一種換棒組件再入堆的安全評價方法與流程

本發(fā)明涉及一種換棒組件再入堆的安全評價方法。
背景技術(shù)：
：燃料組件是核電廠反應(yīng)堆的核心部件，有核電廠的“糧食”之稱。二百多根燃料棒按15×15或17×17排列成方形柵格并被燃料骨架固定成一束，即稱之為燃料組件。燃料組件在反應(yīng)堆中一般會使用3～5年的時間，其工作環(huán)境十分苛刻：處于強中子場，經(jīng)受高溫、高壓、高流速冷卻劑的沖刷，同時承受裂變產(chǎn)物化學(xué)作用和復(fù)雜的機(jī)械載荷。燃料棒包殼是核電廠三道安全屏障的第一道屏障。它能有效防止核燃料運行過程中產(chǎn)生的裂變產(chǎn)物向外泄漏。燃料棒設(shè)計上要求在正常運行和運行瞬態(tài)(工況ⅰ)或由中等頻率事故引起的任何瞬態(tài)(工況ⅱ)，預(yù)計不出現(xiàn)燃料破損(定義為裂變產(chǎn)物穿透燃料棒包殼)。然而，燃料組件實際運行過程中，由于格架-燃料棒振動磨損、異物磨蝕、制造缺陷、磨蝕/結(jié)垢、芯塊-包殼相互作用(pci)和氫化等原因，會出現(xiàn)破損現(xiàn)象。為避免組件破損后無法再入堆造成的巨大經(jīng)濟(jì)損失，一般采用與燃料棒幾何尺寸一致的不銹鋼棒替換破損燃料棒以修復(fù)燃料組件。采用這種方法修復(fù)后的組件稱為“換棒組件”。顯然，使用“換棒組件”的堆芯也必須進(jìn)行安全評價，以證明換料堆芯的安全性。通常，“換料堆芯”的安全評價方法是將堆芯的關(guān)鍵安全參數(shù)與設(shè)計限值進(jìn)行對比分析，從而驗證堆芯設(shè)計是否滿足安全要求。當(dāng)堆芯的某些關(guān)鍵安全參數(shù)超過對應(yīng)限值時，對這些關(guān)鍵安全參數(shù)所涉及的事故進(jìn)行再分析，驗證是否滿足這些事故的驗收準(zhǔn)則。但是，直接套用這種方法對含有“換棒組件”的換料堆芯進(jìn)行安全評價并不可行。其原因有：(1)不同于正常堆芯采用的1/4堆芯計算，用不銹鋼棒代替破損燃料棒給堆芯徑向功率分布引入不對稱性因素，所以安全分析上必須使用全堆芯計算。(2)用于正常換料安全評價框架的某些程序不支持全堆芯計算。(3)某些事故(如彈棒事故)一直以來都是用1/4堆芯進(jìn)行論證的。技術(shù)實現(xiàn)要素：本發(fā)明的目的是提供一種可全面并且保守的進(jìn)行換棒組件再入堆的安全評價方法。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：一種換棒組件再入堆的安全評價方法，包括如下步驟：(1)、判斷堆芯裝載的方案是否滿足設(shè)定的適用范圍，若滿足設(shè)定的適用范圍則進(jìn)行步驟(2)；(2)、對受反應(yīng)性影響的堆芯物理參數(shù)，以及對fsar中受f△h增大可能影響的rcca失控抽出事故、彈棒事故、功率能力驗證分別進(jìn)行評價，若評價結(jié)果均“滿足要求”，則進(jìn)行步驟(3)，反之只要有一項不滿足要求，則進(jìn)行步驟(4)；a、對堆芯物理參數(shù)的硼濃度的評價方法為：采用反應(yīng)性懲罰因子評價“換棒組件”在堆芯中引入的負(fù)反應(yīng)性，進(jìn)而計算出硼濃度相對于未采用“換棒組件”的堆芯的改變量，所述改變量與未換棒之前的堆芯的硼濃度之和為臨界硼濃度，當(dāng)考慮上述反應(yīng)性懲罰后得出的所述的臨界硼濃度滿足設(shè)計限值，或者超過設(shè)計限值，但是受影響的事故滿足驗收準(zhǔn)則，即認(rèn)為“滿足要求”；所述的反應(yīng)性懲罰因子的計算公式為：所述的反應(yīng)性懲罰因子的單位是pcm，其中，nssr表示不銹鋼