核反應(yīng)堆物理基礎(chǔ)9章pp課件

1、核反應(yīng)堆物理基礎(chǔ)9章pp課件核反應(yīng)堆物理基礎(chǔ)9章pp課件兩次停堆換料之間的時(shí)間間隔稱換料周期反應(yīng)堆經(jīng)歷了一個(gè)換料周期，也就是經(jīng)歷了一個(gè)運(yùn)行循環(huán)。一個(gè)運(yùn)行循環(huán)經(jīng)歷的運(yùn)行時(shí)間以等效滿功率天（EFPD)表示稱為循環(huán)長度循環(huán)長度的選取直接影響到核電廠的經(jīng)濟(jì)性。若較短，反應(yīng)堆的初始剩余反應(yīng)性可以較小，核燃料的裝載量可以較小，這有利于核電廠的經(jīng)濟(jì)性；但循環(huán)長度過短將導(dǎo)致頻繁停堆換料，燃料的燃耗也達(dá)不到足夠的深度，這使經(jīng)濟(jì)性下降；世界上大多數(shù)壓水堆核電廠都取18個(gè)月或1年為換料周期，而且將換料時(shí)間取在電力需求相對(duì)較低的春季或秋季。9.1 核燃料管理中的基本物理量一、換料周期與循環(huán)長度兩次停堆換料之間的時(shí)間間

2、隔稱換料周期反應(yīng)堆經(jīng)歷了一個(gè)換料周期批料數(shù)n=NT/N，NT為堆內(nèi)燃料組件總數(shù)，N為一批換料量，即一次換料更換的換料組件數(shù)。如秦山核電廠，堆芯共121個(gè)燃料組件，一批換料量為40或41，則批料數(shù)為3，稱3批換料方案,這是目前大部分壓水堆核電站采用的換料方案。三、循環(huán)燃耗Bc和卸料燃耗Bd循環(huán)燃耗Bc：堆芯經(jīng)過一個(gè)運(yùn)行循環(huán)后凈增燃耗深度。卸料燃耗Bd：新燃料從進(jìn)入堆芯（經(jīng)若干個(gè)循環(huán)）到卸出堆芯所達(dá)到的燃耗深度。二、批料數(shù)n和一批換料量N堆芯燃耗深度與位置有關(guān)，中心較深，邊緣較淺，換料時(shí)實(shí)行分批換料，即只換掉燃耗較深的部分燃料。批料數(shù)n=NT/N，NT為堆內(nèi)燃料組件總數(shù)，N為一批換料量，9.2 核

3、燃料管理的主要任務(wù)管理的核心問題：是如何在保證核電廠安全運(yùn)行的條件下，使核電廠的單位能量成本最低。包括以下兩個(gè)管理內(nèi)容。一、堆芯燃料管理策略及換料方案確定a.批料數(shù)n或一批換料量Nb.循環(huán)長度Tc.新燃料的富集度d.循環(huán)功率水平pe.燃料組件在堆芯的裝載方案Af.控制毒物在堆芯的布置和控制方案BP上述變量之間存在相互影響和耦合的關(guān)系，例如各運(yùn)行循環(huán)之間存在強(qiáng)耦合，因?yàn)榉峙鷵Q料方案使燃料在堆芯停留三個(gè)循環(huán)以上，在選擇變量時(shí)，必須進(jìn)行優(yōu)化決策處理。要決策的變量：9.2 核燃料管理的主要任務(wù)管理的核心問題：是如何在保證核電（1）多循環(huán)或堆外燃料管理。此步驟主要確定a-c三個(gè)變量，這些變量受燃料在堆芯

4、的空間分布影響較小，可用“點(diǎn)堆”模型分析，即將空間效應(yīng)通過“批”平均特性表示，因此此步驟也稱為堆外燃料管理。核燃料管理是一個(gè)多變量（多級(jí)循環(huán)和空間上多維）的決策過程，應(yīng)用數(shù)值方法計(jì)算。實(shí)際計(jì)算，為降低求解的困難，采用脫耦的辦法，即將變量a-f的決策問題分解為對(duì)變量a-d和e-f兩個(gè)相對(duì)獨(dú)立的決策步驟，分別為：（2）單循環(huán)或堆內(nèi)燃料管理。此步驟主要考慮燃料和毒物的空間分布影響，而不考慮循環(huán)之間的影響，一般通過二維堆芯分析計(jì)算，得到最佳換料方案。上述兩個(gè)步驟往往需要迭代，如圖9.1（1）多循環(huán)或堆外燃料管理。此步驟主要確定a-c三個(gè)變量，這二、初始堆芯及換料堆芯的核設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)方法：先用具有一定精度的

