專利名稱:輕水型中小動力反應堆堆芯燃料組件布料和換料方法
技術領域：
本發明涉及一種輕水型中小動力反應堆堆芯燃料組件布料和換料方法，屬于核反應堆技術領域：
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背景技術：
在核電站輕水反應堆的設計中，燃料的裂變同位素富集度和卸出燃料的燃耗深度是兩項重要的經濟指標。當設計功率確定以后，由反應堆物理、熱工和結構等設計要求以及經濟性的權衡，決定了燃料成分和燃料組件的數量。經濟規模核電站的設計結果是燃燒期末卸出的燃料組件達到和接近該品種燃料組件所允許的燃耗深度。
隨著燃料組件研制和加工的改進，以及燃料使用經驗和輻照考驗時間的增加，允許的燃耗深度逐步提高，這就要求反應堆燃料布料和換料方式，滿足新燃耗深度的設計要求。為增加燃耗深度在設計上通常采用的方法有1、提高燃料裂變同位素富集度，達到卸出燃料燃耗深度增加和換料周期延長的目的；2、擴大堆芯尺寸增加初始燃料裝載量，達到加深燃耗深度和延長換料周期的目的；3、增加燃料換料批次，在燃料循環特性滿足使用要求的情況下，達到提高卸料燃耗深度的目的。
第一種方法提高了燃料單價，增加了初裝燃料費和燃料更換費用，但由于燃耗加深和換料周期的延長，提高了總經濟效益。第二種方法由于壓力殼直徑擴大、吊籃及堆芯結構件擴大，增加了堆芯結構擴大的費用，另外還增加了初裝燃料費用和可能增加的控制棒及驅動機構等費用。這種方法往往在堆芯擴大以后，相應地提高反應堆輸出功率，即提升到一個新的功率設計水平，這會有更好的經濟性。第三種方法換料周期(循環燃耗)縮短和換料批次增加，不提高燃料富集度也可以提高卸料燃耗深度。
現在還有另一種情況，即在中小型動力堆的設計中，往往也采用與核電站反應堆相同的燃料元件，也被允許達到核電站那樣的較深的燃耗深度。但中小型反應堆與經濟規模核電站反應堆相比，堆芯尺寸小得多，設計結果是燃料裂變同位素富集度高而燃耗深度淺，燃料經濟性較差。
對于中小動力堆，壓力殼、堆芯構件及控制棒驅動機構等，由于結構件尺寸比核電站的相應尺寸小得多，兩者在加工難度和材料成本上有很大區別，因此堆芯結構擴大費用相對較低，特別是以低溫供熱為目的的反應堆，這項費用更低。有些低溫供熱堆，例如池式供熱堆就不需要反應堆壓力殼、吊籃等結構部件，結構擴大費用很低。而核燃料組件的單位價格與大型核電站反應堆相比沒有很大變化，因此初裝燃料費占總投資的比例顯著提高。在核電站的總投資中，初裝燃料費僅占1～2％，而在有些中小動力堆中，初裝燃料費可能占到20％。
圖1為已有技術的中小動力反應堆初裝堆芯燃料組件布料圖，反應堆按4批換料方式布料，即每次換料卸出1/4組件，加入1/4新燃料組件。不同富集度的燃料組件按外內交替方式布置，第一種組件即富集度最高的燃料組件放在堆芯的外圍，其他第二、第三、第四種燃料組件即富集度較低的燃料組件放在內部交替排列，這種布置有利于反應堆功率展平及反應性。但對于功率小于經濟規模核電站反應堆的中小反應堆，其燃料富集度高而卸出的平均燃耗深度卻較低。
發明內容
本發明的目的在于提供一種輕水型中小動力反應堆堆芯燃料組件布料和換料方法，對已有的燃料布料和換料法做出改進，以有效、經濟地利用核燃料并獲得較低動力成本。
本發明提出的輕水型中小動力反應堆堆芯燃料組件布料和換料方法，堆芯置于圍筒內，所述的堆芯分成中心區和外區，初次裝載時中心區布置反應堆的燃料組件，外區布置空組件，當堆芯換料時，從中心區卸出組件，將其放置在外區，替換空組件。
上述方法中，當堆芯換料時，從中心區卸出組件，將其放置在外區，替換空組件，第二次換料時繼續從中心區卸出組件，將其放置在外區，替換空組件，重復上述過程，直到在堆芯外區的組件達到或接近設計要求的燃耗深度。
上述方法中的空組件是由金屬板制成的空盒，空盒的外形和尺寸與所述的燃料組件相同，空盒的上下底板或側壁板上有孔，空盒內充滿水。
