管理类《核反应堆物理》第7部分(堆芯燃料管理)

优化问题的特点
➢ (1)该优化问题是一个与时间有关的动态规划问题;
➢ (2)由于燃料组件位置、可燃毒物数量等控制变量在可行域内是离散变 化的，因此该问题必须用通常变量优化困难得多的整数规划方法求解；
➢ (3)问题的非线性，例如堆芯的燃耗分布与堆芯功率分布之间存在着密 切的互相依赖关系；
➢ (4)目标函数与部分约束条件不能用表达式直接表示。它们的值只能通 过求解复杂的反应堆多维中子扩散方程和燃耗方程来获得；
基本物理量
3. 循环燃耗BUC和卸料燃耗Bud
– 堆芯核燃料在经历一个运行循环后所净增的平均燃耗深度称为该 循环的循环燃耗，用BUC 表示。
– 新燃料进入堆芯开始，经过若干个循环，最后卸出堆芯时所达到 的燃耗深度称为卸料燃耗深度，用BUd 表示。
4. 负荷因子
– 在给定时间间隔内（例如循环周期），电站实际提供的能量与额 定功率定值和该时间间隔的乘积的比值。负荷因子是核电厂经济 性的重要指标之一，也是衡量核电厂的设计、运行以及一个国家 的工艺水平的指标。
7.1 核燃料循环概述
燃料管理的目的
➢ 核电厂的运行成本优于常规电厂，其主要原因在于它的燃料成本相对 较低，而核电厂燃料成本的高低又取决于堆芯燃料管理的优劣。
➢ 一个优化的核燃料管理方案，可以加深燃料的燃耗深度，从而提高燃 料利用率；可以获得更均匀的堆芯热功率分布，从而有利于载出更多 热量，使得核电厂电价降低。
模拟退火法
➢ 模拟退火法是在20世纪80年代发展起来的一种随机优化方 法。它利用高温固体退火过程与组合优化问题之间的类似 性，来迭代求解优化问题。
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压水堆装料换料布置方式
3. 由周边向中心分批移动装料（外-内换料方案）
➢ 方法：新燃料组件装入堆芯周边区，然后将燃料组件逐渐向中心移动 ，而最后乏燃料组件在中心区卸下。
➢ 特点：中子的泄漏要大，堆芯循环长度将缩短；可获得平坦的径向功 率分布；在大型堆芯内，由于周边区(反应性大的)燃料组件与内区燃 料组件的中子耦合较差，致使中心区域变为一个低功率密度区，从而 丧失了上述优点。
➢ 方法：新燃料组件装在最内区，经过一个循环周期的燃料布置在第二 区，经过二个循环周期的燃料布置在最外区 。
➢ 特点：新燃料组件所在区域的中子泄漏较少因而燃料价值较高，然后 将燃料组件逐渐向外移动；中子泄漏少，堆芯寿期比较长；初期堆芯 的功率峰因子比较大，限制了反应堆的功率水平，因此，堆芯中功率 密度的变化甚至比整批换料还大。
燃料循环过程示意图
7.2 堆芯核燃料管理
基本物理量
1. 换料周期和循环长度
在每个堆芯寿期末，反应堆必须停堆换料，两次停堆换料之间的 时间间隔称为反应堆的一个换料周期。
反应堆每经历一个换料周期，就称反应堆（或核电厂）经历了一 个运行循环。核电厂一个运行循环所经历的相当于满负荷运行时 间，就称该运行循环的循环长度，常以等效满功率天（EFPD）来 表示。
– 目前，一般压水堆核电厂大约满功率运行一年停堆一次，这种换 料操作比较简单，但换料期间核电厂停止供电，使核电厂的负荷 系数降低。
– 一般地说，换料频率增加时，对于一定的功率输出所需的燃料装 载量就减少。然而，这里需要折衷，因为较频繁地换料会导致停 堆时间的增加，从而由于停止供电而增加了成本。
压水堆装料换料布置方式
➢ (5)需要多次重复地进行堆芯的扩散－燃耗计算。
优化方法
➢ 优化方法有两类： ➢ 一类是属于确定性的传统优化方法，例如线性规划、非线性规划、动
态规划、直接搜索、专家系统和人工智能神经网络的应用；
➢ 另一类是属于随机优化方法，例如遗传算法和模拟退火法等等。
整数排列规划算法
➢ 整数排列规划算法成功地将组合优化和现代整数规划技术与堆芯换料 方案的优化设计有机地结合起来。它把组件在堆芯内的排列优化过程 分解成两步完成。
换料方式概述
1.不停堆连续换料
– 对于天然铀重水慢化的反应堆（例如CANDU 堆）和天然铀石墨慢化气体 冷却反应堆的电厂，由于反应堆的剩余反应性较小，需要经常不断地卸出 乏燃料和补充新的核燃料。因此，采用不停堆自动连续装换料，不影响核 电厂的正常运行，从而保持核电厂有较高的负荷因子。
– 不停堆连续换料优点：
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核燃料循环
➢ 整个核燃料循环管理可以分为三个部分： 1. 燃料的首端管理：采矿、转型、加浓及燃料元件的制备；
2. 堆内燃料管理：堆内燃料布置，反应性和控制要求的估算，燃料成分 随运行时间的变化，功率分布分析，堆芯性能评价，以及在整个寿期 内的卸料和装料程序；
3. 燃料的尾端管理：燃料储存、运输、后处理及废物处理。
压水堆装料换料布置方式
均匀装料与分区装料堆芯性能比较
