中核運(yùn)行秦二廠第二循環(huán)堆芯燃料管理的優(yōu)化與改進(jìn)

代前進(jìn)，潘澤飛，詹勇杰，葉國(guó)棟，汪聰梅

（中核核電運(yùn)行管理有限公司，浙江 海鹽 314300）

中核運(yùn)行秦二廠擁有4 臺(tái)裝機(jī)容量為65萬(wàn)千瓦機(jī)組的二環(huán)路壓水堆核電機(jī)組，堆芯共布置有121組17×17型AFA 系列燃料組件。

在工程設(shè)計(jì)上規(guī)定的堆芯燃料管理策略為年度換料，每次堆芯換料只需更換36組燃料富集度為3.25%的新燃料組件［1］。由于首燃料循環(huán)的堆芯全部裝入的是新燃料組件，因此燃料循環(huán)長(zhǎng)度均超過了380EFPD（相當(dāng)于日歷年為14個(gè)月），即超過1個(gè)完整的日歷年。這樣導(dǎo)致第二燃料循環(huán)堆芯功率分布相對(duì)較為惡劣，工程設(shè)計(jì)上規(guī)定的許多安全限值都出自于此，因此在施工設(shè)計(jì)上第二燃料循環(huán)的堆芯燃料管理設(shè)計(jì)較為困難。為了滿足工程設(shè)計(jì)的保守性要求，工程核設(shè)計(jì)給出的第二燃料循環(huán)堆芯燃料管理策略往往并非最佳的堆芯燃料管理設(shè)計(jì)，即同樣是堆芯更換36 組燃料富集度為3.25%的新燃料組件，其燃料循環(huán)長(zhǎng)度只有270EFPD 左右，在1個(gè)完整的日歷年中，該機(jī)組需進(jìn)行兩次堆芯換料，無(wú)法滿足電廠年度換料的經(jīng)營(yíng)管理要求。

為此，本工作擬對(duì)秦二廠4臺(tái)機(jī)組的第二燃料循環(huán)堆芯燃料管理策略進(jìn)行優(yōu)化、完善和改進(jìn)。

1 策略與原則

在對(duì)電廠最終安全分析報(bào)告（簡(jiǎn)稱FSAR）和換料燃料組件采購(gòu)影響最小的前提下，考慮到第二燃料循環(huán)堆芯燃料管理設(shè)計(jì)的困難性和復(fù)雜性，制定了如下的優(yōu)化和改進(jìn)原則：

1）在安全上的考慮

不改變施工設(shè)計(jì)中規(guī)定的堆芯換料模式，即out-in模式；不改變FSAR 規(guī)定的安全限值要求，不改變保護(hù)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)的設(shè)定參數(shù)。

2）在經(jīng)濟(jì)上的考慮

通過優(yōu)化施工設(shè)計(jì)給出的第二燃料循環(huán)堆芯燃料管理設(shè)計(jì)來(lái)提高燃料循環(huán)的運(yùn)行時(shí)間，以盡可能地滿足年度換料的要求，即滿足電廠經(jīng)營(yíng)管理的需求；消化首爐堆芯備用的燃料富集度為3.1%的新燃料組件；優(yōu)化與改進(jìn)需兼顧施工設(shè)計(jì)與電廠經(jīng)營(yíng)管理策略，為機(jī)組在后續(xù)運(yùn)行過程中進(jìn)一步改進(jìn)和提高堆芯燃料管理策略奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

3）在對(duì)電廠工作影響上的考慮

充分考慮在群堆管理模式下，通過優(yōu)化換料堆芯裝載布置，使各機(jī)組的燃料循環(huán)長(zhǎng)度在滿足年度換料的要求下相對(duì)穩(wěn)定，各機(jī)組間能錯(cuò)開換料大修的時(shí)間；充分考慮電網(wǎng)對(duì)電廠的“迎峰度夏”要求，即每年的7、8和9月份盡可能地避開機(jī)組的換料大修；燃料富集度和燃料組件類型盡可能地采用不影響燃料采購(gòu)的，同時(shí)對(duì)施工設(shè)計(jì)影響最小的產(chǎn)品和類型，以滿足第二燃料循環(huán)堆芯裝料節(jié)點(diǎn)的要求；盡可能地減小優(yōu)化和改進(jìn)產(chǎn)生的需論證與分析的工作量和周期，同時(shí)減小對(duì)其安全審評(píng)的難度，以滿足電廠換料大修進(jìn)度計(jì)劃的要求。

