華龍一號燃料組件錯裝載事故計算分析

王昆鵬, 趙傳奇, 邱國盛, 宋 維, 攸國順, 馮進(jìn)軍

(生態(tài)環(huán)境部核與輻射安全中心,北京 100082)

核電廠反應(yīng)堆的堆芯燃料裝載方案都進(jìn)行了必要的安全分析,但在堆芯裝載時,仍有發(fā)生燃料裝載錯誤的情況。例如,2001年4月,法國Dampierre 4機(jī)組發(fā)生了燃料裝載錯誤,導(dǎo)致次臨界度降低。2005年大亞灣核電站進(jìn)行了相應(yīng)的研究工作,通過對不利循環(huán)的保守計算,分析了如果嶺澳核電站和大亞灣核電站發(fā)生與法國Dampierre 4 機(jī)組同樣裝載錯誤時造成的后果[1]。

福島核事故后,中核集團(tuán)在二代改進(jìn)型壓水堆成熟技術(shù)的基礎(chǔ)上,借鑒吸收中外三代壓水堆先進(jìn)設(shè)計理念,自主開展了堆型的初步設(shè)計、聯(lián)合研究和試驗(yàn)驗(yàn)證等工作,2013年4月,在國家能源局、國家核安全局的推動下,中核集團(tuán)和中廣核集團(tuán)確定聯(lián)合開發(fā)三代核電技術(shù)“華龍一號”[2]。2013年9月,兩個集團(tuán)聯(lián)合制定了《自主創(chuàng)新三代壓水堆核電技術(shù)“華龍一號”總體技術(shù)方案(A版)》,計劃采用“華龍一號”核電技術(shù)[3]。

華龍一號采用“蛇形”裝料方式,一定程度上能夠避免裝料錯誤的事故發(fā)生[1,4],但華龍一號采用177堆芯,比中國改進(jìn)型壓水堆核電站(CPR1000)堆芯多出了20個燃料組件,這在一定程度上增加了堆芯裝載錯誤的可能性,因此需要對其發(fā)生類似裝料錯誤后的次臨界度進(jìn)行計算,分析其堆芯的安全性。

近年,隨著三代堆的全面發(fā)展,中外相關(guān)研究機(jī)構(gòu)都進(jìn)行了堆芯錯裝載臨界事故的模擬分析,包括西屋公司的AP1000和中國的CAP1400,評估其典型裝載錯誤下堆芯的安全性能。以華龍一號堆芯首循環(huán)設(shè)計參數(shù)為研究對象,采用SCIENCE V2程序進(jìn)行了堆芯裝載方案的建模,分析了兩種錯裝載類型共計20余種燃料錯裝載的方案,首次從安全角度評估了華龍一號堆芯的安全裕量,為中國三代堆的安全審評提供了有力參考。

1 華龍一號堆芯裝載

華龍一號反應(yīng)堆首循環(huán)[5]堆芯燃料組件分三區(qū)裝載,對應(yīng)的三種富集度分別為1.8%、2.4%、3.1%,固體可燃毒物采用分立的硼硅酸鹽玻璃可燃毒物棒。從第二循環(huán)開始,使用載釓燃料棒的燃料組件,堆芯采用部分低泄漏(IN-OUT)換料方式,裝入68個新燃料組件,同時卸除68個燃耗較深或富集度較低的燃料組件。第二循環(huán)為提高燃料組件富集度的過渡循環(huán),換料燃料組件富集度為3.9%,從第三循環(huán)開始使用富集度為4.45%的載釓新燃料組件。平衡循環(huán)堆芯燃料組件富集度為4.45%,合理的選擇數(shù)目及組件載釓數(shù)量,使平衡循環(huán)達(dá)到18月?lián)Q料循環(huán)長度,相應(yīng)電站的可利用率大于等于0.87。