装料方式
初始keff
平均转换比
径向功率不均 匀系数
均匀装料C5＝ 2.8%
分三区装料内区 2.5%,中区2.8%, 外区3.1%,(C5)
1.24 1.225
0.58 0.57
1.84 1.40
燃耗深度 (第一循环) (MWd/tU)
15700
14000
第7部分 堆芯燃料管理
主要内容
➢ 引言 ➢ 7.1 核燃料循环概述 ➢ 7.2 堆芯燃料管理 ➢ 7.3 压水堆换料的佳化研究
引言
➢堆芯装换料的佳化研究是一个较为复杂的课题。
➢它牵涉到堆物理、热工、运行和材料辐照等多方面因素的制约。
➢虽然在处理燃料管理这一方面问题时，常采用凭物理上直觉的主观 选择进行尝试再修正的方法，但目前的趋势是力图在堆芯燃料管理内 采用直接的最佳化方法(如线性规划法)。
➢ 这是一项系统规划工程，需要多方面的综合计算、分析和 权衡比较。
堆芯燃料管理计算
1. 燃料组件计算或少群常 数计算
2. 堆芯扩散-燃耗计算
堆芯燃料管理达到的目的
(1)加深燃料的燃耗深度，以提高燃料的利用率。 (2)在整个运行期中，使得堆芯的功率分布不均匀系数合理且尽量小，从
而有利于输出更多的能量。
(3)延长换料周期，缩短反应堆换料停产的时间。来提高核电的经济性。
优化中的约束条件
(1)整个循环周期中，功率分布不均匀系数小于允许值； (2)燃料组件的最大卸料燃耗深度小于许可值，目前燃料组件卸料燃耗深度
的许可值为45～50GWd/t； (3)在寿期内堆芯的慢化剂温度系数为负值； (4)停堆深度不低于规定值； (5)新料的富集度小于某一规定值，这往往是燃料供应商提出的约束条件。
1. 均匀布置，整批换料
➢ 方法：采用相同富集度的燃料组件，经过一个循环周期后全部燃料组 件同时卸出堆芯。
➢ 特点：堆芯寿命初期的功率峰因子较大，限制了反应堆的输出功率； 卸料燃耗不均匀。
成批换料引起不均匀 燃耗所产生的功率分
布变化
压水堆装料换料布置方式
2. 由中心向周边分批移动装料（内-外换料方案）
增殖因数，延长了堆芯的寿期； （2）在保持循环长度和新燃料组件数目不变的情况下，燃料富集度可比
in-out方案下降5-10％； （3）减少中子的泄漏，减少了对压力壳的中子注量，降低了对压力壳的
热冲击，延长压力壳和反应堆的使用寿命。
7.3 压水堆换料的佳化研究
概述
➢ 堆芯装换料的佳化研究是一个较为复杂的课题。它牵涉到 堆物理、热工、运行和材料辐照等多方面因素的制约。
压水堆装料换料布置方式
5. 低泄漏装料
➢ 方法：吸收了前面几种装料方案的优点，将新鲜燃料组件多数布置在 离开边缘靠近中心的位置上，而把烧过二个循环以上燃耗深度比较大 的组件安置在堆芯的最外边缘区，把烧过的第二和第三循环组件交替 地布置在堆芯地中间区。
➢ 特点：这是最近发展起来的压水堆的装料方式。 （1）减少了中子从堆芯的泄漏，提高了中子利用的经济性和芯部的有效
➢ 第一步解决批燃料在堆芯的组合模式问题;
➢ 第二步则解决可利用组件在每批料组合中的排列问题。
遗传算法
➢ 遗传算法是在20世纪80年代发展起来的一种随机优化方法。顾名思义 ，它是通过模拟生物在自然界中经过自然选择，适者生存的法则经过 一代代进化过程，来实现问题的优化。
➢ 遗传算法对堆芯换料方案的优化有良好的适用性，并且具有计算并行 性。
压水堆装料换料布置方式
4. 分散布置，分批换料
➢ 方法：分区布置和由周边向中心分批换料的结合。新燃料组件仍然放 置在堆芯的周边区，把烧过一个和两个循环周期的燃料组件分散交替 地布置在堆芯的中心部位。
➢ 特点： – 由于新燃料组件放置在堆芯的周边区，展平了全堆芯的中子通量 密度分布，降低了反应堆的功率峰因子； – 由于堆芯内局部的反应性分布比较均匀，因而中心区域的中子通 量密度分布将像精细的波浪形，降低了局部的功率峰因子。 – 每次换料时不必移动堆芯中所有燃料组件，可以减少装卸料时倒 换料的次数，从而缩短了换料时间，装卸料也比较简单，功率不 均匀系数较小，平均燃耗较深。
• (i) 减少堆芯燃料装量 • (ii) 减少反应堆的剩余反应性 • (iii) 增加了燃料管理的灵活性 • (iv) 减少反应堆的停役时间
– 不停堆连续换料缺点：
• 有相当大的技术难度，要在堆芯结构和专用换料设备方面进行大量的研制工作。
换料方式概述
2. 停堆换料
– 采用低富集铀的压水堆，冷却剂工作压力高，不宜经常揭开密封 顶盖。另外，压水堆有可能提供较大的剩余反应性，因此，采用 定期停堆的换料方式。
2. 批料数和一批换料量
• 一般把具有同一初始富集度且在堆芯内停留同样时间的一组燃料
组件称为一批。
• 在每次换料时，往往只将燃耗深度已经达到或接近允许值的那部
分燃料组件卸出堆芯，而其余燃耗深度较浅的燃料组件则继续停 留在堆内进行下一循环的运行，这就是所谓的分批换料。目前的 压水堆核电厂大部分都采用3批换料。