1、核燃料的转换与增殖,转换与增殖 在反应堆运行中，把可裂变同位素转换成人工易裂变同位素的过程叫转换。 通常用转换比CR来描述转换过程。定义为：反应堆中每消耗一个裂变材料原子所产生新的裂变材料的原子数。,在反应堆中的转换过程主要有两类。,可以将旧料中的钚-239提取出来，再加以利用，这样的循环过程称为铀-钚循环。,将旧料中的铀-233提取出来，再加以利用，这样的循环过程称为钍-铀循环。,假设有N个易裂变同位素原子核消耗掉，产生了N*CR个新的易裂变核，再假设新易裂变核与原易裂变同位素相同，若CR1则可以得到实际被利用的裂变同位素为：,对于轻水堆，CR约为0.6，因此最终被利用的裂变同位素为原来的2
2、.5倍。因而对天然铀资源的利用率仅为1.8%左右。 当CR1时，堆内产生的易裂变元素多于消耗掉的，除了维护自身的需要外，还可以提供给其他新反应堆使用。这种反应堆称为增殖堆。 CR1时，CR称为增殖比，通常用BR表示。,转换与增殖,转换与增殖是对同样的U-238-Pu-239或Th-232-U-233物理过程而言的，只是程度不同 当转换比大于1时称为增殖 实现增殖的必要条件是2,通常用快堆对来对燃料增殖。,核燃料管理,进堆前的核燃料管理堆内核燃料管理出堆后的燃料管理,核燃料管理中的基本物理量,换料周期与循环长度 在每个堆芯寿期末，反应堆必须停堆换料。反应堆两次停堆换料之间的时间间隔称为一个换料周
3、期T。每经历一个换料周期，就称反应堆经历了一个运行循环。 一个运行循环所经历的相当于满负荷运行的时间，就称为该运行循环的循环长度。用等效满功率天表示（EFPD）。 目前一般都采用1年或者18个月为换料周期，也有的采用24个月。,批料数n和一批换料量N,每次换料时，只将燃耗较深的那部分燃料卸出堆芯，其余燃料进入下一循环。称为分批换料。 如果堆内的燃料组件总数为NT ，每次换料更换的燃料组件数为N ，则定义NT/N=n 为批料数，称N为一批换料量。 如循环长度不变，提高批料数就可以加深燃料的平均卸料燃耗深度，但同时必须提高燃料的富集度。 大亚湾核电厂采用18个月换料，三批装料或1/3换料。,循环燃
4、耗和卸料燃耗,全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。 新料从进入堆芯开始，经过若干个循环，最后卸出堆芯时所达到的然耗深度称为卸料燃耗深度，BUd 。 年换料，卸料燃耗3338GWd/tU 18个月换料，卸料燃耗4045GWd/tU 美国核管会已于1999年批准提高核燃料燃耗深度的限值,即从以前规定的限值62GWd/tU放宽到7075GWd/tU。这 样可以大大减少乏燃料的产生量。,核燃料管理任务,1、新燃料的富集度； 2、批料数n或一批换料量N； 3、循环长度T； 4、循环功率水平P； 5、燃料组件装载方案X(i,j)； 6、控制毒物在堆芯的
5、布置BP(i,j),燃料管理计算示意图,系统能量需求及约束条件,多循环燃料管理 确定、T、n或N,单循环燃料管理 确定换料方案（X、BP）、keff、(r),调整决策变量,方案接受？,结束,是,否,多循环燃料管理,一座核电厂从建成到退役大约经历40年的时间，其间要经历几十个运行循环，形成所谓的运行循环系列。按照特性，可以分为初始循环、过渡循环、平衡循环和受扰动循环。 平衡循环序列在理想情况下是一个无限的循环序列，在这个循环序列中，每个循环的性能参数（循环长度、新料富集度、一批换料量以及平均卸料燃耗）都保持相同，运行循环进入一个平衡状态。 反应堆不可能真正建立起稳态的平衡循环序列，但是我们认为平
6、衡循环是性能指标最佳的循环方案。并作为燃料管理的目标运行循环。,QNPC,CYC1 526.0EFPD (14148MWD/MTU) CYC2 278.9EFPD (7500MWD/MTU) CYC3 335.2EFPD (9014MWD/MTU) CYC4 352.0EFPD (9467MWD/MTU) CYC5 354.6EFPD (9537MWD/MTU) CYC6 401.3EFPD (10794MWD/MTU) CYC7 418.9EFPD (11235MWD/MTU),Qnpc-cyc2,Qnpc-cyc3,Qnpc-cyc4,Qnpc-cyc5,Qnpc-cyc6,Qnpc-cy
