一种换棒组件再入堆的安全评价方法与流程

本发明涉及一种换棒组件再入堆的安全评价方法。
背景技术：
：燃料组件是核电厂反应堆的核心部件，有核电厂的“粮食”之称。二百多根燃料棒按15×15或17×17排列成方形栅格并被燃料骨架固定成一束，即称之为燃料组件。燃料组件在反应堆中一般会使用3～5年的时间，其工作环境十分苛刻：处于强中子场，经受高温、高压、高流速冷却剂的冲刷，同时承受裂变产物化学作用和复杂的机械载荷。燃料棒包壳是核电厂三道安全屏障的第一道屏障。它能有效防止核燃料运行过程中产生的裂变产物向外泄漏。燃料棒设计上要求在正常运行和运行瞬态(工况ⅰ)或由中等频率事故引起的任何瞬态(工况ⅱ)，预计不出现燃料破损(定义为裂变产物穿透燃料棒包壳)。然而，燃料组件实际运行过程中，由于格架-燃料棒振动磨损、异物磨蚀、制造缺陷、磨蚀/结垢、芯块-包壳相互作用(pci)和氢化等原因，会出现破损现象。为避免组件破损后无法再入堆造成的巨大经济损失，一般采用与燃料棒几何尺寸一致的不锈钢棒替换破损燃料棒以修复燃料组件。采用这种方法修复后的组件称为“换棒组件”。显然，使用“换棒组件”的堆芯也必须进行安全评价，以证明换料堆芯的安全性。通常，“换料堆芯”的安全评价方法是将堆芯的关键安全参数与设计限值进行对比分析，从而验证堆芯设计是否满足安全要求。当堆芯的某些关键安全参数超过对应限值时，对这些关键安全参数所涉及的事故进行再分析，验证是否满足这些事故的验收准则。但是，直接套用这种方法对含有“换棒组件”的换料堆芯进行安全评价并不可行。其原因有：(1)不同于正常堆芯采用的1/4堆芯计算，用不锈钢棒代替破损燃料棒给堆芯径向功率分布引入不对称性因素，所以安全分析上必须使用全堆芯计算。(2)用于正常换料安全评价框架的某些程序不支持全堆芯计算。(3)某些事故(如弹棒事故)一直以来都是用1/4堆芯进行论证的。技术实现要素：本发明的目的是提供一种可全面并且保守的进行换棒组件再入堆的安全评价方法。为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种换棒组件再入堆的安全评价方法，包括如下步骤：(1)、判断堆芯装载的方案是否满足设定的适用范围，若满足设定的适用范围则进行步骤(2)；(2)、对受反应性影响的堆芯物理参数，以及对fsar中受f△h增大可能影响的rcca失控抽出事故、弹棒事故、功率能力验证分别进行评价，若评价结果均“满足要求”，则进行步骤(3)，反之只要有一项不满足要求，则进行步骤(4)；a、对堆芯物理参数的硼浓度的评价方法为：采用反应性惩罚因子评价“换棒组件”在堆芯中引入的负反应性，进而计算出硼浓度相对于未采用“换棒组件”的堆芯的改变量，所述改变量与未换棒之前的堆芯的硼浓度之和为临界硼浓度，当考虑上述反应性惩罚后得出的所述的临界硼浓度满足设计限值，或者超过设计限值，但是受影响的事故满足验收准则，即认为“满足要求”；所述的反应性惩罚因子的计算公式为：所述的反应性惩罚因子的单位是pcm，其中，nssr表示不锈钢棒的数目，bu表示燃耗，atyp表示燃料组件的类型，k'(∞,nssr)(bu,atyp)为换棒组件的k无穷；k∞为正常组件的k无穷；所述的堆芯引入的负反应性的计算公式为：单位是pcm，其中，c1为换棒组件的组数，c2为堆芯中全部燃料组件的数目；b、对rcca失控抽出事故的评价方法为：当各个控制棒插入状态下的全堆芯的f△h均大于换棒组件位置的f△h与f△h惩罚因子的乘积，或者控制棒提出后的全堆芯的f△h不会因f△h惩罚因子应用于换棒组件而受影响时，则认为“满足要求”，否则需要对该事故重新进行分析，若能满足该事故验收准则，也可认为“满足要求”；c、对弹棒事故的评价方法为：当各个控制棒插入状态下的全堆芯的f△h均大于换棒组件位置的f△h与f△h惩罚因子的乘积，或者控制棒弹出后的全堆芯的f△h不会因f△h惩罚因子应用于换棒组件而受影响时，则认为“满足要求”，否则需