核反应堆物理基础9章ppt课件

1、反响堆核燃料管理的目的? 为了经济和平安两次停堆换料之间的时间间隔称换料周期反响堆阅历了一个换料周期，也就是阅历了一个运转循环。一个运转循环阅历的运转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。假设较短，反响堆的初始剩余反响性可以较小，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。9.1 核燃料管理中的根本物理量一、换料周期与循环长度批料数n=NT/N，NT为堆内燃料组件总

2、数，N为一批换料量，即一次换料改换的换料组件数。如秦山核电厂，堆芯共121个燃料组件，一批换料量为40或41，那么批料数为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：堆芯经过一个运转循环后净增燃耗深度。卸料燃耗Bd：新燃料从进入堆芯经假设干个循环到卸出堆芯所到达的燃耗深度。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。管理的中心问题：是如何在保证核电厂平安运转的条件下，使核电厂的单管理的中心问题：是如何在保证核电厂平安运转的条件下，使核电厂的单位能量本钱最低。包

3、括以下两个管理内容。位能量本钱最低。包括以下两个管理内容。一、堆芯燃料管理战略及换料方案确定a.批料数n或一批换料量Nb.循环长度Tc.新燃料的富集度d.循环功率程度pe.燃料组件在堆芯的装载方案Af.控制毒物在堆芯的布置和控制方案BP上述变量之间存在相互影响和耦合的关系，例如各运转循环之间存在强耦合，由于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，必需进展优化决策处置。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，即将空间效应经过“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

4、多级循环和空间上多维的决策过程，运用数值方法计算。实践计算，为降低求解的困难，采用脱耦的方法，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。此步骤主要思索燃料和毒物的空间分布影响，而不思索循环之间的影响，普统统过二维堆芯分析计算，得到最正确换料方案。上述两个步骤往往需求迭代，如图9.1二、初始堆芯及换料堆芯的核设计设计方法：先器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展初选，然后用准确堆芯物理/热工水力模型对所选方案进展计算评价，得到最终的换料核设计。最终的换料核设计要提供：寿期内各规定时辰的堆芯功率分布和功率峰因子寿期内燃

5、料成分、反响性或临界可溶硼浓度随时间的变化反响堆启动物理实验参数及运转所需堆芯参数反响堆控制和运转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平安评价所需的参数9.3 多循环燃料管理多循环燃料管理核电厂从建成到退役约40-60年，要阅历几十个运转循环，构成一运转循环系列。可按各运转循环特性，分为初始循环或启动循环：初始循环或启动循环： 第一个循环，独一一个堆芯全部第一个循环，独一一个堆芯全部由由 新新 燃燃 料组成的循环。料组成的循环。过渡循环：通常将从第过渡循环：通常将从第2循环到初始循环堆芯内的燃料全部卸循环到初始循环堆芯内的燃料全部卸出的循环出的循环 系列。受扰动的平衡

6、循环到平衡循环重新建立之系列。受扰动的平衡循环到平衡循环重新建立之间的循环也间的循环也 称过渡循环。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一样，例平衡循环：指一循环系列中每个循环的性能参数一样，例如循环长度、如循环长度、 新料富集度、一批换料量及平均卸料燃耗新料富集度、一批换料量及平均卸料燃耗等等受扰动循环：相对于平衡循环而言，实践的循环都是一个受受扰动循环：相对于平衡循环而言，实践的循环都是一个受各种要素各种要素 扰动的循环，平衡循环是性能目的最正确的扰动的循环，平衡循环是性能目的最正确的循环方案，是循环方案，是 燃料管理追求的目的。燃料管理追求的目的。一、平衡循环是最简单也

7、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为走漏中子数，那么反响性为1. 点堆模型堆芯物理形状的描画点堆模型堆芯物理形状的描画TTNiiNiRiiFAAF11)(9-1用i表第i个组件的反响性iiiiiikkFAF,19-2得iLiifTNiiRLFA1其中9-3为走漏反响性损失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式得到反响性，有多种计算fi的表达式，对功率展平很好的压水堆，有半阅历公式为其中其中不走漏几率PL,i对堆芯周围区

