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CN112366010A - 一种fcm燃料应用于百万千瓦压水堆的首循环装载方法 - Google Patents

一种fcm燃料应用于百万千瓦压水堆的首循环装载方法 Download PDF

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CN112366010A CN202011247341.0A CN202011247341A CN112366010A CN 112366010 A CN112366010 A CN 112366010A CN 202011247341 A CN202011247341 A CN 202011247341A CN 112366010 A CN112366010 A CN 112366010A
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于颖锐
娄磊
蒋朱敏
吴磊
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Abstract

本发明公开一种FCM燃料应用于百万千瓦压水堆的首循环装载方法，包括由157根FCM燃料组件组成的首循环堆芯，首循环堆芯的燃料组件按235U初始富集度的不同分为三区并采用高泄漏装载模式进行装载，其中初始富集度为6.90％、8.20％和8.90％的燃料组件数分别为53根、52根和52根，最高富集度8.90％的燃料组件装载在堆芯最外圈，富集度为6.90％、8.20％的燃料组件在堆芯内部呈交叉棋盘式布置，157根FCM燃料组件中每根燃料组件分别布置有4根、8根、12根或16根载钆燃料棒。本发明堆芯首循环装载方法，通过将首循环堆芯燃料按235U富集度分三区采用高泄漏装载模式进行装载，能够有效展平堆芯功率分布，使首循环堆芯能够达到与参照堆芯较为接近的燃耗深度与循环长度，满足了电厂的经济性。

Description

一种FCM燃料应用于百万千瓦压水堆的首循环装载方法
技术领域
本发明涉及核反应堆堆芯技术，具体涉及一种FCM燃料应用于百万千瓦压水堆的首循环装载方法。
背景技术
在核能发展过程中，燃料组件的性能一直是反应堆的先进性和安全性的重要基础，开发新型燃料组件，采用新型材料，提高堆芯熔点，增加燃耗，提高堆芯安全系数，是世界上各核电强国研究的重点方向。目前商业压水堆采用技术成熟的UO2-锆合金燃料，然而在失去冷却的事故条件下锆合金包壳会与水蒸汽发生高温化学反应从而引发氢爆，造成放射性危害，因此UO2-锆合金燃料形式在抵抗严重事故方面存在着不足，因而对新一代核电站和核燃料的安全性、可靠性和经济性提出了更高的要求。
全陶瓷微封装燃料(Fully Ceramic Microencapsulated Fuel,FCM燃料)是耐事故燃料的研究方向之一，是一种将TRISO燃料颗粒弥散于SiC基质的先进燃料，多层包覆层的设计使其具有良好的包容裂变产物的能力。此外，SiC基体可以作为TRISO燃料颗粒的保护屏障，使FCM燃料具有良好的辐照稳定性，优良的热导率，正常运行工况下具有良好的热冲击稳定性，低腐蚀速率，低高温氧化率等优点，使FCM燃料在耐事故方面的性能大幅提升。
但是，与传统UO2陶瓷燃料芯块相比，FCM燃料芯块的燃料装量少，将FCM燃料直接应用于商业压水堆，会影响堆芯功率和寿期，使堆芯总体物理性能指标下降；此外，FCM燃料采用SiC作基体，慢化能力较好，可能导致堆芯寿期初慢化剂温度系数为正，不能满足堆芯的固有安全性要求。
发明内容
本发明为了解决现有技术存在的上述问题，提供了一种FCM燃料应用于百万千瓦压水堆的首循环装载方法，通过将首循环堆芯燃料按235U富集度分三区采用高泄漏装载模式进行装载，其中最高富集度组件放置在堆芯的最外圈，燃料组件中加入载钆燃料棒作为可燃毒物，能够有效展平堆芯功率分布，使首循环堆芯能够达到与参照堆芯较为接近的燃耗深度与循环长度，满足了电厂的经济性。
本发明通过下述技术方案实现：