棒的數(shù)目，bu表示燃耗，atyp表示燃料組件的類型，k'(∞,nssr)(bu,atyp)為換棒組件的k無窮；k∞為正常組件的k無窮；所述的堆芯引入的負(fù)反應(yīng)性的計算公式為：單位是pcm，其中，c1為換棒組件的組數(shù)，c2為堆芯中全部燃料組件的數(shù)目；b、對rcca失控抽出事故的評價方法為：當(dāng)各個控制棒插入狀態(tài)下的全堆芯的f△h均大于換棒組件位置的f△h與f△h懲罰因子的乘積，或者控制棒提出后的全堆芯的f△h不會因f△h懲罰因子應(yīng)用于換棒組件而受影響時，則認(rèn)為“滿足要求”，否則需要對該事故重新進(jìn)行分析，若能滿足該事故驗收準(zhǔn)則，也可認(rèn)為“滿足要求”；c、對彈棒事故的評價方法為：當(dāng)各個控制棒插入狀態(tài)下的全堆芯的f△h均大于換棒組件位置的f△h與f△h懲罰因子的乘積，或者控制棒彈出后的全堆芯的f△h不會因f△h懲罰因子應(yīng)用于換棒組件而受影響時，則認(rèn)為“滿足要求”，否則需要對該事故重新進(jìn)行分析，若能滿足該事故驗收準(zhǔn)則，也可認(rèn)為“滿足要求”；d、對功率能力驗證的評價方法為：當(dāng)各個控制棒插入狀態(tài)下的全堆芯的f△h均大于換棒組件位置的f△h與f△h懲罰因子的乘積，或者各個控制棒插入狀態(tài)下的換棒組件位置的f△h與f△h懲罰因子的乘積小于功率能力驗證中f△h的使用值時，則認(rèn)為“滿足要求”，否則需要對功率能力重新進(jìn)行驗證，若能滿足設(shè)計限值要求，也可認(rèn)為“滿足要求”；(3)、對燃料棒性能的評價方法為：當(dāng)壽期內(nèi)包含燃料棒最大燃耗的組件的f△h乘以f△h懲罰因子后小于燃料棒功率史包絡(luò)曲線，或者f△h采用壽期內(nèi)換棒組件位置的f△h與f△h懲罰因子的乘積，燃耗采用該組件最大燃料棒燃耗，由此繪制的燃料棒功率史曲線小于燃料棒功率史包絡(luò)曲線時，則認(rèn)為燃料棒性能“滿足要求”，否則，評價以換棒組件中各位置的燃料棒的功率與f△h懲罰矩陣的乘積，燃耗采用該組件最大燃料棒燃耗，由此繪制的燃料棒功率史曲線是否小于燃料棒功率史包絡(luò)曲線，若是，則認(rèn)為燃料棒性能也“滿足要求”，所述的堆芯裝載方案的安全性得以最終確認(rèn)，否則，進(jìn)行步驟(4)或者由燃料工程師給出評估結(jié)果；步驟(2)和步驟(3)中，所述的f△h懲罰因子為某燃耗下含不銹鋼棒陣列與正常組件陣列的燃料棒的最大棒功率偏差，其計算公式為：其中pij-ss為含不銹鋼棒陣列中ij位置的燃料棒的棒功率；pij-ref為正常組件陣列中ij位置的燃料棒的棒功率；f△h懲罰矩陣為某燃耗下燃料棒陣列中各位置的燃料棒的功率偏差；(4)、重新設(shè)計堆芯裝載方案。本發(fā)明中，所述的設(shè)定的適用范圍包括每個燃料組件最多更換3根燃料棒、再入堆的換棒組件數(shù)量不多于4組、換棒組件不能放在含有控制棒組的位置、同一象限中不能放兩組或兩組以上的換棒組件。優(yōu)選地，采用3×3的組件陣列，換棒組件位于陣列中心，分別對換棒與不換棒的情況進(jìn)行建模計算，從而計算出所述的反應(yīng)性懲罰因子、所述的f△h懲罰因子和所述的f△h懲罰矩陣。進(jìn)一步優(yōu)選地，計算所述的反應(yīng)性懲罰因子、所述的f△h懲罰因子和所述的f△h懲罰矩陣時，將不銹鋼棒放置在接近功率最高的燃料棒的位置。優(yōu)選地，計算出不同的燃料組件類型、不同的燃耗和不銹鋼棒的不同數(shù)目及位置的f△h懲罰因子和f△h懲罰矩陣。本發(fā)明中，所述的反應(yīng)性懲罰因子僅與換棒組件中所含的不銹鋼棒數(shù)目有關(guān)，與燃料組件類型和燃耗無關(guān)。