5、計(jì)算模型和軟件對(duì)成百上千個(gè)換料方案進(jìn)行初選，然后用精確堆芯物理/熱工水力模型對(duì)所選方案進(jìn)行計(jì)算評(píng)價(jià)，得到最終的換料核設(shè)計(jì)。最終的換料核設(shè)計(jì)要提供：壽期內(nèi)各規(guī)定時(shí)刻的堆芯功率分布和功率峰因子壽期內(nèi)燃料成分、反應(yīng)性或臨界可溶硼濃度隨時(shí)間的變化反應(yīng)堆啟動(dòng)物理試驗(yàn)參數(shù)及運(yùn)行所需堆芯參數(shù)反應(yīng)堆控制和運(yùn)行圖堆芯動(dòng)態(tài)特性參數(shù)（燃料和慢化劑溫度系數(shù)，硼微分價(jià)值等）和換料設(shè)計(jì)安全評(píng)價(jià)所需的參數(shù)二、初始堆芯及換料堆芯的核設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)方法：先用具有一定精度的計(jì)9.3 多循環(huán)燃料管理核電廠從建成到退役約40-60年，要經(jīng)歷幾十個(gè)運(yùn)行循環(huán)，形成一運(yùn)行循環(huán)系列。可按各運(yùn)行循環(huán)特性，分為初始循環(huán)（或啟動(dòng)循環(huán)）： 第一個(gè)循環(huán)，唯

6、一一個(gè)堆芯全部由 新 燃 料組成的循環(huán)。過渡循環(huán)：通常將從第2循環(huán)到初始循環(huán)堆芯內(nèi)的燃料全部卸出的循環(huán) 系列。受擾動(dòng)的平衡循環(huán)到平衡循環(huán)重新建立之間的循環(huán)也 稱過渡循環(huán)。平衡循環(huán)：指一循環(huán)系列中每個(gè)循環(huán)的性能參數(shù)相同，例如循環(huán)長度、 新料富集度、一批換料量及平均卸料燃耗等受擾動(dòng)循環(huán)：相對(duì)于平衡循環(huán)而言，實(shí)際的循環(huán)都是一個(gè)受各種因素 擾動(dòng)的循環(huán)，平衡循環(huán)是性能指標(biāo)最佳的循環(huán)方案，是 燃料管理追求的目標(biāo)。9.3 多循環(huán)燃料管理核電廠從建成到退役約40-60年，要經(jīng)一、平衡循環(huán)是最簡單也最重要的循環(huán)。采用點(diǎn)堆模型討論平衡循環(huán)各性能參數(shù)之間的關(guān)系用Fi和Ai分別表示堆芯第i個(gè)組件裂變產(chǎn)生的中子數(shù)和被吸

7、收的中子數(shù)，AR為泄漏中子數(shù)，則反應(yīng)性為1. 點(diǎn)堆模型堆芯物理狀態(tài)的描述（9-1）用i表第i個(gè)組件的反應(yīng)性（9-2）得其中（9-3）為泄漏反應(yīng)性損失一、平衡循環(huán)是最簡單也最重要的循環(huán)。采用點(diǎn)堆模型討論平衡循環(huán)qi為組件i產(chǎn)生的功率，fi為相對(duì)功率分額（顯然各fi之和為1），fi是點(diǎn)堆模型的一個(gè)重要參量，知道了各fi，就能由9-3式得到反應(yīng)性，有多種計(jì)算fi的表達(dá)式，對(duì)功率展平很好的壓水堆，有半經(jīng)驗(yàn)公式為其中不泄漏幾率PL,i對(duì)堆芯周圍區(qū)批料取0.85，對(duì)內(nèi)區(qū)批料取1.0，為調(diào)節(jié)參數(shù)，一般取2.0。點(diǎn)堆模型中，還需考慮反應(yīng)性隨燃耗深度（B)的變化關(guān)系，對(duì)典型的輕水堆，可表示成線性關(guān)系系數(shù)i為這一

