核电厂预测破损组件燃耗的方法与流程

1.本发明属于核电技术领域，涉及一种核电厂预测破损组件燃耗的方法。


背景技术：

2.核燃料组件是反应堆设计的重要组成部分，燃料包壳是构成反应堆安全的重要屏障，正常运行期间燃料所产生裂变产物包容在燃料组件包壳中。反应堆运行过程中燃料包壳如果发生破损，则包容在包壳中的裂变产物会释放到一回路中，影响核电站安全运营。
3.若核电厂使用的燃料组件若发生破损，需要根据破损组件的燃耗确定其堆芯位置和功率水平，并依次给出控制建议，避免破口进一步恶化。另外，还需要在大修期间准确定位破损组件，避免破损组件在后续循环再次入堆使用，影响机组安全稳定运行。因此在燃料破损后，及时预测破损组件燃耗，确定破损组件位置及功率，对于机组安全稳定运行和大修期间查找破损组件有着非常重要的指导意义。
4.由于cs-137、cs-134半衰期较长，根据理论计算cs-137与cs-134的活度比值与组件燃耗呈线性关系，因此目前国内核电厂在燃料破损后，普遍采用化学专业在主回路取样得到的cs-137、cs-134活度的比值预测破损组件燃耗。但由于cs元素仅能在破口非常大的情况下通过反冲释放释放到堆芯并被测量，而包壳仅有中小破口和微裂纹的情况下cs无法释放到主回路，化学专业不能在主回路测量到其活度值。
5.而目前国内燃料失效的案例中，大多数是由于焊接沾污和异物磨蚀导致的燃料破损，破口都很小，cs-137、cs-134无法释放到主回路并被化学取样测到。因此对于绝大多数燃料破损，因无法在主回路取样得到具体的cs-137、cs-134活度数据，而无法预测破损组件燃耗，该预测方法的实用性较差。


技术实现要素：

6.本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的缺陷，提供一种不受破损程度的制约、能够适用于所有燃料破损的情况、及时准确的给出破损组件的燃耗和位置，并将燃料破损对机组运行的影响降至最低的核电厂预测破损组件燃耗的方法。
7.本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
8.一种核电厂预测破损组件燃耗的方法，包括以下步骤：
9.s1、理论标准曲线的获得：根据释放数据模型推导裂变产物为惰性气体同位素i的理论值；并以λi为横坐标、以理论值为纵坐标，做理论标准曲线；其中，λi为裂变产物i的衰变常量，s-1
；
10.s2、绘制u和pu裂变份额随燃耗变化的标准曲线；
11.s3、主回路惰性气体同位素活度检测：对主回路中的水进行取样得到取样水，对取样水进行放射性活度检测计算得到主回路惰性气体同位素活度数据；
12.s4、根据主回路惰性气体同位素活度数据计算实际值：
[0013][0014]
其中，βn、βa为净化常数，βn取2
×
10-5
s-1
；
[0015][0016]ai
为冷却剂比活度，单位为mbq/t；
[0017]
mc为放射性一回路冷却剂质量(不包括稳压器)；
[0018]
α为u-235所占的裂变份额(百分比)；
[0019]
1-α为pu-239所占的裂变份额(百分比)；
[0020]
λi为裂变产物i的衰变常量，s-1
；
[0021]yi-u235
为u-235核素对应的裂变产物i的累积裂变产额；
[0022]yi-pu239
为pu-239核素对应的裂变产物i的累积裂变产额；
[0023]
s5、实际曲线的拟合：以λi为横坐标、实际值为纵坐标，做实际曲线；通过调整u-235裂变份额α，使得绘制的拟合曲线的拟合结果最接近步骤s1中的理论标准曲线，从而获得破损组件中u-235实际裂变份额α；
[0024]
s6、破损组件的燃耗：根据步骤s2中的裂变份额和燃耗的关系曲线、以及实际裂变份额α，得到破损组件的燃耗。