2 設(shè)計(jì)方案

在對(duì)4臺(tái)機(jī)組第二燃料循環(huán)換料堆芯裝載方案的設(shè)計(jì)上，根據(jù)1＆2號(hào)機(jī)組和3＆4 號(hào)機(jī)組商運(yùn)后所處的不同歷史條件和對(duì)堆芯燃料管理的要求，按照上述確定的改進(jìn)策略與原則，在施工設(shè)計(jì)給出的第二燃料循環(huán)換料堆芯裝載方案基礎(chǔ)上，對(duì)4臺(tái)機(jī)組第二燃料循環(huán)堆芯燃料管理設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)。

2.1 施工設(shè)計(jì)方案

最簡(jiǎn)單的施工設(shè)計(jì)方案即是沿用施工設(shè)計(jì)。在秦山核電二期工程和秦山核電二期擴(kuò)建工程的施工設(shè)計(jì)上，對(duì)第二燃料循環(huán)的堆芯換料策略規(guī)定如下：1）堆芯換料采用外-內(nèi)即out-in的換料方式；2）從堆芯中卸出36 組燃料富集度為1.9%的燃料組件；3）在堆芯外圍裝入36 組燃料富集度為3.25%的新燃料組件。

施工核設(shè)計(jì)報(bào)告給出的計(jì)算結(jié)果［1］為：1）燃料循環(huán)長(zhǎng)度：1＆2號(hào)機(jī)組為8 940MW·d／tU，相當(dāng)于257.5EFPD；3＆4號(hào)機(jī)組為9 459MW·d／tU，相當(dāng)于272EFPD。2）燃料循環(huán)中堆芯最大的徑向功率峰因子Fxy：1＆2號(hào)機(jī)組為1.389；3＆4號(hào)機(jī)組為1.402。

4臺(tái)機(jī)組的施工設(shè)計(jì)方案的堆芯裝載示意圖如圖1所示（1／4 堆芯，旋轉(zhuǎn)對(duì)稱，輻照過燃料組件具體排列方式略）。

采用施工設(shè)計(jì)方案對(duì)電廠無(wú)需承擔(dān)任何風(fēng)險(xiǎn)，但缺點(diǎn)是燃料循環(huán)長(zhǎng)度不能很好地滿足機(jī)組年度運(yùn)行的要求，導(dǎo)致在1年內(nèi)出現(xiàn)兩次換料大修，無(wú)法適應(yīng)電廠經(jīng)營(yíng)管理的需要。

2.2 提高換料燃料富集度方案

第二燃料循環(huán)采用提高換料燃料富集度的堆芯換料策略要求如下：1）堆芯換料采用部分out-in的換料方式；2）從堆芯中卸出36 組燃料富集度為1.9%的燃料組件；3）在堆芯外圍裝入36組燃料富集度為3.7%的新燃料組件。

換料堆芯核設(shè)計(jì)報(bào)告［2］給出的計(jì)算結(jié)果為：1）燃料循環(huán)長(zhǎng)度為10 275 MW·d／tU，相當(dāng)于298EFPD；2）燃料循環(huán)中堆芯最大的Fxy為1.353。

圖1 施工設(shè)計(jì)方案的堆芯裝載示意圖Fig.1 Loading pattern of construction design

提高換料燃料富集度的堆芯裝載示意圖如圖2所示（1／4 堆芯，旋轉(zhuǎn)對(duì)稱，輻照過燃料組件具體排列方式略）。

圖2 提高換料燃料富集度方案的堆芯裝載示意圖Fig.2 Loading pattern of enhancing fuel enrichment project

采用提高換料燃料富集度設(shè)計(jì)方案的優(yōu)點(diǎn)是增加了燃料循環(huán)長(zhǎng)度，基本能滿足年度換料的要求，同時(shí)為機(jī)組后續(xù)燃料循環(huán)進(jìn)一步實(shí)施的長(zhǎng)燃料循環(huán)堆芯燃料管理策略改進(jìn)奠定了基礎(chǔ)。

由于該設(shè)計(jì)方案提高了施工設(shè)計(jì)確定的換料燃料富集度，因此也就突破了FSAR 的分析范圍，需對(duì)超過施工設(shè)計(jì)和FSAR 范圍的內(nèi)容進(jìn)行論證與分析，同時(shí)需要NNSA 對(duì)此進(jìn)行審評(píng)和批準(zhǔn)。另外，這種改進(jìn)給核燃料的采購(gòu)帶來(lái)很大的影響和風(fēng)險(xiǎn)。這些不確定性因素和需進(jìn)行的論證與分析都會(huì)嚴(yán)重影響機(jī)組第二燃料循環(huán)的運(yùn)行。