本發(fā)明中，假定換棒組件為正常組件，通過science程序計算不同燃耗下，各種控制棒插入狀態(tài)下所述的全堆芯的f△h和所述的換棒組件位置的f△h。具體地，所述的不同燃耗包括blx、6000、mol、85％eol和eol。具體地，所述的各種控制棒插入狀態(tài)包括aro，g1，g1g2，g1g2n1，g1g2n1n2，rg1，rg1g2，rg1g2n1，rg1g2n1n2。本發(fā)明中，所述的步驟(2)還包括對堆芯物理參數(shù)的象限傾斜和控制棒價值進(jìn)行評價。下面對本發(fā)明中涉及的縮寫進(jìn)行解釋：pci：pellet-claddinginteraction，芯塊-包殼相互作用；f△h：nuclearenthalpyrisefactor，核焓升因子；fsar：finalsafetyanalysisreport，最終安全分析報告；hfp：hotfullpower，熱態(tài)滿功率；hzp：hotzeropower，熱態(tài)零功率；dnbr：departurefromnucleateboilingratio，偏離泡核沸騰比；blx：beginningoflife,equilibriumxenon，壽期初，平衡氙；mol：middleoflife，壽期中；eol：endoflife，壽期末；aro：allrodclustersout，控制棒全提出；rcca：rodclustercontrolassembly，棒束控制組件；rigz：rccawithdrawalatstartup，啟動工況下控制棒組失控抽出；r1gp：singlerccawithdrawalatpower，功率下單棒失控抽出。由于上述技術(shù)方案運用，本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有下列優(yōu)點：針對特定燃料管理方案，本發(fā)明創(chuàng)造性地提出一整套堆芯安全評價方法，解決了使用現(xiàn)有換料安全評價框架，進(jìn)行“換棒組件”再入堆堆芯安全評價的難題。本發(fā)明采用通行的換料安全評價方法論，易于被國家核安全監(jiān)管機(jī)構(gòu)認(rèn)可；本發(fā)明可全面并且保守的進(jìn)行反應(yīng)堆安全評價；本發(fā)明不需要更改現(xiàn)有的以1/4堆芯計算為基礎(chǔ)的換料安全評價框架；本發(fā)明可操作性強，簡便易用。附圖說明附圖1為經(jīng)過1個循環(huán)的全m5afa3g4.45％8gd功率分布圖。具體實施方式下面將對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明?？紤]到“換棒組件”替換的燃料棒的位置及數(shù)目、“換棒組件”在堆芯中的位置，理論上存在近乎無數(shù)種不同情形。本發(fā)明著眼于涵蓋絕大部分工程運用，在大量包絡(luò)計算和敏感性分析的基礎(chǔ)上，首先給出此種評價方法的適用范圍。其次本發(fā)明針對換棒組件入堆后的反應(yīng)性和f△h引入“懲罰因子”。接著在反應(yīng)堆的以下兩方面進(jìn)行安全分析，驗證堆芯是否安全：(1)對受反應(yīng)性影響的堆芯物理參數(shù)(硼濃度、象限傾斜和控制棒價值)進(jìn)行評價；(2)對fsar中受f△h增大可能影響的三個子項：rcca失控抽出事故(hfp或hzp狀態(tài)：rigz,r1gp)；彈棒事故；功率能力dnbr驗證等進(jìn)行重新論證。最后，驗證“換棒組件”的燃料棒性能是否滿足燃料棒設(shè)計準(zhǔn)則。