第三代反應(yīng)堆AP1000和EPR的堆芯核設(shè)計(jì)

韓向臻 攸國順 孫 微

環(huán)境保護(hù)部核與輻射安全中心核與輻射安全研究所，北京 100082

AP1000和EPR是我國正在發(fā)展的兩種第三代核電站。這兩種核電堆型的設(shè)計(jì)理念有較大的差異，AP1000引入安全系統(tǒng)非能動(dòng)理念，大大降低了發(fā)生人因錯(cuò)誤的可能性；EPR在傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上對(duì)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、布置和運(yùn)行進(jìn)行了適當(dāng)?shù)母倪M(jìn)和優(yōu)化，增加安全系統(tǒng)多重性，增大了單機(jī)容量，經(jīng)濟(jì)性能得到了改善和提高。由于設(shè)計(jì)理念的不同，AP1000和EPR兩種堆型的堆芯核設(shè)計(jì)也存在較大差異。

1 總體參數(shù)

AP1000核電站和EPR核電站的設(shè)計(jì)特點(diǎn)和總體參數(shù)的比較見表1。AP1000和EPR這兩種三代堆型的設(shè)計(jì)壽命均為60年，增加了安全性能，延長了使用年限。AP1000的電功率為1000MW，EPR的單價(jià)容量較大，達(dá)到1750MW，提高了核電站的經(jīng)濟(jì)性。AP1000和EPR核電站堆芯活性段高度為426cm左右，不同于一般M310堆型的366cm。AP1000堆芯燃料組件為157盒，EPR堆芯組件數(shù)為241盒，這是由于EPR的設(shè)計(jì)的功率較大，堆芯燃料組件數(shù)目增多，堆芯等效直徑也相應(yīng)增大。EPR的平均線功率密度略小于AP1000。

2 燃料組件

2.1 AP1000燃料組件

AP1000燃料組件是基于RFA-2組件和RFA-2(XL)組件改進(jìn)而成的。RFA-2燃料組件的活性區(qū)長度為12英尺，在靠近頂部的中間格架之間設(shè)置了三層攪混格架。RFA-2(XL)組件的活性區(qū)長度為14英尺，未設(shè)置攪混格架。AP1000燃料組件采用14英尺的活性區(qū)長度，在高熱流密度區(qū)域，增設(shè)4層攪混格架。并對(duì)燃料組件加以改進(jìn)，包括抬高了活性區(qū)，降低堆芯下板注量，延長RV壽命；降低管座高度，降低壓降；燃料棒增加下氣腔設(shè)計(jì)；增大燃料棒與上管座之間間隙，提供更多燃料棒生長空間等。

表1 AP1000和EPR總體參數(shù)的比較Table 1 ParameterS of AP1000 and EPR

燃料組件呈17×17方陣排列，包含264根燃料棒，24根控制棒導(dǎo)向管，1根中央測(cè)量管。燃料芯塊由稍加富集的UO2粉末經(jīng)冷壓后燒結(jié)而成，兩端為淺碟型，并在兩端外圓柱面上留有倒角。燃料包殼為ZIRLO合金。AP1000燃料組件的格架包括10層結(jié)構(gòu)格架（頂部格架、底部格架、8層中間格架）、4層中間攪混格架以及1層保護(hù)格架。其中，頂部和底部格架的材料為INCONEL，中間格架和中間攪混格架的材料為ZIRLO合金。ZIRLO合金具備較低中子吸收截面，有良好的中子經(jīng)濟(jì)性能；較高的抗冷卻劑、燃料和裂變產(chǎn)物腐蝕能力；更好的抗輻照生長和蠕變的性能，在運(yùn)行溫度下有高機(jī)械強(qiáng)度和延展性。有利于加深燃料的燃耗。INCONEL合金具有豐富的壓水堆使用經(jīng)驗(yàn)，可確保滿足反應(yīng)堆運(yùn)行對(duì)材料的要求。

2.2 EPR燃料組件

EPR燃料組件為17×17方陣排列的，其中有265根燃料棒，余下24個(gè)空位布置導(dǎo)向管，用于布置控制棒組件，中子源組件和堆芯測(cè)量儀表。燃料棒由鈾芯塊堆疊在M5包殼管中構(gòu)成，導(dǎo)向管材料也采用M5合金。每個(gè)燃料組件中有兩類定位格架，8個(gè)帶有整體混流翼片，用于組件的高熱量通流區(qū)促進(jìn)冷卻劑混合，3個(gè)不帶混流翼片的定位格架（兩個(gè)位于底部，1個(gè)位于頂部），只用于燃料棒的支撐和定位。定位格架的材料為M5&INCONEL合金。定位格架由互鎖皮帶的蛋箱形排列組成，皮帶包含彈簧夾子和用于燃料棒支撐的支撐陷窩以及冷卻劑混流翼片。

2.3 燃料組件比較

AP1000的燃料組件與EPR燃料組件的幾何尺寸基本一致，都為17×17方陣排列的UO2燃料組件。AP1000在組件中心設(shè)置1根專用于測(cè)量的中央測(cè)量管，而EPR由導(dǎo)向管兼顧此項(xiàng)功能。主要燃料元件均為UO2圓柱狀燃料芯塊，兩端為淺碟形，有倒角設(shè)計(jì)。AP1000的燃料組件設(shè)計(jì)較為復(fù)雜，為了展平功率，設(shè)計(jì)了特殊的燃料元件和普通燃料元件一起布置燃料組件，如低富集度的燃料芯塊、帶有可燃毒物涂層的燃料芯塊。燃料包殼和導(dǎo)向管選用的材料有差異，AP1000采用ZIRLO合金，EPR采用M5合金。AP1000在燃料棒下端放置支撐管，提供下空腔，增加了空腔體積，能更好的容納燃料中釋放的裂變氣體、包殼與芯塊間的熱膨脹差異以及輻照后芯塊密度的改變。AP1000燃料組件在原有14英寸組件中設(shè)置了4層攪混格架，促進(jìn)冷卻劑的攪混，但是這種新型的燃料組件在核電站中尚無應(yīng)用，核電站運(yùn)行時(shí)冷卻劑在堆芯的傳熱效率等仍需進(jìn)一步驗(yàn)證。EPR燃料組件和現(xiàn)有14英寸組件基本一致，有較多應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)。

3 堆芯設(shè)計(jì)

3.1 設(shè)計(jì)程序

AP1000核設(shè)計(jì)基于ENDF/B-VI的70群數(shù)據(jù)庫，組件計(jì)算程序?yàn)镻ARAGON，堆芯計(jì)算為ANC9程序，該程序采用節(jié)塊求解方法，具有大量的自動(dòng)序列，用于自動(dòng)完成各種不同的工程計(jì)算和分析。

EPR的核設(shè)計(jì)中組件計(jì)算采用APOLLO2程序，求解二維幾何的Boltzman輸運(yùn)方程，為擴(kuò)散程序提供兩群宏觀截面和組件不連續(xù)因子。堆芯計(jì)算使用SMART程序。每個(gè)組件的徑向上有四個(gè)網(wǎng)點(diǎn)，軸向上有20個(gè)網(wǎng)點(diǎn)。通過一個(gè)能夠模擬反射層的材料和活性區(qū)的環(huán)境的附加的虛擬燃料組件來模擬強(qiáng)反射層。

3.2 換料方案

AP1000的換料方案采用低泄漏、長周期、高燃耗堆芯燃料管理策略。低泄漏堆芯裝載方案降低了中子泄漏，提高中子的經(jīng)濟(jì)性，有利于降低壓力容器內(nèi)壁的快中子注量，延長壓力容器的壽命。換料方案具有多種長周期換料策略，標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)采用18個(gè)月?lián)Q料，也可以采用16/20個(gè)月交替換料，通過換料組件數(shù)的調(diào)整，換料周期可以延長到24個(gè)月，具有靈活的特點(diǎn)，能夠更好的滿足電網(wǎng)的需求。18個(gè)月平衡循環(huán)平均卸料燃耗近50GWd/tU，提高了燃料利用率。

EPR換料方案的循環(huán)長度為18個(gè)月，采用外內(nèi)分區(qū)交替換料方案，即堆芯中心部分，兩個(gè)區(qū)域中的兩種富集度較低的組件交替排列，富集度較高的燃料組件位于堆芯外圍。這是壓水堆傳統(tǒng)的一種裝載方式，由于新燃料裝在堆芯最外區(qū)，展平了全堆芯的中子通量密度分布、降低了整體功率峰；而且堆芯內(nèi)的局部的反應(yīng)性分布也比較均勻，因而中心區(qū)域的中子通量密度分布將像精細(xì)的波浪形，降低了局部功率峰因子。但是由于新組件位于堆芯外側(cè)，中子泄露較大，中子經(jīng)濟(jì)性稍差。

