一种具有高度灵活性的燃料管理方法与流程

本发明涉及核反应堆堆芯燃料管理技术领域，特别涉及一种具有高度灵活性的燃料管理方法。

背景技术：

国内外商用压水堆堆内会装载若干组核燃料组件，首循环一般全部装载新燃料，核燃料组件持续裂变并释放能量，经过一定时间后（一般12~24个月），由于堆芯总反应性不足，堆芯难以继续维持裂变。这时，一般会插入控制棒将堆芯保持在深度次临界状态，降低一回路温度和压力，打开压力容器上盖，卸掉反应性较小燃耗较深的若干组燃料组件，装载入若干组反应性较大的新燃料组件，完成换料大修后（30天左右），即可重新启堆。两次大修结束之间的时间间隔，称为换料周期，如图1所示，即示出了现有的换料周期示意图。

换料周期长短要考虑区域能源供应特点、发电需求、燃料的经济性、电价、设备和系统的实现能力与安全性、便于大修等诸多因素，一般有年度12个月换料、18个月换料，部分国家（比如美国）少数机组还实施24个月换料。其循环长度通常只能在12个月或18个月或24个月附近波动45天左右。换料周期的选择主要受用电需求、天然铀和电价影响，尤其是用电需求，当经济形势好、用电需求大时，实施18个月的长周期换料的综合经济性较好，反之亦然。设计阶段，换料周期的确定需要根据未来5~10年发电需求等因素确定，完成论证需要约4年。运营期间，若需要在不同换料周期进行切换时，需要由设计单位利用2~3年提前进行论证，论证完毕才能实施。如图2所示，示出了现有的一种传统燃料管理切换方法示意图。

但是，现有的这种传统换料周期的设计与论证方法也存在一些不足之处：

循环长度由于只在某个特定长度附近波动，灵活性不足，难以满足机组运行和大修的变化要求。

机组只能在某个循环周期（比如12、18或24个月）附近运行，当发电需求发生较大变化时，将导致当前燃料管理周期不经济，甚至不适用而被迫停堆。

如果要维持经济性和灵活性，需要让设计单位重新设计论证，而论证和执照申请费用昂贵（约4000~10000万元），同时还需要2~5年的时间。

即便是论证完成了，未来发电形式还可能存在变化，导致新的不适用和重复论证。

总之，传统燃料管理方法灵活性不足，难以适应灵活多变的市场需求，严重影响了核电机组的运行灵活性和经济性。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题在于，提供一种具有高度灵活性的燃料管理方法，可以提高核电机组的运行灵活性和经济性。

为解决上述技术问题，本发明实施例提供一种具有高度灵活性的燃料管理方法，包括如下步骤：

在堆芯初始设计阶段，根据业主循环长度需求、设备检查周期、电站经济性要求确定首循环的循环长度；

搭建首循环和平衡循环之间的过渡循环，包括堆芯组件类型、循环长度、功率分布各堆芯特性的过渡，其中，每个平衡循环均设置至少1套过渡循环，每套过渡循环包括2-3个过渡循环；

确定多个平衡循环，所述平衡循环至少包括6个月平衡循环、12个月平衡循环、18个月平衡循环、24个月平衡循环中的多个；

在每一平衡循环基础上均设置有灵活循环，以保证机组可在每个平衡循环附近小幅波动；

确定不同平衡循环之间的切换循环，以使得机组可以在各个平衡循环之间滑动切换，其中，每次循环长度的大切换，需要采用1~2个切换循环，所述切换循环的循环长度接近目标平衡循环的循环长度。

优选地，所述灵活循环的波动幅度为±70天之间，例如在一个例子中，该波动幅度可以是±50天。

优选地，每一平衡循环均对应于1~2两种不同U-235富集度的核燃料。

优选地，对于循环长度为18个月的平衡循环、灵活循环、切换循环采用富集度为4.45%和富集度为4.95%的核燃料进行搭配；

对于循环长度为12个月的平衡循环、灵活循环、切换循环采用富集度为3.7%和富集度为4.45%的核燃料进行搭配。

优选地，对于每一循环长度的过渡循环、平衡循环、灵活循环以及切换循环均预先确定其对应的新燃料组件中核燃料的富集度，换料量以及换料区域。

相应地，本发明实施例的另一方面还提供一种具有高度灵活性的燃料管理方法，包括如下步骤：

在机组营运阶段，运行机组的当前起点循环，将所述当前起点循环作为切换的起点；

采用过渡循环来搭建起点循环和下一平衡循环之间的过渡，包括堆芯组件类型、循环长度、功率分布各堆芯特性的过渡，其中，根据切换前的情况，选择至少1套过渡循环，每套过渡循环包括2-3个过渡循环，其中，所述下一平衡循环为6个月平衡循环、12个月平衡循环、18个月平衡循环、24个月平衡循环中之一个；