8、批料取0.85，对内区批料取1.0，为调理参数，普通取2.0。点堆模型中，还需思索反响性随燃耗深度B)的变化关系，对典型的轻水堆，可表示成线性关系TTNiiiNiiiiqqFFf11niiiLiiLikPkPf1,)()（iiiiBB, 0)（系数i为这一变化关系中的斜率，和0,i一同可由组件程序由燃料富集度和栅格几何得到。线性模型对于大多数轻水堆有足够的精度，但对于有多根可燃毒物棒时，应以高阶多项拟合式替代。称为线性反响性模型LRM) 线性变化如图线性变化如图9 .2点堆模型中需求处置的另一物理量是走漏反响性L对百万千瓦级电站反响堆L约4%，普通分成轴向走漏反响性损失L,A和径向走漏反响性损

9、失L,R两项处置，前者可从轴向通量密度近似成余弦分布估算，约1%，且随燃耗变化较小；后者要根据堆芯布料方案确定：对外-内装料方案，可从最外面一批燃料组件的反响性中扣除L,R相对功率份额fi，组件反响性i及其随燃耗深度Bi的变化，以及走漏反响性损失确实定，是用点堆模型分析多循环燃料管理的三个重要问题。是关于各平衡循环中燃料组件初始富集度，循环长度和燃耗深度等参量之间的关系分析。2. 平衡循环特性分析平衡循环特性分析对n批换料堆芯，各批料相对功率份额fi=1/n，用i表示批料i的反响性，此处i中思索了走漏反响性损失的效应，根据9-2iLiif有9-3设每一循环的循环燃耗为Bc(或Bnc,根据线性反

10、响模型，并留意该模型中的Bi为燃耗深度，Bi=iBc，有分析方法：采用点堆、线性反响模型、各批料相对功率份额相等。niin119-100110nicnBin9-11令寿期末反响性为零 利用 上两式，以及初始反响性与燃料初始富集度之间的关系通常由组件程序计算，给出了燃耗深度、批料数和初始富集度三者间的关系。分三种情况讨论：ninni12) 1(9-12得n批换料燃耗与初始反响性0或与一批换料燃耗B1c之间的关系ccnBnnB1012) 1(29-139-159-14B1c=0/，也是卸料燃耗B1d，那么卸料燃耗Bnd为dcndnBnnnBB112由上两式，得初始反响性0与燃料卸料燃耗深度之间的关

11、系dnBnn2101固定燃料组件的初始富集度即固定初始反响性0当堆芯由一批料n=1)构成，如船用反响堆堆芯，卸料燃耗深度为01dB对n批换料12/1nnBBddn12/1nBBccn(9-16)(9-17)(9-18)上两式给出了燃耗深度和循环燃耗与批料数间的关系，如图9.3图9.3阐明，对于一定的初始富集度，循环燃耗随批料数n添加减小；卸料燃耗随批料数添加而添加。前者可解释为：n添加就是减少循环初入堆新燃料组件数，因此循环长度缩短，循环燃耗降低；后者可解释为：n添加即延伸了燃料组件在堆内的停留时间，因此燃耗加深。n时，添加批料数n还可降低循环初堆芯剩余反响性，从而降低对反响性控制系统的要求，

12、这对提高反响堆平安有利。例如，设1,n为n批换料的堆芯循环初的反响性，有ddBB1022商用轻水堆普通选择n在2n5。压水堆常采用三批换料方式，与一批换料相比，燃耗深度提高50%。(9-19)(9-21)(9-20)这种能将卸料燃耗提高到最大，为最小换料量，是每次装卸一个燃料组件，称延续在线换料，如CANDU型堆和球床型高温气冷堆。即在三批换料下，可使循环初堆芯剩余反响性减小50%。cnnicnnBnBin2110110, 1120, 11 , 1, 1nnn2固定循环燃耗对典型的压水堆，初始反响性与富集度有以下近似关系1 , 0, 021nn(9-22)(9-23)和核电厂的换料周期往往固定

13、，1年或18个月，即循环长度或循环燃耗固定，在此情况下，n批换料与1批换料所需的新反响性间的关系为)0 . 1( 1 . 00为U-235的分量百分比表燃料富集度。由上式，可估算出将三批换料改为4批换料时，在坚持循环燃耗为固定的情况，富集度需由三批时的3%提高到3.5%，卸料燃耗深度为为3批换料的4/3倍。3固定卸料燃耗深度 即相对于一批装料方式，反响性减小量为1 , 0, 021nnn(9-24)根据(9-15)，并假定不同富集度燃料组件具有一样的反响性随燃耗变化的斜率，可导出/1 , 01ddnBB对延续换料 n的初始反响性，可降为一批换料的1/2。反响性的降低，即降低了对燃料富集度的要求