3.3 堆芯控制及功率展平

AP1000的運(yùn)行方式采用MSHIM運(yùn)行控制策略，即不調(diào)硼的負(fù)荷跟蹤?？刂瓢糁泻诎魹?4根銀銦鎘合金，灰棒為24根鎢棒，鎢具有燃耗的性能，是一種新型的灰棒材料。EPR的控制棒中黑棒和灰棒的材料均為銀銦鎘。堆芯運(yùn)行具有負(fù)荷跟蹤的功能，控制棒用于補(bǔ)償功率、溫度、負(fù)荷等變化引起的反應(yīng)性突變，硼只用于反應(yīng)性變化較慢的反應(yīng)性補(bǔ)償。

為了展平功率、補(bǔ)償剩余反應(yīng)性，在組件中添加可燃毒物。首循環(huán)在導(dǎo)向管中設(shè)置可燃毒物棒，EPR反應(yīng)堆的可燃毒物棒材料采用B4C，AP1000采用通水環(huán)狀可燃毒物棒，是碳化硼彌散在氧化鋁基體中形成的，并且WABA棒采用長短配合的軸向設(shè)計(jì)，有助于展平軸向功率。AP1000還在高富集度組件內(nèi)徑向采取了分區(qū)設(shè)計(jì)，能夠更好的展平堆芯徑向功率。為了補(bǔ)償壽期初的剩余反應(yīng)性，在組件的燃料棒中添加可燃毒物，EPR在組件中的固定位置設(shè)置含Gd2O3的燃料棒，首循環(huán)組件中Gd的富集度為9%，平衡循環(huán)為8%；AP1000在部分燃料芯塊表面涂有一體化可燃吸收體，成分為ZrB2，這種芯塊位于部分燃料棒的中部，可以耗盡，剩余反應(yīng)性幾乎為零，可以降低局部功率峰值因子，提高堆芯裝載的靈活性。AP1000在燃料棒兩端設(shè)計(jì)軸向再生區(qū)，由一些低富集度的燃料芯塊組成，可以減少中子的軸向泄漏，提高燃料的利用率。

4 結(jié)語

AP1000和EPR這兩種三代堆型的堆芯核設(shè)計(jì)具有較大差異，EPR功率大，堆芯等效直徑較大，堆芯組件數(shù)相對(duì)較多，有241盒燃料組件。AP1000堆芯裝載157盒燃料組件。AP1000采用的燃料組件增設(shè)了中間攪混格架，但應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)較少。而EPR使用的燃料組件有豐富的壓水堆使用經(jīng)驗(yàn)。

堆芯換料方案都為長周期換料，EPR為外內(nèi)分區(qū)交替換料方案，該方案為高泄漏換料方案，中子泄漏較多，但堆芯功率容易展平，并且采用的吸收體和可燃毒物的材料和設(shè)計(jì)是目前普遍采用的，技術(shù)較為成熟，有豐富的使用經(jīng)驗(yàn)。AP1000的長周期換料方案更為靈活，換料周期可根據(jù)需要選擇18個(gè)月?lián)Q料、16/20個(gè)月交替換料或24個(gè)月?lián)Q料。換料方案為低泄漏方案，提高了中子利用率，為了展平功率，提出了較多新型設(shè)計(jì)理念，如高富集度組件內(nèi)徑向分區(qū)、燃料棒兩端設(shè)置再生區(qū)、燃料棒中段采用有可燃吸收體涂層的芯塊、可燃毒物棒也采用不同長短的軸向設(shè)計(jì)等，使燃料組件種類增加，堆芯裝載更為復(fù)雜。

[1]林誠格.非能動(dòng)安全先進(jìn)核電廠AP1000.北京：原子能出版社，2008.8

[2]三門核電一期工程1&2號(hào)機(jī)組初步安全分析報(bào)告.第4章

[3]臺(tái)山核電廠一、二號(hào)機(jī)組初步安全分析報(bào)告.第4章

[4]Fuel Management Report for AP1000.Westinghouse Electric Company，2010

[5]謝仲生.核反應(yīng)堆物理分析.西安：西安交通大學(xué)出版社，2004.7