采用TVS-2006組件的VVER-1200堆芯燃料管理

徐 敏，郭治鵬，張浩然，易 璇，霍小東

(中國核電工程有限公司，北京 100840)

俄羅斯推出VVER-1200新堆型，采用先進(jìn)的TVS-2006組件。國內(nèi)的VVER-1000堆型，均使用的組件類型為TVS-2 M。相比TVS-2 M，TVS-2006型的燃料棒長度更長，芯塊外徑增加，并取消了中心孔。通過上述的改進(jìn)，燃料裝載量更多，可以提供更高的堆芯反應(yīng)性，為堆芯升功率提供了保障。

據(jù)了解，TVS-2006組件已在俄方的多項(xiàng)驗(yàn)證試驗(yàn)中取得了滿意的結(jié)果，包括機(jī)械強(qiáng)度試驗(yàn)、高熱試驗(yàn)、強(qiáng)震試驗(yàn)、長周期運(yùn)行模擬試驗(yàn)等。俄羅斯本國的加利林和特美林核電廠，已有一定的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，并且計(jì)劃在捷克的正在建造的VVER-1200堆型上使用。

在國內(nèi)長周期堆芯的論證中，運(yùn)營單位對(duì)平衡循環(huán)長度提出了更高的要求，目標(biāo)調(diào)整為510 EFPD。因此，對(duì)VVER-1200堆型開展燃料管理研究，是具有重要意義和實(shí)際工程應(yīng)用價(jià)值的。

1 計(jì)算程序簡介

VVER堆型設(shè)計(jì)采用相匹配的堆芯計(jì)算程序包KASKAD。KASKAD程序包是由俄羅斯庫爾恰多夫研究院開發(fā)的，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，堆芯裝在優(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，熱工耦合程序TEPRO等[1]。

2 應(yīng)用TVS-2006組件

2.1 設(shè)計(jì)準(zhǔn)則和目標(biāo)

為保證核電廠的安全性，堆芯核設(shè)計(jì)必須滿足下列設(shè)計(jì)準(zhǔn)則和目標(biāo)：

(1)焓升因子Kr≤ 1.6；

(2)燃料棒線功率密度≤420 W/cm

(3)含釓燃料棒線功率密度≤360 W/cm

(4)壽期初、熱態(tài)零功率、零氙、控制棒全提出時(shí)的慢化劑溫度系數(shù)≤0 pcm/℃；

(5)卡一束最大價(jià)值棒的情況下，堆芯重返臨界溫度不大于120 ℃；

(6)平衡循環(huán)壽期長度約510 EFPD；

(7)組件的最大比燃耗≤60 GWd/tU；

(8)平衡循環(huán)實(shí)現(xiàn)低泄漏堆芯裝載[2]。

2.2 堆芯描述

本文的燃料管理方案是應(yīng)用在VVER-1200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375 cm[4]。表1給出了堆芯的總體參數(shù)，并與VVER-1000的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行比較，可以看出功率提升了6.7%。

表1 堆芯總體參數(shù)Table 1 Core parameter

TVS-2006型組件包括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[2]。

2.3 組件設(shè)計(jì)

表2給出了本文的長周期換料方案中平衡循環(huán)使用到的燃料組件種類，雖然這些組件的名稱與VVER-1000中使用的TVS-2 M組件一樣，但是TVS-2006的燃料芯塊、組件幾何尺寸等是不一樣的，需要使用組件計(jì)算程序TVS-M，根據(jù)VVER-1200的運(yùn)行參數(shù)和組件參數(shù)，重新建模，建立KASKAD程序包的常數(shù)庫。圖1至圖2給出了平衡循環(huán)使用到的部分燃料組件結(jié)構(gòu)圖示例[2]，其中U40Y4、U44Z4、U49Z4結(jié)構(gòu)圖相同，即含釓棒的參數(shù)一樣，但燃料棒的富集度是不一樣的；U4930是作者自行研究和設(shè)計(jì)出的，結(jié)構(gòu)圖不在本文中給出。

表2 組件類型描述Table 2 Description of FA types

圖1 U49G6型燃料組件結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of fuel bundle in FA of type U49G6

圖2 U40Y4、U44Z4、U49Z4型燃料組件結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure of fuel bundle in FA of type U40Y4,U44Z4,U49Z4

2.4 堆芯燃料管理

本文給出4個(gè)燃料管理方案，方案1是VVER-1000長周期的基準(zhǔn)方案(平衡循環(huán)約510EFPD)；方案2至方案4為VVER-1200的研究方案；方案2是參照基準(zhǔn)方案使用TVS-2006組件替代TVS-2 M組件；方案3是調(diào)整方案2的堆芯裝載，提高燃料富集度，實(shí)現(xiàn)更長的壽期目標(biāo)(平衡循環(huán)約510EFPD)；方案4是在實(shí)現(xiàn)方案3相同的壽期目標(biāo)前提下(平衡循環(huán)約510EFPD)，優(yōu)化堆芯裝載，減少換料組件數(shù)目，具有更好的經(jīng)濟(jì)性。

平衡循環(huán)裝載是核電廠壽命內(nèi)機(jī)組運(yùn)行時(shí)間最長的堆芯裝載，直接反映堆芯的運(yùn)行安全性和經(jīng)濟(jì)性，因而，本文中將各方案的平衡循環(huán)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較并分析，不給出首循環(huán)和過渡循環(huán)的信息。圖3～圖6是各方案的平衡循環(huán)裝載圖。

