采用TVS-2M組件的堆芯燃料管理及其經(jīng)濟(jì)性分析

徐 敏，王紅霞，李友誼

(1.中國(guó)核電工程有限公司，北京 100840；2.江蘇核電有限公司，江蘇 連云港 222042)

田灣核電站1、2號(hào)機(jī)組將于2014年開(kāi)始逐步向長(zhǎng)周期燃料循環(huán)過(guò)渡，以提高年均能力因子和電站經(jīng)濟(jì)效益。實(shí)施長(zhǎng)周期換料需采用TVS-2M高性能燃料組件。在正式轉(zhuǎn)入過(guò)渡循環(huán)前，田灣核電站已在1號(hào)機(jī)組第5循環(huán)裝入6組TVS-2M燃料組件，目前已運(yùn)行至第6循環(huán)的壽期末，從堆內(nèi)運(yùn)行在線(xiàn)測(cè)量及換料大修的組件檢查結(jié)果看，TVS-2M組件的性能得到了充分的驗(yàn)證[1-2]。

TVS-2M組件與AFA組件相比有重大改進(jìn)，提高了燃料組件的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，并增加了燃料裝載量，使設(shè)計(jì)最大運(yùn)行時(shí)間延長(zhǎng)到40 000 h，燃耗限值提高到60 MW·d/kgU[1-2]。因此，對(duì)田灣核電站從首循環(huán)開(kāi)始使用TVS-2M組件進(jìn)行研究具有重要意義，本文擬從經(jīng)濟(jì)性角度來(lái)比較兩種燃料管理方案的優(yōu)劣。

1 計(jì)算程序簡(jiǎn)介

田灣核電站采用從俄羅斯引進(jìn)的VVER堆型，也隨帶引進(jìn)了堆芯計(jì)算程序包KASKAD。KASKAD程序包由俄羅斯庫(kù)爾恰多夫研究院開(kāi)發(fā)，包括三維粗網(wǎng)堆芯計(jì)算程序BIPR-7A、多層二維細(xì)網(wǎng)計(jì)算程序PERMAK-A、堆芯裝載優(yōu)化程序PROROK、組件計(jì)算程序TVS-M、堆芯功率恢復(fù)程序PIR-A及附加圖表程序ALBUM和熱工耦合程序TEPRO等[3]。

2 燃料管理

2.1 設(shè)計(jì)準(zhǔn)則和目標(biāo)

為保證核電站的安全性，堆芯設(shè)計(jì)必須滿(mǎn)足下列設(shè)計(jì)準(zhǔn)則和目標(biāo)：1) AFA組件的焓升因子Kr≤1.5，TVS-2M組件的Kr≤1.6；2) 燃料棒線(xiàn)功率密度(考慮不確定性)≤448 W/cm；3) 含Gd燃料棒線(xiàn)功率密度(考慮不確定性)≤360 W/cm；4) 壽期初、熱態(tài)零功率、零氙、控制棒全部提出堆芯時(shí)的慢化劑溫度系數(shù)≤0 pcm/℃；5) 1束最大價(jià)值棒被卡情況下，堆芯重返臨界溫度不大于120 ℃；6) AFA組件的最大燃耗≤49 MW·d/kgU，TVS-2M組件的最大燃耗≤60 MW·d/kgU；7) 平衡循環(huán)實(shí)現(xiàn)部分低泄漏堆芯裝載[4]。

2.2 堆芯描述

本文給出的燃料管理方案應(yīng)用在VVER-1000反應(yīng)堆中，堆芯共裝載了163個(gè)燃料組件，堆芯活性段高度為354 cm(AFA組件)/372.6 cm(TVS-2M組件)。堆芯的總體參數(shù)列于表1。

TVS-2M燃料組件包括312根燃料棒，18個(gè)控制棒導(dǎo)向管，1個(gè)中子溫度測(cè)量管，共331個(gè)柵元。燃料組件的布置形狀為六邊形，組件中心距為23.6 cm，對(duì)邊距為23.51 cm[4]。

表1 堆芯總體參數(shù)

2.3 燃料管理方案

田灣核電站3、4號(hào)機(jī)組工程項(xiàng)目初步安全分析報(bào)告[5]中給出了首循環(huán)的堆芯裝載和平衡循環(huán)的堆芯裝載。本文參照該報(bào)告中的初始裝載，自行完成了組件計(jì)算和過(guò)渡循環(huán)的堆芯裝載設(shè)計(jì)，最后達(dá)到平衡循環(huán)，得到了一個(gè)滿(mǎn)足年換料壽期目標(biāo)的燃料管理方案。為便于說(shuō)明，將使用AFA組件的燃料管理方案稱(chēng)為AFA方案，TVS-2M組件的燃料管理方案稱(chēng)為2M方案。

圖1 首循環(huán)堆芯裝載示意圖(1/6區(qū)域)

使用TVS-2M組件后，堆芯高度由AFA組件時(shí)的354 cm變?yōu)?72.6 cm，多個(gè)堆芯總體參數(shù)發(fā)生了變化，堆芯安全參數(shù)計(jì)算結(jié)果也發(fā)生了變化，有些安全參數(shù)的裕量變得很小，因而需針對(duì)首循環(huán)堆芯裝載及后續(xù)循環(huán)的換料方案進(jìn)行改進(jìn)。改進(jìn)后的2M方案首循環(huán)堆芯裝載示意圖示于圖1。平衡循環(huán)的堆芯裝載示意圖示于圖2，平衡循環(huán)的中心組件每3個(gè)循環(huán)換1組新料36G7(平均富集度為3.6%，含有7根Gd棒的燃料組件)。