8、變化關(guān)系中的斜率，和0,i一起可由組件程序由燃料富集度和柵格幾何得到。線性模型對(duì)于大多數(shù)輕水堆有足夠的精度，但對(duì)于有多根可燃毒物棒時(shí)，應(yīng)以高階多項(xiàng)擬合式代替。稱為線性反應(yīng)性模型（LRM) qi為組件i產(chǎn)生的功率，fi為相對(duì)功率分額（顯然各fi之和為線性變化如圖9 .2線性變化如圖9 .2點(diǎn)堆模型中需要處理的另一物理量是泄漏反應(yīng)性L對(duì)百萬千瓦級(jí)電站反應(yīng)堆L約4%，一般分成軸向泄漏反應(yīng)性損失L,A和徑向泄漏反應(yīng)性損失L,R兩項(xiàng)處理，前者可從軸向通量密度近似成余弦分布估算，約1%，且隨燃耗變化較?。缓笳咭鶕?jù)堆芯布料方案確定：對(duì)外-內(nèi)裝料方案，可從最外面一批燃料組件的反應(yīng)性中扣除L,R相對(duì)功率份額f

9、i，組件反應(yīng)性i及其隨燃耗深度Bi的變化，以及泄漏反應(yīng)性損失的確定，是用點(diǎn)堆模型分析多循環(huán)燃料管理的三個(gè)重要問題。點(diǎn)堆模型中需要處理的另一物理量是泄漏反應(yīng)性L對(duì)百萬千瓦級(jí)是關(guān)于各平衡循環(huán)中燃料組件初始富集度，循環(huán)長度和燃耗深度等參量之間的關(guān)系分析。2. 平衡循環(huán)特性分析對(duì)n批換料堆芯，各批料相對(duì)功率份額fi=1/n，用i表示批料i的反應(yīng)性，此處i中考慮了泄漏反應(yīng)性損失的效應(yīng)，根據(jù)（9-2）有（9-3）設(shè)每一循環(huán)的循環(huán)燃耗為Bc(或Bnc）,根據(jù)線性反應(yīng)模型，并注意該模型中的Bi為燃耗深度，Bi=iBc，有分析方法：采用點(diǎn)堆、線性反應(yīng)模型、各批料相對(duì)功率份額相等。（9-10）（9-11）令壽期末

10、反應(yīng)性為零 是關(guān)于各平衡循環(huán)中燃料組件初始富集度，循環(huán)長度和燃耗深度等參利用 上兩式，以及初始反應(yīng)性與燃料初始富集度之間的關(guān)系（通常由組件程序計(jì)算），給出了燃耗深度、批料數(shù)和初始富集度三者間的關(guān)系。分三種情況討論：9-12得n批換料燃耗與初始反應(yīng)性0或與一批換料燃耗B1c之間的關(guān)系9-139-159-14B1c=0/，也是卸料燃耗B1d，則卸料燃耗Bnd為由上兩式，得初始反應(yīng)性0與燃料卸料燃耗深度之間的關(guān)系利用 上兩式，以及初始反應(yīng)性與燃料初始富集度之間的關(guān)系（通常（1）固定燃料組件的初始富集度（即固定初始反應(yīng)性0）當(dāng)堆芯由一批料（n=1)構(gòu)成，如船用反應(yīng)堆堆芯，卸料燃耗深度為對(duì)n批換料(9-

11、16)(9-17)(9-18)上兩式給出了燃耗深度和循環(huán)燃耗與批料數(shù)間的關(guān)系，如圖9.3圖9.3說明，對(duì)于一定的初始富集度，循環(huán)燃耗隨批料數(shù)n增加減?。恍读先己碾S批料數(shù)增加而增加。前者可解釋為：n增加就是減少循環(huán)初入堆新燃料組件數(shù)，因而循環(huán)長度縮短，循環(huán)燃耗降低；后者可解釋為：n增加即延長了燃料組件在堆內(nèi)的停留時(shí)間，因此燃耗加深。（1）固定燃料組件的初始富集度（即固定初始反應(yīng)性0）當(dāng)堆芯n時(shí)，增加批料數(shù)n還可降低循環(huán)初堆芯剩余反應(yīng)性，從而降低對(duì)反應(yīng)性控制系統(tǒng)的要求，這對(duì)提高反應(yīng)堆安全有利。例如，設(shè)1,n為n批換料的堆芯循環(huán)初的反應(yīng)性，有商用輕水堆一般選擇n在2n5。壓水堆常采用三批換料方式，與

12、一批換料相比，燃耗深度提高50%。(9-19)(9-21)(9-20)這種能將卸料燃耗提高到最大，為最小換料量，是每次裝卸一個(gè)燃料組件，稱連續(xù)在線換料，如CANDU型堆和球床型高溫氣冷堆。即在三批換料下，可使循環(huán)初堆芯剩余反應(yīng)性減小50%。n時(shí)，增加批料數(shù)n還可降低循環(huán)初堆芯剩余反應(yīng)性，從而降低（2）固定循環(huán)燃耗對(duì)典型的壓水堆，初始反應(yīng)性與富集度有以下近似關(guān)系(9-22)(9-23)和核電廠的換料周期往往固定，1年或18個(gè)月，即循環(huán)長度或循環(huán)燃耗固定，在此情況下，n批換料與1批換料所需的新反應(yīng)性間的關(guān)系為為U-235的重量百分比表燃料富集度。由上式，可估算出將三批換料改為4批換料時(shí)，在保持循環(huán)

13、燃耗為固定的情況，富集度需由三批時(shí)的3%提高到3.5%，卸料燃耗深度為為3批換料的4/3倍。（2）固定循環(huán)燃耗對(duì)典型的壓水堆，初始反應(yīng)性與富集度有以下近（3）固定卸料燃耗深度 即相對(duì)于一批裝料方式，反應(yīng)性減小量為(9-24)根據(jù)(9-15)，并假定不同富集度燃料組件具有相同的反應(yīng)性隨燃耗變化的斜率，可導(dǎo)出對(duì)連續(xù)換料（ n）的初始反應(yīng)性，可降為一批換料的1/2。反應(yīng)性的降低，即降低了對(duì)燃料富集度的要求，這就是采用連續(xù)換料的加拿大CANDU堆用天然鈾作燃料的一個(gè)原因。上式表明，n越大，n批換料的初始反應(yīng)性就越小于1批換料的初始反應(yīng)性。如圖9.4所示。(9-25)（3）固定卸料燃耗深度 即相對(duì)于一批

14、裝料方式圖9.5是關(guān)于新料富集度、換料批數(shù)、循環(huán)燃耗和卸料燃耗之間的關(guān)系，陰影部分是考慮設(shè)計(jì)和運(yùn)行約束條件后的可行解區(qū)域。該圖基于線性反應(yīng)模型，及初始反應(yīng)性與富集度之間的線性關(guān)系得到，采用非線性模型或其它更精確的模型通過數(shù)值計(jì)算也能得到。圖9.5是關(guān)于新料富集度、換料批數(shù)、循環(huán)燃耗和卸料燃耗之間的二、初始循環(huán)與過渡循環(huán)平衡循環(huán)序列是性能指標(biāo)最佳的循環(huán)系列，本節(jié)討論如何從初始循環(huán)過渡到平衡循環(huán)。過渡方式：三種（1）固定循環(huán)燃耗(Bc)或循環(huán)的能量生產(chǎn)，并固定一批換料量N，調(diào)節(jié)逐個(gè)循環(huán)的新料富集度；（2）固定循環(huán)燃耗和新燃料組件富集度，調(diào)節(jié)逐個(gè)循環(huán)的一批換料量N；（3）固定新料的富集度和一批換料量

15、N，調(diào)節(jié)逐個(gè)循環(huán)的循環(huán)長度。下面以方案（1）討論這種過渡，包括初始堆芯富集度的確定二、初始循環(huán)與過渡循環(huán)平衡循環(huán)序列是性能指標(biāo)最佳的循環(huán)系列，根據(jù)循環(huán)末堆芯反應(yīng)性為零，及根據(jù)堆芯反應(yīng)性與各組件反應(yīng)性的關(guān)系J為新料順序號(hào)。進(jìn)一步，可以得到關(guān)于新料反應(yīng)性的關(guān)系式或?qū)σ阎娜剂辖M件設(shè)計(jì)，反應(yīng)性隨燃耗變化的斜率和循環(huán)燃耗Bc為已知，只要知道新料初始反應(yīng)性0,1 、0,2，就能確定其余新料初始反應(yīng)性。利用初始反應(yīng)性與燃料富集度的關(guān)系，通過選擇1、 2，確定3、4、5，依次類推。（9-28）到（9-32）式是在0,4 =0,3對(duì)上述確定富集度的舉例說明。對(duì)3批換料（n=3），初始循環(huán)、第2和第3循環(huán)末，分

16、別有下列方程(9-26)和線性反應(yīng)性模型(9-27)根據(jù)循環(huán)末堆芯反應(yīng)性為零，及根據(jù)堆芯反應(yīng)性與各組件反應(yīng)性的關(guān)可以證明，在一批換料量固定的情況下，采用以上方法確定新料富集度，初始循環(huán)可逐步收斂于平衡循環(huán)。例：一壓水堆核電廠初始堆芯3批換料的富集度分別為2.4、2.672和3.0（235U w/o)，燃料組件總數(shù)為121。從第2循環(huán)始，每循環(huán)更換40燃料組件，且換料富集度就采用平衡循環(huán)的換料富集度3.0（235U w/o)。圖9.6給出了各循環(huán)循環(huán)燃耗隨循環(huán)數(shù)的變化。從第5循環(huán)開始，循環(huán)燃耗就基本接近平衡循環(huán)燃耗了可以證明，在一批換料量固定的情況下，采用以上方法確定新料富集三、多循環(huán)燃料管理計(jì)

17、算對(duì)平衡循環(huán)的性能進(jìn)行分析，以確定平衡循環(huán)時(shí)新料富集度、循環(huán)燃耗 Bc(或循環(huán)長度Tc)和批料數(shù)n（或一批換料數(shù)N)等決策變量之間的關(guān)系。另外，也對(duì)過渡循環(huán)燃料管理方案進(jìn)行研究。 用一些簡化的近似模型，例如前面介紹的點(diǎn)堆、線性反應(yīng)性模型和各批料功率份額相同等，可以解析給出平衡循環(huán)各決策變量之間的關(guān)系。但在實(shí)際工程中，由于上述模型的近似性，各決策變量之間的關(guān)系需由數(shù)值方法得到。圖9.7給出了在循環(huán)燃耗 Bc(或循環(huán)長度Tc) 事先給定的情況下，計(jì)算平衡循環(huán)新料富集度的流程圖。三、多循環(huán)燃料管理計(jì)算對(duì)平衡循環(huán)的性能進(jìn)行分析，以確定平衡循四、多循環(huán)燃料管理優(yōu)化當(dāng)決策變量不只一個(gè)，例如圖9.7把n固定

18、只有一個(gè)決策變量，如果把n也取作決策變量，則問題將變得復(fù)雜。因?yàn)閚增加，卸料燃耗Bd必然增加，這對(duì)經(jīng)濟(jì)有利，但對(duì)新料富集度的要求也提高，即燃料價(jià)格要提高，這就存在一個(gè)優(yōu)化決策問題。以X表堆芯狀態(tài)變量，D表決策變量（例如富集度和n），用f(Xl-1,Dl)表l循環(huán)的能量成本，則單個(gè)循環(huán)的最小能量成本可表示成：達(dá)到平衡循環(huán)前需經(jīng)歷若干循環(huán)，優(yōu)化目標(biāo)應(yīng)是整個(gè)燃料循環(huán)的總費(fèi)用最小，即需要（9-33)（9-34)四、多循環(huán)燃料管理優(yōu)化當(dāng)決策變量不只一個(gè)，例如圖9.7把n固由于決策變量多和非線性特點(diǎn)（有的變量只能離散化變化），是一個(gè)非常復(fù)雜的優(yōu)化問題。一般引入一些假設(shè)（例如用線性化代替非線性），進(jìn)行優(yōu)化處

19、理。實(shí)際計(jì)算中，以新料富集度和新燃料組件個(gè)數(shù)作為上式中的決策變量Dl，以循環(huán)的能量生產(chǎn)、最大卸料燃耗深度、最高富集度等作為約束條件，以循環(huán)的能量成本為部標(biāo)函數(shù)。目前優(yōu)化的主要方法有：線性規(guī)劃、非線性規(guī)劃、動(dòng)態(tài)規(guī)劃和蒙特卡羅整數(shù)規(guī)劃等。由于決策變量多和非線性特點(diǎn)（有的變量只能離散化變化），是一個(gè)一、堆芯換料方案9.4 單循環(huán)燃料管理換料方岸要解決的問題是：燃料在堆芯中如何布置？均勻裝料：整個(gè)堆芯采用相同富集度的燃料元件在這種裝料方式下，壽期初堆芯的功率峰因子很大，堆芯中心區(qū)域的中子通量密度很高，限制了反應(yīng)堆的輸出功率，這是均勻裝料方式的一大缺點(diǎn)。另一方面由于堆芯中心區(qū)功率密度很大，因而這區(qū)域中的

20、燃料消耗很快；而在堆芯邊緣區(qū)域的功率密度很小，因而這區(qū)域中的燃料消耗很慢。這樣，在堆芯壽期末，雖然功率密度分布己趨于平坦（如圖9.8所示），但是己經(jīng)快要換料了。在卸出的核燃料中，許多燃料元件的燃耗深度很低，因此反應(yīng)堆的平均燃耗深度也很低，這是均勻裝料方式的另一重大缺點(diǎn)?；谶@些原因，目前動(dòng)力堆都不采用這種換料方式。分兩中布置方式：均勻裝料和非均勻裝料一、堆芯換料方案9.4 單循環(huán)燃料管理換料方岸要解決的問題是非均勻的分區(qū)裝料方式 堆芯按徑向分成若干個(gè)區(qū)域，在不同區(qū)域，燃料的富集度不同。如圖9.9。從中心到邊緣分三區(qū)，富集度分別為2.1%、2.6%、3.1%。有下列幾種非均勻裝料方案非均勻的分區(qū)

21、裝料方式 堆芯按徑向分成若干個(gè)區(qū)域，在不同區(qū)域，1、內(nèi)-外裝料方案把芯部自內(nèi)向外分為三區(qū)，把新鮮燃料裝在堆芯最內(nèi)區(qū)，把燒過一個(gè)循環(huán)的燃料組件布置在第二區(qū)，而在最外區(qū)布置燒過二個(gè)循環(huán)的燃料組件。換料時(shí)把最外區(qū)的燃料組件卸去，然后把中間兩區(qū)的燃料組件依次移到第二區(qū)和邊緣區(qū)，而在中心區(qū)裝上新的燃料組件。圖6.4 四分之一圓柱形堆芯燃料裝載圖1、內(nèi)-外裝料方案把芯部自內(nèi)向外分為三區(qū)，把新鮮燃料裝在堆芯這種分區(qū)裝料方式可以使燃料燃耗比較均勻，相對(duì)于均勻裝載可以有較高的平均卸料燃耗深度，同時(shí)由于富集度高的燃料組件放在中心部分，因而反應(yīng)堆的中子泄漏損失較小，反應(yīng)堆的壽期比較長。它的重大缺點(diǎn)是：壽期初的中心部

22、分中子通量密度很大，因而堆芯的功率不均勻系數(shù)較大，限制了反應(yīng)堆的功率水平。而且在大型堆芯中，在燃料富集度不同區(qū)域的交界處，功率分布有顯著的突變。將引起較大的功率峰因子。因此在動(dòng)力堆的實(shí)際運(yùn)行中不采用這種裝料方式。這種分區(qū)裝料方式可以使燃料燃耗比較均勻，相對(duì)于均勻裝載可以有2、外-內(nèi)裝料方案這種裝料由于新的組件是排在芯部邊緣區(qū)而中心則是經(jīng)過二個(gè)循環(huán)燃耗比較深的組件，因而能達(dá)到展平堆芯中子通量密度的目的而使功率峰因子下降。它的缺點(diǎn)是中子泄漏損失較大，使堆芯壽期減小。同時(shí)壓力殼內(nèi)的積分中子通量密度較高，對(duì)壓力殼的熱沖擊大，使壓力殼的壽命降低。圖6.4 四分之一圓柱形堆芯燃料裝載圖與前面內(nèi)-外裝料方案

23、剛好相反，新鮮的燃料組件裝在堆芯的邊緣區(qū)。換料時(shí)，先把中心區(qū)的組件卸去，然后把邊緣區(qū)的組件按批向里倒料。2、外-內(nèi)裝料方案這種裝料由于新的組件是排在芯部邊緣區(qū)而中心3、外-內(nèi)分區(qū)交替裝料 這是壓水堆傳統(tǒng)的一種裝料方式，它是在外-內(nèi)裝料方案基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。新組件仍放在堆芯外區(qū)而在中間和中心兩區(qū)把第二和第三循環(huán)的燃料組件象圖所示那樣，不同富集度（燃耗深度）的組件分散交替地排列在堆芯中。換料時(shí)，新的燃料組件裝在最外區(qū)，而內(nèi)區(qū)經(jīng)過了三個(gè)循環(huán)的燃料組件由外區(qū)經(jīng)過了一個(gè)循環(huán)燃料組件代替。每次換料時(shí)不必移動(dòng)堆芯中全部然料組件，因而縮短了換料時(shí)間，裝卸也較簡便。這種裝料方式，芯部富集度分布比較均勻，中子通量

24、密度分布將象精細(xì)的波浪形，降低了局部功率峰因子，在80年代被廣泛采用。3、外-內(nèi)分區(qū)交替裝料 這是壓水堆傳統(tǒng)的一種裝料方式，它是在4、低泄漏裝料方案是70年代末發(fā)展起來的目前多數(shù)壓水堆采用的裝料方式，它吸收了前面幾種裝料方案的優(yōu)點(diǎn)。它將新燃料組件多數(shù)布置在離開邊緣靠近堆芯區(qū)的位置上，而把燒過二個(gè)循環(huán)以上的組件安置最外面的邊緣區(qū)，把燒過的第二和第三循環(huán)組件交替地布置在堆芯的中間區(qū)。圖6.4 四分之一圓柱形堆芯燃料裝載圖優(yōu)點(diǎn)：堆芯邊緣中子通量密度較低，減少了中子從堆芯的泄漏，提高了中子利用的經(jīng)濟(jì)性和芯部的有效增殖系數(shù)，延長了芯部的壽期；在新燃料組件數(shù)相同的情況下。與前面外-內(nèi)裝料方案相比，富集度可

25、減少5-10 % ；快中子泄漏的降低，減少了堆芯壓力殼的積分中子通量，降低了熱沖擊，從而延長了壓力殼和反應(yīng)堆的壽命。圖9.10比較了比較這一熱沖擊。4、低泄漏裝料方案是70年代末發(fā)展起來的目前多數(shù)壓水堆采用的由于新燃料組件移到堆芯內(nèi)部，使功率峰值較外-內(nèi)裝料方案增加。為了得到可接受的功率峰值，除了恰當(dāng)?shù)剡x擇組件的合理布置，必須采用一定數(shù)量的可燃毒物棒來抑制功率峰以達(dá)到允許的數(shù)值。通常用硼玻璃作為可燃毒物。但可燃毒物棒的使用帶來了另一副作用，即在循環(huán)壽期末硼-10未能全部燒完，尚殘留一小部分，這就減少了反應(yīng)堆的剩余反應(yīng)性，即帶來所謂殘硼反應(yīng)性懲罰，縮短了堆芯的壽期。這一效應(yīng)部分地抵消了低泄漏裝料

26、所帶來的經(jīng)濟(jì)效益。低泄漏裝料具有的問題由于新燃料組件移到堆芯內(nèi)部，使功率峰值較外-內(nèi)裝料方案增加。除要確定各種燃料組件在堆芯的布置外，還需解決可燃毒物棒的分布問題，同時(shí)還應(yīng)檢驗(yàn)整個(gè)循環(huán)壽期內(nèi)功率峰值的變化，使其滿足安全約束條件。因而，低泄漏的裝料方案需要根據(jù)經(jīng)驗(yàn)經(jīng)過詳細(xì)計(jì)算來優(yōu)化確定。另一方面，對(duì)于傳統(tǒng)的外-內(nèi)裝料方式，新燃料組件放最外區(qū)，不采用可燃毒物棒，因而其功率峰值將隨燃耗的增加趨于減小，設(shè)計(jì)時(shí)只要保證循環(huán)壽期初滿足功率峰值的約束要求就可以了。但是在低泄漏裝料方式中，功率峰值可能隨燃耗的增加而增大。圖9.11。因此，低泄漏裝料方案的堆芯裝換料方案設(shè)計(jì)要比通常的換料設(shè)計(jì)復(fù)雜得多。除要確定各

27、種燃料組件在堆芯的布置外，還需解決可燃毒物棒的分布從圖9.12的計(jì)算流程，其計(jì)算可分為兩大模塊二、堆芯燃料管理計(jì)算計(jì)算包括：堆芯換料方案的確定；最終換料方案的核計(jì)算與安全評(píng)估。后者在于提供各種參數(shù)，確保裝料方案能滿足運(yùn)行、安全和經(jīng)濟(jì)性的各項(xiàng)要求。兩者都是對(duì)給定方案進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算內(nèi)容和步驟基本一樣，只是計(jì)算精度和用的程序系統(tǒng)有差異。后者計(jì)算的程序應(yīng)是國家核安全機(jī)構(gòu)審查的堆物理/熱工水力計(jì)算程序系統(tǒng)。1.燃料組件計(jì)算或少群群常數(shù)計(jì)算根據(jù)核設(shè)計(jì)計(jì)算需要，生成堆芯燃料組件在不同燃耗深度和工況（功率水平、硼濃度、慢化劑和燃料溫度等）下的雙群等效均勻化常數(shù)，以供堆芯擴(kuò)散-燃耗計(jì)算使用。從圖9.12的計(jì)算流

28、程，其計(jì)算可分為兩大模塊二、堆芯燃料管理2.堆芯計(jì)算模塊（1）截面處理接口程序包含以下程序模塊：由組件計(jì)算程序產(chǎn)生的是離散的截面數(shù)據(jù)，需要通過參數(shù)擬合或查表插值方法產(chǎn)生適合可能工況下的截面參數(shù)。（2）堆芯中子臨界與燃耗計(jì)算程序這是對(duì)堆芯進(jìn)行擴(kuò)散方程求解與臨界計(jì)算，求出功率分布和臨界硼濃度，是堆芯計(jì)算的核心部分。早期采用二、三維有限差分法擴(kuò)散計(jì)算程序，目前普遍用先進(jìn)的節(jié)塊方法程序系統(tǒng)，通常以一個(gè)組件為一個(gè)節(jié)塊，可獲得與差分法同等的精度，但計(jì)算時(shí)間要少得多。目前通常把組件程序和堆芯計(jì)算程序2個(gè)模塊配套組合成一個(gè)“堆芯燃料管理計(jì)算”系統(tǒng)（或軟件包）供核設(shè)計(jì)使用。如美國的CASMO/SIMULATE程

29、序系統(tǒng)，西屋公司的APA以及法國的SCINCE程序系統(tǒng)。2.堆芯計(jì)算模塊（1）截面處理接口程序包含以下程序模塊：由組三、換料周期與換料批數(shù) 換料周期：兩次換料之間的時(shí)間間隔稱為反應(yīng)堆的換料周期 若換料周期取得比較短，則反應(yīng)堆的初始過剩反應(yīng)性可以比較小，因而控制棒的數(shù)目或控制毒物的數(shù)量可以減少，核燃料的比裝量（即發(fā)出一定功率所需的核燃料裝載量）也可以減少，這在經(jīng)濟(jì)上會(huì)帶來很多好處。但若換料周期取得太短，這將導(dǎo)致頻繁的停堆，使反應(yīng)堆的負(fù)荷因子，也稱年利用因子降低，這在經(jīng)濟(jì)上又會(huì)帶來損失。同時(shí)換料周期的選取還應(yīng)考慮電力系統(tǒng)的需求，一般將核電廠的停堆換料時(shí)間選擇在電網(wǎng)用電負(fù)荷較小的季節(jié)，以減小停堆損失

30、及對(duì)整個(gè)電網(wǎng)的影響。因此換料周期的選擇必須全面考慮。三、換料周期與換料批數(shù) 換料周期：兩次換料之間的時(shí)間間隔稱為換料批數(shù)：若 N 為每次換料裝入的新的燃料組件數(shù)， NT 為堆芯內(nèi)燃料組件總數(shù)， NT/N就是換料批數(shù)。 若增加換料批數(shù)，則反應(yīng)堆每次停堆換料卸出的然料組件數(shù)將減少，在相同的換料同期下，核燃料平均在反應(yīng)堆內(nèi)停留的時(shí)間將延長，批平均卸料燃耗深度也將增加，這是增加換料批數(shù)有利的方面。目前，國際上許多壓水堆都將換料批數(shù)從三批改為四批，以提高燃料的利用率。當(dāng)換料批數(shù)增加后，核燃料將在堆內(nèi)經(jīng)更多的燃料循環(huán)后卸出堆芯，因此，為了保證一定的換料周期，必須提高燃料的富集度。目前，大亞灣核電廠采用三批裝料或 l / 3換料，循環(huán)長度為12個(gè)月，其平衡循環(huán)實(shí)際運(yùn)行275個(gè)有效滿功率天（E FPD ) ，年利用因子或負(fù)荷因子為 75 %（即一年運(yùn)行所折算的有效滿功率天數(shù)對(duì) 365的比值），批平均卸料燃耗為33Gwd/tu。這是八十年代世界大多數(shù)壓水堆電站的“標(biāo)準(zhǔn)燃耗的燃料循環(huán)”。換料批數(shù)：若 N 為每次換