1、適用范圍本評價方法必須滿足如下限制條件的情況下才可使用：(1)每個燃料組件最多更換3根燃料棒；(2)再入堆的換棒組件數(shù)量不多于4組；(3)換棒組件不能放在含有控制棒組的位置；(4)同一象限中不能放兩組或兩組以上換棒組件。2、懲罰因子換棒組件采用不銹鋼棒替換燃料棒，組件內(nèi)部的功率分布和剩余反應(yīng)性隨之產(chǎn)生變化。采用3×3的組件陣列，換棒組件位于陣列中心，分別對換棒與不換棒的情況進(jìn)行建模計算，根據(jù)兩種情況下組件的功率分布和反應(yīng)性的差別，可以求出所有燃耗下?lián)Q棒組件的f△h和反應(yīng)性懲罰因子的包絡(luò)值(最大值)。2.1、f△h懲罰因子定義為某燃耗下含不銹鋼棒陣列與正常組件陣列的燃料棒的最大棒功率偏差：pij-ss：含不銹鋼棒陣列中ij位置的燃料棒的棒功率；pij-ref：正常組件陣列中ij位置的燃料棒的棒功率。懲罰矩陣為某燃耗下上述陣列中各位置的燃料棒的功率偏差。不同的燃料組件類型、不同的燃耗和不銹鋼棒的不同數(shù)目及位置都需要按照上述公式計算出相應(yīng)的懲罰因子或者懲罰矩陣。燃料組件類型由燃料管理方案決定，燃耗可以按照燃料組件經(jīng)歷的循環(huán)數(shù)進(jìn)行分類。一般將不銹鋼棒放置在最接近“熱棒”(即功率最高的燃料棒)的位置，從而使得計算出的懲罰因子和懲罰矩陣偏保守。如圖1所示，以經(jīng)過1個循環(huán)的全m5afa3g4.45％含8gd的燃料組件為例，1根不銹鋼棒可以選擇放置在：m5位置或者n7位置；2根不銹鋼棒可以選擇放置于n6和m5位置，或者m5和k1位置；3根不銹鋼棒可以放置在o5、m5和n6位置。若裕量較大，可以直接采用懲罰因子。若裕量不足，則采用懲罰矩陣，降低懲罰程度。2.2、反應(yīng)性懲罰因子僅與“換棒組件”中所含的不銹鋼棒數(shù)目有關(guān)，與組件類型和燃耗無關(guān)，其定義為特定換棒數(shù)目下，所有燃料組件類型和所有燃耗下“換棒組件”引入的最大(絕對值)反應(yīng)性偏差：其中，k'(∞,nssr)(bu,atyp)：換棒組件在特定不銹鋼棒數(shù)目(nssr)，特定燃耗(bu)和特定組件類型(atyp)時的k無窮；k∞：正常組件的k無窮。3、反應(yīng)性懲罰評價3.1、硼濃度使用反應(yīng)性懲罰因子來評價對堆芯臨界硼濃度的影響。比如，有4組換棒組件入堆，每組有2根燃料棒用不銹鋼棒代替，依據(jù)公式(2)，每組組件引入負(fù)反應(yīng)性全堆芯引入負(fù)反應(yīng)性其中，4是換棒組件的數(shù)目，157是堆芯全部燃料組件的數(shù)目，假定硼的微分價值是7pcm/ppm，因此很容易判定硼濃度的影響。當(dāng)考慮上述反應(yīng)性懲罰后得出的臨界硼濃度滿足設(shè)計限值，或者超過設(shè)計限值，但是受影響的事故滿足驗收準(zhǔn)則，即認(rèn)為“滿足要求”，可繼續(xù)進(jìn)行后續(xù)評價；否則需要重新設(shè)計堆芯裝載方案。3.2、象限傾斜全堆芯計算結(jié)果和運行機(jī)組的堆內(nèi)測量系統(tǒng)得到的功率分布數(shù)據(jù)證實不銹鋼棒對堆芯的象限傾斜(tilt)影響一般較小，如換棒組件包含3根不銹鋼棒的情況下，堆芯的tilt不超過0.5％。另外，滿足前文所述適用范圍的(4)條規(guī)定會進(jìn)一步減少對tilt的影響。因此，換棒組件對象限傾斜的影響可以為“滿足要求”，不必進(jìn)行詳細(xì)地分析。3.3、控制棒價值換棒組件沒有放置在包含控制棒組件的堆芯位置，因此不銹鋼棒對控制棒價值幾乎沒有影響(可認(rèn)為“滿足要求”)，關(guān)系到控制棒價值的參數(shù)計算及安全評價仍然適用。