田灣核電站18個(gè)月?lián)Q料燃料管理策略

李友誼，楊曉強(qiáng)，姚進(jìn)國(guó)，王 汗，董 超，李寶庫(kù)

(中國(guó)核電江蘇核電有限公司，江蘇 連云港 222042)

隸屬于中國(guó)核電江蘇核電有限公司的田灣核電站1、2號(hào)機(jī)組分別于2007年5月17日和8月16日投入商業(yè)運(yùn)行，這兩臺(tái)機(jī)組采用俄羅斯的WWER-1000/428型反應(yīng)堆裝置，設(shè)計(jì)循環(huán)長(zhǎng)度為7 000 h，機(jī)組能力因子為80%，與世界核電運(yùn)營(yíng)者協(xié)會(huì)(WANO)先進(jìn)值有較大的差距。為提高機(jī)組能力因子和電站經(jīng)濟(jì)效益，滿足多機(jī)組大修時(shí)間的靈活性要求，田灣核電站兩臺(tái)機(jī)組將采用先進(jìn)的堆芯燃料管理策略來(lái)提高核燃料的燃耗深度、延長(zhǎng)循環(huán)長(zhǎng)度[1-2]，本文旨在闡述實(shí)現(xiàn)此目標(biāo)的燃料管理策略。

1 目標(biāo)及基本要求

根據(jù)江蘇核電有限公司的規(guī)劃，2014年田灣核電站1、2號(hào)機(jī)組第7次換料大修(T107、T207)時(shí)正式開始向18個(gè)月燃料循環(huán)過(guò)渡[3]。以此為目標(biāo)，田灣核電站在制定18個(gè)月?lián)Q料燃料管理策略時(shí)，主要考慮了以下幾個(gè)方面。

1.1 循環(huán)長(zhǎng)度要求

按田灣核電站1、2號(hào)機(jī)組2009—2018年換料檢修十年規(guī)劃[4]，保守地考慮年度大修工期為55 d和4年大修工期為65 d，計(jì)算得出循環(huán)長(zhǎng)度目標(biāo)為490 EFPD，預(yù)留2%運(yùn)行過(guò)程中的不確定性，最終確定平衡換料的循環(huán)長(zhǎng)度應(yīng)大于480 EFPD。

根據(jù)公司大修優(yōu)化計(jì)劃，大修工期將由55 d和65 d逐步調(diào)整為35 d和45 d[5]，實(shí)際的循環(huán)長(zhǎng)度應(yīng)可根據(jù)換料堆芯設(shè)計(jì)調(diào)整優(yōu)化。通過(guò)壽期末延長(zhǎng)運(yùn)行時(shí)間或提前停堆的方式，以及加、減6個(gè)燃料組件來(lái)延長(zhǎng)或縮短燃料循環(huán)長(zhǎng)度。

根據(jù)江蘇電力公司的要求，6月15日—9月15日為夏季用電高峰期，在此期間不宜安排機(jī)組檢修[6]，1、2號(hào)機(jī)組停堆大修應(yīng)盡量避開該時(shí)間段。實(shí)施長(zhǎng)周期換料項(xiàng)目前，兩臺(tái)機(jī)組大修均在上半年實(shí)施，有大修時(shí)間重合的可能，長(zhǎng)周期燃料管理策略應(yīng)使兩臺(tái)機(jī)組大修時(shí)間盡量錯(cuò)開，分別安排在上、下半年交替進(jìn)行，這要求兩臺(tái)機(jī)組以不同的循環(huán)長(zhǎng)度逐步向18個(gè)月?lián)Q料過(guò)渡。