14、，这就是采用延续换料的加拿大CANDU堆用天然铀作燃料的一个缘由。上式阐明，n越大，n批换料的初始反响性就越小于1批换料的初始反响性。如图9.4所示。1 , 0, 021nnn(9-25)图9.5是关于新料富集度、换料批数、循环燃耗和卸料燃耗之间的关系，阴影部分是思索设计和运转约束条件后的可行解区域。该图基于线性反响模型，及初始反响性与富集度之间的线性关系得到，采用非线性模型或其它更准确的模型经过数值计算也能得到。二、初始循环与过渡循环二、初始循环与过渡循环平衡循环序列是性能目的最正确的循环系列，本节讨论如何从初始循环过渡到平衡循环。过渡方式：三种1固定循环燃耗(Bc)或循环的能量消费，并固定

15、一批换料量N，调理逐个循环的新料富集度；2固定循环燃耗和新燃料组件富集度，调理逐个循环的一批换料量N；3固定新料的富集度和一批换料量N，调理逐个循环的循环长度。下面以方案1讨论这种过渡，包括初始堆芯富集度确实定根据循环末堆芯反响性为零，及根据堆芯反响性与各组件反响性的关系J为新料顺序号。进一步，可以得到关于新料反响性的关系式或Liiif对知的燃料组件设计，反响性随燃耗变化的斜率和循环燃耗Bc为知，只需知道新料初始反响性0,1 、0,2，就能确定其他新料初始反响性。利用初始反响性与燃料富集度的关系，经过选择1、 2，确定3、4、5，依次类推。9-28到9-32式是在0,4 =0,3对上述确定富集

16、度的举例阐明。对3批换料n=3，初始循环、第2和第3循环末，分别有以下方程0331, 0cjjB(9-26)iiif和线性反响性模型iiiiBB, 0)（0542, 0cjjB0653, 0cjjBcB33 , 02, 01 , 0cB21 , 04, 0cB2, 05 , 0(9-27)可以证明，在一批换料量固定的情况下，采用以上方法确定新料富集度，初始循环可逐渐收敛于平衡循环。例：一压水堆核电厂初始堆芯3批换料的富集度分别为2.4、2.672和3.0235U w/o)，燃料组件总数为121。从第2循环始，每循环改换40燃料组件，且换料富集度就采用平衡循环的换料富集度3.0235U w/o)

17、。图9.6给出了各循环循环燃耗随循环数的变化。从第5循环开场，循环燃耗就根本接近平衡循环燃耗了三、多循环燃料管理计算对平衡循环的性能进展分析，以确定平衡循环时新料富集度、循环燃耗 Bc(或循环长度Tc)和批料数n或一批换料数N)等决策变量之间的关系。另外，也对过渡循环燃料管理方案进展研讨。 用一些简化的近似模型，例如前面引见的点堆、线性反响性模型和各批料功率份额一样等，可以解析给出平衡循环各决策变量之间的关系。但在实践工程中，由于上述模型的近似性，各决策变量之间的关系需由数值方法得到。图9.7给出了在循环燃耗 Bc(或循环长度Tc) 事先给定的情况下，计算平衡循环新料富集度的流程图。四、多循环

18、燃料管理优化当决策变量不只一个，例如图9.7把n固定只需一个决策变量，假设把n也取作决策变量，那么问题将变得复杂。由于n添加，卸料燃耗Bd必然添加，这对经济有利，但对新料富集度的要求也提高，即燃料价钱要提高，这就存在一个优化决策问题。以X表堆芯形状变量，D表决策变量例如富集度和n，用f(Xl-1,Dl)表l循环的能量本钱，那么单个循环的最小能量本钱可表示成：到达平衡循环前需阅历假设干循环，优化目的应是整个燃料循环的总费用最小，即需求),(min1lliDXfC9-33)lllDXfC),(min19-34)由于决策变量多和非线性特点有的变量只能离散化变化，是一个非常复杂的优化问题。普通引入一些