圖2 年換料平衡循環(huán)裝載示意圖(1/6區(qū)域)

2.4 計(jì)算結(jié)果及分析

各循環(huán)的燃耗計(jì)算在堆芯滿(mǎn)功率(HFP)、工作棒處于90%、其他控制棒全提的狀態(tài)下進(jìn)行，通過(guò)調(diào)整堆芯硼濃度維持堆芯臨界狀態(tài)，循環(huán)壽期末臨界硼濃度定為零。計(jì)算慢化劑溫度系數(shù)的堆芯狀態(tài)是堆芯零功率(HZP)、控制棒全提(ARO)、壽期初(BOL)[6]。VVER核電站的堆芯停堆裕量用重返臨界溫度來(lái)描述：除最大反應(yīng)性?xún)r(jià)值的1束控制棒完全卡死在堆芯外，其余控制棒插入堆芯，堆芯硼、氙和釤濃度保持不變，堆芯平均溫度下降至堆芯重新達(dá)到臨界時(shí)的溫度。采用KASKAD程序包對(duì)AFA方案和2M方案進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果分別列于表2和表3。

從表2、3可看出，所有方案的堆芯慢化劑溫度系數(shù)均為負(fù)值。AFA方案中卸料組件最大燃耗小于限值49 MW·d/kgU，2M方案中卸料組件最大燃耗小于限值60 MW·d/kgU；考慮到計(jì)算的不確定性，兩種方案的燃料棒線(xiàn)功率密度小于限值448 W/cm，含Gd棒的線(xiàn)功率密度小于限值360 W/cm；兩種方案的重返臨界溫度均小于限值120 ℃。以上結(jié)果表明，所有安全參數(shù)均滿(mǎn)足設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，平衡循環(huán)的壽期長(zhǎng)度也達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

表2 AFA方案燃料管理主要計(jì)算結(jié)果

3 經(jīng)濟(jì)性分析

3.1 方案比較

兩種燃料管理?yè)Q料方案主要參數(shù)比較列于表4。田灣核電站機(jī)組大修時(shí)間約為40 d，且大修時(shí)間的長(zhǎng)短并不明顯受循環(huán)長(zhǎng)度的影響[7]。由表4可見(jiàn)，AFA方案平衡循環(huán)壽期平均長(zhǎng)度(考慮中心組件)為302.7 EFPD，年均能力因子為302.7/(302.7+40)=88.3%，2M方案平衡循環(huán)壽期平均長(zhǎng)度(考慮中心組件)為323.4 EFPD，年均能力因子為323.4/(323.4+40)=89.0%。2M方案年均能力因子有所增大，因而可增加電站的經(jīng)濟(jì)效益。

表3 2M方案燃料管理主要計(jì)算結(jié)果

表4 兩種燃料管理?yè)Q料方案主要參數(shù)比較

3.2 經(jīng)濟(jì)性分析

兩種燃料管理方案的差異會(huì)導(dǎo)致燃料組件購(gòu)買(mǎi)費(fèi)、后處理費(fèi)、大修費(fèi)、發(fā)電銷(xiāo)售收入等存在差異，本文假設(shè)電站的其他費(fèi)用不變，僅燃料組件購(gòu)買(mǎi)費(fèi)有變化。燃料組件購(gòu)買(mǎi)費(fèi)考慮了燃料組件制造費(fèi)、運(yùn)輸費(fèi)、相關(guān)費(fèi)用和鈾采購(gòu)費(fèi)；而鈾采購(gòu)費(fèi)則根據(jù)燃料組件富集度的不同，按分離功進(jìn)行估算。本文中兩種燃料管理方案的組件富集度相同，僅堆芯高度增大，使得燃料總量增加，后處理費(fèi)也會(huì)隨燃料總量增大而增加。單次大修的費(fèi)用和循環(huán)長(zhǎng)度無(wú)明顯關(guān)系，認(rèn)為保持不變。

根據(jù)表4中的數(shù)據(jù)以及電站相關(guān)的費(fèi)用數(shù)據(jù)，可計(jì)算出2M方案相比AFA方案年均燃料組件購(gòu)買(mǎi)費(fèi)用減少了735萬(wàn)元，年均燃料組件后處理費(fèi)用減少了326萬(wàn)元，年均大修費(fèi)用減少了667萬(wàn)元，年均發(fā)電銷(xiāo)售收入增加了2 729萬(wàn)元，因此年均利潤(rùn)增加了4 457萬(wàn)元。分析表明，2M方案可減少年均換料組件數(shù)，從而減少燃料的購(gòu)買(mǎi)費(fèi)用和后處理費(fèi)用。

4 結(jié)論

本文使用KASKAD程序包，對(duì)田灣核電站采用AFA組件的過(guò)渡循環(huán)和從首循環(huán)起使用TVS-2M組件進(jìn)行研究設(shè)計(jì)，給出了改進(jìn)型的燃料管理方案，并進(jìn)行了兩種方案的經(jīng)濟(jì)性分析，得出TVS-2M組件可顯著提高電站經(jīng)濟(jì)性的結(jié)論。燃料管理方案從首循環(huán)就開(kāi)始使用TVS-2M組件，采用了部分低泄漏的裝置方式，堆芯安全特性參數(shù)均滿(mǎn)足設(shè)計(jì)準(zhǔn)則和目標(biāo)，可提高電廠(chǎng)的年均能力因子，減少燃料的相關(guān)年均費(fèi)用和年均大修費(fèi)用，增加機(jī)組年均利潤(rùn)顯著，從而極大地提高了電站的經(jīng)濟(jì)效益。

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