一种先进的首循环18个月换料装载方法

摘要

本发明属于反应堆设计技术，具体涉及一种压水堆核电站反应堆堆芯首循环18个月换料装载方法。该方法针对177组燃料组件组成的反应堆堆芯，在首循环中，部分燃料组件使用含钆燃料组件，Gd

说明书

技术领域

本发明属于反应堆设计技术，具体涉及一种压水堆核电站反应堆堆芯首 循环18个月换料装载方法。

背景技术

在由177组燃料组件组成的压水堆核电站反应堆堆芯首循环燃料组件布置 中，传统的布置方法是：将堆芯燃料组件按照富集度的不同分为三区布置，这 三区的富集度分别为1.8％、2.4％、3.1％，其中富集度为1.8％的燃料组件不 含固体可燃毒物，富集度为2.4％和3.1％的燃料组件中可能含有固体可燃毒物， 在首循环中使用的固体可燃毒物为硼硅酸盐玻璃。在满足各项安全准则的前提 下，传统布置的首循环堆芯的自然循环长度为335个等效满功率天。

传统的硼硅酸盐玻璃的固体可燃毒物存在以下不足：工艺制造上较为复杂， 环状的硼硅酸盐玻璃装在不锈钢的套管里；以可燃毒物棒的形式直接插在燃料 组件的导向管位置，而控制棒也是插在燃料组件的导向管位置，因此插入可燃 毒物棒的燃料组件就不能再插入控制棒，也就是说硼硅酸盐玻璃可燃毒物棒的 使用在一定程度上限制了控制棒设计的灵活性；另外，首循环后，需要卸除硼 硅酸盐玻璃可燃毒物棒，进行额外的包装和处理，177组燃料组件组成的反应堆 堆芯首循环中含有1248根硼硅酸盐玻璃的固体可燃毒物棒，因此额外造成的放 射性废物为1248根硼硅酸盐玻璃的固体可燃毒物棒，不利于环境保护。

发明内容

本发明的目的在于提供一种177组燃料组件组成的反应堆堆芯首循环装 载方法，旨在解决首循环中使用传统的硼硅酸盐玻璃的固体可燃毒物导致放 射性废物多、不利于环保以及控制棒设计上不灵活、循环长度与18个月换料 的平衡循环长度相差较多的问题。

本发明的技术方案如下：一种先进的首循环18个月换料装载方法，反应 堆堆芯由177组燃料组件组成，在首循环中，部分燃料组件使用含钆燃料组 件，Gd₂O₃为可燃毒物材料，含钆燃料组件的含钆燃料棒中Gd₂O₃与UO₂混合均 匀弥散在燃料芯块中，含钆燃料芯块中Gd₂O₃的重量百分比为2%-10%。

进一步，如上所述的先进的首循环18个月换料装载方法，其中，所述的 177组燃料组件按照²³⁵U的富集度不同分为三区，三区富集度分别为2.0％、 3.1％和3.9％，三区的燃料组件数依次为61、68和48组，其中富集度为2.0％ 的燃料组件中没有含钆燃料棒，富集度为3.1％和3.9％的燃料组件中含有含 钆燃料棒。

更进一步，在含钆燃料组件中含有4根、8根、12根、16根、20根或 24根含钆燃料棒。

进一步，如上所述的先进的首循环18个月换料装载方法，其中，所述的 三种富集度的燃料组件分区中，富集度最高的燃料组件装载在堆芯外区，另 外两种较低富集度的燃料组件按棋盘式布置在堆芯内区。

本发明的有益效果如下：本发明在首循环中采用Gd₂O₃作为可燃毒物，在 满足各项安全准则的前提下，实现了自然循环长度为482个等效满功率天， 与传统的首循环中使用硼硅酸盐玻璃的固体可燃毒物相比，循环长度长了 147个等效满功率天，与18个月换料的平衡循环长度相当，具有相当高的经 济性和运行灵活性。