执行当前平衡循环，并确定所述当前平衡循环基础上的灵活循环，以保证机组可在所述当前平衡循环附近小幅波动；

如果需要进行平衡循环的切换，则在从所述6个月平衡循环、12个月平衡循环、18个月平衡循环、24个月平衡循环中选择一个与当前平衡循环的长度相邻的目标平衡循环；

根据所述目标循环的循环长度，确定当前平衡循环至目标平衡循环之间的切换循环，所述切换循环的循环长度接近目标平衡循环的循环长度，其中，每次循环长度的大切换，需要采用1~2个切换循环；

执行所述目标平衡循环。

优选地，所述灵活循环的波动幅度为±70天，例如在一个例子中，该波动幅度可以是50天。

优选地，每一平衡循环均对应于至少两种不同U-235富集度的核燃料。

优选地，其中，对于循环长度为18个月的平衡循环、灵活循环、切换循环采用富集度为4.45%和富集度为4.95%的核燃料进行搭配；

对于循环长度为12个月的平衡循环、灵活循环、切换循环采用富集度为3.7%和富集度为4.45%的核燃料进行搭配。

优选地，对于每一循环长度的过渡循环、平衡循环、灵活循环以及切换循环均预先确定其对应的新燃料组件中核燃料的富集度，换料量以及换料区域。

优选地，根据所选择的每一循环长度的过渡循环、平衡循环、灵活循环以及切换循环，以所述预先确定的对应的新燃料组件的核燃料的富集度，换料量以及换料区域进行换料处理。

实施本发明，具有如下的有益效果：

采用一次性全域论证，一劳永逸，避免了当前设计与未来形势不匹配的潜在风险和重复论证，节省了大笔论证费用；

循环长度具有更大的灵活性：设计论证了多个循环长度的平衡循环，论证域更大，可以在各个平衡循环及附近运行。比如，一个循环采用12个月，下个循环可以直接采用18个月，如果经济形势不好，可以再直接回到12个月；

由于灵活度的提高，机组可以根据经济形势自由变化循环长度，提高了燃料管理的灵活性、经济性和响应速度；

由于循环长度（即运行时间）可大幅调整，大修就可以根据需求调整开始和结束点，提高了大修的灵活性，可以更好的优化大修人力资源（尤其是在多机组运行和检修的情况下）；

降低了燃料管理对未来发电需求预测的依赖度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是现有的换料周期示意图；

图2是现有的一种传统燃料管理切换方法示意图；

图3是本发明提供的一种具有高度灵活性的燃料管理方法的一个实施例在堆芯初始设计阶段的流程示意图；

图4为图3中各循环之间的关系示意图；

图5是本发明提供的一种具有高度灵活性的燃料管理方法的一个实施例在机组处于营运阶段的流程示意图；

图6为图4中各循环之间的关系示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图3所示，示出了本发明提供的一种具有高度灵活性的燃料管理方法的一个实施例中，在堆芯初始设计阶段的流程示意图，并一并结合图4中的各循环之间的关系示意图。在该实施例中，初始设计阶段燃料管理论证方案中，该燃料管理方法中需要包括首循环、过渡循环、平衡循环、灵活循环、切换循环。其中，该方法包括如下步骤：

步骤S10，在堆芯初始设计阶段，根据业主循环长度需求、设备检查周期、电站经济性要求确定首循环的循环长度；

步骤S12，搭建首循环和平衡循环之间的过渡循环，包括堆芯组件类型、循环长度、功率分布各堆芯特性的过渡，其中，为应对从设计到实施阶段3~5年的发电需求不确定性，每个平衡循环均设置至少1套过渡循环，每套过渡循环包括2-3个过渡循环（有换料大修）。

