AP1000核電廠靈活循環(huán)燃料管理策略研究及應(yīng)用

曹 泓，秦玉龍，王麗華，楊 波，王釋偉

(1.上海核工程研究設(shè)計院有限公司，上海 200233；2.山東核電有限公司，山東 煙臺 265116)

三門和海陽AP1000核電廠目前采用18個月?lián)Q料周期(固定換料組件數(shù))、低泄漏和高燃耗的堆芯燃料管理策略。根據(jù)當(dāng)前燃料管理策略，堆芯共有157組燃料組件，每循環(huán)換料組件數(shù)量均為64組，循環(huán)長度相對固定。在核電廠實際運行過程中，為了在用電高峰的夏季避免停堆大修，保障冬季用電高峰供電，增加兩臺機組大修間隔防止大修重疊等，通常需要電廠具有靈活的循環(huán)長度。雖然可采用壽期末延伸運行、提前停堆等方式調(diào)節(jié)循環(huán)長度，但這些措施會降低電廠負(fù)荷因子，導(dǎo)致燃料經(jīng)濟(jì)性下降，且不滿足冬季供暖或夏季用電高峰供電等場景的能量需求。傳統(tǒng)的18個月固定換料周期模式已經(jīng)難以滿足核電廠經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)的要求。

本文針對核電廠運行的實際需求，在18個月固定循環(huán)長度的基礎(chǔ)上，研究±1個月(17/19個月)和±2個月(16/20個月)的靈活循環(huán)燃料管理策略[1]，通過調(diào)整新燃料組件的數(shù)量，實現(xiàn)長短周期靈活運行[2-3]。本文研究的靈活循環(huán)燃料管理策略即將應(yīng)用于海陽核電廠，三門核電廠也計劃在后續(xù)循環(huán)中應(yīng)用。

1 設(shè)計目標(biāo)與設(shè)計程序

1.1 設(shè)計目標(biāo)和準(zhǔn)則

靈活循環(huán)燃料管理策略研究基于AP1000核電廠目前的堆芯裝載方案設(shè)計，從堆芯循環(huán)壽期和燃料經(jīng)濟(jì)性、安全性、運行靈活性等方面開展完整的論證分析，論證內(nèi)容包括靈活燃料循環(huán)換料堆芯方案布置、堆芯通用安全限值與燃料經(jīng)濟(jì)性評價、功率容量論證、反應(yīng)性事故包絡(luò)限值驗證以及其他可能受影響的方面。

本文研究的靈活循環(huán)堆芯裝載方案均基于AP1000核電廠目前的燃料設(shè)計[4]，且遵循核電廠目前使用的安全限值。表1列出AP1000核電廠堆芯裝載方案設(shè)計遵循的設(shè)計準(zhǔn)則。

表1 方案設(shè)計遵循的設(shè)計準(zhǔn)則Table 1 Loading pattern design criteria

1.2 設(shè)計程序

本文采用PARAGON/ANC程序?qū)Ω鞑呗缘亩研狙b載方案進(jìn)行計算分析。PARAGON程序是一個基于ENDF B/Ⅵ的70群基本核數(shù)據(jù)庫和兩維多群輸運理論的燃料組件能譜計算程序，用于計算燃料組件的均勻化核截面參數(shù)。ANC程序是建立在三維節(jié)塊展開方法(NEM)與精細(xì)功率重構(gòu)基礎(chǔ)上的堆芯計算程序，用于堆芯反應(yīng)性、反應(yīng)性系數(shù)、功率和燃耗分布等各種堆芯參數(shù)的計算[5]。

2 靈活循環(huán)燃料管理策略研究

靈活循環(huán)燃料管理策略研究的目的是為核電廠提供一種或多種合理的、安全的、經(jīng)濟(jì)的、靈活的換料策略，確定滿足各種要求的堆芯裝載方案?；贏P1000核電廠目前的堆芯設(shè)計，靈活循環(huán)采用整體型燃料可燃毒物(IFBA)展平堆芯功率分布，采用低泄漏裝載方式[6]以提高燃料利用率，并在滿足靈活換料循環(huán)長度和相關(guān)安全限值的前提下，根據(jù)需要對新燃料組件進(jìn)行分批[7-8]，以盡量提高燃料的利用率，進(jìn)而保證核電廠運行的經(jīng)濟(jì)性。

2.1 17/19個月靈活循環(huán)裝載方案

17個月?lián)Q料周期方案采用60組新燃料，由36組4.45%的Y1區(qū)與24組4.95%的Y2區(qū)組成，平衡循環(huán)的長度為476.2 EFPD，卸料燃耗為49 687 MW·d/tU；19個月?lián)Q料周期方案采用68組新燃料，由36組4.45%的Z1區(qū)與32組4.95%的Z2區(qū)組成，平衡循環(huán)的長度為535.5 EFPD，卸料燃耗為50 115 MW·d/tU。圖1示出17/19個月交替換料策略的平衡循環(huán)堆芯裝載圖。

2.2 16/20個月靈活循環(huán)裝載方案

16個月?lián)Q料周期方案采用56組新燃料，由32組4.30%的Y1區(qū)與24組4.75%的Y2區(qū)組成，平衡循環(huán)的長度為441.0 EFPD，卸料燃耗為49 910 MW·d/tU；20個月?lián)Q料周期方案采用72組新燃料，由36組4.80%的Z1區(qū)與36組4.95%的Z2區(qū)組成，平衡循環(huán)的長度為575.2 EFPD，卸料燃耗為50 532 MW·d/tU。圖2示出16/20個月交替換料策略的平衡循環(huán)堆芯裝載圖。