為滿足反應(yīng)堆熱工水力設(shè)計和事故分析要求[6],對堆芯功率分布提出如下限值要求。

(2)熱點(diǎn)因子FQ≤2.40,并考慮18.1%的不確定性。

堆芯共裝載了177個AFA-3G燃料組件。堆芯活性段高度(冷態(tài))為365.76 cm,等效直徑為322.80 cm,堆芯高徑比為1.13。運(yùn)行模式為Mode-G。堆芯裝載布置了61束控制棒。分為功率補(bǔ)償棒(G1、G2、N1和N2)、溫度調(diào)節(jié)棒(R)和停堆棒組(SA、SB、SC)。功率補(bǔ)償棒編號分別為G1(4束)、G2(8束)、N1(8束)、N2(8束),溫度調(diào)節(jié)棒編號為R(8束),停堆棒組的編號分別為SA(9束)、SB(8束)、SC(8束)。圖1為反應(yīng)堆堆芯控制棒布置。

圖1 堆芯控制棒的布置Fig.1 Arrangement of control rods of core

反應(yīng)堆首循環(huán)堆芯分3區(qū)布置,最高富集度的組件置于堆芯外區(qū),較低富集度的兩種組件按棋盤格式排列在堆芯內(nèi)區(qū)。圖2為首循環(huán)堆芯裝載圖,圖3給出了堆芯探測器的布置圖。

圖2 首循環(huán)堆芯裝載圖Fig.2 Core loading of initial circle

圖3 堆芯固定式探測器布置Fig.3 Arrangement of fixed detector of core

2 計算程序及計算方法

計算程序是由法馬通公司引進(jìn)的先進(jìn)的SCIENCE V2核設(shè)計和燃料管理計算程序包完成的。該程序包主要由先進(jìn)的組件計算程序APOLLO2-F、堆芯模型化和分析程序SMART以及人機(jī)接口的界面程序COPILOTE組成[7]。在設(shè)計中使用了APOLLO2-F、SMART和COPILOTE程序,其中,燃料組件的參數(shù)由APOLLO2-F計算得到,換料和堆芯特性參數(shù)的計算使用了SMART程序。

2.1 組件參數(shù)計算程序APOLLO2-F

APOLLO2-F程序[8-9]可以為堆芯設(shè)計計算程序SMART提供所需要的參數(shù)。數(shù)據(jù)的建立主要通過三個步驟:APOLLO2-F燃料演化計算、APOLLO2-F重新啟動計算、多參數(shù)表格化數(shù)據(jù)庫的建立。

燃料演化計算是在額定功率的堆芯條件下,利用APOLLO2-F程序?qū)Ω鞣N類型組件進(jìn)行燃耗計算,給出了不同燃耗下的各種同位素的核密度和微觀截面數(shù)據(jù)庫。

重新啟動計算時,讀入演化計算形成的數(shù)據(jù)庫,計算堆芯狀態(tài)參數(shù)改變時的截面參數(shù)。堆芯狀態(tài)參數(shù)包括:硼濃度、氙濃度、慢化劑密度、燃料溫度、控制棒插入等。該計算形成一個隨堆芯狀態(tài)參數(shù)變化的截面數(shù)據(jù)庫。

全部重新啟動數(shù)據(jù)文件組織起來形成兩種類型的數(shù)據(jù)基礎(chǔ),一種包含截面數(shù)據(jù)和不連續(xù)因子,另一種是細(xì)網(wǎng)結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)包含了堆芯計算中各種狀態(tài)參數(shù)或反饋參數(shù),最后形成一個多參數(shù)表格化的數(shù)據(jù)庫,提供給SMART程序使用。

2.2 堆芯模型化和分析程序SMART

SMART程序采用多維粗網(wǎng)先進(jìn)節(jié)塊法求解二群中子擴(kuò)散方程。通過燃料的微觀燃耗計算求解主要同位素的核密度,使用APOLLO2-F程序提供的多參數(shù)表格內(nèi)插出微觀截面,從而計算出宏觀擴(kuò)散參數(shù)。熱工水力反饋通過一個閉通道模型來分析,這個模型處理單相流和兩相流的變化特征。燃料熱物理計算有兩種模型:一種是通過內(nèi)插,另一種是直接求解熱擴(kuò)散方程。用組件中的逐棒分布和堆芯中宏觀形狀的疊加原理,確定逐棒功率和燃耗分布。SMART程序用于堆內(nèi)燃料管理計算、控制棒價值、反應(yīng)性系數(shù)和動力學(xué)參數(shù)等計算。