要对该事故重新进行分析，若能满足该事故验收准则，也可认为“满足要求”；d、对功率能力验证的评价方法为：当各个控制棒插入状态下的全堆芯的f△h均大于换棒组件位置的f△h与f△h惩罚因子的乘积，或者各个控制棒插入状态下的换棒组件位置的f△h与f△h惩罚因子的乘积小于功率能力验证中f△h的使用值时，则认为“满足要求”，否则需要对功率能力重新进行验证，若能满足设计限值要求，也可认为“满足要求”；(3)、对燃料棒性能的评价方法为：当寿期内包含燃料棒最大燃耗的组件的f△h乘以f△h惩罚因子后小于燃料棒功率史包络曲线，或者f△h采用寿期内换棒组件位置的f△h与f△h惩罚因子的乘积，燃耗采用该组件最大燃料棒燃耗，由此绘制的燃料棒功率史曲线小于燃料棒功率史包络曲线时，则认为燃料棒性能“满足要求”，否则，评价以换棒组件中各位置的燃料棒的功率与f△h惩罚矩阵的乘积，燃耗采用该组件最大燃料棒燃耗，由此绘制的燃料棒功率史曲线是否小于燃料棒功率史包络曲线，若是，则认为燃料棒性能也“满足要求”，所述的堆芯装载方案的安全性得以最终确认，否则，进行步骤(4)或者由燃料工程师给出评估结果；步骤(2)和步骤(3)中，所述的f△h惩罚因子为某燃耗下含不锈钢棒阵列与正常组件阵列的燃料棒的最大棒功率偏差，其计算公式为：其中pij-ss为含不锈钢棒阵列中ij位置的燃料棒的棒功率；pij-ref为正常组件阵列中ij位置的燃料棒的棒功率；f△h惩罚矩阵为某燃耗下燃料棒阵列中各位置的燃料棒的功率偏差；(4)、重新设计堆芯装载方案。本发明中，所述的设定的适用范围包括每个燃料组件最多更换3根燃料棒、再入堆的换棒组件数量不多于4组、换棒组件不能放在含有控制棒组的位置、同一象限中不能放两组或两组以上的换棒组件。优选地，采用3×3的组件阵列，换棒组件位于阵列中心，分别对换棒与不换棒的情况进行建模计算，从而计算出所述的反应性惩罚因子、所述的f△h惩罚因子和所述的f△h惩罚矩阵。进一步优选地，计算所述的反应性惩罚因子、所述的f△h惩罚因子和所述的f△h惩罚矩阵时，将不锈钢棒放置在接近功率最高的燃料棒的位置。优选地，计算出不同的燃料组件类型、不同的燃耗和不锈钢棒的不同数目及位置的f△h惩罚因子和f△h惩罚矩阵。本发明中，所述的反应性惩罚因子仅与换棒组件中所含的不锈钢棒数目有关，与燃料组件类型和燃耗无关。本发明中，假定换棒组件为正常组件，通过science程序计算不同燃耗下，各种控制棒插入状态下所述的全堆芯的f△h和所述的换棒组件位置的f△h。具体地，所述的不同燃耗包括blx、6000、mol、85％eol和eol。具体地，所述的各种控制棒插入状态包括aro，g1，g1g2，g1g2n1，g1g2n1n2，rg1，rg1g2，rg1g2n1，rg1g2n1n2。本发明中，所述的步骤(2)还包括对堆芯物理参数的象限倾斜和控制棒价值进行评价。下面对本发明中涉及的缩写进行解释：pci：pellet-claddinginteraction，芯块-包壳相互作用；f△h：nuclearenthalpyrisefactor，核焓升因子；fsar：finalsafetyanalysisreport，最终安全分析报告；hfp：hotfullpower，热态满功率；hzp：hotzeropower，热态零功率；dnbr：departurefromnucleateboilingratio，偏离泡核沸腾比；blx：beginningoflife,equilibriumxenon，寿期初，平衡氙；mol：middleoflife，寿期中；eol：endoflife，寿期末；aro：allrodclustersout，控制棒全提出；rcca：rodclustercontrolassembly，棒束控制组件；rigz：rccawithdrawalatstartup，启动工况下控制棒组失控抽出；r1gp：singlerccawithdrawalatpower，功率下单棒失控抽出。