2.3 增加換料燃料組件方案

無(wú)論是采用施工設(shè)計(jì)方案還是提高換料燃料富集度的堆芯裝載方案，都存在一定的局限性，不能很好地滿足優(yōu)化和改進(jìn)施工設(shè)計(jì)的策略和原則。為此提出在不改變換料燃料富集度的基礎(chǔ)上，通過增加換料燃料組件數(shù)目的堆芯燃料管理設(shè)計(jì)，同時(shí)在不顛覆施工設(shè)計(jì)規(guī)定的堆芯換料模式條件下，對(duì)燃料組件在堆芯中的布置進(jìn)行局部調(diào)整，尤其是輻照燃料組件在堆芯外圍的布置，從而滿足對(duì)施工設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)的目的。

第二燃料循環(huán)采用增加換料燃料組件數(shù)目的堆芯換料策略要求如下：1）堆芯換料采用部分out-in的換料方式；2）從堆芯中卸出40 組燃料富集度為1.9%的燃料組件；3）在堆芯外圍裝入40組燃料富集度為3.25%的新燃料組件。在這40組新燃料組件中，需有1臺(tái)機(jī)組考慮首爐堆芯備用的4組燃料富集度為3.1%的新燃料組件的使用。

換料堆芯核設(shè)計(jì)報(bào)告給出的計(jì)算結(jié)果［3］為：1）燃料循環(huán)長(zhǎng)度超過10 589 MW·d／tU，即超過305EFPD；2）燃料循環(huán)中堆芯最大的Fxy不高于1.350。

增加換料燃料組件數(shù)目的堆芯裝載示意圖如圖3所示（1／4 堆芯，旋轉(zhuǎn)對(duì)稱，輻照過燃料組件具體排列方式略）。

增加換料燃料組件數(shù)目的堆芯裝載方案的優(yōu)點(diǎn)是不改變施工設(shè)計(jì)確定的換料燃料富集度，從而不影響換料燃料組件的采購(gòu)。其次是不改變施工設(shè)計(jì)規(guī)定的堆芯換料策略，雖然增加了4組新燃料組件，并在堆芯外圍燃料組件的布置上針對(duì)輻照燃料組件的布置進(jìn)行了調(diào)整，但這種局部的調(diào)整對(duì)施工設(shè)計(jì)給出的堆芯燃料管理設(shè)計(jì)的影響是可接受的。因此，增加換料燃料組件數(shù)目的堆芯燃料管理設(shè)計(jì)減小了對(duì)堆芯關(guān)鍵安全參數(shù)的變化。第三是由于此優(yōu)化和改進(jìn)的設(shè)計(jì)對(duì)堆芯關(guān)鍵安全參數(shù)的影響較小，因此減少了堆芯燃料管理設(shè)計(jì)的相關(guān)論證與分析，以及安全審評(píng)的風(fēng)險(xiǎn)。第四是有效地增加了第二燃料循環(huán)的燃料循環(huán)長(zhǎng)度，達(dá)到了對(duì)施工設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)的目的，并滿足了電廠經(jīng)營(yíng)管理的需求。

圖3 增加換料燃料組件方案的堆芯裝載示意圖Fig.3 Loading pattern with more refuel assemblies

增加換料燃料組件數(shù)目的堆芯燃料管理設(shè)計(jì)，畢竟是對(duì)施工設(shè)計(jì)給出的第二燃料循環(huán)的堆芯燃料管理設(shè)計(jì)進(jìn)行了優(yōu)化和改進(jìn)，因此這種優(yōu)化和改進(jìn)對(duì)FSAR 的影響需進(jìn)行必要的論證與分析，以證實(shí)這些變化和影響仍被FSAR 包絡(luò)，并給出量化的影響。

3 比較與選擇

上述3種堆芯燃料管理設(shè)計(jì)的關(guān)鍵參數(shù)的比較列于表1。

從表1可看出：1）安全性：3 種設(shè)計(jì)方案的安全性均能滿足FSAR 的要求；2）燃料循環(huán)長(zhǎng)度：增加換料燃料組件數(shù)目的設(shè)計(jì)方案與提高換料燃料富集度的設(shè)計(jì)方案基本相當(dāng)；3）燃料經(jīng)濟(jì)性：提高換料燃料富集度的設(shè)計(jì)方案是非?？扇〉淖顑?yōu)方案，其次是增加換料燃料組件數(shù)目的設(shè)計(jì)方案；4）對(duì)FSAR和換料燃料組件采購(gòu)的影響：提高換料燃料富集度的設(shè)計(jì)方案對(duì)施工設(shè)計(jì)的變化最大，因此該方案對(duì)FSAR 和換料燃料組件采購(gòu)的影響最大，增加換料燃料組件數(shù)目的設(shè)計(jì)方案的影響較??；5）對(duì)電廠的可實(shí)施性：第二燃料循環(huán)實(shí)施提高換料燃料富集度的設(shè)計(jì)方案目前在國(guó)內(nèi)尚無(wú)機(jī)組實(shí)施的先例，因此該方案在安全審評(píng)上存在較大的不確定性，且這種不確定性是電廠無(wú)法控制的因素，而增加換料燃料組件數(shù)目的設(shè)計(jì)方案對(duì)施工設(shè)計(jì)的變化不大，相對(duì)而言電廠對(duì)此通過安全審評(píng)更有信心。