3 燃料組件錯裝載計算分析

基于SCIENCE V2程序建立了華龍一號的堆芯首循環(huán)裝載方案,并基于堆芯裝載的方案進(jìn)行了錯裝載事故的計算分析。

3.1 事故起因與事故描述

燃料管理的目的在于確定每一循環(huán)燃料組件在堆芯中的最佳布置。對于一個給定循環(huán)所要求裝載方案的主要準(zhǔn)則是基于使徑向功率峰因子Fxy最小,而堆芯裝載錯誤可能干擾預(yù)期的功率分布[10]。

燃料和堆芯裝載錯誤有:由一個或多個燃料組件置于錯誤位置引起；在制造過程中由一個或多個錯誤富集度芯塊制成的燃料棒,或整個燃料組件由錯誤的富集度芯塊制成。如果在堆內(nèi)某個位置錯放的燃料組件的富集度高于預(yù)期放置的燃料組件的富集度,那將引起此處熱通量的增加。在可能的錯裝載中也包括:對于初始堆芯需要可燃毒物棒而沒有裝載可燃毒物棒的情況。

燃料組件錯裝載能引起堆芯功率分布很大的變化。各種錯裝載將大大增加功率分布的峰值,但將被堆內(nèi)通量探測器測到。除通量測量以外,在全堆1/3的組件出口處安裝了熱電偶,這些熱電偶也能測出非正常值的冷卻劑焓升,完成每一個換料之后在啟動期間將進(jìn)行堆內(nèi)通量測量,但在堆芯裝載錯誤事故分析中不考慮熱電偶測量。

為了減少錯裝載概率,每個燃料組件都標(biāo)上了一個識別號,并且按照堆芯裝載圖進(jìn)行裝料。在裝料期間,每個組件移至堆芯之前都要檢查其識別號是否正確。在燃料組件移動后,其識別號被記錄在裝載圖上,以便在裝料完成后對裝料的正確性作進(jìn)一步的檢查。

3.2 計算方法及錯誤裝載方案

從理論上來說可能的錯裝載方案幾乎是無窮的。計算分析時不得不選擇有限的一些特定方案來進(jìn)行,這些特定情形應(yīng)該能夠用來評判堆芯監(jiān)測系統(tǒng)在測量錯裝載方案功率分布和發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致燃料損壞方案方面的總體能力[11]。這些方案應(yīng)包括各種范圍的反應(yīng)性擾動,從而可以代表各種范圍的功率分布擾動。

該事故分析只考慮兩個組件對調(diào)位置的情況,并且假設(shè)含控制棒組件與不含控制棒組件之間如果錯放,在布置上部堆內(nèi)構(gòu)件時將被發(fā)現(xiàn)。根據(jù)堆內(nèi)控制棒組的布置,布置控制棒的燃料組件有61個,未布置控制棒的燃料組件有116個。堆芯1/8對稱,考慮1/8堆芯內(nèi)燃料錯裝載的情況,1/8堆芯內(nèi)共有組件29個,可以分為如表1所示類型。

表1 1/8堆芯內(nèi)燃料組件類型Table 1 Fuel assembly types in 1/8 core

1/8堆芯內(nèi)燃料錯裝載方案可以分為兩種類型。

(1)不同富集度條件下,毒物棒數(shù)量相同的燃料組件錯裝載。此種錯裝載方案會引起有效增殖因素Keff和功率分布較大的變化,因此此種錯裝載方案主要考察堆芯功率分布的畸變能否被堆內(nèi)探測器檢測出來。選取的不同富集度燃料組件錯裝載方案如表2所示(其中富集度為2.4和3.1的燃料組件因分為含有和沒有控制棒的區(qū)別,根據(jù)上文的分析,不可能出現(xiàn)燃料組件錯裝載事故,此處不做分析)。

表2 不同富集度燃料組件錯裝載事故方案Table 2 Inadvertent loading cases within different enrichment fuel assemblies

