一种超临界水冷堆的平衡循环堆芯设计方法

摘要

本发明公开了一种超临界水冷堆的平衡循环堆芯设计方法，将关键设计过程进行了离散分解，根据耦合紧密程度及耦合效应强烈程度，进行相互匹配和迭代设置，形成了联系紧密的非线性迭代过程，从而可以获得性能更高的超临界水冷堆平衡循环堆芯设计方案。本发明使得超临界水冷堆的平衡循环堆芯设计精度和设计性能更高、设计方案更加完善。

说明书

技术领域

本发明属于核反应堆堆芯设计技术领域，具体涉及一种超临界水冷堆的平衡循环堆芯设计方法。

背景技术

超临界水冷堆是最具发展前景的第IV代核能系统之一，具有机组热效率高、系统简化等突出优点。与传统压水堆相比，超临界水冷堆较大的堆芯出入口温差（500℃/280℃）使其具有强烈的物理与热工耦合效应，而且完全依靠控制棒和可燃毒物进行后备反应性控制及反应性亏损补偿，同时还需要满足最大燃料包壳温度、最大线功率密度及卡棒准则等设计准则，使得堆芯装载方案设计难度大幅增加。此外，为了降低燃料包壳温度并提供冷却剂出口温度，引入了多流程及流量分区设计技术，同时平衡循环堆芯还需要考虑换料过程，因而超临界水冷堆的平衡循环堆芯设计是超临界水冷堆设计中的重大关键技术问题。目前，国际上给出的超临界水冷堆平衡循环堆芯设计方案非常少，主要原因是设计过程复杂，尚没有较为简单、有效、准确的超临界水冷堆平衡循环堆芯设计方法。

综上所述，目前国内外还没有相对完善、计算准确的用于超临界水冷堆平衡循环堆芯的设计方法，因而需要针对超临界水冷堆平衡循环堆芯设计特点及关键技术问题，提出功能更加完善、计算过程更加简单有效、精度更高的平衡循环堆芯设计方法。

发明内容

本发明的目的在于针对超临界水冷堆物理与热工强烈耦合以及诸多关键设计过程相互紧密耦合的设计特点，提出了一种超临界水冷堆的平衡循环堆芯设计方法，使得超临界水冷堆的平衡循环堆芯设计精度和设计性能更高、设计方案更加完善。

