一种采用铒可燃毒物的24个月换料堆芯装载方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及压水堆堆芯燃料管理技术领域，具体地，涉及一种采用铒可燃毒物的 24个月换料堆芯装载方法。
【背景技术】
[0002] 压水堆堆芯燃料管理，是指从首循环到平衡循环堆芯，确定堆芯所使用的燃料富 集度、可燃毒物的类型及各种燃料组件和可燃毒物在堆芯内的布置，使得反应堆堆芯的设 计结果满足核设计准则和电厂总体要求。堆芯燃料管理的优劣直接影响核电厂的经济性和 安全性，是后续安全分析或评价的基础。所谓的燃料管理方法即为堆芯所使用的各种燃料 组件、燃料富集度、可燃毒物的类型和在堆芯内的布置的确定方法。
[0003]目前，国内在役和在建核电厂普遍已经转入或计划转入18个月长循环燃料管理， 随着工业水平和设备制造技术的进步，设备可靠性已经有了很大的提高，为进一步提高电 厂的负荷因子，提高电厂的经济效益，可以进一步增加循环长度，达到更长的如24个月换 料周期。
【发明内容】
[0004] 本发明所要解决的技术问题是提供一种降低大修费用、提高核电机组的能力因 子、增加年度电量、经济性好的采用铒可燃毒物的24个月换料堆芯装载方法。
[0005] 本发明解决上述问题所采用的技术方案是： 一种采用铒可燃毒物的24个月换料堆芯装载方法，换料装载采用低泄漏堆芯装载模 式，新燃料组件置于堆芯里圈，堆芯最外圈放置已燃耗过的旧组件，新燃料组件中装有载铒 燃料棒，载铒燃料棒布置在堆芯中功率峰较高的位置。
[0006] 24个月长循环的换料装载方式需要堆芯中装入富集度较高的燃料组件，因此堆芯 寿期初的剩余反应性很大，且堆芯内的功率峰因子较高。载铒燃料棒布置在堆芯中功率峰 较高的位置，一方面用于控制堆芯寿期初的剩余反应性，降低堆芯的硼浓度，另一方面可以 展平过高的功率峰。故本发明可满足核电厂向24个月长循环燃料管理过渡的需求，能够满 足24个月燃料管理策略，可减少机组大修次数，降低年均大修费用，提高核电机组的能力 因子，提高年负荷因子，增加年度电量，有利于经济性的提高，可在年换料和18个月换料的 基础上进一步提尚核电厂运彳丁的经济性。
[0007] 堆芯燃料组件中装有的载铒燃料棒，使用Er2O3作为固体可燃毒物，用于控制堆芯 剩余反应性，载铒燃料棒中UO 2-Er2O3均匀混合在燃料芯块中。
[0008] 所述的堆芯由177组燃料组件构成，每次加入96组新燃料组件。对于换料设计， 一般来说，每批加入堆芯的新组件富集度越高、数量越少、循环长度越长，则燃料经济性就 越高。但是受目前国内监管限制，新燃料组件富集度不能超过5%，为实现24个月换料的循 环长度，需要每循环加入较多的新燃料组件。本发明目前描述的新组件数量为96组，对应 于670EFH)的循环长度。如在此基础上增减新组件数量，则循环长度也会相应延长或缩短。
[0009] 所述的载铒燃料棒中铒的质量分数为2%~5%，可选的，载铒燃料棒中铒的质量分 数为2%、3%及5%。铒的质量分数主要影响控制剩余反应性的能力。铒的质量分数越高，即 添加量越大，在寿期初能够控制的剩余反应性就越多，随着毒物在堆芯内不断消耗，能够释 放出的反应性也就越多。如铒的质量分数过低，则能够控制的剩余反应性有限，不能起到降 低堆芯硼浓度和展平功率峰的作用。铒的质量分数上限主要受制造工艺的影响，目前取5% 较为适宜。
[0010] 所述的新燃料组件均由17X17个栅格位置的组件单元构成，新燃料组件中含有 载铒燃料棒的数量为64根、104根、128根或156根，新燃料组件中不含可燃毒物的燃料棒 U-235富集度为4. 95%，载铒燃料棒的U-235富集度为4. 75%或4. 45%。对于特定循环长度 的反应堆，换料时加入的新燃料组件富集度越高，所需加入的新燃料组件数量就越少，燃料 经济性就越高。从这个角度上应尽可能提高燃料组件的富集度。但受监管限制，富集度不能 超过5%，因此选择不含可燃毒物的燃料棒U-235富集度为4. 95%。载铒燃料芯块与不含可燃 毒物的芯块相比，其热导率和熔点会有所下降，因此适当降低了载铒燃料芯棒的富集度，以 避免载铒燃料芯棒功率过高造成安全隐患。降低燃料棒的富集度会导致循环长度缩短或特 定循环长度所需要的换料新组件数量增加，经济性下降，但并不表示富集度是不可降低的。 [0011] 优选的，所述的新燃料组件中较高富集度或含铒毒物较少的新燃料组件置于堆芯 的次外圈，较低富集度或含铒毒物较多的新燃料组件放在堆芯里圈部分，堆芯最外圈放置 旧组件，堆芯里圈的已燃耗过的旧组件与新组件相互搭配组合，新燃料组件中所带载铒燃 料棒的数量及铒的质量分数，根据展平堆芯功率分布的需要而加以确定。新燃料组件中较 高富集度或含铒毒物较少的新燃料组件的初始反应性较高，而较低富集度或含铒毒物较多 的新燃料组件初始反应性较低，将初始反应性较高的组件放置于堆芯的次外圈、将初始反 应性较低的组件放置于堆芯内圈有利于展平堆芯的功率峰，以满足安全要求。载铒燃料棒 布置在堆芯中功率峰较高的位置，一方面用于控制堆芯寿期初的剩余反应性，降低堆芯的 硼浓度，另一方面可以展平过高的功率峰。故本发明可满足核电厂向24个月长循环燃料管 理过渡的需求，能够满足24个月燃料管理策略。
