CN102184751A - 利用首炉堆芯备用燃料组件提高反应堆燃料安全性的方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于核电站燃料领域，具体涉及一种利用首炉堆芯备用燃料组件提高反应堆燃料安全性的方法。目的是解决现有燃料组件备用方法安全性差问题。该方法包括如下步骤：一、确定首炉堆芯备用燃料组件的可选种类；二、选择备用燃料组件组合方式；三、计算同时损坏i组燃料组件的频率f_i；四、计算损坏i组燃料组件的备用概率；五、根据备用概率计算总有效备用概率；六、重复步骤二～五，在步骤二中选择新的备用燃料组件组合方式，并计算各组合方式的总有效备用概率；七、选择Pe值大的燃料组件组合方式作为备有燃料组件。本发明通过对不同的备用燃料组合方式的安全性进行比较，利用首炉堆芯备用燃料组件提高了反应堆燃料安全性的方法。

Description

利用首炉堆芯备用燃料组件提高反应堆燃料安全性的方法

技术领域

本发明属于核电站燃料领域，具体涉及一种利用首炉堆芯备用燃料组件提高反应堆燃料安全性的方法。

背景技术

基于安全性的考虑，为了防止燃料组件发生意外引起的不可用，一般每个反应堆机组备用4组高富集度燃料组件(如M310机组一般备用4组3.1％富集度的燃料组件)。但目前国内多个核电厂进行多堆连续建设，如宁德核电、福清核电、红沿河核电等多个核电厂进行4～6台机组的连续建设。对于不同反应堆以及不同机组堆芯存在不同富集度的燃料组件组合方式各不相同，因此只备用4组高富集度燃料组件的方法安全性差。

首炉堆芯燃料组件发生损坏的情况可分为两大类。

第一类是新燃料组件损坏，主要是由于铁路运输及公路转运过程中的意外事件；燃料组件接收、检查、吊装操作过程发生意外事件；在反应堆装料过程中造成燃料组件损坏的事件。新燃料组件损坏需要相同的备用燃料组件替换。

第二类是运行过程中的燃料组件破损。一种是运行初期燃耗尚浅，此时可用一组相同的备用燃料组件替换；另一种是燃耗已较深的一组燃料组件损坏，此时一般需要4组相同富集度的备用燃料组件替换对称位置的燃料组件。

现有技术中的备用燃料组件方法存在如下问题：

首先，安全性不足，仅考虑一种富集度燃料组件的备用。例M310机组，如果一组1.8％或2.4％低富集度的燃料组件发生事故而无法使用，那么可能使机组半年以上因缺乏燃料而无法按时启动。

其次，经济性不足。假设4台机组各备用4组3.1％富集度的燃料组件，共计16组备用燃料组件，未考虑机组之间的相互支援和备用；而且在备用如此多数量的情况下也未能降低风险。

如表1列出了针对不同燃料组件损坏情况现有技术中的应对措施。

发明内容

本发明的目的是针对现有燃料组件备用方法安全性差问题，提供了一种低成本、高安全性的利用首炉堆芯备用燃料组件提高反应堆燃料安全性的方法。

本发明的技术方案是：

一种利用首炉堆芯备用燃料组件提高反应堆燃料安全性的方法，包括如下步骤：

步骤一、根据机组首炉堆芯中燃料组件的富集度和含可燃毒物类型，确定首炉堆芯备用燃料组件的可选种类，并获得每个象限燃料组件组数和不同类型燃料组件组数；

步骤二、根据步骤一中确定的备用燃料组件的可选种类，选择不同富集度的燃料组件的备用组数，得到备用燃料组件组合方式；

步骤三、根据燃料组件损坏频率f，得到同时损坏i组燃料组件的频率f_i；

步骤四、对于步骤二中确定的备用燃料组件组合方式，计算损坏i组燃料组件的备用概率P_i和P′_i；所述备用概率指步骤二中的备用燃料组件组合方式成功替换损坏燃料组件的概率，