4、f△h懲罰評價假定換棒組件為正常組件，通過science程序計算不同燃耗下(blx、6000、mol、85％eol、eol)，各種控制棒插入狀態(tài)下(aro，g1，g1g2，g1g2n1，g1g2n1n2，rg1，rg1g2，rg1g2n1，rg1g2n1n2)換棒組件位置和全堆芯的f△h?？紤]不銹鋼棒替代燃料棒的懲罰，換棒組件位置的f△h要乘以公式(1)的懲罰因子即為“換棒組件的f△h”。參考電廠的fsar，f△h增大可能影響以下子項的安全評價結(jié)論：rcca失控抽出事故(hfp或hzp狀態(tài)：rigz，r1gp)；彈棒事故；功率能力dnbr驗證。具體分析如下：(1)rcca失控抽出事故滿足以下任一條件，rigz、r1gp將不會受到影響：各個控制棒插入狀態(tài)下的全堆芯f△h均大于換棒組件的f△h，則換棒組件對rcca失控抽出事故分析結(jié)論沒有影響?？刂瓢籼岢龊蟮娜研緁△h不會因懲罰因子應(yīng)用于換棒組件而受影響。若上述兩條都不滿足，則需要對rcca失控抽出事故重新進(jìn)行分析，若能滿足該事故驗收準(zhǔn)則，即認(rèn)為“滿足要求”，可繼續(xù)進(jìn)行后續(xù)評價；否則需要重新設(shè)計堆芯裝載方案。(2)彈棒事故滿足以下任一條件，彈棒事故分析結(jié)果將不受影響：各個控制棒插入狀態(tài)下的全堆芯f△h均大于換棒組件的f△h。控制棒彈出后的全堆芯f△h不會因懲罰因子應(yīng)用于換棒組件而受影響。若上述兩條都不滿足，則需要對彈棒事故重新進(jìn)行分析，若能滿足該事故驗收準(zhǔn)則，即認(rèn)為“滿足要求”，可繼續(xù)進(jìn)行后續(xù)評價；否則需要重新設(shè)計堆芯裝載方案。(3)功率能力驗證滿足以下任一條件，功率能力驗證結(jié)論將不受影響：各個控制棒插入狀態(tài)下的全堆芯f△h均大于換棒組件的f△h。各個控制棒插入狀態(tài)下的換棒組件的f△h小于功率能力驗證中f△h的使用值。若上述兩條都不滿足，則需要對功率能力重新進(jìn)行驗證，若能滿足設(shè)計限值要求，即認(rèn)為“滿足要求”，可繼續(xù)進(jìn)行后續(xù)評價；否則需要重新設(shè)計堆芯裝載方案。5、燃料棒性能評價論證燃料管理方案時，會計算得出所有循環(huán)(包括過渡循環(huán)、平衡循環(huán)和靈活性循環(huán))所有燃料棒的平均功率和相應(yīng)的燃料棒燃耗的蠅跡圖，最終得出包絡(luò)所有循環(huán)所有燃耗的燃料棒功率包絡(luò)曲線。它作為燃料熱工機(jī)械性能論證的輸入。某電廠18個月?lián)Q料論證的燃料棒設(shè)計所需的棒功率史如表1所示。表1燃耗(mwd/tu)平均線功率密度(w/cm)f△h限值02751.478235502751.478310002601.398310002501.344520002141.151520002051.102565002051.102565001850.995680001850.995滿足以下任一條件，燃料管理方案已經(jīng)論證的燃料棒性能的結(jié)論將不受影響(即燃料棒性能“滿足要求”)，不需再做額外分析：壽期內(nèi)包含燃料棒最大燃耗的組件的f△h乘以懲罰因子后，小于表1所示的燃料棒功率史包絡(luò)曲線；壽期內(nèi)換棒組件f△h，燃耗采用該組件最大燃料棒燃耗，由此繪制的燃料棒功率史曲線小于表1所示的燃料棒功率史包絡(luò)曲線。若以上兩條件都不滿足，則計算換棒組件內(nèi)功率分布，加上懲罰矩陣，建立換棒組件的燃料棒功率史曲線，若換棒組件的燃料棒功率史曲線小于表1所示的燃料棒功率史包絡(luò)曲線，則燃料棒性能評價的結(jié)論將不受影響。否則，重新設(shè)計堆芯裝載方案，或者由燃料工程師給出評估結(jié)果。當(dāng)前第1頁12