反應堆徑向功率分布隨燃耗變化趨勢研究

張清源

摘要：功率分布試驗在反應堆運行時對核熱點因子、核焓升因子等關鍵安全參數進行定期確認與監督，對反應堆安全穩定運行有重要意義。該文重點對反應堆徑向功率分布隨燃耗變化的趨勢進行了探究。通過對反應堆壽期初、壽期中、壽期末的功率分布試驗結果進行分析，得出了反應堆徑向中心燃料組件、中間區域燃料組件、外圍燃料組件相對功率隨燃耗的變化趨勢，為分析堆芯功率狀態提供了參考。

關鍵詞：燃料組件??功率分布??燃耗??研究

中圖分類號：O42??文獻標識碼：A???文章編號：1672-3791（2022）07（b）-0000-00

Study?on?the?Variation?Trend?of?Reactor?Radial?Power?Distribution?with?Burnup

ZHANG?Qingyuan

（Hainan?Nuclear?Power?Co.，Ltd.，?Changjiang ，Hainan?Province，572700?China）

Abstract：Power?distribution test?regularly?confirms?and?monitors?key?safety?parameters?such?as?nuclear?hot?spot?factor?and?nuclear?enthalpy?rise?factor?during?reactor?operation，which?is?of?great?significance?to?the?safe?and?stable?operation?of?reactors.This?paper?focuses?on?the?variation?trend?of?radial?power?distribution?with?burnup.By?analyzing?the?power?distribution?test?results?at?the?beginning，middle?and?end?of?the?reactor?life，the?variation?trend?of?power?distribution?of?fuel?assembilies?at?central?fuel?assembly，intermediate?area?fuel?assembly，peripheral?fuel?assembly?of?the?reactor?with?burnup?is?obtained，Provide?guidance?for?analyzing?reactor?power?distribution.

Key?Words：?Fuel?assembly;Power?distribution;?Burnup;?Research

在反應堆的運行時，為保證反應堆安全，不僅需要實時監測堆芯功率的大小，還必須對堆內的核熱點因子Fq、核焓升因子FΔH、象限功率傾斜比QPTR[1]和軸向最大線功率QT（z）等關鍵安全參數進行定期確認與監督，確定其是否在運行限值范圍內并掌握堆內功率分布的運行狀態，確保堆芯按照反應堆核設計的要求安全穩定的運行。該文通過對功率分布結果的對比，進一步探索了其徑向功率分布的變化趨勢。

1功率分布試驗簡介

在反應堆運行期間的日常監督管理中，每30EFPD（等效滿功率天）進行一次堆芯功率分布測量[2]，試驗人員使用堆芯中子測量系統（RIC）對121組燃料組件中的38個組件進行堆內中子注量率分布的測量并通過軟件進一步處理獲得一個全堆芯通量圖。

堆芯中子注量率測量系統有4個可移動式探測器。在堆芯中子注量率測量開始之前，需要對4個可移動式探測器采用循環互校或參考互校的方法進行相互校準。在中子注量率測量過程中，4個探測器同時插入堆芯不同位置的4個儀表通道內，先探測器將升至離堆芯頂部，然后在探測器下行過程中記錄中子注量率測量數據，直到參測器抽回到起始位置，準備下一次的操作。此來回過程為一個測程（即為1?pass）。探測器根據pass編排往復測量直至測量完成[3]。

當堆芯中子注量率測量系統的四個探測器完成預定程序規定的所有指令后，控制計算機將4個探測器此次試驗的測量數據連同堆芯功率、控制棒棒位、燃耗、硼濃度等所有信息最終形成一個測量文件。

試驗人員使用數據計算機處理程序CEDRIC、CARIN進行測量數據的處理[4]。從而獲得拓展了的堆芯三維功率分布，進而可以獲得對反應堆安全有重要意義的關鍵參數[5]。

2堆芯功率分布總體結果

海南昌江核電廠U1C5循環采用低泄漏裝載方式，裝入組件來自第三循環富集度為3.25%的燃料組件4組，第四循環停堆后仍留在第5循環的69組富集度為3.25%的燃料組件和48組富集度4.45%含釓棒的新燃料組件[6]。

U1C5循環壽期初（320?MWd/tU）、壽期中（11133MWd/tU）、壽期末（16830MWd/tU）反應堆功率分布計算結果如圖1所示。其中橫向坐標為反應堆橫向A7位置至N7?位置，縱向坐標為各堆芯位置燃料組件相對功率。對比U1C5循環壽期初、壽期中、壽期末功率分布計算結果可以看到堆芯總體徑向功率分布較為穩定，各區域燃料組件功率隨著燃耗增加略有變化。

