 叫燃科的平稳过镀． 关键词，C A N D U 堆高性电穗m 浓怕先进憾辩按辩管理研究 1 引言 秦山三期两台7 0 万的核电机组为从加拿大引进的C A N D U 6 型重水堆。
此2 台分别于2 0 0 2 年1 2 月和2 0 0 3 年7 月投入商业运行，采用天然铀( u 瑚浓缩度为O7 1 ％w t ) 作燃抖．燃料 组件的机构采用3 7 元件棒的柬状形式( 如图1 ) ．具有简短的3 7 隶燃料棒束设计，燃料制遗 费用较低．以盈不停堆功率运行换料．燃料循环的灵活多样性的优点l 但同时也带来了以下 显著缺点： 1 ) 卸科燃耗浅( 平均约7 5 0 0 M W D n U ) ，比压水堆低4 ．6 倍．乏燃料量大( 1 0 0 吨库舰组) ， 中间储存和最终处置费用高 2 ) 换料频繁．操作量太．换料机维护费用高 3 ) 反应堆的安全裕量小，运行灵活性差而且，当机组运行1 0 年以后．由于老化现象导 致堆芯流量下降．为了保证安全运行裕量．不得不降功率运行 为了解决咀上问题，研究和应用新型高性能C A N D U 堆燃料( C A N F L E X ) 和提高燃料的 浓缩应( 如U m l0 ．12 ％燃料) 就具有重大的意义．可以改进燃料循环．提高机纽的安全运行 裕量．减少新燃料采购和乏燃料贮存和处理费J { { ，较人幅度地提高电站的安全性和经济性”J 。
②⑧■ 图13 7 元什燃料棒柬 C A N F L E X4 3 元件燃料棒柬及其C H F 提高附加块 第十一届反应堆数值计算和粒子输运学术会议暨2 0 0 6 年反应堆物理会议 首先，C A N F L E X 设计的初衷是为了解决此问题，提高临界通道功率( C C P ) ，以弥补压 力管蠕变和蒸发器管道结垢堵管等机组老化问题带来的安全裕量下降【2 】C A N F L E X 棒束的基 本结构和目前C A N D U 堆使用的3 7 元件棒束基本相似，棒束的外径和长度基本一致【8 J 二者 的比较参见图l ，不同之处在于棒束内燃料元件的尺寸和根数天然铀- - 3 7 棒束采用同一直径 ( 1 3 ．1 e m ) 的4 圈3 7 根燃料元件而C A N F L E X 棒束由4 圈4 3 根燃料元件组成，分为两种 不同尺寸：内部两圈8 根采用大直径( 1 3 ．5 c m ) 的燃料元件棒，外部两圈3 5 根采用小直径 ( 1 1 ．5 e m ) 的燃料元件棒C A N F L E X 棒束这一显著特点可以通过更多的元件数量和不同直径 尺寸元件相结合的方式，能起到展平棒束内功率分布的作用，降低元件峰值功率，增加了运行 的安全裕量【Z 洲。
C A N F L E X 棒束的另一显著特点是在在1 ／4 和3 ／4 燃料棒束平面上的燃料元件之间焊装了 C H F 0 怕i 界热通量) 提高附加块( 参见图1 ) ，能加强冷却剂的湍动，加强了冷却剂的充分搅混， 降低冷却剂空泡产生的可能性，从而提高传热效果和热工水力性能，显著提高堆芯的临界热通 量，使得运行安全裕量更高【2 ’5 】 其次，在最大限度利用天然铀资源和燃料循环成本最低的条件下，C A N D U 型重水堆的最 佳浓缩度应该在0 ．9 - 1 ．2 ％之郦7 1 改用稍加浓缩铀的燃料可以大大提高燃料的平均卸料燃耗水 平，0 ．9 ％- - 1 ．2 ％的稍加浓铀燃料的平均卸料燃耗可达到1 4 0 0 0 ．2 1 0 0 0M W 叭U ，对比原来0 ．7 1 ％ 的天然铀燃料平均卸料燃耗( 约7 2 0 0 M w 叭U ) 提高了2 " - 3 倍，天然铀需要量最大可减少2 5 ％，燃料循环成本可降低2 0 ％左右因此，采用稍加浓缩铀燃料存在巨大的经济价值和社会 效益，将直接地大量减少电站发电中与燃料相关的成本，有助于提高核电在市场上的竞争力 0 2 , 1 3 】。
本论文也是主要利用目前国际上C A N D U 堆成熟的物理设计和换料管理计算软件 W I M S - I S T l 9 1 、D R A G O N l l q 和R F S P ．I S 一】，开展高性能稍加浓铀燃料的换料管理研究工作 2 最佳浓缩度研究 由于C A N D U 堆采用不停堆连续换料，电站整个寿期内9 0 ％以上的时间都处于一个功率 分布相对稳定的平衡堆芯状态运行，堆芯运行和燃料安全性和经济性也集中体现在这个阶段 因此，最佳浓缩度的确定是基于平衡堆芯展开分析的考虑到堆芯2 个燃耗分区的“时间平均 模型”基本可以满足最佳浓缩度选择中平衡堆芯分析的要求，而且能够简化计算的工作量，因 此研究过程中使用R F S P 程序进行2 个燃耗分区的时均计算，以得到各种燃料浓缩度 ( 0 ．9 嘶％一1 ．2 5 w t ％) 的平衡堆芯特性参数 考虑在满足现有功率运行限值等安全指标的前提下，确定最佳燃料浓缩度的基本方法是： a ) 首先根据换料的可操作性，确定平衡堆芯应采取的基本换料方案( 换料方式) ； b ) 然后按确定的换料方式，进行时均计算，得到各种燃料浓缩度的平衡堆芯特性参数； c ) 最后计算分析平衡堆芯的燃料循环成本，确定最佳的燃料浓缩度。