7、c7,平衡循环及各参数之间的关系,在多循环分析时，不考虑组件在堆芯内的详细布置，而采用零维堆芯模型，常称作点堆模型。 通过点堆模型来讨论循环长度、新料富集度、批料数和卸料燃耗深度等参数之间的关系。,反应性与燃耗关系,从实践中我们发现，对于典型的轻水堆燃料组件，其反应性近似地是燃耗深度的线性函数。即：,对于有可燃毒物的组件，反应性随燃耗的关系较为复杂，常采用高阶多项式或通过列表插值来获得。,泄漏反应性 通常分为径向泄漏反应性损失和轴向泄漏反应性损失两部分。其中轴向泄漏随燃耗的变化较小，可由堆芯轴向中子通量密度近似成余弦分布加以估算。而径向泄漏比较复杂，由具体的堆芯布料方案来确定。,平衡循环特性分
8、析,考虑一个由NT个燃料组成的n批换料堆芯运行在平衡循环序列。每一循环从堆芯卸出的组件数都为N个，假设堆芯内各批料以相同的功率密度运行，即fi=1/n。此时堆芯反应性为：,设每一循环的循环燃耗为BUC，令运行循环的满功率寿期末堆芯反应性为零，则有：,若知道燃料组件的初始反应性与初始富集度之间的关系，上式便给出了平衡循环时循环能量需求、批料数和燃料组件初始富集度三者之间的关系。分为三种情况讨论：,卸料燃耗为：,(1)给定燃料组件的初始富集度(0给定),（2）给定循环燃耗BUc,若换料周期确定，一般为12个月或者18个月，则n批换料堆芯所需的新料反应性为：,表示n批换料时，为获得某一循环燃耗所必需
9、的新料初始反应性。 对于典型压水堆，初始反应性与富集度有近似关系：,由3批料改成4批料时，为保持平衡循环的循环燃耗不变，富集度需要由3%提高到3.5%，卸料燃耗提高到原来的4/3倍。,（3）给定卸料燃耗深度,在保持卸料燃耗深度为常数的情况下，新料的初始反应性随批料数的变化为：,可看出随着批料数的增加，用于产生相同卸料燃耗所需的燃料组件反应性可以降低。 在连续换料时，新料初始反应性可以降低至1批换料的1/2，这也是CANDU可以用天然铀作燃料的一个原因。,初始循环和过渡循环,初始循环是核电厂中唯一全部由新料组成堆芯的循环。由初始装载堆芯出发，可以通过多种方式逐步地向平衡循环过渡： a.固定循环燃
10、耗并固定一批换料量N，调节逐个循环的新料富集度。 b.固定循环燃耗和新料的富集度，调节逐个循环的一批换料量N。 c.固定新料的富集度和一批换料量，调节逐个循环的循环长度。 假定组件或堆芯满足以下条件：线性反应性模型、各批料功率相同、新料富集度确定，可以得到：,单循环燃料管理,在分批换料时，新旧燃料如何布置？ a.均匀装料。在整个堆芯中采用相同富集度的组件。 缺点：一、堆芯中心区域的中子通量密度很高，寿期初的功率峰因子很大，限制了功率输出。二、边缘区域中子通量密度低，燃耗浅，平均卸料燃耗也浅。,堆芯换料方案 均匀装料,均匀装料的堆芯功率分布,寿期初功率峰因子过大，限制了反应堆功率输出,寿期末功率
11、分布较理想，但已得停堆换料,非均匀装料方案,为了克服均匀装料的缺点，采用非均匀的装料方式，把堆芯分成若干区域，在不同区域装载富集度和燃耗深度不同的燃料。如：内-外换料方案外-内换料方案外-内分区交替换料低泄漏换料方案,堆芯换料方案 内-外装料,内-外装料,燃耗比较均匀 中子泄漏损失小，寿期长 寿期初中心区域的中子通量密度很高。 在动力堆的实际运行中不采用这种装料方式。,堆芯换料方案 外-内装料,外-内装料,堆芯功率分布较均匀 中子泄漏损失大 对压力壳的中子辐照损伤大,堆芯换料方案 外-内交替装料,外-内交替装料,功率分布比外-内装料更均匀 装料时不需要移动全堆芯所有的组件 中子泄漏依然很大,低
12、泄漏装料,低泄漏装料,自70年代末发展起来的一种装料方式，目前世界上多数压水堆核电厂已采用了该换料方案； 堆芯边缘中子通量密度较低，从而减少了中子从堆芯的泄漏，提高了中子利用率，延长了堆芯寿期； 更重要的是由于快中子泄漏的降低，使反应堆压力壳的中子注量减小，从而延长了压力壳和反应堆的使用寿命。,在低泄漏装料方案下RPV高能中子注量的改善,低泄漏装料带来的问题,反应堆功率峰值增加，在每个循环中都得通过合理布置可燃毒物来抑制功率峰值； 有可能带来可燃毒物的反应性惩罚效应 功率峰值的最大值一般不出现在堆芯寿期初，在整个堆芯寿期内都得对功率峰值进行校验。 这些都给装料方案的设计带来困难,功率峰值随燃耗的变化,