[0025]
进一步地，所述的核电厂预测破损组件燃耗的方法中，优选所述步骤s1中，以r表示堆芯裂变产物的释放，b表示裂变产物的产生，理论的表达式如下：
[0026][0027]
进一步地，所述的核电厂预测破损组件燃耗的方法中，优选所述步骤s3中，按照时间间隔对主回路中的水进行多次取样，对每次取样的取样水进行放射性活度检测，计算平均值得到主回路惰性气体同位素活度数据。
[0028]
进一步地，所述的核电厂预测破损组件燃耗的方法中，优选所述步骤s4中，所述裂变产物i为kr-85m、kr-85、kr-87、kr-88、xe-133、xe-135或xe-138。
[0029]
进一步地，所述的核电厂预测破损组件燃耗的方法中，优选所述步骤s4中，根据u-235、pu-239对应不同裂变产物的裂变产额的标准数据，查找对应裂变产物i的λi、y
i-u235
、y
i-pu239
的数值。
[0030]
当燃料破损后，惰性气体同位素(xe-133、xe-135、xe-138、kr-88、kr-85m等)通过扩散，最早从破损组件释放较快，因此惰性气体同位素的异常变化，也是最早判断燃料是否破损的指标。本发明根据裂变产物惰性气体同位素的产生-迁移-释放过程，即根据u和pu的比例计算惰性气体同位素的释放率与产生率之比，并拟合曲线。当u和pu的比例与堆芯破损组件燃耗对应的u和pu比例一致时，拟合程度达到最佳，从而确定该破损组件的燃耗。由于对于破损燃料的缺陷程度，从微裂纹到大破口，惰性气体同位素均可以释放到堆芯并被测
量到，没有cs同位素需要大破口才能释放的制约，因此本发明不受破损程度的制约，能够适用于所有燃料破损的情况，及时准确的给出破损组件的燃耗和位置，将燃料破损对机组运行的影响降至最低。同时，提前预判组件燃耗，可以尽早制定紧急换料设计预案，避免大修中后期才定位破损组件，延误大修关键路径。
附图说明
[0031]
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
[0032]
图1是本发明实施例的燃料中随着燃耗变化u和pu所占的裂变份额的标准曲线；
[0033]
图2是本发明实施例的a机组α取60％时拟合曲线；
[0034]
图3是本发明实施例的根据u-235的裂变份额α为60％，查询u和pu裂变份额随燃耗的变化曲线，确定破损组件燃耗；
[0035]
图4是本发明实施例的通过cs-137、cs-134的比值获得燃耗结果对比。
具体实施方式
[0036]
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。
[0037]
一种核电厂预测破损组件燃耗的方法，包括以下步骤：
[0038]
s1、理论际准曲线的获得：根据释放数据模型推导裂变产物为惰性气体同位素i的理论值；并以λi为横坐标、以理论值为纵坐标，做理论标准曲线；其中，λi为裂变产物i的衰变常量，s-1
；
[0039]
所述步骤s1中，以r表示堆芯裂变产物的释放，b表示裂变产物的产生，根据释放的数据模型推导，得到理论的表达式如下：
[0040][0041]
其中，左边一项表示从燃料包壳释放的裂变产物，右边一项表征堆芯沾污铀产生的裂变产物。
[0042]
对于绝大多数堆芯，在燃料破损的情况下，粘附铀的产生的裂变产物贡献可以忽略，因此近似为从式中可以看出：与λi呈比例关系，以对λi为横坐标，以为纵坐标，采用对数坐标轴进行作图，曲线将呈现出线性关系。因此对于破损组件，绘制出的标准曲线应呈现直线的线性关系。
[0043]
s2、绘制u和pu裂变份额随燃耗的变化标准曲线；
[0044]