本发明的目的通过下述技术方案实现：一种超临界水冷堆的平衡循环堆芯设计方法，包括以下步骤：

（1）确定超临界水冷堆平衡循环堆芯主参数；

（2）确定主要设计准则；

（3）设定各流程的堆芯区域和组件数量、冷却剂和慢化剂流向；

（4）初始化堆芯各流程的相对功率份额；

（5）设定各流程流量分配方案；

（6）设定堆芯装载方案及换料方案；

（7）设定控制棒布置方案；

（8）设定控制棒运行管理方案；

（9）设定新燃料组件富集度及组件内分区方式；

（10）设定寿期初堆芯燃耗分布；

（11）设定堆芯组件冷却剂流量分配方案；

（12）进行堆芯三维少群扩散计算；

（13）给出堆芯径向和轴向功率分布，作为热工水力计算输入；

（14）进行堆芯多通道热工水力计算；

（15）给出堆芯径向和轴向水密度分布；

（16）判断堆芯的所有区域水密度分布是否收敛，若收敛，则进入下一步骤，若不收敛，则返回到步骤（12）；

（17）计算堆芯特定工况下组件流量分配；

（18）调整控制棒棒位进行堆芯临界燃耗计算；

（19）判断是否寿期末，若是，则进入下一步骤，若不是，则返回到步骤（12）；

（20）形成新的全寿期堆芯组件流量分配方案；

（21）进行堆芯模拟换料；

（22）判断寿期初堆芯燃耗分布是否收敛，若收敛，则进入下一步骤，若不收敛，返回到步骤（10）；

（23）判断堆芯燃耗寿期是否满足要求，若满足，则进入下一步骤，若不满足，返回到步骤（9）；

（24）判断控制棒是否满足卡棒准则，若满足，则进入下一步骤，若不满足，则返回到步骤（7）；

（25）判断主要设计准则是否全部满足，若满足，则结束，若不满足，则返回到步骤（5）。

本发明构思是将超临界水冷堆的平衡循环堆芯设计中的流程流量分配、堆芯装载及换料、控制棒运行管理、组件流量分配等关键设计过程进行了离散分解，根据耦合紧密程度及耦合效应强烈程度，进行相互匹配和迭代设置，形成了联系紧密的非线性迭代过程，从而可以获得性能更高的超临界水冷堆平衡循环堆芯设计方案；至于在设计过程中的每一个单独的计算步骤，均可采用本领域的现有技术，也可根据实际需求进行改进。与已有设计方法相比，该设计方法功能更加完善，计算效率和精度更高，能够较好地应用于各类超临界水冷堆的平衡循环堆芯设计。该方法实现了流程流量分配方案设计、堆芯装载及换料方案设计、控制棒运行管理方案设计、组件流量分配方案设计等关键设计过程的相互耦合，能够给出同时满足最大包壳温度、最大线功率密度、反应性控制等设计准则的超临界平衡循环堆芯设计方案。

上述步骤（5）～（11）即为经过离散分解后的关键设计过程，按照本发明公开的流程进行多层次、多批次迭代计算，根据计算结果不断调整新燃料组件富集度、装载方案及换料方案、控制棒布置方案及运行管理程序、各流程流量分配方案等，最终给出满足所有设计准则的平衡循环堆芯设计方案。

作为本发明的一种优选方案，根据通常的设计需要，所述步骤（1）中，超临界水冷堆平衡循环堆芯主参数包括：热功率、燃耗寿期、循环长度、组件结构形式及尺寸、包壳及结构材料、组件数量及布置、堆芯布置、堆芯出入口温度、旁流份额、慢化剂最大出口温度；但是，本发明涉及的主参数并不仅限于此，也可根据设计需求增加或减少。

循环长度：反应堆两次停堆换料之间的时间间隔。

旁流份额：从反应堆压力容器进口直接沿压力容器环腔进入下腔室的冷却剂流量与反应堆冷却剂总流量之比。

作为本发明的另一种优选方案，根据通常的设计需要，所述步骤（2）中，主要设计准则包括：最大燃料包壳温度、最大线功率密度、卡棒准则；但是，本发明的主要设计准则并不仅限于此，也可根据设计需求增加或减少。

线功率密度：反应堆总功率与堆内所有燃料元件长度之和的比值。

综上所述，本发明的优点为：首先将各设计过程进行了离散分解，在此基础上，根据各设计过程耦合紧密程度及耦合效应强烈程度，进行相互匹配和迭代设置，形成紧密联系的非线性迭代过程，从而获得更高性能指标的超临界水冷堆平衡循环堆芯设计方案；与目前已有的设计方法相比，该设计方法功能更加完整，计算效率和精度更高，能够较好地应用于各类超临界水冷堆的平衡循环堆芯设计。

附图说明

图1为本发明的流程示意图；

图2为实施例的组件布置图；

图3为实施例的堆芯布置图；

图4为实施例的换料过程示意图一；

图5为实施例的换料过程示意图二；

图6为实施例的换料过程示意图三；

图7为实施例的控制棒布置图；

图8为0.0 EFPD的控制棒运行管理程序；

图9为2.0 EFPD的控制棒运行管理程序；

图10为30.0 EFPD的控制棒运行管理程序；

图11为70.0 EFPD的控制棒运行管理程序；

图12为110.0 EFPD的控制棒运行管理程序；

图13为150.0 EFPD的控制棒运行管理程序；

图14为190.0 EFPD的控制棒运行管理程序；

图15为230.0 EFPD的控制棒运行管理程序；

图16为270.0 EFPD的控制棒运行管理程序；

图17为300.0 EFPD的控制棒运行管理程序；

图18为330.0 EFPD的控制棒运行管理程序；

图19为实施例的堆芯组件流量分配示意图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图，对本发明作进一步的详细说明，但本发明的实施方式不仅限于此。

实施例：

本发明公开的一种超临界水冷堆的平衡循环堆芯设计方法如图1所示，图1中的堆芯主参数代表步骤（1），设计准则代表步骤（2），流程区域划分代表步骤（3），初始化流程功率份额代表步骤（4），流程流量分配方案代表步骤（5），堆芯装载及换料方案代表步骤（6），控制棒布置方案代表步骤（7），控制棒运行管理程序代表步骤（8），新燃料组件富集度及分区方式代表步骤（9），寿期初燃耗分布代表步骤（10），堆芯组件流量分配方案代表步骤（11），堆芯扩散计算代表步骤（12），堆芯功率分布代表步骤（13），堆芯热工水力计算代表步骤（14），堆芯水密度分布代表步骤（15），特定工况组件流量分配代表步骤（17），堆芯调棒临界燃耗计算代表步骤（18），新全寿期组件流量分配方案代表步骤（20），堆芯模拟换料代表步骤（21），具体如下：