相比传统的硼硅酸盐玻璃的固体可燃毒物来说，采用Gd₂O₃的可燃毒物材 料还有如下优点：工艺制造较为简单，Gd₂O₃与UO₂混合均匀弥散在燃料芯块 中；不占用导向管位置，因此不会与控制棒的设计位置发生干涉；不需要进 行额外的处理，因为Gd₂O₃随着堆芯内的燃耗而减少，没有残余，因此没有放 射性废物，有利于环境保护。

附图说明

图1为本发明的具体实施例中堆芯燃料组件的布置结构示意图。

图中，表示²³⁵U富集度为3.9%的燃料组件；

表示²³⁵U富集度为3.1%的燃料组件；

^□表示²³⁵U富集度为2.0%的燃料组件；

图标中的数字表示含钆燃料棒的根数。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

如图1所示，本发明的一个实施例中，在177组燃料组件组成的反应堆堆 芯首循环中，使用Gd₂O₃作为可燃毒物，提高燃料组件初始富集度，重新布置燃 料组件在堆芯内的位置，使首循环的循环长度达到18个月换料长度。

177组燃料组件组成的反应堆堆芯由177组AFA3G燃料组件构成，堆芯燃料 活性段高度为365.76cm，等效直径为322.8cm，高径比为1.13。每个AFA3G燃 料组件的燃料棒按17×17方阵排列，包含264根燃料棒、24根导向管和1根仪 表管。

首循环中含钆燃料芯块中Gd₂O₃的重量百分比可以从2%到10%不等，作为本 发明的一个实施例，首循环中含钆燃料芯块中Gd₂O₃的重量百分比为8％。

一个17×17燃料组件中，可以含有4根、8根、12根、16根、20根或24 根钆棒，给设计带来较大的灵活性。本发明实施例中，首循环堆芯的燃料组件 根据含钆燃料棒的数量分为四种类型如下：含8根、12根、16根、20根钆棒的 燃料组件。

首循环中，Gd₂O₃作为固体可燃毒物，在结构上是与UO₂混合并烧结在UO₂芯 块内，因此使用Gd₂O₃作为固体可燃毒物不占用燃料组件中导向管的位置，控制 棒是插入导向管位置的，因此使用Gd₂O₃作为固体可燃毒物，与控制棒的位置设 计不发生干涉，相比传统的使用硼硅酸盐玻璃的固体可燃毒物与控制棒位置设 计发生干涉的情况来说，最大程度上提高了控制棒位置设计的灵活性；另外， 使用Gd₂O₃还可以实现对寿期初慢化剂温度系数较好的控制。由于Gd₂O₃是与UO₂芯块一起烧结，不增加乏燃料之外的废物量，而硼硅酸盐玻璃作为插卸式组件， 需要进行额外的包装及处理，会额外造成放射性废物。同时，Gd₂O₃的制造工艺 相对较为简单容易，而硼硅酸盐玻璃可燃毒物作为插卸式组件，在制造上较为 复杂。

首循环中，初始堆芯燃料组件都是新燃料组件，按照²³⁵U的富集度不同分为 三区，三区富集度分别为2.0％、3.1％和3.9％，燃料组件数依次为61、68和 48组，其中富集度为3.1％和3.9％的燃料组件中可能含有含钆燃料棒。富集度 最高的燃料组件装载在堆芯外区，另外两种较低富集度的燃料组件按棋盘式布 置在堆芯内区。