1.2 燃料組件要求

田灣核電站年換料采用的AFA型燃料組件燃耗限值為49 MW·d/kgU，燃耗深度不能滿足18個(gè)月?lián)Q料的要求，為了適應(yīng)長(zhǎng)周期燃料循環(huán)的需要，參考俄羅斯核電站的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，將采用從俄羅斯引進(jìn)的TVS-2M新型燃料組件。TVS-2M組件的設(shè)計(jì)與AFA組件相比做了重大改進(jìn)，主要包括：定位格架與導(dǎo)向管改用焊接方式，定位格架數(shù)量減少2個(gè)但寬度增加，燃料棒活性區(qū)兩端共增長(zhǎng)15 cm，燃料芯塊外徑增加0.03 mm而中心孔減小0.3 mm等。通過(guò)改進(jìn)，明顯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，使組件設(shè)計(jì)最大運(yùn)行時(shí)間延長(zhǎng)到40 000有效滿功率小時(shí)，燃耗限值提高到60 MW·d/kgU[7]。

1.3 安全限值

參考國(guó)內(nèi)法規(guī)和俄羅斯長(zhǎng)周期換料燃料管理經(jīng)驗(yàn)，田灣核電站提出的安全限值要求[8]如下：AFA組件燃耗限值為49 MW·d/kgU，TVS-2M組件燃耗限值為60 MW·d/kgU；燃料富集度限值為4.95%；所有臨界狀態(tài)下，慢化劑溫度系數(shù)、燃料溫度系數(shù)和功率系數(shù)為負(fù)值或零；慢化劑密度系數(shù)為正值或零；線功率密度限值為448 W/cm；AFA組件燃料棒功率峰因子限值為1.50，TVS-2M組件燃料棒功率峰因子限值為1.60。

2 18個(gè)月?lián)Q料燃料管理策略的確定

2.1 TVS-2M先導(dǎo)燃料組件考慮

實(shí)施18個(gè)月?lián)Q料策略之前，堆芯裝載的是AFA燃料組件，長(zhǎng)周期換料需采用TVS-2M高性能燃料組件，因此在過(guò)渡燃料循環(huán)堆芯存在兩種不同類型燃料組件的混裝情況?？紤]到這兩種燃料組件結(jié)構(gòu)差異大且俄羅斯電站無(wú)直接過(guò)渡的先例，參考國(guó)內(nèi)外核電站的成功運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，在正式轉(zhuǎn)入長(zhǎng)周期過(guò)渡循環(huán)前，裝入6組TVS-2M燃料組件先導(dǎo)運(yùn)行，以驗(yàn)證新型組件的設(shè)計(jì)與實(shí)際性能，驗(yàn)證兩類組件在堆芯中的相容性，為長(zhǎng)周期換料項(xiàng)目通過(guò)核安全審評(píng)提供論證支持。為此，田灣核電站實(shí)施兩步走的策略：首先在1號(hào)機(jī)組T104大修裝入6組TVS-2M燃料組件先導(dǎo)運(yùn)行，再于1、2號(hào)機(jī)組第7次大修開始向18個(gè)月?lián)Q料的長(zhǎng)燃料循環(huán)過(guò)渡。

先導(dǎo)組件在堆芯的位置需考慮以下因素[7]：1) 俄羅斯參考核電站的堆芯裝載策略和TVS-2M燃料組件的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)；2) 可獲得先導(dǎo)組件在中子通量最不均勻條件下的運(yùn)行信息；3) 避免最大功率出現(xiàn)在先導(dǎo)組件中；4) 對(duì)田灣核電站1號(hào)機(jī)組原堆芯裝載方案改變不大，AFA、TVS-2M燃料組件和堆芯的中子物理參數(shù)均滿足限值；5) 每個(gè)燃料循環(huán)至少有1個(gè)先導(dǎo)組件內(nèi)布置了堆內(nèi)測(cè)量系統(tǒng)的中子溫度測(cè)量通道。

