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1、1,核燃料管理与优化,核能系,2,多循环燃料管理 确定最佳各循环的装料策略（外部决策变量），包括循环长度、新料富集度、批料数及批料量 单循环燃料管理 确定单个循环的堆芯布料方案，包括燃料组件及可燃毒物的布置,3,基本物理概念,换料周期与循环长度 年换料、18、24个月换料 批料数和一批换料量 3批、4批 循环燃耗和卸料燃耗 年换料，卸料燃耗3338GWd/tU 18个月换料，卸料燃耗4045GWd/tU 美国核管会已于1999年批准提高核燃料燃耗深度的限值,即从以前规定的限值62GWd/tU放宽到7075GWd/tU。这样可以大大减少乏燃料的产生量。,4,基本物理概念,核电厂从建成到退役要经历
2、一系列的运行循环，按各循环的特性，可分为： 初始循环（或启动循环） 过渡循环 平衡循环 平衡循环序列在理想情况下是一个无限的循环序列，在这个循环序列中，每个循环的性能参数（如循环长度、新料富集度、一批换料量及平均卸料燃耗等）都保持相同，运行循环进入一个平衡状态。 一般认为平衡循环是性能指标最佳的循环方案，并为燃料管理人员定为目标运行循环,5,多循环燃料管理任务,反应堆堆芯核设计，需要 进行平衡循环性能分析，确定平衡循环方案 平衡循环的批料数、循环长度、新料的富集度 考虑如何过渡到平衡循环 初始循环的燃料装载方案 过渡循环的燃料装载方案 一般来说，这属于多循环燃料管理的任务,6,单循环燃料管理任
3、务,确定堆芯初步装（换）料方案 初步筛选出一批堆芯装料方案 最终换料堆芯的核设计 用精确的堆芯物理/热工水力程序对最终换料堆芯进行全面、精确的设计计算，提供反应堆设计、运行及安审所需的全部参数 换料堆芯的安全评价 对有关关键安全参数进行限值检验，对超限的情况，进行事故再分析或评价 一般来说，这属于单循环燃料管理的任务,7,燃料管理决策,8,多循环燃料管理,9,多循环燃料管理,主要是对以下变量进行科学决策： 批料数或一批换料的组件数量 循环长度 新料富集度 通常，先通过平衡循环性能分析确定达到平衡循环时的 以上决策参数，然后考虑如何达到平衡循环，在此过程 中，各循环之间存在强烈的耦合关系，为优化
4、决策必须 进行多循环（至少3个循环）分析,10,首循环堆芯装载图,三种燃料富集度 1.8% 2.4% 3.1% 图中数字代表硼硅玻璃可燃毒物棒根数,11,平衡循环堆芯装载图,3批年换料策略 out-in 方案 换料燃料富集度 3.2%,12,C1-C2,三种燃料富集度 2.4% 2.67% 3.0%,13,C3-C4,14,C9,15,平衡循环,乏燃料出堆,n个燃料循环,16,零维模型,开展平衡循环性能分析的常用模型 空间效应通过“批”平均特性给予极其简单的表示，而不具体关心组件在堆芯的布置,批料反应性,批料相对功率份额,17,线性反应性模型,18,平衡循环特性分析-1,循环燃耗与批料数之间的
5、关系,卸料燃耗与批料数之间的关系,新料初始反应性与卸料燃耗间的关系,19,平衡循环特性分析-2,循环燃耗随批料数n的增加而减小 卸料燃耗随批料数n的增加而增加。 连续换料可使卸料燃耗比一批换料增大一倍 3批换料可使卸料燃耗增大50%,新料富集度固定,既然批料数增加，可提高卸料燃耗，目前压水堆为什么不提高批料数？,20,平衡循环特性分析-3,循环初始剩余反应性随批料数的增加而减少 3批换料可使循环初始剩余反应性减少50%,新料富集度固定,剩余反应性减小意味着什么？,21,平衡循环特性分析-4,新料所需的初始反应性随批料数的增加而增大 利用压水堆燃料组件初始反应性与其富集度之间的关系可估算出核电厂