由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：针对特定燃料管理方案，本发明创造性地提出一整套堆芯安全评价方法，解决了使用现有换料安全评价框架，进行“换棒组件”再入堆堆芯安全评价的难题。本发明采用通行的换料安全评价方法论，易于被国家核安全监管机构认可；本发明可全面并且保守的进行反应堆安全评价；本发明不需要更改现有的以1/4堆芯计算为基础的换料安全评价框架；本发明可操作性强，简便易用。附图说明附图1为经过1个循环的全m5afa3g4.45％8gd功率分布图。具体实施方式下面将对本发明进行详细说明。考虑到“换棒组件”替换的燃料棒的位置及数目、“换棒组件”在堆芯中的位置，理论上存在近乎无数种不同情形。本发明着眼于涵盖绝大部分工程运用，在大量包络计算和敏感性分析的基础上，首先给出此种评价方法的适用范围。其次本发明针对换棒组件入堆后的反应性和f△h引入“惩罚因子”。接着在反应堆的以下两方面进行安全分析，验证堆芯是否安全：(1)对受反应性影响的堆芯物理参数(硼浓度、象限倾斜和控制棒价值)进行评价；(2)对fsar中受f△h增大可能影响的三个子项：rcca失控抽出事故(hfp或hzp状态：rigz,r1gp)；弹棒事故；功率能力dnbr验证等进行重新论证。最后，验证“换棒组件”的燃料棒性能是否满足燃料棒设计准则。1、适用范围本评价方法必须满足如下限制条件的情况下才可使用：(1)每个燃料组件最多更换3根燃料棒；(2)再入堆的换棒组件数量不多于4组；(3)换棒组件不能放在含有控制棒组的位置；(4)同一象限中不能放两组或两组以上换棒组件。2、惩罚因子换棒组件采用不锈钢棒替换燃料棒，组件内部的功率分布和剩余反应性随之产生变化。采用3×3的组件阵列，换棒组件位于阵列中心，分别对换棒与不换棒的情况进行建模计算，根据两种情况下组件的功率分布和反应性的差别，可以求出所有燃耗下换棒组件的f△h和反应性惩罚因子的包络值(最大值)。2.1、f△h惩罚因子定义为某燃耗下含不锈钢棒阵列与正常组件阵列的燃料棒的最大棒功率偏差：pij-ss：含不锈钢棒阵列中ij位置的燃料棒的棒功率；pij-ref：正常组件阵列中ij位置的燃料棒的棒功率。惩罚矩阵为某燃耗下上述阵列中各位置的燃料棒的功率偏差。不同的燃料组件类型、不同的燃耗和不锈钢棒的不同数目及位置都需要按照上述公式计算出相应的惩罚因子或者惩罚矩阵。燃料组件类型由燃料管理方案决定，燃耗可以按照燃料组件经历的循环数进行分类。一般将不锈钢棒放置在最接近“热棒”(即功率最高的燃料棒)的位置，从而使得计算出的惩罚因子和惩罚矩阵偏保守。如图1所示，以经过1个循环的全m5afa3g4.45％含8gd的燃料组件为例，1根不锈钢棒可以选择放置在：m5位置或者n7位置；2根不锈钢棒可以选择放置于n6和m5位置，或者m5和k1位置；3根不锈钢棒可以放置在o5、m5和n6位置。若裕量较大，可以直接采用惩罚因子。若裕量不足，则采用惩罚矩阵，降低惩罚程度。2.2、反应性惩罚因子仅与“换棒组件”中所含的不锈钢棒数目有关，与组件类型和燃耗无关，其定义为特定换棒数目下，所有燃料组件类型和所有燃耗下“换棒组件”引入的最大(绝对值)反应性偏差：其中，k'(∞,nssr)(bu,atyp)：换棒组件在特定不锈钢棒数目(nssr)，特定燃耗(bu)和特定组件类型(atyp)时的k无穷；k∞：正常组件的k无穷。3、反应性惩罚评价3.1、硼浓度使用反应性惩罚因子来评价对堆芯临界硼浓度的影响。比如，有4组换棒组件入堆，每组有2根燃料棒用不锈钢棒代替，依据公式(2)，每组组件引入负反应性全堆芯引入负反应性其中，4是换棒组件的数目，157是堆芯全部燃料组件的数目，假定硼的微分价值是7pcm/ppm，因此很容易判定硼浓度的影响。当考虑上述反应性惩罚后得出的临界硼浓度满足设计限值，或者超过设计限值，但是受影响的事故满足验收准则，即认为“满足要求”，可继续进行后续评价；否则需要重新设计堆芯装载方案。