步骤S14，确定多个平衡循环，所述平衡循环至少包括6个月平衡循环、12个月平衡循环、18个月平衡循环、24个月平衡循环中的多个，根据机组的实际情况和需求选择，一般选择12个月和18个月即可；选择的多论证域大，工作量大，但未来灵活度大；

步骤S16，在每一平衡循环基础上均设置有灵活循环，以保证机组可在每个平衡循环附近小幅波动，波动幅度根据实际需求决定，所述灵活循环的波动幅度为±70天之间，在一个例子中，该灵活循环可以是50天；

步骤S18，确定不同平衡循环之间的切换循环，以使得机组可以在各个平衡循环之间滑动切换，实现大的“换挡”。每次循环长度的大切换，为体现切换过程的可实现性和切换堆芯特性，需要用1~2个切换循环。所述切换循环的循环长度要接近目标平衡循环。

在一个例子中，每一平衡循环均对应于至少两种不同U-235富集度的核燃料。

更具体地，对于循环长度为18个月的平衡循环、灵活循环、切换循环采用富集度为4.45%和富集度为4.95%的核燃料进行搭配；对于循环长度为12个月的平衡循环、灵活循环、切换循环采用富集度为3.7%和富集度为4.45%的核燃料进行搭配。

可以理解的是，对于每一循环长度的过渡循环、平衡循环、灵活循环以及切换循环均预先确定其对应的新燃料组件中核燃料的富集度，换料量以及换料区域。

其中，对于如何确定过渡循环，在本发明提供的燃料管理方法中，需要预先论证了各种平衡循环相互切换及在各个平衡循环附近运行的能力，比如12个月切换到18个月（或24个月）的可行性，“同时”又论证18个月（或24个月）切换到12个月的可行性，论证域更全面，能包络未来可能的典型需求，从而能使燃料管理循环长度具有更大的自由和灵活性。而传统燃料管理方法采用的方法为：每次只论证一部分，比如从平衡循环2到平衡循环1，运行一段时间，如果有需求，再论证平衡循环1到平衡循环2。故本发明提供的燃料管理方法中采用一次性全域论证，一劳永逸，避免了当前设计与未来形势不匹配的潜在风险和重复论证，可以节省大笔论证费用。

在实施运行中，需要根据所选择的每一循环长度的过渡循环、平衡循环、灵活循环以及切换循环，以所述预先确定的对应的新燃料组件的核燃料的富集度，换料量以及换料区域进行换料处理。

相应地，如图5所示，示出了本发明提供的一种具有高度灵活性的燃料管理方法的一个实施例中，在机组处于营运阶段的流程示意图，并一并结合图6中的各循环之间的关系示意图。在该实施例中，初始设计阶段燃料管理论证方案中，该燃料管理方法中包括如下步骤：

步骤S20，在机组营运阶段，运行机组的当前起点循环（切换前燃料管理的某个平衡循环），将所述当前起点循环作为切换的起点；

步骤S22，采用过渡循环来搭建起点循环和下一平衡循环之间的过渡，包括堆芯组件类型、循环长度、功率分布等堆芯特性的过渡。为应对从设计到实施阶段3~5年的发电需求不确定性，针对每个平衡循环均设置至少1套过渡循环，每套过渡循环包括2~3个过渡循环（有换料大修），其中，所述下一平衡循环为6个月平衡循环、12个月平衡循环、18个月平衡循环、24个月平衡循环中之一个，在实际操作中，该平衡根据机组的实际情况和需求选择，一般选择12个月和18个月即可；选择的多论证域大，工作量大，但未来灵活度大。

步骤S24，执行当前的平衡循环（即步骤S22中的“下一平衡循环”）：其为6个月平衡循环、12个月平衡循环、18个月平衡循环、24个月平衡循环中的一个， 同时，确定所述选择的平衡循环基础上的灵活循环，以保证机组在所述平衡循环附近小幅波动，波动幅度根据实际需求决定，所述灵活循环的波动幅度为±70天，例如在一个例子中，该灵活循环为50天；

步骤S26，如果在运行当前平衡循环过程中，由于客观情况的变化需要进行平衡循环的切换，则在从所述6个月平衡循环、12个月平衡循环、18个月平衡循环、24个月平衡循环中选择一个与当前平衡循环的长度相邻的目标平衡循环；例如，在一个例子中，当前的平衡循环为18个月平衡循环，由于客观情况的变化，其需要切换至与该18个月平衡循环相邻的目标平衡循环，例如向下切换至12个月平衡循环，或者向上切换至24个月的平衡循环；