一种FCM燃料应用于百万千瓦压水堆的首循环装载方法，包括由157根FCM燃料组件组成的首循环堆芯，首循环堆芯的燃料组件按235U初始富集度的不同分为三区并采用高泄漏装载模式进行装载，其中初始富集度为6.90％、8.20％和8.90％的燃料组件数分别为53根、52根和52根，最高富集度8.90％的燃料组件装载在堆芯最外圈，富集度为6.90％、8.20％的燃料组件在堆芯内部呈交叉棋盘式布置，157根FCM燃料组件中每根燃料组件分别布置有4 根、8根、12根或16根载钆燃料棒。
载钆燃料棒采用UO2-Gd2O3均匀混合在芯块中的形式形成载钆燃料棒。
燃料芯块235U富集度为2.5％、Gd2O3的重量百分比为8.0％。
由于FCM燃料形式的特殊性，其燃料装量较UO2芯块燃料组件少，相比于UO2燃料组件组成的堆芯，为达到满足要求的堆芯功率和寿期，具有上述TRISO颗粒参数的FCM燃料(UN核芯)组件需具有较高的初始235U富集度，这使得FCM燃料组件的初始反应性较大。本发明的首循环堆芯装载方法，采用三种具有不同235U初始富集度的燃料棒采用高泄漏装载模式来进行装载，能够有效的展平堆芯功率分布；而为补偿FCM燃料组件装载堆芯时寿期初堆芯的过剩反应性和展平堆芯径向功率分布，首循环堆芯采用UO2与Gd2O3均匀弥散的载钆燃料棒作为可燃毒物材料，并根据堆芯装载需要，在堆芯中合理布置分别含有4根、8根、12根和16根载钆燃料棒的燃料组件，进一步达到了展平堆芯功率分布的目的。
FCM燃料组件采用13×13栅格形式，导向管的数量为17根并在组件内对称布置，满足 1/8或1/4对称。
FCM燃料组件燃烧芯块采用TRISO颗粒，TRISO颗粒的核芯采用高铀密度燃料UN，核芯直径为800μm，燃料球体积份额为50％，包壳材料为SiC。
TRISO颗粒的疏松PyC层半径为450μm，IPyC层半径为485μm，SiC层半径为520μm，OPyC层半径为540μm。
FCM燃料组件中栅距为1.260cm，燃料段高度为365.8cm，燃料芯块直径为1.154cm。
其中，导向管和控制棒组的布置，能保证堆芯的停堆裕量满足安全准则要求，对于载钆可燃毒物燃料棒的FCM燃料组件来说，实现了燃料组件的欠慢化要求，保证了组件的固有安全性。
富集度为8.90％的FCM燃料组件中，位于堆芯最外圈边缘的燃料组件中布置有4根载钆燃料棒，在堆芯内部的十字交叉线上，富集度为8.20％的燃料组件中布置有16根载钆燃料棒，剩余的燃料组件中交叉布置有8根、12根载钆燃料棒。
富集度为6.90％的燃料组件中全部布置8根载钆燃料棒。
剩余的富集度为8.20％的燃料组件中布置有12根载钆燃料棒。
通过合理布置可燃毒物燃料棒在堆芯内的放置方式，能够有效的展平堆芯功率分布以及实现反应性控制的要求。
本发明具有以下有益效果：
1、本发明一种FCM燃料应用于百万千瓦压水堆的首循环装载方法，通过将首循环堆芯燃料按235U富集度分三区采用高泄漏装载模式进行装载，其中最高富集度组件放置在堆芯的最外圈，燃料组件中加入载钆燃料棒作为可燃毒物，能够有效展平堆芯功率分布；
2、本发明一种FCM燃料应用于百万千瓦压水堆的首循环装载方法，导向管和控制棒组的布置，实现了燃料组件的欠慢化要求，保证了组件的固有安全性；
3、本发明一种FCM燃料应用于百万千瓦压水堆的首循环装载方法，实现了堆芯慢化剂温度系数为负的安全性要求，首循环堆芯达到了与参照堆芯较为接近的燃耗深度与循环长度，既保证了电厂的安全性，满足了电厂的经济性需求。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
图1为本发明的13×13栅格形式FCM燃料组件的一种形式示意图；
图2为本发明的13×13栅格形式的FCM燃料组件中控制棒束的一种布置示意图。
图3为本发明的13×13栅格形式的FCM燃料组件中载钆燃料棒的一种布置示意图；
图4为本发明的FCM堆芯首循环的一种装载示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施例1
如图1所示，本发明组成首循环堆芯的FCM燃料组件，燃料芯块采用将TRISO燃料颗粒嵌入到SiC基质中的方式，其中TRISO颗粒的核芯采用高铀密度燃料UN，UN核芯的TRISO颗粒参数见表1，燃料球体积份额为50％，包壳材料为SiC。