图1是本发明实施例提供的177组燃料组件组成的堆芯首循环装载方法中 堆芯燃料组件布置的示意图，其中图标中的数字表示组件中含钆燃料棒的数目。

横坐标从右往左依次由A-R排列，纵坐标从上往下依次由1-15排列，在 首循环中，初始堆芯的B08、C05、C07、C09、C11、D04、D06、D08、D10、D12、 E03、E05、E07、E09、E11、E13、F04、F06、F08、F10、F12、G03、G05、G07、 G09、G11、G13、H02、H04、H06、H08、H10、H12、H14、J03、J05、J07、J09、 J11、J13、K04、K06、K08、K10、K12、L03、L05、L07、L09、L11、L13、M04、 M06、M08、M10、M12、N05、N07、N09、N11、P08位置布置²³⁵U富集度为2.0％ 的燃料组件，这种富集度的燃料组件均不含有含钆燃料棒。

在初始堆芯的B 06、B07、B09、B10、C06、C08、C10、D05、D07、D09、D11、 E04、E06、E08、E10、E12、F02、F03、F05、F07、F09、F11、F13、F14、G02、 G04、G06、G08、G10、G12、G14、H03、H05、H07、H09、H11、H13、J02、J04、 J06、J08、J10、J12、J14、K02、K03、K05、K07、K09、K11、K13、K14、L04、 L06、L08、L10、L12、M05、M07、M09、M11、N06、N08、N10、P06、P07、P09、 P10位置布置²³⁵U富集度为3.1％的燃料组件，其中在B06、B10、F02、F14、K02、 K14、P06、P10位置布置的燃料组件含有8根含钆燃料棒；在B07、B09、C06、 C08、C10、D05、D11、E04、E08、E12、F03、F07、F09、F13、G02、G06、G10、 G14、H03、H05、H11、H13、J02、J06、J10、J14、K03、K07、K09、K13、L04、 L08、L12、M05、M11、N06、N08、N10、P07、P09位置布置的燃料组件含有16 根含钆燃料棒；在D07、D09、E06、E10、F05、F11、G04、G08、G12、H07、H09、 J04、J08、J12、K05、K11、L06、L10、M07、M09位置布置的燃料组件含有20 根含钆燃料棒。

在初始堆芯的A06、A07、A08、A09、A10、B04、B05、B11、B12、C03、C04、 C12、C13、D02、D03、D13、D14、E02、E14、F01、F15、G01、G15、H01、H15、 J01、J15、K01、K15、L02、L14、M02、M03、M13、M14、N03、N04、N12、N13、 P04、P05、P11、P12、R06、R07、R08、R09、R10位置布置²³⁵U富集度为3.9％ 的燃料组件，其中在B05、B11、E02、E14、L02、L14、P05、P11位置布置的燃 料组件含有12根含钆燃料棒；在A08、H01、H15、R08位置布置的燃料组件含 有16根含钆燃料棒；在C04、C12、D03、D13、M03、M13、N04、N12位置布置 的燃料组件含有20根含钆燃料棒。

堆芯装载优化设计布置是在基本安全准则的前提下，综合考虑了燃料管理 性能参数和中子学参数得出的。首循环的燃料管理计算结果如表一所示，中子 学参数计算结果如表二所示。

表一燃料管理计算结果

表二中子学参数计算结果

主要参数 数值 慢化剂密度系数－最大值（10⁵pcm/g/cm³） 0.388 多普勒温度系数（绝对值最大值）pcm/℃ -4.121 多普勒温度系数（绝对值最小值）pcm/℃ -1.894 多普勒功率系数（低限值）pcm/％FP -6.888--5.253(0%-100%) 多普勒功率系数（高限值）pcm/％FP -12.199--9.402(0%1-00%) 缓发中子份额－最大值 0.00733 缓发中子份额－最小值 0.00480 瞬发中子寿命（最大值） 27.657

以上首循环中的初始堆芯装载方案满足基本设计参数：F_DH≤1.65；F_Q≤2.45 和基本安全准则，其中F_DH为焓升因子，F_Q为热点因子。从表一和表二中的计算 结果可以得出此方案首循环中对新燃料组件的设计方案完全满足安全准则。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本 发明的精神和范围。这样，倘若对本发明的这些修改和变型属于本发明权利 要求及其同等技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。