6、由3批换料改成4批换料时，为保持平衡循环的循环燃耗不变，需将新料的富集度由3批时的3%提高到3.5%。 与此同时，4批换料的卸料燃耗深度可提高到3批换料时的4/3倍。,固定循环燃耗(长度),22,平衡循环特性分析-5,为达到相同的卸料燃耗深度，随着批料数的增加，新料所需的初始反应性（或富集度）可随之减小。 CANDU的连续换料策略降低了其对燃料富集度的要求,固定卸料燃耗,23,压水堆平衡循环性能图,24,平衡循环堆芯装载图,3批年换料策略 out-in 方案 换料燃料富集度 3.2%,25,平衡循环临界硼浓度曲线,燃耗 临界硼浓度 0 1453 150 1125 500 1079 1000 1
7、017 2000 912 3000 807 4000 700 5000 594 6000 490 7000 387 8000 287 9000 188 10000 92 10872 10,26,平衡循环堆芯功率与燃耗分布,BLX,27,平衡循环堆芯功率与燃耗分布,MOL,28,平衡循环堆芯功率与燃耗分布,EOL,29,初始循环富集度的确定,通常选择平衡循环燃料富集度作为首循环堆芯的一种富集度 其余两批料富集度的确定一般根据工程经验，考虑以下因素来确定： 首循环寿期长度的要求 批料富集度之间合理的间隔,30,初始循环向平衡循环的过渡,固定循环燃耗和换料量，调节逐个循环的新料富集度 固定循环燃耗和
8、新燃料组件的富集度，调节逐个循环的换料量 固定新料的富集度和一批换料量，调节逐个循环的循环长度,31,初始循环向平衡循环的过渡,32,首炉堆芯装料方案的制定,装料方案的制定 燃料组件的优化布置 OUT-IN方式 可燃毒物的布置,33,首循环堆芯装载图,三种燃料富集度 1.8% 2.4% 3.1% 图中数字代表硼硅玻璃可燃毒物棒根数,34,不同类型的可燃毒物,目前压水堆工程中使用的可燃毒物按其在组件内的分布形式大体上可分三类 棒状可燃毒物 涂硼燃料元件 Gd2O3-UO2弥散型可燃毒物,35,首循环临界硼浓度曲线,燃耗 临界硼浓度 0 1064 150 781 500 769 1000 773
9、2000 752 3000 705 4000 646 5000 585 6000 521 7000 453 8000 381 9000 305 10000 226 11000 146 12000 64 12657 10,36,堆芯燃料管理（年换料制）,37,慢化剂温度系数,38,堆芯燃料管理,39,单循环（堆内）燃料管理,40,堆内燃料管理的任务,堆芯装料方案的确定 初步设计 换料方案详细核设计 换料堆芯的安全评价,41,第一部分,堆芯装(换)料方案简介,42,堆芯换料方案均匀装料,43,均匀装料的堆芯功率分布,寿期初功率峰因子过大，限制了反应堆功率输出,寿期末功率分布较理想，但已得停堆换料,
10、44,堆芯换料方案外-内装料,45,外-内装料,堆芯功率分布较均匀 中子泄漏损失大 对压力壳的中子辐照损伤大,46,堆芯换料方案外-内交替装料,47,外-内交替装料,功率分布比外-内装料更均匀 中子泄漏依然很大,48,低泄漏装料,49,50,低泄漏装料,自70年代末发展起来的一种装料方式，目前世界上多数压水堆核电厂已采用了该换料方案； 堆芯边缘中子通量密度较低，从而减少了中子从堆芯的泄漏，提高了中子利用率，延长了堆芯寿期； 更重要的是由于快中子泄漏的降低，使反应堆压力壳的中子注量减小，从而延长了压力壳和反应堆的使用寿命。,51,在低泄漏装料方案下RPV高能中子注量的改善,52,低泄漏装料带来的
11、问题,反应堆功率峰值增加，在每个循环中都得通过合理布置可燃毒物来抑制功率峰值； 有可能带来可燃毒物的反应性惩罚效应 功率峰值的最大值一般不出现在堆芯寿期初，在整个堆芯寿期内都得对功率峰值进行较验。 这些都给装料方案的设计带来困难,53,功率峰值随燃耗的变化,54,第二部分,堆芯核设计的任务与内容,55,内容,堆芯装(换)料设计的 目的 过程 设计软件 设计报告,56,堆芯装(换)料设计的目的,首要目的是确保设计的堆芯装载方案在其整个运行周期内是安全的。堆芯装(换)料设计必须遵守相应的国家核安全管理法规，得到国家核安全局的批准，以保证堆芯的安全性，实现电站业主对公众和环境的安全承诺。 在安全的基