P_i指当1组燃料组件损坏用1组相同富集度的燃料组件替换情况下的i组燃料组件损坏的备用概率，

P′_i是指当1组燃料组件损坏用4组燃料组件替换且4组燃料组件的富集度相同情况下的i组燃料组件损坏的备用概率；

步骤五、根据步骤四得到的备用概率P_i和P′_i，计算总有效备用概率Pe，公式如下：

$\mathrm{Pe}=\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{P}_i{f}_i+\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{P}_i^{\′}{f}_i}{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{f}_i}$

式中，n是燃料组件损坏数量，n取3一般就可以满足工程应用的要求；

步骤六、重复步骤二～五，在步骤二中选择新的备用燃料组件组合方式，并计算各组合方式的总有效备用概率Pe，直到所有合理的备用燃料组件组合方式计算完成；

步骤七、根据步骤六得到的多种组合方式的总有效备用概率Pe，Pe值大的表明其是安全的备有燃料组件组合方式，当燃料组件损坏时，使用与损坏燃料组件相同富集度的燃料组件替换损坏的燃料组件，或使用4组燃料组件替换替换4个象限中与损坏的燃料组件对应的4组燃料组件，且4组燃料组件的富集度相同。

如上所述的一种利用首炉堆芯备用燃料组件提高反应堆燃料安全性的方法，其中：在步骤六和步骤七之间，还包括归一化步骤，所述归一化步骤指将某一组合方式的总有效备用概率Pe作为归一化标准Pe₀，对步骤二中选择的所有组合方式进行归一化处理得到相对安全性指数，归一化公式如下：

$S_j=\frac{{\mathrm{Pe}}_j}{{\mathrm{Pe}}_0}$

式中，Pe_j是第j个组合方式的总有效备用概率；Pe₀是归一化标准；S_j是第j个组合方式的归一化相对安全性。

如上所述的一种利用首炉堆芯备用燃料组件提高反应堆安全性的方法，其中：所述燃料组件损坏频率f的单位为次/年，同时损坏i组燃料组件的频率f_i＝fⁱ。

如上所述的一种利用首炉堆芯备用燃料组件提高反应堆安全性的方法，其中：所述备用概率的计算方法为：设S＝{损坏i组燃料组件的事件}，A＝{备用成功的事件}，B＝{备用失败的事件}，另P(A)+P(B)＝P(S)＝1，则P(A)为损坏i组燃料组件的备用概率；P_i指当1组燃料组件损坏用1组相同富集度的燃料组件替换情况下的P(A)，P′_i是指当1组燃料组件损坏用4组燃料组件替换且4组燃料组件的富集度相同情况下的P(A)。

本发明的有益效果是：

1.本发明通过计算多种燃料组件损坏情况下的备用概率，使不同的备用燃料组合方式的安全性能够相对量化比较，为不同核电站机组类型选择较优的备用燃料组合方式提供了一种手段。

2.本发明通过归一化步骤，可得到直观的安全性指数，便于比较和计算。

附图说明

图1为本发明提供的一种利用首炉堆芯备用燃料组件提高反应堆燃料使用安全性的方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明提出的利用首炉堆芯备用燃料组件提高反应堆燃料使用安全性的方法进行进一步的介绍：

利用首炉堆芯备用燃料组件提高反应堆安全性的方法包括如下步骤：

步骤一：根据机组首炉堆芯中燃料组件的富集度和含可燃毒物类型，确定首炉堆芯备用燃料组件的可选种类，并获得每个象限燃料组件组数和不同类型燃料组件组数；

该步骤中的备用燃料组件的种类是由首炉堆芯的燃料组件类型决定的，即主要由燃料组件富集度和含钆不同来决定。以如M310机组为例，其首炉堆芯有1.80％、2.40％、3.10％共3种富集度的燃料组件，因此可选的备用燃料组件也相应的为这3种。

且在本实施例中，堆芯共有157组燃料组件，分别是53组1.8％富集度、52组2.4％富集度、52组3.1％富集度的燃料组件，每个象限含有39个燃料组件。

步骤二：根据步骤一中确定的备用燃料组件的可选种类，选择不同富集度的燃料组件的备用组数，得到备用燃料组件组合方式。

本实施例中方式1选择富集度为1.80％、2.40％、3.10％的组件组数分别为1、1、4。

步骤三：计算燃料组件损坏频率f(所述燃料组件损坏频率的单位为次/年，本实施例中设定燃料组件损坏频率为0.05/年，本领域技术人员可根据实际情况确定相应核反应堆的燃料组件损坏频率)，且

f_i＝fⁱ                (1)