3燃料組件功率分布趨勢分析

3.1中心組件

U1C5循環中心組件及其周圍組件為U1C4循環富集度為3.25%的燃料組件。對比該處燃料組件壽期初至壽期末的相對功率大小可以看到中心組件（G7）的相對功率在壽期初至壽期中時，相對功率下降較快，在壽期中至壽期末組件相對功率趨于穩定。中心組件周圍的組件也程相同的趨勢，具體請見圖2。

在壽期初至壽期中，中心功率下降較快的原因是堆芯中間區域新燃料組件釓棒逐漸消耗，組件相對功率增加。在反應堆整體功率不變的情況下導致了反應堆中心功率的減少。在壽期中至壽期末，新燃料組件中的釓棒消耗完后，中間區域組件功率趨于穩定，因此中心組件功率也較為穩定。

3.2中間區域組件

3.2.1新燃料組件

U1C5中間區域燃料組件的新燃料組件與復用組件呈棋盤式排布，其中新燃料組件為富集度4.45%的含釓的新燃料組件。以E9位置新燃料組件為例，可以看到其相對功率較高且在壽期初至壽期中相對功率有小幅增加。在壽期中至壽期末相對功率略有降低，具體見圖3。

在壽期初至壽期中，中間區域新燃料組件相對功率小幅增加的原因是相對全堆所有燃料組件，新燃料組件的后備反應性較大，隨著組件中釓可燃毒物逐漸消耗，這些新燃料組件反應性逐漸釋放，組件相對功率增加。在壽期中釓可燃毒物完全消耗后達到最大相對功率，從而從壽期中至壽期末，由于這些新燃料組件功率顯著高于其他燃料組件，所以隨著堆芯燃耗增加，這些組件的反應性下降更快，導致其相對功率有所降低。

3.2.2復用燃料組件

U1C5中間區域復用燃料組件為富集度3.25%和4.45%的上循環燃料組件。以F11位置復用燃料組件為例，?可以看到其相對功率在1左右，且相對功率在壽期初至壽期末總體變化不大，具體見圖4。

中間區域的復用燃料組件由于處于堆芯內部，中子泄漏基本一致，且幾乎所有的中間區域復用組件均被相當的新燃料組件包圍，使得這些復用組件隨著燃耗的反應性下降是基本一致的，也就使得從壽期初到壽期末的這些組件位置處的中子通量基本相當，這使得整個壽期內這部分燃料的之間的相對功率變化不大。

3.3外圍組件

U1C5循環外圍組件為U1C4循環富集度為3.25%的燃料組件和富集度為4.45%的新燃料組件。以D12為例可以看到燃料組件相對功率在壽期初至壽期末有小幅增加，具體請見圖5。

外圍燃料組件由于處于堆芯邊界位置，其中子泄漏很大，且為了滿足堆芯低泄漏設計需求，往往需要布置較多的復用燃料組件，導致這些燃料組件的相對功率很低，而隨著堆芯燃耗增加，這部分燃料組件由于功率較低，所以其隨著燃耗的反應性降低速度較小，也就使得這部分組件在全堆的功率分布中占比逐步提升，故該處燃料組件的功率從壽期初到壽期末逐漸增大。

4結語

綜上所訴，該文通過對反應堆燃料組件徑向功率分布隨燃耗的分析，得出結論如下：（1）反應堆外圍組件隨著燃耗增加由于反應性降低較小，其相對功率隨著燃耗增加不斷增加。（2）反應堆中新燃料組件由于反應性較大，導致其相對功率在反應堆中較高且其相對功率受毒物的分布影響較大。（3）反應堆中心及中間區域燃料組件相對功率比外圍組件較高，且燃料組件相對功率分布與其周邊燃料組件類型相關。

參考文獻

[1] 房毅凌，張荊荊.核電廠J段象限傾斜超標報警分析[J].儀器儀表用戶，2021，28（5）：35-37，19.

[2] 賈健，劉志宏.基于截面偏差的堆芯功率分布重構方法研究[J].原子能科學技術，2017，51（1）：89-94.

[3] 龔禾林，李慶，劉啟偉，等.2D/1D耦合的堆芯實測功率分布快速重構研究[J].原子能科學技術，2021，55（2）：272-278.

[4] 李茁，吳宏春，曹良志，李云召，劉宙宇.壓水堆堆芯功率分布在線監測計算中的探測器失效診斷與處理方法[J].強激光與粒子束，2017，29（1）：50-57.

[5] 王俊玲，于成波，周杰，欒秀春，楊志達.核反應堆功率的H_∞-LQR負荷跟蹤控制[J].哈爾濱商業大學學報：自然科學版，2020，36（1）：38-43.

[6] 馬茲容，宿健，周勝.含釓堆芯平衡循環優化技術研究[J].核動力工程，2021，42（3）：1-5.