[0012] 堆芯最外圈放置旧组件有利于降低堆芯外圈的中子通量，降低堆芯中子泄漏，有 利于提高堆芯中子经济性，降低压力容器中子辐照，以满足压力容器寿命要求，因为压力容 器的寿命基本决定了整个核电厂的寿命。
[0013] 载铒燃料棒呈1/8对称布置于燃料组件中。
[0014] 堆芯里圈已燃耗过的组件按燃耗深度的不同呈交叉排列方式。
[0015] 综上，本发明的有益效果是： 1、本发明所述的采用铒可燃毒物的24个月换料堆芯装载方法，既能够控制堆芯寿期 初的剩余反应性，降低堆芯的硼浓度，又可以展平过高的功率峰，可满足核电厂向24个月 长循环燃料管理过渡的需求，能够满足24个月燃料管理策略，可减少机组大修次数，降低 年均大修费用，提高核电机组的能力因子，提高年负荷因子，增加年度电量，有利于经济性 的提尚，可在年换料和18个月换料的基础上进一步提尚核电厂运彳丁的经济性。
[0016] 2、典型的1/3年换料采用富集度为3. 7%的燃料组件，每循环装入58个新燃料组 件，循环长度约为325天；典型的18个月长循环采用富集度为4. 45%的燃料组件，每循环装 入68个新燃料组件，循环长度约为475天。本发明中所述的24个月长循环采用富集度为 4. 95%的燃料组件，每循环装入96个新燃料组件，根据组件类型的不同，循环长度可达650 天至670天。
[0017] 换料模式的经济性需要综合考虑燃料循环前端费用、发电收益、机组大修费用和 燃料后处理费用等各个因素，下面对各个因素进行分别分析。
[0018] 核燃料循环前端费用包括天然铀采购费用、转换费用、浓缩费用和燃料元件制造 费用。截止2014年10月，天然铀采购单价为28$/lbsU 30s，分离功单价为90$/KgSWU。如 考虑市场波动和长期物价上涨，假定天然铀采购单价为50$/lbsU 308，分离功单价为120$/ KgSWU，转化单价为10$/Kg，燃料制造费用为120000$/组。则年换料、18个月长循环和24 个月长循环的燃料费用见表1所示。
[0019] 根据机组的功率、循环长度计算循环上网电量，考虑基准上网电价0. 43元/kWh， 计算出各换料模式的循环发电收益，见表1所示。
[0020] 传统年换料一般为30至40天，费用约为5000万元。考虑通货膨胀因素，假定年 换料费用为上述数据两倍，大修时间设定为40天，18个月长循环的大修费用设定为年换料 的1. 2倍，24个月长循环大修费用设定为年换料的1. 4倍见表1所示。
[0021] 乏燃料后处理费用按上网电量收取，单价为0. 026元/kWh，见表1所示。
[0022] 表1三种换料方式年收益比较
注：表中燃料费用按美元与人民币按1比6. 25换算。
[0023] 由表中数据可见，24个月换料与年换料及18个月换料方式相比其主要优势在于 年均发电收益及节省的大修费用，其潜在的劣势在于燃料成本较高，按保守考虑的燃料价 格，年均燃料成本较年换料模式和18个月换料模式分别高0. 15亿元和0. 48亿元，但折算 的年均净收益仍比年换料模式和18个月换料模式分别高2. 11亿元和0. 44亿元，如按现实 的燃料市场价格则24个月换料模式收益优势更为明显。
[0024] 在管理效应上，24个月换料模式可减少大修，提高效率，降低人因失误。
[0025] 综上所述，虽然发明所描述的24个月换料燃料管理方法的年平均燃料成本略高 于年换料和18个月换料，但综合经济性得到了显著提高。
【附图说明】
[0026] 图1是应用64根载铒燃料棒的燃料组件； 图2是应用104根载铒燃料棒的燃料组件； 图3是应用128根载铒燃料棒的燃料组件； 图4应用156根载铒燃料棒的燃料组件； 图5是本发明的一种堆芯装载方案的结构示意图。
[0027] 附图中标记及相应的零部件名称： 1-不含铒燃料棒，2-导向管，3-载铒燃料棒，4-仪表管。
【具体实施方式】
[0028] 下面结合实施例及附图，对本发明作进一步地的详细说明，但本发明的实施方式 不限于此。
[0029] 实施例： 本发明提供了一种应用载铒燃料棒的堆芯概念，应用本发明所述载铒燃料棒的燃料组 件如图1、图2、图3和图4所示，应用本发明所述载铒燃料棒的堆芯如图5所示，由于全堆 芯的燃料组件布置遵循1/4旋转对称，图