2 ．1 选择换料方式 选取O ．9 ％和1 ．2 ％进行了2 棒柬和4 棒束换料方式的计算，比较电站实际换料运行活动中 的可操作性，得到以下结果： 2 1 8 第十一届反应堆数值计算和粒子输运学术会议暨2 0 0 6 年反应堆物理会议 幻2 棒束换料方式的换料速率为3 1 通道／每周和1 9 通道／每周在换料操作方面难以做到 如此高的换料频度，因此2 棒束换料方式不具有可操作性 协4 棒束换料方式的换料速率为1 6 通道／每周一1 0 通道／每周．仅相当与或小于现有的天 然铀- - 3 7 棒束换料频度( 1 4 —1 6 通道，每周) ，具有一定的可操作性 因此，所有换料研究应集中到4 棒束换料方式 2 ．2 平衡堆芯时均计算结果 堆芯2 个燃耗分区( 外区和内区燃耗比0 ．9 5 ) ，4 棒束换料方案进行时均换料计算，并控 制最大的通道功率在6 5 0 0 - - 6 7 0 0 k W 之间，最大的棒束功率小于8 6 0 k W ，得到0 ．9 0 ／o - 1 ．3 ％燃料 的时均卸料燃耗的时均卸料燃耗为1 3 0 8 S 一2 2 3 6 9 M W D ／t U ，其中1 ．1 5 ％为1 9 3 6 1 M W D ／t U ：最 大棒束功率在6 5 6 l k W 一6 6 8 9 k W 之间，其中1 ．1 5 ％为6 6 3 5 k w ：最大棒束功率在7 9 4 k W 二8 5 9 k W 之间，其中1 ．1 5 ％为8 1 9 k W ，详见表l 。
从表中可以看出，随着浓缩度的增加，平均卸料燃耗 不断增大，但是最大通道功率和最大棒束功率也随之增大，浓缩度达到一定程度( 如超过1 ．2 ％) 可能导致超过规定的限值( 安全分析要求，在包括换料的功率波动效应( 约5 ％一9 ％之间) 和程序计算误差( 约4 ％) 的情况下，最大通道功率和最大棒束功率不超过7 3 0 0 k W 和9 3 5 k w ) 同时，为了控制功率分布，相应的平均卸料燃耗随着浓缩度的不断增加，增加的趋势和幅度也 相应减小 表l不同浓缩度4 棒束换料方式下时均计算结果 燃料类型换料外内区2 区卸料燃耗 最大棒束最大棒束功率最大通道最大通道时均卸料燃耗 ( 呦 方式燃耗比 ( M W D ／t U )功率似m位置功率㈣功率位置( M W D ／t U ) 0 ．7 1 0 8 o ．97 爱；2 僦 8 0 5Ⅳ留P 】L 伽6 6 6 0 2 M 77 2 0 4 o ．9 0 0 4 0 ．9 5l 嫩0 ／1 2 8 5 1 ．0 7 9 | 4 M 1 7P L A N E 96 5 6 lⅣ5 1 3 0 8 5 0 ．9 2 540 ．9 51 4 2 3 0 ．o ／1 3 4 6 2 ．O7 9 2M 1 7 P L A N E 96 5 7 3M 1 81 3 7 2 7 0 ．9 5 040 ．9 51 4 8 9 3 ．O ／1 4 1 2 4 08 1 3M 1 7 P L A N E 96 6 1 2Ⅳ巧1 4 4 0 6 0 ．穸7 54o ．9 51 5 S 3 2 ．0 ／1 4 6 S 7 ．O踟9Ⅳ断P 】o 小i E 46 5 8 9l Ⅵ51 5 0 4 8 1 ．O o o 4 0 ．9 51 6 2 3 匾0 ，1 5 3 1 4 ．0 8 1 4 I Ⅵ6P L A N E 4 6 6 3 l腾1 5 6 8 9 1 ．0 2 54o ．9 51 6 “6 ．0 ／l S 9 8 ＆O8 l lM 1 7P L A N E 96 s 9 lM 5 1 6 3 0 3 1 ．0 5 040 ．9 61 7 3 6 9 ．0 ／1 6 4 7 & O踯9M 晒P I A N E 46 5 9 6Ⅳ巧 1 6 8 8 3 1 ．0 7 540 ．9 61 8 1 3 4 ．Ⅳ1 7 2 l Z O爱1 3Ⅳ硒P I ．A N E 46 6 2 0Ⅳ巧1 7 4 8 5 1 ．1 0 04o ．9 51 8 7 6 5 ．0 ／1 7 7 2 3 ．O8 1 7Ⅳ衢P L A N E 46 5 8 2Ⅳ巧1 8 1 0 2 1 ．1 2 540 - 9 51 9 2 5 0 ．o ／1 8 2 = 1 4 ．O8 1 5M 1 7 P L 气N E 96 5 9 9M 1 81 8 7 2 3 l 1 ．1 5 04o ．9 51 9 《隗o ／1 8 8 2 1 ．O8 1 9 ’M 1 7P L A N E 9，6 6 j o o’M 1 8’7 。
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