參數(shù) 施工設(shè)計(jì)方案［1］ 提高換料燃料富集度 增加換料燃料組件［3］換料燃料富集度，% 3.25 3.7 3.25燃料組件類型 AFA-3G AFA-3G AFA-3G換料燃料組件數(shù)，組 36 36 40燃料循環(huán)長(zhǎng)度，EFPD 272 298 308燃料循環(huán)最大Fxy 1.402 1.353 ≤1.350壽期末停堆裕量，pcm 2 890 2 450 2 871壽期初MTC，pcm／℃ -1.483 -0.1 -0.05首爐堆芯備用組件的使用 不適用 不適用 使用235 U 裝量，kg 16 542 16 542 18 380年度換料要求 不滿足 基本滿足 滿足論證時(shí)間，月 0 18 6 FSAR 修改 無(wú) 需要 無(wú)安審困難 無(wú) 大 一般

綜上所述，最終選定增加換料燃料組件數(shù)目的設(shè)計(jì)方案在秦二廠2、3和4號(hào)機(jī)組上作為第二燃料循環(huán)的換料堆芯設(shè)計(jì)方案。

4 論證與安審

由于增加換料燃料組件數(shù)目的堆芯燃料管理設(shè)計(jì)方案在換料燃料組件數(shù)目、輻照燃料組件在堆芯外圍的布置上，與施工設(shè)計(jì)給出的第二燃料循環(huán)堆芯燃料管理設(shè)計(jì)發(fā)生了變化，根據(jù)核安全法規(guī)HAF103／01《核電廠運(yùn)行安全規(guī)定附件一——核電廠換料、修改和事故停堆管理》3.1、3.2.2和3.3.3條的規(guī)定［4］，并按照國(guó)家核安全局（NNSA）的要求，增加換料燃料組件數(shù)目的堆芯燃料管理設(shè)計(jì)方案以第二燃料循環(huán)換料堆芯安全分析的模式，對(duì)于施工設(shè)計(jì)給出的第二燃料循環(huán)設(shè)計(jì)和FSAR 的變化和影響進(jìn)行必要的論證與分析，以證實(shí)這些變化所帶來(lái)的影響仍被FSAR 包絡(luò)，結(jié)果報(bào)NNSA 進(jìn)行審評(píng)和批準(zhǔn)。

針對(duì)第二燃料循環(huán)這種特定的單個(gè)燃料循環(huán)的堆芯安全分析模式，采用了換料安全參數(shù)分析（原FSAR包絡(luò)）加受影響的特定事故單獨(dú)分析的論證方式。經(jīng)過對(duì)增加換料燃料組件數(shù)目的堆芯燃料管理設(shè)計(jì)方案與施工設(shè)計(jì)給出的第二燃料循環(huán)的設(shè)計(jì)方案的變化，以及對(duì)FSAR影響的篩選，確定了本項(xiàng)目需進(jìn)行如下的論證與分析內(nèi)容，并向NNSA 提交了《換料堆芯裝載評(píng)價(jià)報(bào)告》、《換料堆芯安全評(píng)價(jià)報(bào)告》、《主蒸汽管道斷裂事故分析》、《彈棒事故分析》、《硼稀釋事故分析報(bào)告》和《功率運(yùn)行下單個(gè)RCCA 失控抽出事故分析》等相關(guān)的安審報(bào)告。

5 電廠實(shí)施

在秦二廠2、3和4號(hào)機(jī)組的第二燃料循環(huán)換料堆芯上實(shí)施了增加換料燃料組件數(shù)目的堆芯燃料管理設(shè)計(jì)方案。換料堆芯啟動(dòng)物理試驗(yàn)結(jié)果（表2）和燃料循環(huán)的運(yùn)行結(jié)果（表3）表明，采用該優(yōu)化改進(jìn)的第二燃料循環(huán)堆芯燃料管理設(shè)計(jì)，反應(yīng)堆的運(yùn)行是安全和穩(wěn)定的，電廠的經(jīng)濟(jì)性也得到了有效的保證，與設(shè)計(jì)要求吻合較好。