3.2、象限倾斜全堆芯计算结果和运行机组的堆内测量系统得到的功率分布数据证实不锈钢棒对堆芯的象限倾斜(tilt)影响一般较小，如换棒组件包含3根不锈钢棒的情况下，堆芯的tilt不超过0.5％。另外，满足前文所述适用范围的(4)条规定会进一步减少对tilt的影响。因此，换棒组件对象限倾斜的影响可以为“满足要求”，不必进行详细地分析。3.3、控制棒价值换棒组件没有放置在包含控制棒组件的堆芯位置，因此不锈钢棒对控制棒价值几乎没有影响(可认为“满足要求”)，关系到控制棒价值的参数计算及安全评价仍然适用。4、f△h惩罚评价假定换棒组件为正常组件，通过science程序计算不同燃耗下(blx、6000、mol、85％eol、eol)，各种控制棒插入状态下(aro，g1，g1g2，g1g2n1，g1g2n1n2，rg1，rg1g2，rg1g2n1，rg1g2n1n2)换棒组件位置和全堆芯的f△h。考虑不锈钢棒替代燃料棒的惩罚，换棒组件位置的f△h要乘以公式(1)的惩罚因子即为“换棒组件的f△h”。参考电厂的fsar，f△h增大可能影响以下子项的安全评价结论：rcca失控抽出事故(hfp或hzp状态：rigz，r1gp)；弹棒事故；功率能力dnbr验证。具体分析如下：(1)rcca失控抽出事故满足以下任一条件，rigz、r1gp将不会受到影响：各个控制棒插入状态下的全堆芯f△h均大于换棒组件的f△h，则换棒组件对rcca失控抽出事故分析结论没有影响。控制棒提出后的全堆芯f△h不会因惩罚因子应用于换棒组件而受影响。若上述两条都不满足，则需要对rcca失控抽出事故重新进行分析，若能满足该事故验收准则，即认为“满足要求”，可继续进行后续评价；否则需要重新设计堆芯装载方案。(2)弹棒事故满足以下任一条件，弹棒事故分析结果将不受影响：各个控制棒插入状态下的全堆芯f△h均大于换棒组件的f△h。控制棒弹出后的全堆芯f△h不会因惩罚因子应用于换棒组件而受影响。若上述两条都不满足，则需要对弹棒事故重新进行分析，若能满足该事故验收准则，即认为“满足要求”，可继续进行后续评价；否则需要重新设计堆芯装载方案。(3)功率能力验证满足以下任一条件，功率能力验证结论将不受影响：各个控制棒插入状态下的全堆芯f△h均大于换棒组件的f△h。各个控制棒插入状态下的换棒组件的f△h小于功率能力验证中f△h的使用值。若上述两条都不满足，则需要对功率能力重新进行验证，若能满足设计限值要求，即认为“满足要求”，可继续进行后续评价；否则需要重新设计堆芯装载方案。5、燃料棒性能评价论证燃料管理方案时，会计算得出所有循环(包括过渡循环、平衡循环和灵活性循环)所有燃料棒的平均功率和相应的燃料棒燃耗的蝇迹图，最终得出包络所有循环所有燃耗的燃料棒功率包络曲线。它作为燃料热工机械性能论证的输入。某电厂18个月换料论证的燃料棒设计所需的棒功率史如表1所示。表1燃耗(mwd/tu)平均线功率密度(w/cm)f△h限值02751.478235502751.478310002601.398310002501.344520002141.151520002051.102565002051.102565001850.995680001850.995满足以下任一条件，燃料管理方案已经论证的燃料棒性能的结论将不受影响(即燃料棒性能“满足要求”)，不需再做额外分析：寿期内包含燃料棒最大燃耗的组件的f△h乘以惩罚因子后，小于表1所示的燃料棒功率史包络曲线；寿期内换棒组件f△h，燃耗采用该组件最大燃料棒燃耗，由此绘制的燃料棒功率史曲线小于表1所示的燃料棒功率史包络曲线。若以上两条件都不满足，则计算换棒组件内功率分布，加上惩罚矩阵，建立换棒组件的燃料棒功率史曲线，若换棒组件的燃料棒功率史曲线小于表1所示的燃料棒功率史包络曲线，则燃料棒性能评价的结论将不受影响。否则，重新设计堆芯装载方案，或者由燃料工程师给出评估结果。当前第1页12