目前国内采用的燃料组件初始装载均为一定富集度uo2芯块，芯块中的铀富含u-235，但大部分的铀仍然是u-238。u-238具有中等中子俘获截面和非常低的裂变截面。中子与u-238发生的其中一个反应导致形成半衰期为23.5分钟的u-239。u-239会发生β衰变，形成np-239(半衰期为2.36天)，随后np-239会发生β衰变，形成pu-239(半衰期为24100年)。像
核质子数为偶数、核中子数为奇数的所有重核素一样，pu-239具有较大的裂变截面，会吸收中子发生裂变。
[0045]
随着组件堆内运行时间的增长，芯块中的u逐渐俘获中子生成pu，会导致u和pu的比例发生变化，更多的pu-239参与裂变，从改变u-235和pu-239占的裂变份额，如图1所示为燃料中随着燃耗变化，u和pu所占的裂变份额的标准曲线。
[0046]
因此，根据堆芯化学取样得到的惰性气体同位素活度，计算推断出u-235和pu-239各自所占的裂变份额，就可以据此计算出破损组件在取样时的实际燃耗。
[0047]
s3、主回路惰性气体同位素活度检测：对主回路中的水进行取样得到取样水，对取样水进行放射性活度检测计算得到主回路惰性气体同位素活度数据；优选按照时间间隔对主回路中的水进行多次取样，对每次取样的取样水进行放射性活度检测，计算平均值得到主回路惰性气体同位素活度数据；
[0048]
根据核电厂操作规程，定期取一回路水样分析一回路中放射性核素的活度，根据实际需要设定取样时间，一般是每周2次，在主回路的取样回路放一回路水，然后送到化学实验室分析活度，本发明中主要采用主回路惰性气体同位素活度数据。
[0049]
s4、根据主回路惰性气体同位素数据计算实际值：
[0050]
根据取样得到的主回路放射性活度(惰性气体同位素活度)，计算：
[0051][0052]
βn、βa为净化常数，βn取2
×
10-5
s-1
，
[0053][0054]ai
为冷却剂比活度，单位为mbq/t；
[0055]
λi为裂变产物i的衰变常量，s-1
；
[0056]
mc为放射性一回路冷却剂质量(不包括稳压器)；
[0057]
α为u-235所占的裂变份额(百分比)；
[0058]
1-α为pu-239所占的裂变份额(百分比)
[0059]yi-u235
为u-235核素对应的裂变产物i的累积裂变产额(见表1)；
[0060]yi-pu239
为pu-239核素对应的裂变产物i的累积裂变产额(见表1)；
[0061]
上述参数，为裂变产物i的特征参数，即当i为某一具体核素时(惰性气体同位素kr-85m、kr-85、kr-87、kr-88、xe-133、xe-135或xe-138)该值为固定值。根据u-235、pu-239对应不同裂变产物的裂变产额的标准数据，查找对应裂变产物i的λi、y
i-u235
、y
i-pu239
的数值，即可通过查表1获得对应裂变产物i的λi、y
i-u235
、y
i-pu239
的数值。
[0062]
表1：u-235/pu-239对应不同裂变产物的裂变产额
[0063][0064]
而yi为裂变产物i的累积裂变产额，则与由于不同燃耗下u-235和pu-239的裂变份额不同直接相关，由于堆芯主要参与裂变的核素为u-235和pu-239，则yi近似如下：
[0065]
yi＝α
×yi-u235
+(1-α)
×yi-pu239
[0066]
其中α为u-235所占的裂变份额(百分比)，1-α为pu-239所占的裂变份额(百分比)，y
i-u235
的为裂变产物i的u-235裂变产额，y
i-pu239
的为裂变产物i的pu-239裂变产额。
[0067]