（1）确定超临界水冷堆平衡循环堆芯主参数，本实施例中涉及的主参数包括：热功率、燃耗寿期、组件结构形式及尺寸、包壳及结构材料、组件数量及布置、旁流份额、堆芯布置、堆芯出入口温度。所涉及的主参数均是根据实际设计需求进行取值，本实施例中采用Ф9.5mm燃料元件，包壳及其它结构材料均为310S，组件中心距为239.0mm，子组件对边距为98.5mm，棒间距为1.0mm，棒盒厚为0.8mm，组件盒厚2.0mm；采用十字形控制棒，吸收材料为碳化硼，组件具体布置如图2所示；堆芯压力为25MPa，额定热功率为2300MW，旁流份额为10.0%，平均入口/出口温度为280℃/500℃，活性区高度为4200mm，共包含157盒组件，设计寿期为330EFPD（有效全功率天数），具体布置如图3所示。

（2）确定主要设计准则，本实施例中涉及的主要设计准则包括：最大燃料包壳温度、最大线功率密度、卡棒准则。所涉及的主要设计准则均是根据实际设计需求进行取值，本实施例中最大燃料包壳温度低于650℃、最大线功率密度低于39kW/m、寿期内卡最大价值一束控制棒时堆芯的临界系数Keff小于0.99，将上述准则作为设计约束调整设计参数。

（3）设定第I、第II流程所占的堆芯区域以及相应组件数量，第I和第II流程燃料组件的冷却剂（向上或向下）和慢化剂流向（向上或向下），基本原则：第II流程冷却剂流速最大化而且堆芯结构设计较为容易实现。

（4）初始化堆芯各流程的相对功率份额：（4.1）按照燃料组件数量估算出第I流程冷却剂份额、第I流程慢化剂份额、第II流程慢化剂份额和流量；（4.2）利用堆芯慢化剂入口温度T_m-in、第I流程慢化剂最大出口温度T_m-max、第I流程慢化剂流量q_I-m计算出允许第I流程慢化剂导出的最大热量Q_I-M；（4.3）利用堆芯冷却剂入口温度T_c-in、第I流程冷却剂最大出口温度T_c-max、第I流程冷却剂流量q_I-c计算出允许第I流程冷却剂导出的最大热量Q_I-C；（4.4）将Q_I-M、Q_I-C之和除以堆芯总输出热量，即为堆芯第I流程的功率份额，其余为堆芯第II流程的功率份额。上述步骤（4）中的Q_I-M和Q_I-C的计算过程属于公知常识，在此不再赘述。

（5）设定堆芯第I和第II流程流量分配方案：（5.1）根据旁流份额，计算出堆芯冷却剂旁流量q₁（旁流份额与反应堆冷却剂总流量乘积）；（5.2）根据第I流程冷却剂入口温度T_c-in-I、第I流程冷却剂出口温度T_c-out-I、第I流程燃料组件功率分布P_I-ASS、第I流程燃料元件与冷却剂之间的导热面积及导热系数、第I流程冷却剂与慢化剂之间的导热面积和导热系数，调整第I流程冷却剂流量q₂，约束条件为：寿期内任何燃耗时刻第I流程各燃料组件的最大冷却剂出口温度均低于设定的第I流程冷却剂最大出口温度T_c-max-I；（5.3）根据第I流程冷却剂与慢化剂之间的导热面积和导热系数、第I流程各组件冷却剂温度分布、第I流程慢化剂出口温度T_m-out-I，调整第I流程慢化剂的流量q₃，约束条件为：寿期内任何燃耗时刻第I流程各燃料组件的最大慢化剂出口温度均低于设定的第I流程慢化剂最大出口温度T_m-max-I；（5.4）根据第II流程冷却剂与慢化剂之间的导热面积和导热系数、第II流程各组件冷却剂温度分布、第II流程慢化剂出口温度T_m-out-II，调整第II流程慢化剂的流量q₄，约束条件为：寿期内任何燃耗时刻第II流程各燃料组件的最大慢化剂出口温度均低于设定的第II流程慢化剂最大出口温度T_m-max-II，同时调整堆芯旁流流量q₁，保证q₁+q₂+q₃+q₄=q_t（堆芯总流量）；（5.5）若第II流程慢化剂出口温度较低，则减少第II流程的慢化剂流量q₄，增加第I流程的慢化剂流程q₃；（5.6）若第I流程冷却剂出口温度较大，可减少其流量q₂，提高第I流程慢化剂流量q₃。上述步骤（5）中的q₂、q₃和q₄的调整过程属于本领域的常规技术手段，在此不再赘述。