其中，i是同时损坏的数量；

损坏1组的频率为：f₁＝0.05；

同时损坏2组的频率为：f₂＝0.05²＝0.0025；

同时损坏3组的频率为：f₃＝0.05³＝1.25E-4。

步骤四：对于步骤二中确定的备用燃料组件组合方式，计算同时损坏i组燃料组件的备用概率，所述备用概率是指，步骤二中的备用燃料组件组合方式成功替换损坏燃料组件的概率，即S＝{损坏i组燃料组件的事件}，A＝{备用成功的事件}，B＝{备用失败的事件}，P(A)+P(B)＝P(S)＝1，则P(A)为损坏i组燃料组件的备用概率。

(1)计算当一组燃料组件损坏用与损坏组件富集度相同的一组备用燃料组件替换时，同时损坏i组燃料组件的备用概率P_i。

本实施例方式1中，富集度为1.80％、2.40％、3.10％的备用组件数分别为1、1、4，则有：

同时损坏1组燃料组件的情况为：损坏一组富集度为1.80％的燃料组件、或损坏一组富集度为2.40％的燃料组件、或损坏一组富集度为3.10％的燃料组件。当出现上述情况时，均可使用备用燃料组件替换损坏组件，即备用成功，因此

损坏1组的备用概率为：

$P_1=\frac{C_{53}^1}{C_{157}^1}+\frac{C_{52}^1}{C_{157}^1}+\frac{C_{52}^1}{C_{157}^1}=100\%$

同时损坏2组燃料组件的情况为：损坏一组富集度为1.80％和一组富集度为2.40％的燃料组件；或损坏一组富集度为2.40％和一组富集度为3.10％的燃料组件；或损坏1组富集度为1.80％和1组富集度为3.10％的燃料组件；或损坏两组富集度为1.80％的燃料组件；或损坏两组富集度为2.40％的燃料组件；或损坏两组富集度为3.10％的燃料组件。

由于富集度为1.80％、2.40％、3.10％的备用组件数分别为1、1、4，不能用2组备用的1.80％富集度的燃料组件同时替换损坏的2组1.80％富集度的燃料组件，也不能用2组备用的2.40％富集度的燃料组件同时替换损坏的2组2.40％富集度的燃料组件，即备用失败，因此

同时损坏2组的备用概率为：

$P_1=\frac{C_{53}^1{C}_{52}^1}{C_{157}^2}+\frac{C_{52}^1{C}_{52}^1}{C_{157}^2}+\frac{C_{53}^1{C}_{52}^1}{C_{157}^2}+\frac{C_{52}^2}{C_{157}^2}=77.9\%$ 或 $P_2=1-\frac{C_{53}^2}{C_{157}^2}-\frac{C_{52}^2}{C_{157}^2}=77.9\%$

对于同时损坏3组燃料组件的情况，富集度为1.80％、2.40％、3.10％的备用组件数为1、1、4的组合方式只能成功解决同时损坏3组富集度为3.10％的燃料组件的情况；或损坏2组富集度为3.10％的燃料组件以及1组富集度为1.80％或2.40％的燃料组件的情况；或富集度为1.80％、2.40％、3.10％的燃料组件各损坏1组的情况；因此

同时损坏3组的备用概率为：

$P_3=\frac{C_{53}^1{C}_{52}^1{C}_{52}^1}{C_{157}^3}+\frac{C_{105}^1{C}_{52}^2}{C_{157}^3}+\frac{C_{52}^3}{C_{157}^3}=48.1\%$

(2)计算当1组燃料组件损坏时用4组富集度相同的备用燃料组件替换时，同时损坏i组燃料组件的备用概率P′_i。由于堆芯内的燃料组件成4个象限分布，因此当1组燃料组件损坏，用4组相同富集度的燃料组件替换4个象限内对称位置的燃料组件，可以保证对称性布置。