由此可见现场测量的实际值与u和pu的裂变份额呈现直接相关的关系。表1为u-235/pu-239对应不同裂变产物的裂变产额，由此可以见u-235和pu-239裂变产额有一定的差异。因此当采用不同裂变份额α，计算得到的值将有较大差异。
[0068]
而u-235和pu-239累积裂变产额(查询表1)差异越大的裂变产物，诸如kr同位素(kr-87/kr-85m等)，其裂变份额α差异越大，计算的实际值差异越大。
[0069]
s5、实际曲线的拟合：以λi为横坐标、实际值为纵坐标，做实际曲线；通过调整u-235裂变份额α，使得绘制的实际曲线拟合结果最接近步骤s1中的理论标准曲线，从而获得破损组件中u-235实际裂变份额α；
[0070]
根据步骤s2，当以λi为横坐标，为纵坐标，采用对数坐标轴进行作图，曲线将呈现出线性关系。
[0071]
而根据步骤s3现场取样数据计算的实际值与裂变份额d直接相关。因此，以化学取样得到的主回路惰性气体同位素活度绘制拟合曲线，并通过调整u-235和pu-239裂变份额α和(1-α)，可以对曲线进行调整。而只有计算使用的裂变份额α与破损组件实际的u-235和pu-239裂变份额一致时，拟合出的曲线才最接近步骤s1中的标准曲线(直线)。
[0072]
s6、破损组件的燃耗：根据步骤s2中的裂变份额和燃耗的关系曲线、以及实际裂变份额α，得到破损组件的燃耗。
[0073]
根据化学取样得到的主回路裂变产物(惰性气体同位素)活度，调整u-235裂变份额α，使得绘制的拟合曲线最接近直线，符合步骤s1中理论标准曲线的结果，就可以获得真实破损组件的u-235裂变份额α，并根据步骤s2裂变份额和燃耗的关系曲线，可以获得破损组件的燃耗。
[0074]
本发明基于裂变产物的产生-迁移-释放模型的数学特征，以及实际值与裂变份额α的关系，调整u-235裂变份额α，使得绘制的实际曲线拟合结果最接近直线，离散度最小，从而确定破损组件燃耗。
[0075]
该方法适用于u-235和pu-239裂变产额有差异的裂变产物，因此对于惰性气体同位素都可以用该方法预测燃耗，相比于传统使用的cs-137、cs-134活度的比值，不受限于破口的大小，适用范围更广。电厂可依据预测结果，提前制定更加有针对性的机组控制策略和大修应对预案，有利于电厂安全稳定运行，防止破损组件再次入堆。同时，提前预判组件燃耗，可以尽早制定紧急换料设计预案，避免大修中后期才定位破损组件，延误大修关键路径。
[0076]
具体实施验证：
[0077]
本发明的技术方案已在阳江核电厂、防城港核电厂、台山核电厂进行验证，结果表明应用范围广，结果较为准确，可以有效提高电厂诊断破损燃料组件的能力。
[0078]
以上述三个电厂中的a机组为例，a机组燃料在2020.9月堆芯放化数据出现异常，确定燃料破损。但由于破损程度较小，无法通过比值预测破损组件燃耗。根据本发明的方法，当u-235的裂变份额α为60％，pu-239的裂变份额1-α为60％时，r/b拟合曲线的结果最佳，惰性气体(gas)拟合的曲线r2最大为0.9981(采用其他α数据拟合最差的r2为0.9737)，拟合程度最好，离散度最小，如图2所示。
[0079]
在根据u-235的裂变份额α为60％，查询u和pu裂变份额随燃耗的变化曲线，确定破损组件燃耗约为13000mwd/tu，如图3所示。
[0080]
随后该机组在10.23日发生了二次氢化，破口恶化，取样得到了cs-137、cs-134的活度。根据取样得到的活度比值为0.6，对应破损组件的燃耗约为12000-14000mwd/tu，具体见图4。
[0081]
由此可见，本专利的方法预测组件的燃耗与cs-137、cs-134的比值获得燃耗基本相当，具有工程实践经验和应用意义。另外，本专利也适用于碘同位素，因此当采用惰性气体计算后，可以使用碘同位素进行验证比对。