圖1 TVS-2M先導(dǎo)組件在堆芯的位置

綜合考慮上述因素，先導(dǎo)燃料組件在堆芯的位置變化設(shè)定如圖1所示，其中箭頭指示組件位置的移動(dòng)，D表示中子溫度測(cè)量通道。為了不顯著影響原堆芯裝載方案，設(shè)計(jì)TVS-2M先導(dǎo)組件的增殖因數(shù)與被替換的AFA組件的增殖因數(shù)相近，將先導(dǎo)組件235U初始富集度從4.0%降至3.9%以消減鈾裝載量增大約3%的影響，同時(shí)活性區(qū)長(zhǎng)度相比AFA組件增加的部分裝載天然鈾包覆層。TVS-2M先導(dǎo)組件的中子物理、熱工水力、燃料機(jī)械設(shè)計(jì)論證以及安全分析論證已通過(guò)國(guó)家核安全局的審評(píng)，并于1號(hào)機(jī)組第5循環(huán)裝入堆芯，經(jīng)歷第5～8循環(huán)運(yùn)行。

2.2 長(zhǎng)周期燃料循環(huán)組件類型考慮

向長(zhǎng)周期換料過(guò)渡時(shí)，TVS-2M組件將分批替換目前堆芯裝載的AFA組件。相比AFA組件，TVS-2M燃料組件活性區(qū)高度共增加15 cm，其中頂端增加3.7 cm，底端增加11.3 cm，且中心管被燃料棒取代，結(jié)構(gòu)差異較大。為了降低結(jié)構(gòu)差異帶來(lái)的影響，實(shí)現(xiàn)混合堆芯的平穩(wěn)過(guò)渡，參考俄羅斯Balakovo核電站機(jī)組過(guò)渡到18個(gè)月燃料循環(huán)的經(jīng)驗(yàn)，燃料組件替換分為兩個(gè)階段[9]：第1階段，在前兩個(gè)過(guò)渡循環(huán)堆芯裝入帶有天然鈾包覆層的TVS-2M組件，天然鈾包覆層對(duì)應(yīng)于活性區(qū)頂部和底部增長(zhǎng)的部分；第2階段，從第3個(gè)過(guò)渡循環(huán)開始裝載不帶天然鈾包覆層的TVS-2M組件，即整個(gè)燃料活性區(qū)高度上富集度一致，這時(shí)堆芯中的AFA組件已全部卸出。TVS-2M與AFA燃料組件活性區(qū)高度對(duì)比示于圖2。

圖2 燃料組件活性區(qū)高度

從年度換料過(guò)渡到18個(gè)月?lián)Q料，循環(huán)長(zhǎng)度逐漸增大，為了避免過(guò)早卸出燃耗較淺的燃料組件而造成“棄料”，同時(shí)展平組件和堆芯功率分布，采用多種235U富集度的燃料組件，最高富集度提高到4.95%。可燃毒物采用了已在AFA組件中有成熟應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)的氧化釓(Gd2O3)，燃料組件中含釓燃料棒數(shù)量根據(jù)組件類型不同分別有6、7、9、12、18、24根，帶天然同位素的氧化釓彌散在氧化鈾中，氧化釓質(zhì)量含量為5%或8%，天然鈾包覆層中不含釓。與組件內(nèi)其他燃料棒相比，含釓燃料棒的富集度稍低，以避免在釓被消耗后出現(xiàn)過(guò)高的功率峰。除了含釓燃料棒外，過(guò)渡循環(huán)的燃料組件內(nèi)布置有不同富集度的燃料棒，其中組件周邊燃料棒的富集度較中心燃料棒的低0.4%，以消減燃料組件間水隙引起的功率升高。

2.3 18個(gè)月?lián)Q料燃料管理方案

1) 平衡循環(huán)

選擇平衡循環(huán)裝載時(shí)已參考俄羅斯Balakovo核電站18個(gè)月?lián)Q料所積累的經(jīng)驗(yàn)，采用不帶天然鈾包覆層的TVS-2M燃料組件。平衡循環(huán)裝載的TVS-2M組件數(shù)、平均卸料燃耗、循環(huán)長(zhǎng)度和組件富集度之間的關(guān)系示于圖3。圖中星號(hào)標(biāo)注出田灣核電站1、2號(hào)機(jī)組18個(gè)月?lián)Q料平衡循環(huán)的參數(shù)。