表1 TRISO颗粒由内向外的结构尺寸、密度和成分
结构参数 尺寸(μm) 密度(g/cm<sup>3</sup>) 成分
UN核芯直径 800 14.316(95％孔隙率) U、N原子比1:1
疏松PyC层半径 450 1.1 C
IPyC层半径 485 1.9 C
SiC层半径 520 3.18 Si、C原子比1:1
OPyC层半径 540 1.9 C
总直径 1080 — —
实施例2
在实施例1的基础上，本发明以标准的AFA3G 17×17栅格形式的UO2-Zr合金燃料组件作为参考对象，设计13×13栅格形式FCM燃料组件内导向管的布置，满足以下条件：
1)导向管在组件内对称布置，满足1/8或1/4对称；
2)导向管考虑适当靠近组件中心位置布置，以保证组件具有较小的功率峰因子。
在满足组件内导向管布置设计原则以及保持与参考组件相当的控制棒价值的前提下， 13×13栅格形式的FCM燃料组件的导向管数目为17根，组件中导向管布置如图1所示，组件中控制棒束布置方式见图2，具体描述如下：
灰控制棒组中12根灰棒的坐标位置为(05，03)、(09，03)、(03，05)、(05，05)、(09，05)、(11，05)、(03，09)、(05，09)、(09，09)、(11，09)、(05，11)、(09，11)，4根黑棒的坐标位置为(07，05)、(05，07)、(09，07)、(07，09)；
黑控制棒组中16根黑棒的坐标位置为(05，03)、(09，03)、(03，05)、(05，05)、(09，05)、(11，05)、(03，09)、(05，09)、(09，09)、(11，09)、(05，11)、(09，11)、(07， 05)、(05，07)、(09，07)、(07，09)。
FCM燃料组件的组件参数见表2。
表2 13×13栅格形式的FCM燃料的组件参数(冷态)
栅格形式 13×13
燃料组件中心距，cm 21.504
栅距，cm 1.260
燃料组件燃料段高度，cm 365.8
燃料芯块直径，cm 1.154
燃料芯块的包壳外径，cm 1.360
燃料芯块的包壳厚度，cm 0.100
导向管外径，cm 1.603
导向管厚度，cm 0.062
吸收体半径(冷态)，cm 0.654
包壳内径(冷态)，cm 1.308
包壳外径(冷态)，cm 1.410
燃料芯块密度，g/cm<sup>3</sup> 14.316
实施例3
本发明压水堆反应堆首循环堆芯的装载方法，采用157个实施例2中所述的13×13栅格形式的FCM燃料组件组成首循环堆芯，157个FCM燃料组件具有三种不同的235U初始富集度，其中为富集度6.90％、8.20％和8.90％的燃料组件数分别为53根、52根和52根。如图4所示，最高富集度8.90％的燃料组件装载在堆芯最外圈，富集度为6.90％、8.20％的燃料组件在堆芯内部呈交叉棋盘式布置，其中燃料组件中还分别布置有4根、8根、12根或16根载钆燃料棒，位于堆芯最外圈边缘的燃料组件中布置有4根载钆燃料棒，在堆芯内部的十字交叉线上，富集度为8.20％的燃料组件中布置有16根载钆燃料棒，剩余的燃料组件中8根、12 根载钆燃料棒呈棋盘交叉式布置，且富集度为6.90％的燃料组件中全部布置8根载钆燃料棒。
本发明采用高泄漏装载模式对具有不同235U富集度的FCM燃料组件进行分区装载，同时合理布置堆芯中不同位置FCM燃料组件中具有的载钆燃料棒的数量，有效展平了堆芯功率分布。
4根、8根、12根和16根载钆燃料棒在13×13栅格形式FCM燃料组件中的布置如图3所示，具体描述如下：
含4根载钆燃料棒的FCM燃料组件中4根载钆燃料棒的坐标位置为(03，03)、(11，03)、(03，11)、(11，11)；
含8根载钆燃料棒的FCM燃料组件中8根载钆燃料棒的坐标位置为(06，04)、(08，04)、(04，06)、(10，06)、(04，08)、(10，08)、(06，10)、(08，10)；
含12根载钆燃料棒的FCM燃料组件中12根载钆燃料棒的坐标位置为(03，03)、(11，03)、(03，11)、(11，11)、(06，04)、(08，04)、(04，06)、(10，06)、(04，08)、(10， 08)、(06，10)、(08，10)；