上述方法中的空組件由低中子吸收材料制成，該低中子吸收材料可以為石墨、鋁、鋯或不銹鋼的任何一種或其混合。
上述方法中的空組件可以為輻照組件。
本發明提出的輕水型中小動力反應堆堆芯燃料組件布料和換料方法，與沒有采用本方法的反應堆相比，有如下優點1、堆芯擴展后比功率降低，泄漏反應性損失減少，增加了堆芯反應性(即提高了中子經濟性)，降低了燃料成本；2、在本發明與已有技術的燃料富集度相同、初裝燃料組件數量相同、不增加燃料總費用的情況下，加深了卸料燃耗，降低了動力成本；3、本發明方法使堆芯擴展后，若需要提升反應堆功率，所需的投入費用很低；4、提高了燃料利用率，降低了總乏燃料產生量。
圖1為已有技術的中小動力反應堆初裝堆芯燃料組件布料和換料示意圖。
圖2為本發明提出的輕水型中小動力反應堆堆芯布料和換料法的初裝堆芯組件布置圖。
圖3為本方法第一次燃料組件換料示意圖。
圖4為使用本發明方法的平衡堆芯燃料組件布料和換料示意圖。
圖5為本發明中作為空組件的空盒結構示意圖。
圖6為本發明中作為空組件的另一種空盒結構示意圖。
圖1及圖2中，01是第一種燃料組件，02是第二種燃料組件，03是第三種燃料組件，04是第四種燃料組件，A是堆芯圍筒，B是空組件。圖3及圖4中，05是第五種燃料組件，依此類推，17是第十七種燃料組件。圖5中，18是上連接件，19是上底板，20是側壁板，21是下底板，22是下連接件，23是孔。圖6中，24是上底板，25是側壁板，26是下底板，27是下連接件，28是孔。
具體實施方式
本發明提出的輕水型中小動力反應堆堆芯燃料組件布料和換料方法，堆芯置于圍筒A內，所述的堆芯分成中心區和外區，如圖2所示，其中B是空組件，空組件所在位置為堆芯外區，初次裝載時中心區布置的反應堆的燃料組件01、02、03、04與圖1中布置相同，燃料組件所在位置為中心區，外區布置空組件B，當堆芯換料時，從中心區卸出組件，將其放置在外區，替換空組件B。
上述方法中，當堆芯換料時，從中心區卸出組件，將其放置在外區，替換空組件B，第二次換料時繼續從中心區卸出組件，將其放置在外區，替換空組件B，重復上述過程，直到在堆芯外區的燃料組件達到或接近設計要求的燃耗深度。替換空組件的換料次數由是否達到設計的卸料燃耗深度來決定，當達到卸料燃耗深度后，不再替換空組件，而是替換乏燃料組件。
上述方法中的空組件是由金屬板制成的空盒，其結構如圖5所示，空盒的外形和尺寸與所述的燃料組件相同，空盒有上連接件18及下連接件22，空盒的上下底板19、21或側壁板20上有孔23，空盒內充滿水。
上述方法中的空組件是由金屬板制成的空盒，其結構如圖6所示，空盒的外形和尺寸與所述的燃料組件相同，空盒有下連接件27，空盒的上下底板24、26或側壁板25上有孔28，空盒內充滿水。
上述方法中的空組件由低中子吸收材料制成，該低中子吸收材料可以為石墨、鋁、鋯或不銹鋼的任何一種或其混合。
上述方法中的空組件可以為輻照組件，利用堆芯外區的中子生產輻照產品。
以下結合附圖，介紹本發明的一個實施例。
圖2中，01至04是由157盒燃料組件構成的反應堆堆芯中心區，不同燃料富集度的燃料組件數量及布置與圖1相同；B是由64盒空組件構成的反應堆堆芯外區；A是擴大后的堆芯圍筒。
圖3中，05是鈾-235富集度為3.0％的新加入的燃料組件，共有32盒；06是經過第1循環的富集度為3.0％的組件，共有36盒；07是經過第1循環的富集度為2.4％的組件，共有40盒；08是經過第1循環的富集度為1.8％的組件，共有40盒；09是經過第1循環的富集度為1.3％的組件，共有9盒；10是經過第1循環的富集度為1.3％的組件，從中心區卸出后放置在堆芯外區，共有32盒。堆芯外區剩下的32盒空組件B，將在下次換料時被替代。這種燃料組件布置已經不是圖1所示的外內交替方式，而是轉變成低中子泄漏布置方案，即堆芯徑向邊緣中子密度低，有利于中子經濟性，同時增加了換料批次，加深了卸料燃耗。擴大后的堆芯按設計要求，調整組件布置和控制棒數量，在中心區以滿足功率展平和反應性要求為主，每個組件占有較高的功率份額，而外區布置有一定燃耗深度的組件，每個組件占功率份額較低，但在需要時組件可以在中心區和外區之間交換位置而不受限制。
