反应堆径向功率分布随燃耗变化趋势研究

张清源

摘要：功率分布试验在反应堆运行时对核热点因子、核焓升因子等关键安全参数进行定期确认与监督，对反应堆安全稳定运行有重要意义。该文重点对反应堆径向功率分布随燃耗变化的趋势进行了探究。通过对反应堆寿期初、寿期中、寿期末的功率分布试验结果进行分析，得出了反应堆径向中心燃料组件、中间区域燃料组件、外围燃料组件相对功率随燃耗的变化趋势，为分析堆芯功率状态提供了参考。

关键词：燃料组件  功率分布  燃耗  研究

中图分类号：O42  文献标识码：A   文章编号：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

在反应堆的运行时，为保证反应堆安全，不仅需要实时监测堆芯功率的大小，还必须对堆内的核热点因子Fq、核焓升因子FΔH、象限功率倾斜比QPTR[1]和轴向最大线功率QT（z）等关键安全参数进行定期确认与监督，确定其是否在运行限值范围内并掌握堆内功率分布的运行状态，确保堆芯按照反应堆核设计的要求安全稳定的运行。该文通过对功率分布结果的对比，进一步探索了其径向功率分布的变化趋势。

1功率分布试验简介

在反应堆运行期间的日常监督管理中，每30EFPD（等效满功率天）进行一次堆芯功率分布测量[2]，试验人员使用堆芯中子测量系统（RIC）对121组燃料组件中的38个组件进行堆内中子注量率分布的测量并通过软件进一步处理获得一个全堆芯通量图。

堆芯中子注量率测量系统有4个可移动式探测器。在堆芯中子注量率测量开始之前，需要对4个可移动式探测器采用循环互校或参考互校的方法进行相互校准。在中子注量率测量过程中，4个探测器同时插入堆芯不同位置的4个仪表通道内，先探测器将升至离堆芯顶部，然后在探测器下行过程中记录中子注量率测量数据，直到參测器抽回到起始位置，准备下一次的操作。此来回过程为一个测程（即为1 pass）。探测器根据pass编排往复测量直至测量完成[3]。

当堆芯中子注量率测量系统的四个探测器完成预定程序规定的所有指令后，控制计算机将4个探测器此次试验的测量数据连同堆芯功率、控制棒棒位、燃耗、硼浓度等所有信息最终形成一个测量文件。

试验人员使用数据计算机处理程序CEDRIC、CARIN进行测量数据的处理[4]。从而获得拓展了的堆芯三维功率分布，进而可以获得对反应堆安全有重要意义的关键参数[5]。

2堆芯功率分布总体结果

海南昌江核电厂U1C5循环采用低泄漏装载方式，装入组件来自第三循环富集度为3.25%的燃料组件4组，第四循环停堆后仍留在第5循环的69组富集度为3.25%的燃料组件和48组富集度4.45%含钆棒的新燃料组件[6]。

U1C5循环寿期初（320 MWd/tU）、寿期中（11133MWd/tU）、寿期末（16830MWd/tU）反应堆功率分布计算结果如图1所示。其中横向坐标为反应堆横向A7位置至N7 位置，纵向坐标为各堆芯位置燃料组件相对功率。对比U1C5循环寿期初、寿期中、寿期末功率分布计算结果可以看到堆芯总体径向功率分布较为稳定，各区域燃料组件功率随着燃耗增加略有变化。

3燃料组件功率分布趋势分析

3.1中心组件

U1C5循环中心组件及其周围组件为U1C4循环富集度为3.25%的燃料组件。对比该处燃料组件寿期初至寿期末的相对功率大小可以看到中心组件（G7）的相对功率在寿期初至寿期中时，相对功率下降较快，在寿期中至寿期末组件相对功率趋于稳定。中心组件周围的组件也程相同的趋势，具体请见图2。

在寿期初至寿期中，中心功率下降较快的原因是堆芯中间区域新燃料组件钆棒逐渐消耗，组件相对功率增加。在反应堆整体功率不变的情况下导致了反应堆中心功率的减少。在寿期中至寿期末，新燃料组件中的钆棒消耗完后，中间区域组件功率趋于稳定，因此中心组件功率也较为稳定。