機(jī)組ARO 臨界硼濃度／ppm理論 測(cè)量偏差／ppm 驗(yàn)收準(zhǔn)則D棒組積分價(jià)值／pcm理論 測(cè)量相對(duì)偏差／% 驗(yàn)收準(zhǔn)則2 1 502 1 522 20 ±50.0 574.29 586.3 2.09 ±10%3 1 570 1 546.6 23.4 ±50.0 684 692.9 1.30 ±10%4 1 558 1 518.7 39.3 ±50.0 739 719.33 -2.66 ±10%機(jī)組理核論 焓升因子F測(cè)ΔNH量1） 偏差 驗(yàn)收準(zhǔn)則理論熱 點(diǎn)因子Fq測(cè)量1） 偏差 驗(yàn)收準(zhǔn)則2 1.334 1.348 6 0.014 6 ＜1.499 7 1.598 1.614 5 0.016 5 ＜2.222 3 1.368 1.358 3 -0.009 7 ＜1.501 5 1.582 1.583 7 0.001 7 ＜2.231 3 4 1.370 1.352 7 -0.017 3 ＜1.505 9 1.591 1.615 8 0.024 8 ＜2.254 1徑向功率峰因子Fxy象限功率傾斜比QPTR機(jī)組理論 測(cè)量1） 偏差 驗(yàn)收準(zhǔn)則理論 測(cè)量1） 驗(yàn)收準(zhǔn)則2 1.325 1.397 4 0.072 4 ＜1.400 ≤1.02 1.009 7 ≤1.02 3 1.415 1.410 6 -0.004 4 ＜1.600 4 ≤1.02 1.002 6 ≤1.02 4 1.424 1.417 7 -0.006 3 ＜1.601 9 ≤1.02 1.002 1 ≤1.02

機(jī)組燃料循環(huán)長(zhǎng)度／（MW·d·tU-1）理論 測(cè)量相對(duì)偏差／%燃料循環(huán)長(zhǎng)度／EFPD理論 測(cè)量相對(duì)偏差／%2 10 484 10 290.28 -1.85 302 296.4 -1.85 3 10 745 10 636.62 -1.01 309.5 306.4 -1.00 4 10 637 10 845 1.95 306 312.4 2.09

6 結(jié)語(yǔ)

對(duì)秦山第二核電廠第二循環(huán)燃料管理的優(yōu)化和改進(jìn)，在確保換料堆芯滿足工程設(shè)計(jì)對(duì)堆芯安全限值、堆芯換料方式和換料燃料富集度等規(guī)定的前提下，很好地實(shí)現(xiàn)了燃料循環(huán)長(zhǎng)度由270EFPD 左右提高至不少于300EFPD。這種優(yōu)化與改進(jìn)很好地滿足了電廠經(jīng)營(yíng)管理的需求，達(dá)到了在確保安全的前提下，提高電廠經(jīng)濟(jì)性的目標(biāo)，同時(shí)也為電廠后續(xù)在堆芯燃料管理策略上的進(jìn)一步改進(jìn)和提高，即長(zhǎng)燃料循環(huán)項(xiàng)目的過渡階段——提高換料燃料富集度的堆芯燃料管理策略改進(jìn)，奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。該優(yōu)化與改進(jìn)的成功實(shí)踐為其他電廠改善第二燃料循環(huán)堆芯燃料管理策略，特別是對(duì)多機(jī)組電廠優(yōu)化群堆管理模式下的電廠堆芯燃料管理策略提供了很好的借鑒，進(jìn)而為電廠制定更為合理的換料大修計(jì)劃奠定基礎(chǔ)。

［1］ 中國(guó)核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院.秦山第二核電廠擴(kuò)建機(jī)組核設(shè)計(jì)報(bào)告［R］.成都：中國(guó)核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院，2010.

［2］ 中國(guó)核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院.秦山第二核電廠3＆4號(hào)機(jī)組提高富集度論證堆芯燃料管理設(shè)計(jì)報(bào)告［R］.成都：中國(guó)核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院，2010.

［3］ 中國(guó)核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院.秦山第二核電廠U3C2循環(huán)堆芯裝載評(píng)價(jià)報(bào)告［R］.成都：中國(guó)核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院，2011.

［4］ 國(guó)家核安全局.HAF103／01-1994 核電廠運(yùn)行安全規(guī)定附件一——核電廠換料、修改和事故停堆管理［S］.北京：國(guó)家核安全局，1994.