圖4中，在經過多次循環和換料以后，反應堆達到低中子泄漏方案的平衡燃料循環。11是加入的鈾-235富集度為3.0％的新燃料組件，共有32盒；12至17依次是經過1、2、3、4、5、6批次循環的具有一定燃耗深度的燃料組件，除15為29盒外，其余均為32盒。新燃料組件11在經過7個批次循環后，成為17批次組件，在它卸出時，最深燃耗已經接近了本實施例所用燃料組件的允許值。
完成堆芯布料和換料法的堆芯擴展后，反應堆可在兩種狀態下運行。一種是保持輸出功率不變，由于堆芯擴大和卸料燃耗加深，可以延長循環周期；也可以保持循環周期不變，減少批換料組件數量，即改變燃料換料批次。另一種是與負荷需求配合，增加冷卻環路或冷卻設備(如循環泵和熱交換器等)，提升反應堆輸出功率。當中小反應堆用于供熱或熱電聯供時，用戶熱負荷需求數量往往會隨時間增加，因此完成堆芯擴展后，適當提升功率，可獲得更好的經濟效益。
本實施例與沒有采用堆芯布料和換料法的反應堆相比，在滿足同樣燃料循環周期要求的情況下，本實施例的平均卸料燃耗深度可從25000MWD/tU提高到32000MWD/tU以上，換料批次由4批變成7批，循環換料每批次組件數量由40盒降到32盒。新燃料組件經過7個批次循環后，被卸出堆芯時，不僅平均卸出燃耗加深，而且批次內組件之間燃耗深度差異很小，顯著提高了燃料經濟性。
權利要求
1.一種輕水型中小動力反應堆堆芯燃料組件布料和換料方法，其特征在于所述的堆芯置于圍筒內，所述的堆芯分成中心區和外區，初次裝載時中心區布置反應堆的燃料組件，外區布置空組件，當堆芯換料時，從中心區卸出組件，將其放置在外區，替換空組件。
2.如權利要求
1所述的方法，其特征在于當堆芯換料時，從中心區卸出組件，將其放置在外區，替換空組件，第二次換料時繼續從中心區卸出組件，將其放置在外區，替換空組件，重復上述過程，直到在堆芯外區的燃料組件達到或接近設計要求的燃耗深度。
3.如權利要求
1所述的方法，其特征在于所述的空組件是由金屬板制成的空盒，空盒的外形和尺寸與所述的燃料組件相同，空盒的上、下底板或側壁板上有孔，空盒內充滿水。
4.如權利要求
1所述的方法，其特征在于所述的空組件由低中子吸收材料制成。
5.如權利要求
4所述的方法，其特征在于所述的低中子吸收材料為石墨、鋁、鋯或不銹鋼的任何一種或其混合。
6.如權利要求
1所述的方法，其特征在于所述的空組件為輻照組件。
專利摘要
本發明涉及一種輕水型中小動力反應堆堆芯燃料組件布料和換料方法，屬于反應堆技術領域：
。本方法中，堆芯置于圍筒內，所述的堆芯分成中心區和外區，初次裝載時中心區布置反應堆的燃料組件，外區布置空組件，當堆芯換料時，從中心區卸出的組件放置在外區，替換空組件。第二次及其后的換料，還可繼續替換空組件，直到卸出的組件達到或接近設計要求的燃耗深度。堆芯擴展后比功率降低，泄漏反應性損失減少，增加了反應性，提高了燃料利用率，降低了總乏燃料產生量。在與已有技術的燃料富集度相同、初裝燃料組件數量相同、不增加燃料總費用的情況下，加深了卸料燃耗，降低了動力成本；當堆芯擴展后，反應堆功率可適當提升，功率提升的費用較低。
文檔編號G21C5/00GKCN1832053SQ200510053467
公開日2006年9月13日 申請日期2005年3月11日
發明者田嘉夫 申請人:田嘉夫導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan