专利名称：模拟核反应堆堆芯内的燃料棒功率分布的方法
技术领域：
本发明一般地涉及模拟核反应堆堆芯内的功率分布的方法，更具体地涉及设计用 于核反应堆的初始堆芯和换料堆芯的方法。
背景技术：
用加压水冷却的核反应堆发电系统的初级侧包括闭合回路，所述闭合回路与用于 产生有用能量的次级侧隔离且与其有热交换关系。初级侧包括封装堆芯内部结构的反应 堆容器，所述堆芯内部结构支承多个包含可裂变材料的燃料组件；热交换蒸汽发生器中的 初级回路；用于循环加压水的加压器、泵以及管道的内体积，这些管道将各蒸汽发生器和各 泵独立地连接至反应堆容器。包括连接至容器的管道系统、泵和蒸汽发生器的初级侧各部 件形成初级侧的回路。初级侧还连接至辅助回路，所述辅助回路包括用于加压水的体积测 量和化学监测的回路。该辅助回路布置在初级回路的分支上，使得能够通过在需要的时候 补充测量的水量来维持初级回路中的水量，并且能够监测冷却水的化学性质，尤其是对于 反应堆的操作很重要的硼酸的含量。为了说明的目的，图1示出了简化的核反应堆初级系统，其包括大致圆筒形的反 应堆压力容器(10)，该反应堆压力容器具有封装核反应堆堆芯(14)的外壳顶盖(12)。诸 如水的液体反应堆冷却剂由泵(16)通过堆芯(14)泵送到容器(10)中并且被排放至热交 换器(18)，热能在堆芯(14)处被吸收，该热交换器通常指的是蒸汽发生器，在所述热交换 器中热被传递至诸如蒸汽驱动涡轮发电机的利用回路(未示出)。反应堆冷却剂然后回到 泵(16)，完成初级回路。典型地，多个如上所述的回路通过反应堆冷却管道(20)连接至单 个反应堆容器(10)。图2中更详细地示出示例性的反应堆设计。除了包括多个平行、竖直协同延伸的 燃料组件(22)的堆芯(14)以外，为了本说明的目的，其它的容器内部结构可以分成下内部 结构(24)和上内部结构(26)。在传统的设计中，下内部结构的功能是支承、对准和导引堆 芯部件和仪器，以及在容器内指引流动。上内部结构约束或提供用于燃料组件(22)(在该 图中为了简便，仅示出两个)的次级约束，并且支承和导引诸如控制棒(28)的仪器和部件。 在图2中所示的示例性的反应堆中，冷却剂通过一个或多个入口喷嘴(30)进入反应堆容器 (10)，向下流动通过容器与堆芯筒(32)之间的环形空间，在下稳压室(34)中转过180°，向 上通过下支承板(37)和下堆芯板(36)(燃料组件(22)位于该下堆芯板(36)上)，并且通 过燃料组件附近。在某些设计中，下支承板(37)和下堆芯板(36)由在与(37)相同的高度 处的单个结构(下堆芯支承板)替换。流动通过堆芯和围绕区域(38)的冷却剂流量通常 很大，在大约20英尺每秒的速度下为400，000加仑每分钟的量级。所产生的压降和摩擦力 易于使燃料组件升起，该运动由包括圆形上堆芯板(40)的上内部结构约束。离开堆芯(14) 的冷却剂沿上堆芯板的下侧流动并向上通过多个穿孔(42)。冷却剂然后向上径向地流到一 个或多个出口喷嘴(44)。上内部结构(26)可以从容器或者容器头部支承并且包括上支承组件(46)。载荷主要通过多个支承柱(48)在上支承组件(46)和上堆芯板(40)之间传递。支承柱在所选 择的燃料组件(22)和上堆芯板(40)中的穿孔(42)上方对准。可直线运动的控制棒(28)典型地包括中子毒物棒的多脚架组件(52)和驱动轴 (50)，所述中子毒物棒由控制棒导管(54)导引通过上内部结构(26)进入已对准的燃料组 件(22)中。导管固定地结合到上支承组件(46)并由压配合到上堆芯板(40)的顶部中的 开口销(56)连接。销结构使导管组装和更换容易(如果有必要)，并且确保尤其在地震或 其它高负荷意外条件下主要由支承柱(48)而不是导管(54)承担堆芯负荷。这有助于在会 有害地影响控制棒插入能力的意外条件下阻碍导管变形。图3是正视图，以竖直方向缩短的形式示出了总体由附图标记(22)表示的燃料组 件。燃料组件(22)为用在加压水反应堆中的类型，并且具有在下端部处包括底部喷嘴(58) 的结构骨架。底部喷嘴(58)在核反应堆的堆芯区域(未示出)中将燃料组件(22)支承在 下堆芯支承板(60)上。除了底部喷嘴(58)，燃料组件(22)的结构骨架还包括多个导管或 导引套管(54)以及位于结构骨架上端部处的顶部喷嘴(62)，该多个导管或导引套管在底 部喷嘴(58)与顶部喷嘴(62)之间纵向地延伸并且其相对端部刚性地附接到底部喷嘴(58) 和顶部喷嘴(62)。燃料组件(22)还包括多个沿导引套管(54)轴向地隔开并且安装到导引套管(54) 上的横向栅格件(64)以及由栅格件(64)横向地隔开和支承的有组织的长形燃料棒(66) 的阵列。此外，组件(22)具有位于其中心处的仪器管(68)，该仪器管在底部喷嘴(58)与顶 部喷嘴(62)之间延伸并且安装到底部喷嘴(58)和顶部喷嘴(62)。采用这样的部件布置， 燃料组件(22)形成能够方便地操纵而不会损坏部件组装的整体单元。如上所述，组件(22)中的成阵列的燃料棒(66)由沿着燃料组件长度间隔开的栅 格件(64)以彼此间隔的关系保持。每个燃料棒(66)都包括核燃料芯块(70)，并且在相对 端部处由上端部塞(72)和下端部塞(74)封闭。芯块(70)通过设置在上端部塞(72)与芯 块堆叠顶部之间的增压弹簧(76)维持成堆叠。由可裂变材料构成的燃料芯块(70)负责产 生反应堆的反应功率。组件(22)内指定燃料棒(66)中的燃料芯块(70)在成分和浓缩度 方面可以与同一燃料组件(22)内的其它燃料棒(66)不同。因为反应堆的功率输出受限于 沿燃料棒(66)所经受的最高温度，所以管理堆芯的轴向和径向功率分布是重要的。需要将 操作条件保持低于会导致沿着燃料棒(66)的包层偏离核沸腾的操作条件。在该类型的条 件下，从燃料棒(66)到邻近的冷却剂的热传递变差，使燃料棒的温度上升，这可能导致包 层发生故障。从而，不同类型的燃料棒在燃料组件(22)中的放置以及不同类型的燃料组件 在堆芯(14)中的放置对于确保安全性和最大化堆芯输出效率而言是非常重要的。诸如水 或含硼的水之类的液体缓和剂/冷却剂通过下堆芯支承板(60)中的多个流动开口被向上 泵送至燃料组件(22)。燃料组件(22)的底部喷嘴(58)使冷却剂向上经过导管(54)并且 沿着组件的燃料棒(66)通过，以便吸收其中产生的热来产生有用功。为了控制裂变过程，多个控制棒(78)能够在位于燃料组件(22)中预定位置处的 导引套管(54)中往复运动。具体地，位于顶部喷嘴(62)上方的棒束控制机构(80)支承该 控制棒(78)。该控制机构具有带内螺纹的圆筒形毂部件(82)，该毂部件具有多个径向延伸 的锚爪或臂(52)。各个臂(52)互连至控制棒(78)，使得控制棒机构(80)可操作以在控制 棒驱动轴(50)的动力作用下使控制棒(78)在导引套管(54)中竖直地运动，由此控制燃料组件(22)中的裂变过程，所有这些都是公知的方式。如前所述，重要的是管理初始和换料堆芯的设计，以便管理堆芯的轴向和径向功 率分布，从而确保安全性和最大化反应堆工作效率。这意味着，必须非常小心地考虑组件 (22)内燃料棒(66)的种类、这些燃料棒的放置以及组件在堆芯内的放置以使堆芯内出 现的温度梯度最小化。当前，堆芯设计发展为使用中子扩散编码，例如从本申请的受让人 Westinghouse Electric Company LLC，Pittsburgh，Pennsylvania 获得许可的 ANC0 这些 中子扩散编码将中子能量划分为几个能量范围(能量组)并且由堆芯模型估计功率分布。 由于系统的几何模型的固有近似以及其所采用的核截面数据库，所以这些估计的精度并不 是足够高。当前的反应堆堆芯分析计算通常使用先进的节点方法，该方法将燃料组件中的 燃料细棒(fuel pin)均勻化为大的节点，例如17乘17的燃料棒组件被转换为2 X 2的节点 模型，如图4所示。对于含有多于100个燃料组件的核堆芯，接下来利用该节点模型计算三 维中子通量和功率分布。基于堆芯宽节点功率分布，通过将均勻化方案与详细的形状因子 组合而生成对组件的各个燃料细棒(即燃料棒)的分布。这样只要在生成均勻化数据和形 状因子的组件计算中可以明确地模拟操作历史就可以很好地工作。不幸的是，每个燃料组 件的真实操作历史预先是不知道的，这使得难以生成正确的形状因子来精确地模拟堆芯。在实际的堆芯操作条件下，即使是对于相同类型的燃料组件(22)，由于周围环境 (具体是控制棒插入和抽出历史)，非均勻性(即逐点通量和功率分布)在操作期间也将会 改变。为了获得对燃料棒细棒功率的真实历史效应，现有技术已经尝试了利用非常复杂的 计算以生成燃料组件数据来对细棒功率形状因子进行许多种修正。然而，结果仍然很不令 人满意，尤其是当在正常功率操作期间常常进行控制棒或灰棒的插入和抽出时。这在BWR 堆芯设计和新的PWR堆芯设计(例如当前由Westinghouse Electric Company LLC提供的 AP1000)中成为一个大的难题。这些问题是由于预先不知道控制棒将何时、在何处插入到哪 个组件中而产生的。用来保护堆芯设计的组件数据生成的历史可能与正常操作期间在堆芯 中经历的真实燃料历史有很大的不同，并且利用传统的方法在堆芯设计编码中难以获得这 种不同。因此，需要一种新的方法，其将更好地预测核反应堆的堆芯内的功率和通量分布。更具体地，需要一种新的方法，其将在考虑每个燃料元件的情况下预测在整个堆 芯上沿轴向和沿径向的功率和通量分布。此外，需要一种新的方法，其将更好地预测在核反应堆的堆芯上的功率分布，该功 率分布更精确地反映堆芯的历史。此外，需要一种新的方法，其将预测在核反应堆的堆芯内的功率分布，而不需要大 量的计算机处理时间或存储器。
发明内容
与传统的方法相比，本发明的方法将完全废除细棒功率形状因子。相反，本发明的 方法遵循每个燃料棒在堆芯中的暴露历史，并且基于该真实历史得出燃料棒核数据，即物 理术语中的燃料细棒截面(代表诸如吸收、裂变等的中子反应的可能性)。在实际应用中， 逐个燃料棒的真实历史被参数化并且由其燃耗与快注量(fast fluence) 一起表示。如同 大多数堆芯设计编码一样，通过简单地进行从制造者到当前堆芯所获得的燃料棒功率和局
5部中子通量对时间的积分来计算(得出)这两个参数。为了取得燃料细棒截面，在预定反 应堆操作条件下，通常是在热的全功率水平条件下，预先生成参考截面表。对于给定的实际 燃料棒历史(燃耗和快注量)，通过查询截面表并将实际注量与参考注量比较执行快注量 修正，来获得燃料细棒截面。在参考细棒截面表的生成期间，也产生参考燃料细棒通量形状 因子。本发明的方法利用这些预先生成的参考燃料细棒通量形状因子，结合上述燃料细棒 截面，来生成用于给定历史的实际细棒通量形状因子。利用燃料细棒截面进行的燃料细棒 通量形状因子从参考值到实际值的实时调节是基于核设计编码方面的反应堆物理基础理 论的。因此，上述燃料细棒截面和通量两者已经考虑了燃料细棒的历史。燃料细棒单胞卡 泊裂变(cell kappa-fission)与通量相乘将提供燃料细棒功率分布。
从以下结合附图的优选实施例说明中可以得到本发明的进一步理解，其中图1是可以应用本发明的核反应堆系统的简化示意图；图2是可以应用本发明的核反应堆容器和内部部件的局部剖视图；图3是以竖直地缩短的形式示出的燃料组件的局部剖视图，其中为了清楚起见去 除了部分部件；图4用图形示出了现有技术采用的2X2节点模型；图5是燃料组件的一部分的图示，示出了本发明所考虑的燃料棒中的个体差异； 以及图6是新发明的燃料棒功率计算的流程图。