（6）设定堆芯装载方案及换料方案：（6.1）根据堆芯燃料组件富集度、循环长度、功率密度、经济性和安全性要求，确定堆芯燃料组件的装载批次以及新燃料组件布置位置（如：堆芯外围区域、堆芯次外围区域以及新旧燃料组件混合布置方式）及数量；（6.2）根据堆芯装载模式、堆芯功率分布、最大功率峰因子以及核焓升因子，确定各批次燃料组件的位置，约束条件：寿期内堆芯最大功率峰因子及核焓升因子最小，并且满足堆芯循环长度设计要求。

富集度：金属铀中²³⁵U的含量。

循环长度：反应堆两次停堆换料之间的时间间隔。

（7）设定控制棒布置方案：（7.1）考虑堆芯循环长度、后备反应性大小、控制棒束布置方式等约束，给出堆芯最大控制棒束布置数量；（7.2）综合考虑寿期内各燃耗时刻堆芯可能出现的功率分布、换料方案，以各束控制棒反应性价值尽可能均匀为约束条件，设定各束控制棒在堆芯的位置。

（8）设定控制棒运行管理方案：（8.1）综合考虑安全性、操作灵活性、堆芯空间功率分布尽可能平坦等设计要求，按照不同功能（如安全棒、功率调节棒等），对堆芯内的所有控制棒束进行分组；（8.2）根据堆芯循环长度以及运行控制系统的要求，将堆芯运行划分为多个运行时区并设定重叠窗口，在每个运行时区内，重新设定各控制棒组的功能，不同工况提升或下插的次序和高度等参数。

（9）设定新燃料组件富集度及组件内富集度分区方式：（9.1）根据堆芯循环长度设计要求以及实际燃耗寿期，调整（增加或减少）燃料组件的富集度；（9.2）根据组件内局部功率峰因子大小及所能允许的富集度类型，在保证燃料组件平均富集度不变的条件下，调整组件内各燃料元件富集度，使其局部功率峰因子最小。

（10）设定寿期初堆芯燃料组件燃耗分布：根据循环寿期末各燃料组件的燃耗深度以及堆芯的具体换料方案，调整寿期初各组件的燃耗，在满足循环长度的条件下，使各燃料组件的预测燃耗与实际燃耗一致。

（11）设定堆芯组件冷却剂流量分配方案：在堆芯总流量保持不变的条件下，以降低最大燃料包壳温度、展平各组件冷却剂出口温度为目标，调整各燃料组件的冷却剂相对流量，实现组件功率与冷却剂流量匹配。

（12）进行堆芯三维少群扩散计算：（12.1）在堆芯径向，每个燃料组件划为一个节块，沿燃料组件轴向，将其划分为多层，使堆芯由多个长度为X_L、宽度为Y_L、高度为Z_L的长方体节块构成，在每个节块内水密度、燃耗深度等参数完全一致；（12.2）根据堆芯水密度分布、燃耗分布、控制棒布置及相关设计参数，采用插值方法给出每个节块的少群截面参数；（12.3）利用数值计算方法（如节块法、差分法等）求解堆芯三维少群堆芯扩散方程，给出堆芯空间通量分布及功率分布，上述数值计算方法属于本领域的常规技术，在此不再赘述。

（13）给出堆芯径向和轴向功率分布，作为热工水力计算输入：（13.1）将堆芯三维空间功率分布归并为二维组件功率分布，用于计算组件冷却剂出口温度；（13.2）将堆芯三维空间功率分布归并为一维轴向功率分布，用于计算最大燃料包壳温度。

（14）进行堆芯多通道热工水力计算：（14.1）每个燃料组件作为一个热工通道，在堆芯径向各热工通道是封闭的，无热量交换；（14.2）一维轴向功率分布用于计算每个热工通道内的冷却剂和慢化剂温度分布；（14.3）一维轴向功率分布与各节块内功率峰因子的乘积用于计算各节块内的最大燃料包壳温度；（14.4）利用堆芯多通道热工水力计算方法形成相应计算过程，根据上述假设进行反复迭代，直至收敛，上述堆芯多通道热工水力计算方法属于本领域的常规技术，在此不再赘述。。