损坏1组燃料组件的情况为：损坏1组富集度为1.80％的燃料组件、或损坏1组富集度为2.40％的燃料组件、或损坏1组富集度为3.10％的燃料组件。由于本实施例方式1有4组富集度为3.10％的备用燃料组件，上述损坏情况均可用4组富集度为3.10％的备用燃料组件替换损坏的燃料组件；另外“一组燃料组件损坏用与损坏组件富集度相同的一组备用燃料组件替换”时可能用掉1组3.10％的备用燃料组件，造成此处备用失败。则有：

损坏1组燃料组件的备用概率为：

${P_1}^{\′}=1-{P(3.1\%)}_1{f}_1=1-\frac{C_{52}^1}{C_{157}^1}\×0.05=98.3\%$

其中，f₁是1组燃料组件损坏频率。P(3.1％)₁f₁是“一组3.1％燃料组件损坏用与损坏组件富集度相同的一组备用燃料组件替换”的概率。

对于同时损坏2组燃料组件的情况(在步骤四(1)中已经提及)：方式2的备用组合方式仅能应对2个象限对称位置同时损坏2组的情况，则

同时损坏2组燃料组件的备用概率为：

${P_2}^{\′}={\left(\frac{1}{K}\right)}^2={\left(\frac{1}{39}\right)}^2=6.6E-4$

其中个K表示每个象限的燃料组件数，由步骤一得到，在本实施例中，K＝39。

同理，同时损坏2组燃料组件的备用概率为：

步骤五：根据步骤四得到的备用概率P_i和P′_i，计算总有效备用概率Pe，公式如下：

$\mathrm{Pe}=\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{P}_i{f}_i+\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{P}_i^{\′}{f}_i}{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{f}_i}---\left(2\right)$

式中，Pe是总有效备用概率，

P_i是步骤四中当1组燃料组件损坏用1组相同富集度的燃料组件替换情况下的i组燃料组件损坏的备用概率，

P′_i是步骤四中当1组燃料组件损坏用4组燃料组件替换且4组燃料组件的富集度相同情况下的i组燃料组件损坏的备用概率，

n是燃料组件损坏数量，本实施例中n＝3，一般计算到3组即可满足工程评估需要。

因此本实施例方式1中的总有效备用概率为：

$\mathrm{Pe}=\frac{100\%\×0.05+77.9\%\×0.0025+48.1\%\×1.25\×{10}^{-4}}{0.05+0.0025+1.25\×{10}^{-4}+0.05+0.0025+1.25\×{10}^{-4}}$

$+\frac{98.3\%\×0.05+6.6\×{10}^{-4}\×0.0025+1.7\×{10}^{-5}\×1.25\×{10}^{-4}}{0.05+0.0025+1.25\×{10}^{-4}+0.05+0.0025+1.25\×{10}^{-4}}=96.1\%$

步骤六：重复步骤二～五，在步骤二中选择新的备用燃料组件组合方式，例如选择富集度为1.80％、2.40％、3.10％的组件组数分别为1、1、2作为方式2，选择富集度为1.80％、2.40％、3.10％的组件组数分别为0、0、4作为方式3，选择富集度为1.80％、2.40％、3.10％的组件组数分别为1、1、5作为方式4，并计算各组合方式的总有效备用概率Pe，直到所有合理的备用燃料组件组合方式计算完成，所述合理的备用燃料组件组合方式受到反应堆堆型和成本的限制，此为本领域工作人员的公知常识。

步骤七：将某一组合方式的总有效备用概率Pe作为归一化标准Pe₀，对步骤二中选择的所有组合方式进行归一化处理得到相对安全性指数，归一化公式如下：

$S_j=\frac{{\mathrm{Pe}}_j}{{\mathrm{Pe}}_0}---\left(3\right)$

式中，Pe_j是第j个组合方式的总有效备用概率；Pe₀是归一化标准；S_j是第j个组合方式的归一化相对安全性指数。

步骤八、根据步骤六得到的多种组合方式的总有效备用概率Pe或步骤七得到的相对安全性指数S_j，选择Pe或S_j值大或较大的燃料组件组合方式作为备用燃料组件；当燃料组件燃耗较浅时，使用与损坏燃料组件相同富集度的燃料组件替换损坏的燃料组件；当燃料组件燃耗较深时，使用4组燃料组件替换替换4个象限中与损坏的燃料组件对应的4组燃料组件，且4组燃料组件的富集度相同。