19、假设例如用线性化替代非线性，进展优化处置。实践计算中，以新料富集度和新燃料组件个数作为上式中的决策变量Dl，以循环的能量消费、最大卸料燃耗深度、最高富集度等作为约束条件，以循环的能量本钱为部标函数。目前优化的主要方法有：线性规划、非线性规划、动态规划和蒙特卡罗整数规划等。一、堆芯换料方案9.4 单循环燃料管理换料方岸要处理的问题是：燃料在堆芯中如何布置？均匀装料：整个堆芯采用一样富集度的燃料元件在这种装料方式下，寿期初堆芯的功率峰因子很大，堆芯中心区域的中子通量密度很高，限制了反响堆的输出功率，这是均匀装料方式的一大缺陷。另一方面由于堆芯中心区功率密度很大，因此这区域中的燃料耗费很快；而在堆芯

20、边缘区域的功率密度很小，因此这区域中的燃料耗费很慢。这样，在堆芯寿期末，虽然功率密度分布己趋于平坦如图9.8所示，但是己经快要换料了。在卸出的核燃料中，许多燃料元件的燃耗深度很低，因此反响堆的平均燃耗深度也很低，这是均匀装料方式的另一艰苦缺陷。基于这些缘由，目前动力堆都不采用这种换料方式。分两中布置方式：均匀装料和非均匀装料非均匀的分区装料方式 堆芯按径向分成假设干个区域，在不同区域，燃料的富集度不同。如图9.9。从中心到边缘分三区，富集度分别为2.1%、2.6%、3.1%。有以下几种非均匀装料方案1、内-外装料方案把芯部自内向外分为三区，把新颖燃料装在堆芯最内区，把烧过一个循环的燃料组件布置

21、在第二区，而在最外区布置烧过二个循环的燃料组件。换料时把最外区的燃料组件卸去，然后把中间两区的燃料组件依次移到第二区和边缘区，而在中心区装上新的燃料组件。图6.4 四分之一圆柱形堆芯燃料装载图这种分区装料方式可以使燃料燃耗比较均匀，相对于均匀装载可以有较高的平均卸料燃耗深度，同时由于富集度高的燃料组件放在中心部分，因此反响堆的中子走漏损失较小，反响堆的寿期比较长。它的艰苦缺陷是：寿期初的中心部分中子通量密度很大，因此堆芯的功率不均匀系数较大，限制了反响堆的功率程度。而且在大型堆芯中，在燃料富集度不同区域的交界处，功率分布有显著的突变。将引起较大的功率峰因子。因此在动力堆的实践运转中不采用这种装

22、料方式。2、外-内装料方案这种装料由于新的组件是排在芯部边缘区而中心那么是经过二个循环燃耗比较深的组件，因此能到达展平堆芯中子通量密度的目的而使功率峰因子下降。它的缺陷是中子走漏损失较大，使堆芯寿期减小。同时压力壳内的积分中子通量密度较高，对压力壳的热冲击大，使压力壳的寿命降低。图6.4 四分之一圆柱形堆芯燃料装载图与前面内-外装料方案刚好相反，新颖的燃料组件装在堆芯的边缘区。换料时，先把中心区的组件卸去，然后把边缘区的组件按批向里倒料。3、外-内分区交替装料 这是压水堆传统的一种装料方式，它是在外-内装料方案根底上开展起来的。新组件仍放在堆芯外区而在中间和中心两区把第二和第三循环的燃料组件象

23、图所示那样，不同富集度燃耗深度的组件分散交替地陈列在堆芯中。换料时，新的燃料组件装在最外区，而内区经过了三个循环的燃料组件由外区经过了一个循环燃料组件替代。每次换料时不用挪动堆芯中全部然料组件，因此缩短了换料时间，装卸也较简便。这种装料方式，芯部富集度分布比较均匀，中子通量密度分布将象精细的波浪形，降低了部分功率峰因子，在80年代被广泛采用。4、低走漏装料方案、低走漏装料方案是70年代末开展起来的目前多数压水堆采用的装料方式，它吸收了前面几种装料方案的优点。它将新燃料组件多数布置在分开边缘接近堆芯区的位置上，而把烧过二个循环以上的组件安顿最外面的边缘区，把烧过的第二和第三循环组件交替地布置在堆

24、芯的中间区。图6.4 四分之一圆柱形堆芯燃料装载图优点：堆芯边缘中子通量密度较低，减少了中子从堆芯的走漏，提高了中子利用的经济性和芯部的有效增殖系数，延伸了芯部的寿期；在新燃料组件数一样的情况下。与前面外-内装料方案相比，富集度可减少5-10 % ；快中子走漏的降低，减少了堆芯压力壳的积分中子通量，降低了热冲击，从而延伸了压力壳和反响堆的寿命。图9.10比较了比较这一热冲击。由于新燃料组件移到堆芯内部，使功率峰值较外-内装料方案添加。为了得到可接受的功率峰值，除了恰当地选择组件的合理布置，必需采用一定数量的可燃毒物棒来抑制功率峰以到达允许的数值。通常用硼玻璃作为可燃毒物。但可燃毒物棒的运用带来

