轻水型中小动力反应堆堆芯燃料组件布料和换料方法

专利名称:轻水型中小动力反应堆堆芯燃料组件布料和换料方法
技术领域：
本发明涉及一种轻水型中小动力反应堆堆芯燃料组件布料和换料方法，属于核反应堆技术领域：
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背景技术：
在核电站轻水反应堆的设计中，燃料的裂变同位素富集度和卸出燃料的燃耗深度是两项重要的经济指标。当设计功率确定以后，由反应堆物理、热工和结构等设计要求以及经济性的权衡，决定了燃料成分和燃料组件的数量。经济规模核电站的设计结果是燃烧期末卸出的燃料组件达到和接近该品种燃料组件所允许的燃耗深度。
随着燃料组件研制和加工的改进，以及燃料使用经验和辐照考验时间的增加，允许的燃耗深度逐步提高，这就要求反应堆燃料布料和换料方式，满足新燃耗深度的设计要求。为增加燃耗深度在设计上通常采用的方法有1、提高燃料裂变同位素富集度，达到卸出燃料燃耗深度增加和换料周期延长的目的；2、扩大堆芯尺寸增加初始燃料装载量，达到加深燃耗深度和延长换料周期的目的；3、增加燃料换料批次，在燃料循环特性满足使用要求的情况下，达到提高卸料燃耗深度的目的。
第一种方法提高了燃料单价，增加了初装燃料费和燃料更换费用，但由于燃耗加深和换料周期的延长，提高了总经济效益。第二种方法由于压力壳直径扩大、吊篮及堆芯结构件扩大，增加了堆芯结构扩大的费用，另外还增加了初装燃料费用和可能增加的控制棒及驱动机构等费用。这种方法往往在堆芯扩大以后，相应地提高反应堆输出功率，即提升到一个新的功率设计水平，这会有更好的经济性。第三种方法换料周期(循环燃耗)缩短和换料批次增加，不提高燃料富集度也可以提高卸料燃耗深度。
现在还有另一种情况，即在中小型动力堆的设计中，往往也采用与核电站反应堆相同的燃料元件，也被允许达到核电站那样的较深的燃耗深度。但中小型反应堆与经济规模核电站反应堆相比，堆芯尺寸小得多，设计结果是燃料裂变同位素富集度高而燃耗深度浅，燃料经济性较差。
对于中小动力堆，压力壳、堆芯构件及控制棒驱动机构等，由于结构件尺寸比核电站的相应尺寸小得多，两者在加工难度和材料成本上有很大区别，因此堆芯结构扩大费用相对较低，特别是以低温供热为目的的反应堆，这项费用更低。有些低温供热堆，例如池式供热堆就不需要反应堆压力壳、吊篮等结构部件，结构扩大费用很低。而核燃料组件的单位价格与大型核电站反应堆相比没有很大变化，因此初装燃料费占总投资的比例显著提高。在核电站的总投资中，初装燃料费仅占1～2％，而在有些中小动力堆中，初装燃料费可能占到20％。
图1为已有技术的中小动力反应堆初装堆芯燃料组件布料图，反应堆按4批换料方式布料，即每次换料卸出1/4组件，加入1/4新燃料组件。不同富集度的燃料组件按外内交替方式布置，第一种组件即富集度最高的燃料组件放在堆芯的外围，其他第二、第三、第四种燃料组件即富集度较低的燃料组件放在内部交替排列，这种布置有利于反应堆功率展平及反应性。但对于功率小于经济规模核电站反应堆的中小反应堆，其燃料富集度高而卸出的平均燃耗深度却较低。

发明内容
本发明的目的在于提供一种轻水型中小动力反应堆堆芯燃料组件布料和换料方法，对已有的燃料布料和换料法做出改进，以有效、经济地利用核燃料并获得较低动力成本。
本发明提出的轻水型中小动力反应堆堆芯燃料组件布料和换料方法，堆芯置于围筒内，所述的堆芯分成中心区和外区，初次装载时中心区布置反应堆的燃料组件，外区布置空组件，当堆芯换料时，从中心区卸出组件，将其放置在外区，替换空组件。
上述方法中，当堆芯换料时，从中心区卸出组件，将其放置在外区，替换空组件，第二次换料时继续从中心区卸出组件，将其放置在外区，替换空组件，重复上述过程，直到在堆芯外区的组件达到或接近设计要求的燃耗深度。