本实施例中将方式3的总有效备用概率Pe作为归一化标准Pe₀，得到表2。从表2中可知，方式4安全性最好，但是成本较大。方式1基本上可应对任意一组燃料组件损坏，安全性比方式4略低，成本较小。在备用燃料组件总数量相同的情况下，方式2比方式3的安全性有较大提高。

Claims (4)

1.一种利用首炉堆芯备用燃料组件提高反应堆燃料安全性的方法，包括如下步骤：

步骤一、根据机组首炉堆芯中燃料组件的富集度和含可燃毒物类型，确定首炉堆芯备用燃料组件的可选种类，并获得每个象限燃料组件组数和不同类型燃料组件组数；

步骤二、根据步骤一中确定的备用燃料组件的可选种类，选择不同富集度的燃料组件的备用组数，得到备用燃料组件组合方式；

步骤三、根据燃料组件损坏频率f，得到同时损坏i组燃料组件的频率f_i；

步骤四、对于步骤二中确定的备用燃料组件组合方式，计算损坏i组燃料组件的备用概率P_i和P′_i；所述备用概率指步骤二中的备用燃料组件组合方式成功替换损坏燃料组件的概率，

P_i指当1组燃料组件损坏用1组相同富集度的燃料组件替换情况下的i组燃料组件损坏的备用概率，

P′_i是指当1组燃料组件损坏用4组燃料组件替换且4组燃料组件的富集度相同情况下的i组燃料组件损坏的备用概率；

步骤五、根据步骤四得到的备用概率P_i和P′_i，计算总有效备用概率Pe，公式如下：

$\mathrm{Pe}=\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{P}_i{f}_i+\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{P}_i^{\′}{f}_i}{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{f}_i}$

式中，n是燃料组件损坏数量；

步骤六、重复步骤二～五，在步骤二中选择新的备用燃料组件组合方式，并计算各组合方式的总有效备用概率Pe，直到所有合理的备用燃料组件组合方式计算完成；

步骤七、根据步骤六得到的多种组合方式的总有效备用概率Pe，Pe值大的表明其是安全的备有燃料组件组合方式；当燃料组件损坏时，使用与损坏燃料组件相同富集度的燃料组件替换损坏的燃料组件，或使用4组燃料组件替换4个象限中与损坏的燃料组件对应的4组燃料组件，且4组燃料组件的富集度相同。

2.如权利要求1所述的一种利用首炉堆芯备用燃料组件提高反应堆燃料安全性的方法，其特征在于：在步骤六和步骤七之间，还包括归一化步骤，所述归一化步骤指将某一组合方式的总有效备用概率Pe作为归一化标准Pe₀，对步骤二中选择的所有组合方式进行归一化处理得到相对安全性指数，归一化公式如下：

$S_j=\frac{{\mathrm{Pe}}_j}{{\mathrm{Pe}}_0}$

式中，Pe_j是第j个组合方式的总有效备用概率；Pe₀是归一化标准；S_j是第j个组合方式的归一化相对安全性。

3.如权利要求1所述的一种利用首炉堆芯备用燃料组件提高反应堆安全性的方法，其特征在于：所述燃料组件损坏频率f的单位为次/年，同时损坏i组燃料组件的频率f_i＝fⁱ。

4.如权利要求1所述的一种利用首炉堆芯备用燃料组件提高反应堆安全性的方法，其特征在于：所述备用概率的计算方法为：设S＝{损坏i组燃料组件的事件}，A＝{备用成功的事件}，B＝{备用失败的事件}，另P(A)+P(B)＝P(S)＝1，则P(A)为损坏i组燃料组件的备用概率；P_i指当1组燃料组件损坏用1组相同富集度的燃料组件替换情况下的P(A)，P′_i是指当1组燃料组件损坏用4组燃料组件替换且4组燃料组件的富集度相同情况下的P(A)。

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