平衡循環(huán)裝載的新燃料組件數(shù)為66，其中12個(gè)新組件布置在堆芯外圍，54個(gè)新組件布置在堆芯中部，堆芯外圍其余30個(gè)燃料組件為燃耗較深的第3年組件，這種部分低泄漏的裝載方案可顯著減少對(duì)反應(yīng)堆壓力容器的中子輻照。平衡循環(huán)的堆芯為燃料組件1/6對(duì)稱裝載。平衡循環(huán)燃料組件類型列于表1，主要計(jì)算結(jié)果列于表2。

圖3 平均卸料燃耗與裝載的TVS-2M組件數(shù)、富集度及循環(huán)長(zhǎng)度的關(guān)系

表1 平衡循環(huán)燃料組件類型

表2 平衡循環(huán)主要計(jì)算結(jié)果

2) 過(guò)渡循環(huán)

田灣核電站1、2號(hào)機(jī)組從年換料向18個(gè)月?lián)Q料過(guò)渡時(shí)，考慮兩臺(tái)機(jī)組避開夏季用電高峰和錯(cuò)開大修時(shí)間的要求，結(jié)合已知的大修工期和停堆大修時(shí)間，設(shè)計(jì)了不同的過(guò)渡循環(huán)裝載，分別經(jīng)歷4個(gè)循環(huán)逐步增加運(yùn)行時(shí)間，最終達(dá)到不低于480 EFPD的循環(huán)長(zhǎng)度，并使兩臺(tái)機(jī)組大修分別在上、下半年實(shí)施。設(shè)計(jì)的過(guò)渡循環(huán)的循環(huán)長(zhǎng)度列于表3，循環(huán)長(zhǎng)度包含了壽期末不超過(guò)30 EFPD的延長(zhǎng)運(yùn)行時(shí)間。

表3 過(guò)渡循環(huán)的循環(huán)長(zhǎng)度

1號(hào)機(jī)組第8、9循環(huán)裝載的帶有天然鈾包覆層的TVS-2M組件數(shù)分別為48和55，而2號(hào)機(jī)組第8、9循環(huán)裝載的新燃料組件數(shù)分別為54和66；兩臺(tái)機(jī)組第9循環(huán)以后裝載的不帶天然鈾包覆層的TVS-2M組件數(shù)均為66，并將AFA組件全部卸出堆芯。

為了減少對(duì)反應(yīng)堆壓力容器的中子輻照，過(guò)渡循環(huán)裝載也設(shè)計(jì)為部分低泄漏的方案，第8、9循環(huán)堆芯最外圍裝載18個(gè)新燃料組件，其余24個(gè)為第3或第4年AFA組件；第10及以后循環(huán)堆芯最外圍裝載12個(gè)新燃料組件，其余30個(gè)為第3年TVS-2M組件。

3) 循環(huán)長(zhǎng)度靈活性

在以額定功率運(yùn)行至壽期末，一回路冷卻劑中的硼已除盡時(shí)，可采用降低反應(yīng)堆功率和堆芯入口冷卻劑溫度的方法，通過(guò)燃料和冷卻劑溫度的負(fù)反應(yīng)性系數(shù)和氙毒的解毒效應(yīng)延長(zhǎng)燃料循環(huán)長(zhǎng)度。根據(jù)俄羅斯的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，壽期末反應(yīng)堆功率最多可降至70%額定值[10]。從開始過(guò)渡的第8循環(huán)到裝載平衡的第14循環(huán)，除第9循環(huán)和第13、14循環(huán)需進(jìn)行少量組件位置的調(diào)整以滿足AFA和TVS-2M組件燃耗限值外，均可在不改變堆芯裝載方案的基礎(chǔ)上壽期末延長(zhǎng)運(yùn)行約30 EFPD。在平衡循環(huán)壽期末最多可一次性延長(zhǎng)約40 EFPD，并在后繼3個(gè)循環(huán)內(nèi)恢復(fù)到平衡堆芯裝載和循環(huán)長(zhǎng)度，主要計(jì)算結(jié)果列于表4。