步骤S28，根据目标循环的循环长度，确定当前平衡循环至目标平衡循环之间的切换循环，所述切换循环的循环长度接近目标平衡循环的循环长度，其中，每次循环长度的大切换，为体现切换过程的可实现性和切换堆芯特性，需要采用1~2个切换循环，例如，在步骤S26中所确定需要将当前的18个月的平衡循环切换至12个月的目标平衡循环，则需要采用1~2个切换循环，该切换循环的长度应该要接近12个月；

步骤S29，执行所述目标平衡循环。

可以理解的是，在执行目标平衡循环的过程中，如果继续需要进行平衡循环的切换，例如向下切换成6个月平衡循环，或向上切换成18个月的平衡循环，则需要重复前述步骤S26至步骤S29的过程，具体的细节在此不进行详述。

为保持上述燃料管理方法的循环长度的灵活性和运行的经济性，可以设置多种U-235富集度的核燃料，例如，对于每一平衡循环均对应于至少两种不同U-235富集度的核燃料。更具体地，对于循环长度为18个月的平衡循环、灵活循环、切换循环采用富集度为4.45%和富集度为4.95%的核燃料进行搭配；对于循环长度为12个月的平衡循环、灵活循环、切换循环采用富集度为3.7%和富集度为4.45%的核燃料进行搭配。

可以理解的是，对于每一循环长度的过渡循环、平衡循环、灵活循环以及切换循环均预先确定其对应的新燃料组件中核燃料的富集度，换料量以及换料区域。

在上述各步骤中，需要根据所选择的每一循环长度的过渡循环、平衡循环、灵活循环以及切换循环，以所述预先确定的对应的新燃料组件的核燃料的富集度，换料量以及换料区域进行换料处理，从而达到调节循环长度的目的。

从上可以看出，本实施例提出的一种具有高度灵活性的燃料管理方法，其主要包括以下要素：

首先，需要具有“若干个”“平衡循环”，且各平衡循环之间循环长度跨度较大（大于2个月）：比如，6个月、12个月、18个月、24个月平衡循环，根据机组的实际情况和需求选择，一般选择12个月和18个月即可；选择的多论证域大，工作量大，但未来灵活度也大；

其次，在“每个”平衡循环基础上具有多个“灵活循环”：保证机组可在每个平衡循环附近小幅波动，波动幅度根据实际需求决定，比如增减50天；

然后，各平衡循环之间具有“切换循环”：使得机组可以在各个平衡循环之间滑动切换，实现大的循环长度“换挡”，切换循环的循环长度要尽可能接近目标平衡循环的长度，每次切换，有1~2个切换循环。

而且，可以采用多种燃料组件类型（富集度大于等于2种），以更好的实现灵活性和经济性。

新的燃料管理方法即论证了各种平衡循环相互切换及在各个平衡循环附近运行的能力，比如12个月切换到18个月（或24个月）的可行性，“同时”又论证18个月（或24个月）切换到12个月的可行性，论证域更全面，能包络未来可能的典型需求，从而能使燃料管理循环长度具有更大的自由和灵活性。传统燃料管理方法每次只论证一部分，比如从平衡循环2到平衡循环1，运行一段时间，如果有需求，再论证平衡循环1到平衡循环2。

实施本发明实施例，具有如下有益效果：

采用一次性全域论证，一劳永逸，避免了当前设计与未来形势不匹配的潜在风险和重复论证，节省了大笔论证费用；

循环长度具有更大的灵活性：设计论证了多个循环长度的平衡循环，论证域更大，可以在各个平衡循环及附近运行。比如，一个循环采用12个月，下个循环可以直接采用18个月，如果经济形势不好，可以再直接回到12个月；

由于灵活度的提高，机组可以根据经济形势自由变化循环长度，提高了燃料管理的灵活性、经济性和响应速度；

由于循环长度（即运行时间）可大幅调整，大修就可以根据需求调整开始和结束点，提高了大修的灵活性，可以更好的优化大修人力资源（尤其是在多机组运行和检修的情况下）；

降低了燃料管理对未来发电需求预测的依赖度。

以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。