具体实施例方式在诸如ANC的大多数核堆芯设计编码中，为了获得每个燃料棒的细棒功率分布， 燃料细棒功率形状因子应用到整个节点上的均勻化细棒功率分布图，以便获得用于节点内 燃料组件组的逐个细棒均勻化功率分布。如同许多先进的核堆芯设计编码一样，ANC使用 依赖于能量组的形状因子。也就是，给定的一套形状因子与给定的能量范围内的多个燃料 棒相对应。每个能量组(g)在(χ，y)处的燃料棒(细棒)功率表达为这里，Pgh°m(U)是均勻化细棒功率，其是由均勻化逐个细棒通量和卡泊裂变 (k Σ f，即，来自裂变的能量释放率)获得的。均勻化细棒通量<°m(x，力是通过对各单个节 点在节点边界条件下解两个能量组扩散方程(节点侧和节点角的通量)得到的。如图4所 示，每个节点被认为是单个均勻化质量并且假定功率形状因子将会考虑到燃料棒间的所有 不同。用于节点内两个能量组中每个的卡泊裂变是对应能量组内每个燃料组件的平均卡泊 裂变，对于能量组1产生1. 4061MeV/cm的平均值，对于能量组2产生31. 0616MeV/cm的平
均值。均勻化的逐个细棒的卡泊裂变是从节点平均、侧面和角上截面的条件利
用多项式展开生成的，而不是利用真实燃料棒状态/历史生成的。采用该方法的(X，y)处的均勻化卡泊裂变并不精确地代表对应燃料棒的卡泊裂变。该方法假定将通过功率形状因子//(Χ，>0来获得非均勻性(即不同燃料棒之间的差
异)，该功率形状因子作为燃料组件平均燃耗的函数是通过格子编码单组件计算(lattice code single-assembly calculation)予页先生成的。与此不同，本发明的用于模拟堆芯的方法是考虑每个燃料细棒的实际历史(即燃 料细棒燃耗和快注量)来计算用于每个燃料细棒轴向截面段的通量和卡泊裂变。利用逐个 细棒的非均勻性卡泊裂变和通量将燃料细棒功率直接计算为
权利要求
一种模拟核燃料组件的轴向和径向燃料棒功率分布的方法，包括以下步骤a)将所述燃料组件的中子能量分为多个能量组；b)在多个轴向增量上单独地考虑燃料组件内的每个燃料棒；c)基于多个参考值以及实际的燃料棒和燃料组件历史，计算用于每个燃料棒的卡泊裂变和中子通量形状因子；d)生成用于所述燃料组件中相邻组的燃料棒的均匀化中子通量值；e)由均匀化通量和通量形状因子分别计算所述相邻组的燃料棒中每个燃料棒的多个非均匀中子通量；f)由所有所述多个能量组中所计算的卡泊裂变和非均匀中子通量的乘积之和的恒定倍数来确定用于每个燃料棒的功率。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述通量形状因子是燃料棒的成分和浓 缩度的函数。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，最初确定用于每个燃料棒以模拟燃料棒 历史的每个通量形状因子是参考通量形状因子，所述参考通量形状因子不考虑所述燃料组 件在堆芯内的放置历史。
4.根据权利要求3所述的方法，包括步骤调节所述参考通量形状因子，以考虑控制棒 插入所述燃料组件中的假定历史对燃料棒燃耗的影响。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述控制棒被假定为在燃料组件操作循 环的一定百分比期间插入所述燃料组件内。
6.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，对所述通量形状因子的调节考虑了燃料 组件之前的历史，所述之前的历史包括每个燃料组件在堆芯内之前的加载循环中所经历的 放置、局部功率和燃耗。
全文摘要
一种用于模拟核反应堆堆芯的方法，其遵循每个燃料细棒的历史，采用燃料细棒通量形状因子，以明确地跟踪每个燃料细棒沿其轴向长度的注量暴露，并且利用该信息来获得每个燃料棒的基础数据，即燃料棒截面，从而用于每个燃料细棒段。采用所获得的用于燃料细棒段的数据来调节燃料细棒通量形状因子，以便匹配真实燃料细棒的历史，使得能基于燃料棒截面和通量形状因子精确地计算燃料棒功率分布。
文档编号G06G7/48GK101946253SQ200980104852
公开日2011年1月12日 申请日期2009年2月5日 优先权日2008年2月11日
发明者张宝成 申请人:西屋电气有限责任公司