25、了另一副作用，即在循环寿期末硼-10未能全部烧完，尚残留一小部分，这就减少了反响堆的剩余反响性，即带来所谓残硼反响性惩罚，缩短了堆芯的寿期。这一效应部分地抵消了低走漏装料所带来的经济效益。低走漏装料具有的问题除要确定各种燃料组件在堆芯的布置外，还需处理可燃毒物棒的分布问题，同时还应检验整个循环寿期内功率峰值的变化，使其满足平安约束条件。因此，低走漏的装料方案需求根据阅历经过详细计算来优化确定。另一方面，对于传统的外-内装料方式，新燃料组件放最外区，不采用可燃毒物棒，因此其功率峰值将随燃耗的添加趋于减小，设计时只需保证循环寿期初满足功率峰值的约束要求就可以了。但是在低走漏装料方式中，功率峰值能够

26、随燃耗的添加而增大。图9.11。因此，低走漏装料方案的堆芯装换料方案设计要比通常的换料设计复杂得多。从图9.12的计算流程，其计算可分为两大模块二、堆芯燃料管理计算计算包括：堆芯换料方案确实定；最终换料方案的核计算与平安评价。后者在于提供各种参数，确保装料方案能满足运转、平安和经济性的各项要求。两者都是对给定方案进展计算，计算内容和步骤根本一样，只是计算精度和用的程序系统有差别。后者计算的程序应是国家核平安机构审查的堆物理/热工水力计算程序系统。1.燃料组件计算或少群群常数计算根据核设计计算需求，生成堆芯燃料组件在不同燃耗深度和工况功率程度、硼浓度、慢化剂和燃料温度等下的双群等效均匀化常数，以

27、供堆芯分散-燃耗计算运用。2.堆芯计算模块1截面处置接口程序包含以下程序模块：由组件计算程序产生的是离散的截面数据，需求经过参数拟合或查表插值方法产生适宜能够工况下的截面参数。2堆芯中子临界与燃耗计算程序这是对堆芯进展分散方程求解与临界计算，求出功率分布和临界硼浓度，是堆芯计算的中心部分。早期采用二、三维有限差分法分散计算程序，目前普遍用先进的节块方法程序系统，通常以一个组件为一个节块，可获得与差分法同等的精度，但计算时间要少得多。目前通常把组件程序和堆芯计算程序2个模块配套组合成一个“堆芯燃料管理计算系统或软件包供核设计运用。如美国的CASMO/SIMULATE程序系统，西屋公司的APA以及

28、法国的SCINCE程序系统。三、换料周期与换料批数 换料周期：两次换料之间的时间间隔称为反响堆的换料周期 假设换料周期获得比较短，那么反响堆的初始过剩反响性可以比较小，因此控制棒的数目或控制毒物的数量可以减少，核燃料的比装量即发出一定功率所需的核燃料装载量也可以减少，这在经济上会带来很多益处。但假设换料周期获得太短，这将导致频繁的停堆，使反响堆的负荷因子，也称年利用因子降低，这在经济上又会带来损失。同时换料周期的选取还应思索电力系统的需求，普通将核电厂的停堆换料时间选择在电网用电负荷较小的季节，以减小停堆损失及对整个电网的影响。因此换料周期的选择必需全面思索。换料批数：假设 N 为每次换料装入的新的燃料组件数， NT 为堆芯内燃料组件总数， NT/N就是换料批数。 假设添加换料批数，那么反响堆每次停堆换料卸出的然料组件数将减少，在一样的换料同期下，核燃料平均在反响堆内停留的时间将延伸，批平均卸料燃耗深度也将添加，这是添加换料批数有利的方面。目前，国际上许多压水堆都将换料批数从三修正为四批，以提高燃料的利用率。当换料批数添加后，核燃料将在堆内经更多的燃料循环后卸出堆芯，因此，为了保证一定的换料周期，必需提高燃料的富集度。目前，大亚湾核电厂采用三批装料或 l / 3换料，循环长度为12个月，其平衡循环实践运转275个有效满功率天E FPD ) ，年利用因子