3.2中间区域组件

3.2.1新燃料组件

U1C5中间区域燃料组件的新燃料组件与复用组件呈棋盘式排布，其中新燃料组件为富集度4.45%的含钆的新燃料组件。以E9位置新燃料组件为例，可以看到其相对功率较高且在寿期初至寿期中相对功率有小幅增加。在寿期中至寿期末相对功率略有降低，具体见图3。

在寿期初至寿期中，中间区域新燃料组件相对功率小幅增加的原因是相对全堆所有燃料组件，新燃料组件的后备反应性较大，随着组件中釓可燃毒物逐渐消耗，这些新燃料组件反应性逐渐释放，组件相对功率增加。在寿期中钆可燃毒物完全消耗后达到最大相对功率，从而从寿期中至寿期末，由于这些新燃料组件功率显著高于其他燃料组件，所以随着堆芯燃耗增加，这些组件的反应性下降更快，导致其相对功率有所降低。

3.2.2复用燃料组件

U1C5中间区域复用燃料组件为富集度3.25%和4.45%的上循环燃料组件。以F11位置复用燃料组件为例， 可以看到其相对功率在1左右，且相对功率在寿期初至寿期末总体变化不大，具体见图4。

中间区域的复用燃料组件由于处于堆芯内部，中子泄漏基本一致，且几乎所有的中间区域复用组件均被相当的新燃料组件包围，使得这些复用组件随着燃耗的反应性下降是基本一致的，也就使得从寿期初到寿期末的这些组件位置处的中子通量基本相当，这使得整个寿期内这部分燃料的之间的相对功率变化不大。

3.3外围组件

U1C5循环外围组件为U1C4循环富集度为3.25%的燃料组件和富集度为4.45%的新燃料组件。以D12为例可以看到燃料组件相对功率在寿期初至寿期末有小幅增加，具体请见图5。

外围燃料组件由于处于堆芯边界位置，其中子泄漏很大，且为了满足堆芯低泄漏设计需求，往往需要布置较多的复用燃料组件，导致这些燃料组件的相对功率很低，而随着堆芯燃耗增加，这部分燃料组件由于功率较低，所以其随着燃耗的反应性降低速度较小，也就使得这部分组件在全堆的功率分布中占比逐步提升，故该处燃料组件的功率从寿期初到寿期末逐渐增大。

4结语

综上所诉，该文通过对反应堆燃料组件径向功率分布随燃耗的分析，得出结论如下：（1）反应堆外围组件随着燃耗增加由于反应性降低较小，其相对功率随着燃耗增加不断增加。（2）反应堆中新燃料组件由于反应性较大，导致其相对功率在反应堆中较高且其相对功率受毒物的分布影响较大。（3）反应堆中心及中间区域燃料组件相对功率比外围组件较高，且燃料组件相对功率分布与其周边燃料组件类型相关。

参考文献

[1] 房毅凌，张荆荆.核电厂J段象限倾斜超标报警分析[J].仪器仪表用户，2021，28（5）：35-37，19.

[2] 贾健，刘志宏.基于截面偏差的堆芯功率分布重构方法研究[J].原子能科学技术，2017，51（1）：89-94.

[3] 龚禾林，李庆，刘启伟，等.2D/1D耦合的堆芯实测功率分布快速重构研究[J].原子能科学技术，2021，55（2）：272-278.

[4] 李茁，吴宏春，曹良志，李云召，刘宙宇.压水堆堆芯功率分布在线监测计算中的探测器失效诊断与处理方法[J].强激光与粒子束，2017，29（1）：50-57.

[5] 王俊玲，于成波，周杰，栾秀春，杨志达.核反应堆功率的H_∞-LQR负荷跟踪控制[J].哈尔滨商业大学学报：自然科学版，2020，36（1）：38-43.

[6] 马兹容，宿健，周胜.含钆堆芯平衡循环优化技术研究[J].核动力工程，2021，42（3）：1-5.