(2)同種富集度下,毒物棒數(shù)量不同的燃料組件錯裝載。此種錯裝載方案,引起的Keff和堆芯功率分布較小,有可能不被堆內(nèi)探測器檢測,因此此種方案主要考察焓升因子FΔH是否超過設(shè)計限值。選取的同一富集度燃料組件錯裝載方案如表3所示。

表3 同一富集度燃料組件錯裝載事故方案Table 3 Inadvertent loading cases within same enrichment fuel assemblies

錯裝載方案的堆芯功率分布測量值由堆芯三維擴(kuò)散燃耗程序SMART進(jìn)行模擬。計算首先在滿功率、控制棒全提狀態(tài)下進(jìn)行,因?yàn)樵谠摖顟B(tài)下多普勒和慢化劑反饋效應(yīng)使功率分布更趨于平坦,降低測量到的不匹配,使錯裝載更難被發(fā)現(xiàn),從而使分析偏保守。對于每個錯裝載方案,只考察布置了探測器的44個燃料組件的相對功率。相對功率大于等于0.9的燃料組件的相對功率偏差大于5%,或者相對功率小于0.9的燃料組件的相對功率偏差大于8%,符合以上兩種條件之一者即認(rèn)為該方案能夠被發(fā)現(xiàn)。對于未被發(fā)現(xiàn)的錯裝載方案,再分析其FΔH是否超過設(shè)計限值。

3.3 計算結(jié)果

圖4給出了不同富集度下第一種燃料組件錯裝載的功率分布及其誤差,表4給出了所有計算方案探測器處最大功率相對誤差和Keff。

圖4 燃料組件錯裝載事故方案1計算結(jié)果Fig.4 Calculation results of inadvertent loading case 1

圖5給出了同種富集度下第一種燃料組件錯裝載的功率分布及其誤差。表5給出了第二種類型的燃料組件錯裝載事故下的FΔH值,從表5中可以看出,功率誤差小于±20%的方案D1-D6中,FΔH均小于1.6這一堆芯設(shè)計限值。

圖5 燃料組件錯裝載事故方案D1計算結(jié)果Fig.5 Calculation results of inadvertent loading case D1

表4 各布置方案探測器處最大功率誤差及堆芯KeffTable 4 The maximum power error among detectors and the core’s Keff

各種錯裝載方案中,大多數(shù)在做啟動物理試驗(yàn)的堆芯功率分布測量時能被發(fā)現(xiàn),重新檢查裝料方案并更正,即可排除事故；未被發(fā)現(xiàn)的錯裝載方案中,絕大多數(shù)的FΔH仍滿足設(shè)計限值,不影響核電廠的運(yùn)行安全；僅有個別的錯裝載方案,未被發(fā)現(xiàn)且FΔH超過設(shè)計限值,但在正常運(yùn)行工況下,滿足相應(yīng)的安全限制準(zhǔn)則,且安全裕量較大。

表5 同一富集度燃料錯裝載方案FΔH計算值Table 5 Calculated values of FΔH for each inadvertent loading case

即使存在某錯裝載方案,難以被發(fā)現(xiàn),且造成燃料包殼損壞,那么損壞的份額也非常小,泄漏的污染物的數(shù)量完全在化學(xué)和容積控制系統(tǒng)的凈化能力之內(nèi),不會影響核電廠的運(yùn)行。

4 結(jié)論

基于華龍一號的堆芯設(shè)計參數(shù),采用SCIENCE V2程序進(jìn)行了堆芯裝載方案的建模,同時計算分析了富集度相同的燃料組件、富集度不同的燃料組件兩種類型共計20個燃料錯裝載的方案。計算結(jié)果表明,華龍一號堆芯燃料管理設(shè)計的各種錯裝載方案中,大多數(shù)在做啟動物理試驗(yàn)的堆芯功率分布測量時能被發(fā)現(xiàn),重新檢查裝料方案并更正,即可排除事故；未被發(fā)現(xiàn)的錯裝載方案中,絕大多數(shù)的FΔH仍滿足設(shè)計限值,不影響核電廠的運(yùn)行安全；僅有個別的錯裝載方案,未被發(fā)現(xiàn)且FΔH超過設(shè)計限值,但在正常運(yùn)行工況下,滿足相應(yīng)的安全限制準(zhǔn)則,且安全裕量較大。