基準(zhǔn)方案1使用TVS-2 M組件，平衡循環(huán)裝載了多種不同富集度的燃料組件，在堆芯功率展平的同時(shí)，高富集度的燃料組件可以達(dá)到非常深的燃耗。換料組件數(shù)目為72，即采用了更多的新料組件來提供堆芯的反應(yīng)性。圖3是基準(zhǔn)方案1的平衡循環(huán)裝載圖。

圖3 基準(zhǔn)方案1的平衡循環(huán)裝載圖(1/6區(qū)域)Fig.3 Cartogram of the equilibrium fuel loading of base case (1/6 sector)

方案2使用TVS-2006組件，平衡循環(huán)裝載是參照基準(zhǔn)方案1不做改變，是為了更容易看出使用TVS-2006組件的效果。方案3是對(duì)方案2的堆芯裝載進(jìn)行了調(diào)整，使用了2種富集度的燃料組件，新料組件數(shù)目仍為72。圖4和圖5分別是方案2和方案3的平衡循環(huán)裝載圖。

圖4 方案2的平衡循環(huán)裝載圖(1/6區(qū)域)Fig.4 Cartogram of the equilibrium fuel loading of case 2 (1/6 sector)

圖5 方案3的平衡循環(huán)裝載圖(1/6區(qū)域)Fig.5 Cartogram of the equilibrium fuel loading of case 3 (1/6 sector)

方案4是在前面方案的計(jì)算結(jié)果上，進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，只采用1種富集度的燃料組件，燃料富集度比較高，換料組件數(shù)目為66，即減少了新料組件數(shù)目。中心組件每兩個(gè)循環(huán)換一組新料U49Z4，可以增加中心組件壽期末的燃耗裕量，因而可以進(jìn)行縮短或延伸運(yùn)行，具有很好的機(jī)動(dòng)性。圖6是方案4的平衡循環(huán)裝載圖。

圖6 方案4的平衡循環(huán)裝載圖(1/6區(qū)域)Fig.6 Cartogram of the equilibrium fuel loading of case 4 (1/6 sector)

3 計(jì)算結(jié)果

3.1 首循環(huán)至平衡循環(huán)

各循環(huán)的燃耗計(jì)算是在堆芯滿功率(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)、ARO、壽期初(BOL)[3]。VVER堆型機(jī)組的堆芯停堆裕量可以用重返臨界溫度來描述：除了最大反應(yīng)性價(jià)值的一束控制棒完全卡死在堆芯外，其余控制棒插入堆芯，堆芯硼濃度和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。

表3給出了各方案的平衡循環(huán)主要計(jì)算結(jié)果，并進(jìn)行比較分析。各方案的安全參數(shù)滿足設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，平衡循環(huán)的壽期長度均大于480 EFPD。

表3 各方案的平衡循環(huán)主要計(jì)算結(jié)果Table 3 Primary calculation results of each case equilibrium fuel loading

3.2 計(jì)算結(jié)果分析

從表3中可以看出，方案4的慢化劑溫度系數(shù)為負(fù)數(shù)，不僅滿足安全性的設(shè)計(jì)要求，而且相比其他方案，絕對(duì)值變小了，但該數(shù)值仍能提供足夠的運(yùn)行靈活性。表3中還給出了各方案的年平均發(fā)電量。方案2與基準(zhǔn)方案1相比，雖然由于功率的提升，使得壽期長度有所縮短，但使用TVS-2006組件后，堆芯總的燃料裝載量增加了，最終可使得機(jī)組的年平均發(fā)電量增加了2.7%；方案3與基準(zhǔn)方案1相比，壽期長度很接近，機(jī)組的年平均發(fā)電量增加了6.4%。雖然方案3相比基準(zhǔn)方案1和方案2，提高了燃料富集度，導(dǎo)致燃料組件的購買費(fèi)用有所增加，但是據(jù)市場調(diào)研，燃料組件的價(jià)格并不是與富集度呈線性關(guān)系，價(jià)格的增長不明顯，和增加的發(fā)電收入相比，增加的燃料費(fèi)用可忽略不計(jì)。

據(jù)市場調(diào)研，一批燃料組件的總價(jià)格與數(shù)量有明顯的線性關(guān)系，也就是說燃料組件數(shù)目對(duì)總價(jià)格的貢獻(xiàn)很大。方案4在基本保持年平均發(fā)電量的前提下，進(jìn)一步減少了換料組件數(shù)目，大大降低了燃料購買費(fèi)用。并且采用單一富集度的燃料組件，可以減少燃料制造的困難，可以增加燃料制造的效率，從而可以減少燃料的制造成本。

4 總結(jié)

本文使用KASKAD程序包，對(duì)VVER堆芯采用TVS-2006燃料組件的燃料管理進(jìn)行了研究和設(shè)計(jì)，堆芯運(yùn)行功率提升到3 200 MW，給出了多種滿足電站不同壽期需求的方案。每個(gè)方案都采用了部分低泄漏的裝置方式，堆芯主要安全特性參數(shù)都滿足設(shè)計(jì)準(zhǔn)則和目標(biāo)。方案4是本文的推薦方案，具有很好的運(yùn)行機(jī)動(dòng)性，也具有相當(dāng)好的經(jīng)濟(jì)性。方案4采用單一富集度的燃料組件，能滿足運(yùn)營單位對(duì)長周期壽期更高的要求。該研究成果可以減少燃料的購買費(fèi)用，年平均發(fā)電量可超出360億kWh，可使得機(jī)組擁有豐厚的經(jīng)濟(jì)效益。