（15）给出堆芯径向和轴向水密度分布，实施过程如下：根据多通道热工水力计算结果，归并出堆芯每个节块的慢化剂密度和温度分布，冷却剂密度和温度分布。

（16）判断堆芯的所有区域水密度分布是否收敛，若不收敛，则返回到步骤（12）进行重新计算，具体过程：计算出的堆芯每个节块的平均冷却剂密度和慢化剂密度与上一次迭代计算结果相比较，若两者之差满足收敛准则，即为收敛，否则为不收敛。

（17）计算堆芯特定工况下组件流量分配：为了获得全寿期内最佳组件流量分配方案，需要针对每个燃耗步，计算出与之堆芯功率分布相匹配的流量分配方案，冷却剂流量与组件功率成正比，组件功率越大流量越大，组件功率越小流量越小，冷却剂总流量保持不变。

（18）调整控制棒棒位进行堆芯临界燃耗计算，根据步骤（8）设定的控制棒管理方案，进行堆芯临界搜索，给出各组控制棒的棒位、该工况下的堆芯空间功率分布以及每个节块的燃耗增量。

（19）判断堆芯燃耗寿期是否满足设定的循环长度或设定的燃耗步骤（寿期末），若不是，调整各节块的燃耗，返回到步骤（12）进行重新计算。

（20）形成新的全寿期内堆芯组件流量分配方案：（20.1）根据步骤（17）给出的各燃耗时刻的流量分配方案，筛选出能够包络或满足寿期内各种设计准则的流量分配方案，作为新的（下一次迭代）计算的堆芯组件流量分配方案；（20.2）在给定流量条件下，若无法给出最大燃料包壳温度满足设计准则的流量分配方案，则增加堆芯的总流量。

（21）根据步骤（6）设定的换料方案，进行堆芯模拟换料，调整堆芯各组件的燃耗分布。

（22）在完成堆芯模拟换料之后，判断本次迭代形成的堆芯装载方案的寿期初堆芯燃耗分布，与上一次迭代的寿期初堆芯燃耗分布相比较，若两者之差满足收敛准则，即为收敛，否则为不收敛，返回到步骤（10），调整寿期初堆芯燃料组件燃耗分布后，重新进行计算；

（23）判断堆芯燃耗寿期是否满足步骤（1）设定的要求，若不满足，返回到步骤（9），调整新燃料组件富集度及组件内富集度分区方式后，重新进行计算；

（24）判断各束控制棒是否满足“卡棒准则”，若不满足，则返回到步骤（7），优化控制棒布置方案后，重新进行计算，本实施例中，卡棒准则的具体定义为：在冷态工况（20℃、慢化剂和冷却剂密度为1.0g/cm³、无氙）下，卡寿期内最大价值一束控制棒时，堆芯临界系数Keff≤0.99；

（25）判断最大燃料包壳温度、最大线功率密度等设计准则是否全部满足，若满足，则结束，若不满足，返回到计算步骤（5），优化各流程流量分配方案后，重新进行计算。

经过上述设计步骤形成的超临界水冷堆的平衡循环堆芯设计方案如下：

子组件每个角点处的燃料棒富集度为4.3%，其余为5.7%，平均富集度为5.6%，燃料组件的功率不均匀系数约为1.06。

采用3批次、高泄漏、年换料模式，每次装入52盒新组件，燃烧1个循环的组件为52盒，燃烧2个循环的组件为52盒，燃烧3个循环的组件为1盒，具体换料过程如图4～6所示。

全堆共93束控制棒，停堆时，所有控制棒束同时插入堆芯。正常运行工况下，控制棒按照设定程序逐步抽出或插入堆芯，堆芯控制棒布置如图7所示。

沿轴向将控制棒动作划为40步，“0”表示全插，“40”或空白则表示全提，控制棒运行管理程序如图8～18所示。

堆芯冷却剂总的质量流量为1183kg/s，流动方案为：第I流程冷却剂流量为总流量的46%，第I流程慢化剂为14%，第II流程慢化剂为30%，堆芯旁流量为10%。

堆芯组件流量分配方案设计主要针对第II流程进行，匹配原则是：最大燃料包壳温度低于限值、冷却剂出口温度尽量平坦，图19给出了组件流量分配方案。

平衡循环堆芯冷却剂平均出口温度为500℃，最大燃料包壳温度为648℃，最大线功率密度为38.8kW/m，卡最大价值一束控制棒堆芯临界系数Keff为0.98，燃耗寿期350EFPD，满足所有设计准则。

如上所述，便能较好的实现本发明。