上述方法中的空组件是由金属板制成的空盒，空盒的外形和尺寸与所述的燃料组件相同，空盒的上下底板或侧壁板上有孔，空盒内充满水。
上述方法中的空组件由低中子吸收材料制成，该低中子吸收材料可以为石墨、铝、锆或不锈钢的任何一种或其混合。
上述方法中的空组件可以为辐照组件。
本发明提出的轻水型中小动力反应堆堆芯燃料组件布料和换料方法，与没有采用本方法的反应堆相比，有如下优点1、堆芯扩展后比功率降低，泄漏反应性损失减少，增加了堆芯反应性(即提高了中子经济性)，降低了燃料成本；2、在本发明与已有技术的燃料富集度相同、初装燃料组件数量相同、不增加燃料总费用的情况下，加深了卸料燃耗，降低了动力成本；3、本发明方法使堆芯扩展后，若需要提升反应堆功率，所需的投入费用很低；4、提高了燃料利用率，降低了总乏燃料产生量。



图1为已有技术的中小动力反应堆初装堆芯燃料组件布料和换料示意图。
图2为本发明提出的轻水型中小动力反应堆堆芯布料和换料法的初装堆芯组件布置图。
图3为本方法第一次燃料组件换料示意图。
图4为使用本发明方法的平衡堆芯燃料组件布料和换料示意图。
图5为本发明中作为空组件的空盒结构示意图。
图6为本发明中作为空组件的另一种空盒结构示意图。
图1及图2中，01是第一种燃料组件，02是第二种燃料组件，03是第三种燃料组件，04是第四种燃料组件，A是堆芯围筒，B是空组件。图3及图4中，05是第五种燃料组件，依此类推，17是第十七种燃料组件。图5中，18是上连接件，19是上底板，20是侧壁板，21是下底板，22是下连接件，23是孔。图6中，24是上底板，25是侧壁板，26是下底板，27是下连接件，28是孔。
具体实施方式
本发明提出的轻水型中小动力反应堆堆芯燃料组件布料和换料方法，堆芯置于围筒A内，所述的堆芯分成中心区和外区，如图2所示，其中B是空组件，空组件所在位置为堆芯外区，初次装载时中心区布置的反应堆的燃料组件01、02、03、04与图1中布置相同，燃料组件所在位置为中心区，外区布置空组件B，当堆芯换料时，从中心区卸出组件，将其放置在外区，替换空组件B。
上述方法中，当堆芯换料时，从中心区卸出组件，将其放置在外区，替换空组件B，第二次换料时继续从中心区卸出组件，将其放置在外区，替换空组件B，重复上述过程，直到在堆芯外区的燃料组件达到或接近设计要求的燃耗深度。替换空组件的换料次数由是否达到设计的卸料燃耗深度来决定，当达到卸料燃耗深度后，不再替换空组件，而是替换乏燃料组件。
上述方法中的空组件是由金属板制成的空盒，其结构如图5所示，空盒的外形和尺寸与所述的燃料组件相同，空盒有上连接件18及下连接件22，空盒的上下底板19、21或侧壁板20上有孔23，空盒内充满水。
上述方法中的空组件是由金属板制成的空盒，其结构如图6所示，空盒的外形和尺寸与所述的燃料组件相同，空盒有下连接件27，空盒的上下底板24、26或侧壁板25上有孔28，空盒内充满水。
上述方法中的空组件由低中子吸收材料制成，该低中子吸收材料可以为石墨、铝、锆或不锈钢的任何一种或其混合。
上述方法中的空组件可以为辐照组件，利用堆芯外区的中子生产辐照产品。
以下结合附图，介绍本发明的一个实施例。
图2中，01至04是由157盒燃料组件构成的反应堆堆芯中心区，不同燃料富集度的燃料组件数量及布置与图1相同；B是由64盒空组件构成的反应堆堆芯外区；A是扩大后的堆芯围筒。