含16根载钆燃料棒的FCM燃料组件中16根载钆燃料棒的坐标位置为(03，03)、(11，03)、(03，11)、(11，11)、(06，04)、(08，04)、(04，06)、(10，06)、(04，08)、(10， 08)、(06，10)、(08，10)、(06，06)、(08，06)、(06，08)、(08，08)。
本实施例装载的首循环堆芯能够满足安全准则要求，采用Mode-G模式运行，反应堆热功率为2895MW，其主要的计算结果见表3。
表3 FCM堆芯首循环计算结果
计算参数 计算结果
循环长度(EFPD) 293
循环内最大组件燃耗(MWd/tU) 45508
硼浓度(ppm)(BOL，HFP，ARO) 1048
慢化剂温度系数(BOL、HZP、ARO，pcm/℃) -0.088
堆芯停堆裕量(EOL，pcm) 4180
从表3中可以看出，本发明的堆芯用于商用压水堆电站时，燃耗深度与循环长度均能够达到与参照堆芯(以AFA3G 17×17栅格形式的UO2-Zr合金燃料组件组成的堆芯)较为接近的程度，实现了堆芯慢化剂温度系数为负的安全性要求，既保证了电厂的安全性要求，又满足了电厂的经济性需求。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种FCM燃料应用于百万千瓦压水堆的首循环装载方法，包括由157根FCM燃料组件组成的首循环堆芯，其特征在于，首循环堆芯的燃料组件按235U初始富集度的不同分为三区并采用高泄漏装载模式进行装载，其中初始富集度为6.90％、8.20％和8.90％的燃料组件数分别为53根、52根和52根，最高富集度8.90％的燃料组件装载在堆芯最外圈，富集度为6.90％、8.20％的燃料组件在堆芯内部呈交叉棋盘式布置，157根FCM燃料组件中每根燃料组件分别布置有4根、8根、12根或16根载钆燃料棒。
2.根据权利要求1所述的一种FCM燃料应用于百万千瓦压水堆的首循环装载方法，其特征在于，FCM燃料组件采用13×13栅格形式，导向管的数量为17根并在组件内对称布置，满足八分之一对称布置或四分之一旋转对称布置方式。
3.根据权利要求1所述的一种FCM燃料应用于百万千瓦压水堆的首循环装载方法，其特征在于，富集度为8.90％的FCM燃料组件中，位于堆芯最外圈边缘的燃料组件中布置有4根载钆燃料棒，在堆芯内部的十字交叉线上，富集度为8.20％的燃料组件中布置有16根载钆燃料棒，剩余的燃料组件中交叉布置有8根、12根载钆燃料棒。
4.根据权利要求3所述的一种FCM燃料应用于百万千瓦压水堆的首循环装载方法，其特征在于，富集度为6.90％的燃料组件中全部布置8根载钆燃料棒。
5.根据权利要求3所述的一种FCM燃料应用于百万千瓦压水堆的首循环装载方法，其特征在于，剩余的富集度为8.20％的燃料组件中布置有12根载钆燃料棒。
6.根据权利要求1所述的一种FCM燃料应用于百万千瓦压水堆的首循环装载方法，其特征在于，载钆燃料棒采用UO2-Gd2O3均匀混合在芯块中的形式形成载钆燃料棒。
7.根据权利要求6所述的一种FCM燃料应用于百万千瓦压水堆的首循环装载方法，其特征在于，燃料芯块235U富集度为2.5％、Gd2O3的重量百分比为8.0％。
8.根据权利要求1所述的一种FCM燃料应用于百万千瓦压水堆的首循环装载方法，其特征在于，FCM燃料组件燃烧芯块采用TRISO颗粒，TRISO颗粒的核芯采用高铀密度燃料UN，核芯直径为800μm，燃料球体积份额为50％，包壳材料为SiC。
9.根据权利要求8所述的一种FCM燃料应用于百万千瓦压水堆的首循环装载方法，其特征在于，TRISO颗粒的疏松PyC层半径为450μm，IPyC层半径为485μm，SiC层半径为520μm，OPyC层半径为540μm。
10.根据权利要求2所述的一种FCM燃料应用于百万千瓦压水堆的首循环装载方法，其特征在于，FCM燃料组件中栅距为1.260cm，燃料段高度为365.8cm，燃料芯块直径为1.154cm。
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