12、础上，通过堆芯装载方案的优化设计，达到既满足电站发电计划的需求，又最大程度降低燃料成本的目的。 最后，在设计完成后，将相应的核参数图表提供给运行人员以指导电站的安全运行。,57,核电厂的特殊性 核燃料制造精密、要求的可靠性高、加工时间长 堆芯换料设计复杂，花费时间长 换料需监管部门进行安全审批 换料方案的设计和审批往往需要1年以上时间,58,堆芯装(换)料设计的过程,59,堆芯装(换)料设计的过程,制定堆芯装载计划 装(换)料设计及最终文件 换料堆芯设计文件的审查及提交 换料堆芯异常紧急设计,60,堆芯装(换)料设计的过程,制定堆芯装载计划 换料堆芯供应商及其换料设计分包商在收到TTS的第N循
13、环的PSSD及初步能力需求后，开始制作初步的堆芯装载计划 装料前3个月，换料堆芯供应商及其换料设计分包商根据电厂的最终循环要求和对初步堆芯装载计划的审查意见，向电厂提供最终的堆芯装(换)料计划 TTS对该计划进行审查、校核，确定装料计划,61,堆芯装(换)料设计的过程,装(换)料设计及最终文件 经后续循环装载方案的初步搜索，产生最终燃料管理报告 针对装料方案，对1、2类工况及主要的事故进行关键安全参数论证，同FSAR中的限值进行比较，以确认其安全性。产生换料安全评价报告 计算该装料方案的主要核参数以提供给运行人员使用，产生换料核设计报告 对换料堆芯，如有新型组件的引入等导致堆芯热工水力学特性发
14、生变化时，需进行相应的分析，产生换料热工水力设计报告 计算启动物理实验拟测参数，产生启动物理试验报告,62,堆芯装(换)料设计的过程,装(换)料设计及最终文件 最终堆芯装(换)料方案（装料前3个月） 最终燃料管理报告(FMR)（装料前2个半月） 换料安全评价报告(RSER)（装料前2个半月） 换料核设计报告(NDR)（装料前1个月） 换料热工水力设计报告(RTHR)（装料前1个月） 启动物理试验报告(SPTR)（包括堆芯理论数据库和失水事故监测系统数据软盘）（启动前半个月）,63,堆芯装(换)料设计的过程,换料堆芯设计文件的审查及提交 燃料管理科对换料设计分包商提供的文件，按换料堆芯设计审查规
15、程进行审查并认可。 有关设计文件交电站核安全与环保处(OSL)，OSL负责将这些文件提交给国家核安全局，作为第N次循环换料堆芯启动许可证申请的一部分。 核设计报告中的图表经编辑后提交给运行人员。,64,堆芯装(换)料设计的过程,换料堆芯异常紧急设计 在正常设计完成之后，若堆芯卸料后发现燃料组件有超过允许标准的破损或机械损伤，则已经确定的堆芯装(换)料方案需做紧急调整，用新燃料组件或乏燃料组件来代替破损的组件；有关换料设计报告需要修改，并送国家核安全局紧急审批。,65,设计软件,INCORE程序包,SCIENCE程序包,ANC程序包,ARMEL,NARVAL,SMART,APOLLO2-F,PH
16、OENIX-P,ESPADON,MARSOIN,SQUALE,FLICA III,ANC,APOLLO,测量数据处理,66,堆芯换料设计合同文件,堆芯装载计划 最终燃料管理报告 安全评价报告 核设计报告 热工水力设计报告 物理启动试验报告 燃料性能评价报告 测量数据处理和堆芯硼浓度跟踪所需的数据(库),67,堆芯装载设计,该项设计提供满足业主能量需求和堆芯各项安全准则的换料堆芯装载图以及换料堆芯的主要计算结果。根据换料设计规范，换料堆芯装载设计必须在要求的停堆燃耗窗口内满足如下安全准则和要求。 循环长度要求： 堆芯循环寿期内，热态满功率(HFP)、控制棒全提(ARO)状态下，堆芯径向功率峰因子(Fxy)要求(1.393 )； 各种插棒状态下Fxy满足限值要求； 寿期初(BOL)、热态零功率(HZP)状态堆芯慢化剂温度系数不为正值； 寿期末(EOL)、HZP时停堆裕量要求(1770 pcm)； 堆芯功率象限倾斜抑制要求。,68,堆芯燃料管理设计,该设计提供换料堆芯及后续两个循环堆芯燃料管