图3中，05是铀-235富集度为3.0％的新加入的燃料组件，共有32盒；06是经过第1循环的富集度为3.0％的组件，共有36盒；07是经过第1循环的富集度为2.4％的组件，共有40盒；08是经过第1循环的富集度为1.8％的组件，共有40盒；09是经过第1循环的富集度为1.3％的组件，共有9盒；10是经过第1循环的富集度为1.3％的组件，从中心区卸出后放置在堆芯外区，共有32盒。堆芯外区剩下的32盒空组件B，将在下次换料时被替代。这种燃料组件布置已经不是图1所示的外内交替方式，而是转变成低中子泄漏布置方案，即堆芯径向边缘中子密度低，有利于中子经济性，同时增加了换料批次，加深了卸料燃耗。扩大后的堆芯按设计要求，调整组件布置和控制棒数量，在中心区以满足功率展平和反应性要求为主，每个组件占有较高的功率份额，而外区布置有一定燃耗深度的组件，每个组件占功率份额较低，但在需要时组件可以在中心区和外区之间交换位置而不受限制。
图4中，在经过多次循环和换料以后，反应堆达到低中子泄漏方案的平衡燃料循环。11是加入的铀-235富集度为3.0％的新燃料组件，共有32盒；12至17依次是经过1、2、3、4、5、6批次循环的具有一定燃耗深度的燃料组件，除15为29盒外，其余均为32盒。新燃料组件11在经过7个批次循环后，成为17批次组件，在它卸出时，最深燃耗已经接近了本实施例所用燃料组件的允许值。
完成堆芯布料和换料法的堆芯扩展后，反应堆可在两种状态下运行。一种是保持输出功率不变，由于堆芯扩大和卸料燃耗加深，可以延长循环周期；也可以保持循环周期不变，减少批换料组件数量，即改变燃料换料批次。另一种是与负荷需求配合，增加冷却环路或冷却设备(如循环泵和热交换器等)，提升反应堆输出功率。当中小反应堆用于供热或热电联供时，用户热负荷需求数量往往会随时间增加，因此完成堆芯扩展后，适当提升功率，可获得更好的经济效益。
本实施例与没有采用堆芯布料和换料法的反应堆相比，在满足同样燃料循环周期要求的情况下，本实施例的平均卸料燃耗深度可从25000MWD/tU提高到32000MWD/tU以上，换料批次由4批变成7批，循环换料每批次组件数量由40盒降到32盒。新燃料组件经过7个批次循环后，被卸出堆芯时，不仅平均卸出燃耗加深，而且批次内组件之间燃耗深度差异很小，显著提高了燃料经济性。
权利要求
1.一种轻水型中小动力反应堆堆芯燃料组件布料和换料方法，其特征在于所述的堆芯置于围筒内，所述的堆芯分成中心区和外区，初次装载时中心区布置反应堆的燃料组件，外区布置空组件，当堆芯换料时，从中心区卸出组件，将其放置在外区，替换空组件。
2.如权利要求
1所述的方法，其特征在于当堆芯换料时，从中心区卸出组件，将其放置在外区，替换空组件，第二次换料时继续从中心区卸出组件，将其放置在外区，替换空组件，重复上述过程，直到在堆芯外区的燃料组件达到或接近设计要求的燃耗深度。
3.如权利要求
1所述的方法，其特征在于所述的空组件是由金属板制成的空盒，空盒的外形和尺寸与所述的燃料组件相同，空盒的上、下底板或侧壁板上有孔，空盒内充满水。
4.如权利要求
1所述的方法，其特征在于所述的空组件由低中子吸收材料制成。
5.如权利要求
4所述的方法，其特征在于所述的低中子吸收材料为石墨、铝、锆或不锈钢的任何一种或其混合。
6.如权利要求
1所述的方法，其特征在于所述的空组件为辐照组件。
专利摘要
本发明涉及一种轻水型中小动力反应堆堆芯燃料组件布料和换料方法，属于反应堆技术领域：
。本方法中，堆芯置于围筒内，所述的堆芯分成中心区和外区，初次装载时中心区布置反应堆的燃料组件，外区布置空组件，当堆芯换料时，从中心区卸出的组件放置在外区，替换空组件。第二次及其后的换料，还可继续替换空组件，直到卸出的组件达到或接近设计要求的燃耗深度。堆芯扩展后比功率降低，泄漏反应性损失减少，增加了反应性，提高了燃料利用率，降低了总乏燃料产生量。在与已有技术的燃料富集度相同、初装燃料组件数量相同、不增加燃料总费用的情况下，加深了卸料燃耗，降低了动力成本；当堆芯扩展后，反应堆功率可适当提升，功率提升的费用较低。
文档编号G21C5/00GKCN1832053SQ200510053467
公开日2006年9月13日 申请日期2005年3月11日
发明者田嘉夫 申请人:田嘉夫