在后繼循環(huán)功率峰因子和慢化劑溫度系數(shù)滿足設(shè)計(jì)限值的條件下，以額定功率運(yùn)行至壽期末一回路冷卻劑中的硼除盡之前停堆，可縮短循環(huán)長(zhǎng)度。在不改變堆芯裝載的情況下，平衡循環(huán)最多可提前約14 EFPD停堆，并且在后繼3個(gè)循環(huán)內(nèi)恢復(fù)到平衡堆芯裝載和循環(huán)長(zhǎng)度，主要計(jì)算結(jié)果列于表5。

平衡循環(huán)裝載增加6個(gè)新燃料組件，循環(huán)長(zhǎng)度達(dá)510 EFPD，減少6個(gè)新燃料組件，循環(huán)長(zhǎng)度為450 EFPD，堆芯受到加減組件的擾動(dòng)后經(jīng)歷3個(gè)循環(huán)能恢復(fù)到平衡裝載。

表4 平衡循環(huán)一次性延長(zhǎng)運(yùn)行的主要計(jì)算結(jié)果

表5 平衡循環(huán)一次性提前停堆的主要計(jì)算結(jié)果

3 結(jié)論

田灣核電站在1、2號(hào)機(jī)組引入TVS-2M新型燃料組件，通過(guò)先導(dǎo)組件的堆芯運(yùn)行驗(yàn)證和逐步延長(zhǎng)循環(huán)長(zhǎng)度方案，最終達(dá)到18個(gè)月?lián)Q料的長(zhǎng)周期燃料循環(huán)，實(shí)現(xiàn)了減少機(jī)組大修次數(shù)、提高機(jī)組能力因子和經(jīng)濟(jì)性的目的。

參考文獻(xiàn)：

[1] 付卓亞,盧鐵忠,顧穎賓,等. 江蘇核電有限公司中長(zhǎng)期發(fā)展戰(zhàn)略與規(guī)劃(2008—2020)[R]. 連云港:江蘇核電有限公司,2008.

[2] 付亞卓,盧鐵忠,顧穎賓,等. 江蘇核電有限公司第一個(gè)五年發(fā)展規(guī)劃(2008—2012)[R]. 連云港:江蘇核電有限公司,2008.

[3] 馬靈,于玲,帥希建,等. 田灣核電站長(zhǎng)周期換料經(jīng)濟(jì)可行性研究報(bào)告[R]. 連云港:江蘇核電有限公司,2009.

[4] 張向京,沈紅,李祝三,等. 1、2號(hào)機(jī)組換料檢修十年規(guī)劃(2009—2018)[R]. 連云港:江蘇核電有限公司,2008.

[5] 張向京,高順龍,盧鐵忠,等. 1、2號(hào)機(jī)組換料檢修十年規(guī)劃(2011—2020)[R]. 連云港:江蘇核電有限公司,2010.

[6] 江蘇省電力公司辦公室. 關(guān)于編制2012年發(fā)電機(jī)組檢修計(jì)劃的通知[R]. 南京:江蘇省電力公司, 2011.

[7] ALESHIN S. Calculation of the neutron physical characteristics of the 5-8 fuel cycles unit 1 TNPP taking into account of six pilot TVS-2M loading in the fifth cycle[R]. Moscow: NRC Kurchatov Institute, 2009.

[8] 李文雙,姚進(jìn)國(guó),王建瑜,等. 田灣核電站1、2號(hào)機(jī)組長(zhǎng)周期燃料循環(huán)和新型燃料組件引入專項(xiàng)堆芯燃料管理技術(shù)服務(wù)[R]. 連云港:江蘇核電有限公司,2011.

[9] ALESHIN S. Calculation of neutron physics characteristics of transient fuel cycles, beginning from the 8thfuel cycle, with reaching the equilibrium fuel cycle of TNPS, units 1&2[R]. Moscow: NRC Kurchatov Institute, 2011.

[10] BYCHKOVA N. Fuel management report for TNPS unit 1 cycle 2[R]. Moscow: NRC Kurchatov Institute, 2007.