换料方案的选择直接关系到核电厂运行的安全性与经济性,是一个非常复杂的优化问题。本文采用整数规划方法分别对CANDU型重水反应堆换料优化问题和直接优化方法在压水堆堆芯换料中的可行性做了研究。首先,对CANDU堆换料优化问题进行了研究。鉴于CANDU堆不停堆换料的特殊性,为考虑换料带来的长期效应,本文分两个阶段来进行换料方案的优化,两个阶段采用不同的堆芯物理模型。第一阶段采用时均功率分布和零维反应性等物理模型,建立起候选通道选择的优化模型。该模型以换料通道数目最少为目标函数,在约束堆芯总体反应性满足运行要求的同时,重点约束堆芯区域反应性平衡,用于获得未来16周的候选换料通道组合,其中前数周的换料通道将作为第二阶段优化的候选通道。第二阶段基于线性敏感矩阵(LSM)方法建立起周换料方案优化模型。该模型以周平均卸料燃耗最深为目标函数,以堆芯关键安全参数的运行限值作为约束,用于确定未来一周的换料通道及具体换料顺序。LSM方法是本文提出的用于CANDU堆换料方案快速评价的线性敏感矩阵方法,数值结果表明它能快速、高精度地预测堆芯关键参数。以上两个阶段的优化模型均为线性整数规划模型,可采用商用优化软件ILOG CPLEX来求解。利用以上的优化方法,并辅以RFSP程序在秦山三期1号机组上开展换料数值模拟,将392 FPD的数值模拟结果与实际历史运行数据相比较,得到如下结论:基于整数规划的CANDU堆换料优化方法在不破坏反应堆各项安全限值要求的前提下,能够提高堆芯平均卸料燃耗(达到176.54 MWh/kgU),减少换料数目(共节省32个棒束),使堆芯功率分布更加接近目标值,整体优化效果较为显著,表明该方法已基本具备在核电站现场应用的条件。其次,对直接优化方法在压水堆堆芯换料中的可行性进行了研究。针对前期初步可行性研究阶段尚未解决的求解速度问题,本文通过采用线性微扰理论,建立起了基于HHLP线性化方法的直接优化模型。数值检验结果表明,当扰动方案与参考方案差异较大时,优化模型的计算精度变得很差。通过对如何选取参考方案的探讨,最后确定采用迭代方法,即从任意选定的参考方案及其精确解出发,求解基于HHLP线性化方法的直接优化模型,然后用当前最优方案更新参考方案,重复以上过程至最优方案收敛。利用该方法对实际两环路压水堆堆芯布料优化的不同问题进行了优化,其中包括不考虑燃耗和考虑燃耗、有可燃毒物棒和无可燃毒物棒等,这些优化问题均以最大化有效增殖系数为目标函数,以组件(燃料棒)功率峰因子等为约束条件。数值检验结果表明,基于HHLP线性化方法的直接优化方法虽然无法保证搜索到真正全局最优方案,但迭代过程是非常有效的,模型的计算精度是令人满意的。同时,该方法极大提高了换料方案的搜索速度,有望达到工程应用要求。