3 方案評價

3.1 安全限值要求

表2列出各換料策略的平衡循環(huán)堆芯裝載方案的評價結(jié)果。由表2可見，各方案的核焓升熱管因子最大值不高于1.617，總功率峰因子最大值不高于1.977，慢化劑溫度系數(shù)均不為正，壽期末停堆裕量大于1 600 pcm，最大棒燃耗為59 927 MW·d/tU，均滿足相關(guān)設(shè)計準(zhǔn)則。

表2 不同靈活循環(huán)燃料管理策略平衡循環(huán)安全限值要求的評價結(jié)果Table 2 Evaluation on safety-related limit for equilibrium-cycle of each strategy

3.2 燃料循環(huán)經(jīng)濟(jì)性分析

核電廠經(jīng)濟(jì)性分析是復(fù)雜的多變量問題，鈾礦價格、燃料轉(zhuǎn)化富集制造成本價格等存在較大不確定性，堆芯燃料管理則主要關(guān)心核燃料利用，而鈾礦、分離功占燃料循環(huán)成本80%以上，故本文暫以燃料分離功、天然鈾需求量對各方案進(jìn)行燃料循環(huán)經(jīng)濟(jì)性初步分析，采用單位能量輸出天然鈾需求量表征核燃料利用率[9-10]。天然鈾富集度為0.711%，尾料富集度假設(shè)為0.250%，采用濃縮廠的物質(zhì)平衡方程計算新料分離功和天然鈾需求量，結(jié)果列于表3。由表3可見，17/19個月和16/20個月兩套靈活循環(huán)換料策略與18個月?lián)Q料策略的單位能量輸出新料分離功和天然鈾需求量相當(dāng)，即兩套靈活循環(huán)燃料管理策略在實現(xiàn)了不同換料周期靈活運行的基礎(chǔ)上，與現(xiàn)役壓水堆的燃料經(jīng)濟(jì)性相比，具有明顯的優(yōu)勢，燃料經(jīng)濟(jì)性較好。

a——16個月；b——20個月圖2 16/20個月交替換料策略平衡循環(huán)堆芯裝載圖Fig.2 Equilibrium-cycle loading pattern of 16/20 months duplex refueling strategy

a——17個月；b——19個月圖1 17/19個月交替換料策略平衡循環(huán)堆芯裝載圖Fig.1 Equilibrium-cycle loading pattern of 17/19 months duplex refueling strategy

表3 不同靈活循環(huán)燃料管理策略平衡循環(huán)方案燃料利用率評價Table 3 Evaluation on fuel utilization for equilibrium-cycle of each strategy

3.3 安全分析

為進(jìn)一步研究靈活循環(huán)燃料管理策略的安全性，對各換料策略開展了完整的安全分析。

1) 針對通用關(guān)鍵安全參數(shù)(包括慢化劑溫度系數(shù)、多普勒系數(shù)、停堆反應(yīng)性等)開展了計算分析，靈活循環(huán)燃料管理策略不會突破通用關(guān)鍵安全參數(shù)。開展了功率容量論證分析，圖3示出滿足所有正常運行和運行瞬態(tài)(工況Ⅰ)要求的可接受的常軸向偏移控制(CAOC)運行帶。反應(yīng)堆功率分布驗證分析結(jié)果表明，堆芯運行滿足各種安全要求并可保持運行靈活性。

圖3 滿足工況Ⅰ要求的可接受的CAOC運行帶Fig.3 Acceptable CAOC band for meeting requirement of conditionⅠ

2) 針對反應(yīng)性事故開展了計算分析。分析表明，除硼稀釋事故外，其他反應(yīng)性事故均不會突破安全分析限值。針對硼稀釋事故重新開展事故分析，確定適用于靈活循環(huán)燃料管理策略的安全分析限值。針對反應(yīng)性事故以外的其他事故也開展了計算分析。圖4示出落棒事故分析結(jié)果，分析表明這類事故不會突破安全分析限值。

a——灰棒控制組件(GRCA)；b——黑棒控制組件(RCCA)圖4 落棒后與落棒價值的關(guān)系 after rod dropping vs drop rod worth

3) 對源項設(shè)計及放射性屏蔽計算開展了分析評估，18個月?lián)Q料周期方案的堆芯放射性積存量、設(shè)計基準(zhǔn)反應(yīng)堆冷卻劑源項、排放源項、屏蔽設(shè)計設(shè)備源項等源項分析結(jié)果具有足夠的保守性，可以包絡(luò)靈活換料設(shè)計方案所帶來的影響。靈活循環(huán)燃料管理策略導(dǎo)致的堆芯功率分布變化在10%以內(nèi)，仍在18個月?lián)Q料周期方案分析所采用的包絡(luò)性功率分布范圍內(nèi)，不影響18個月?lián)Q料周期方案的一次屏蔽[11]設(shè)計結(jié)果。

4) 對系統(tǒng)進(jìn)行了評價和論證。評估了一回路水化學(xué)影響、三廢處理系統(tǒng)能力、衰變熱分析、系統(tǒng)能力和屏蔽設(shè)計、失水事故后硼結(jié)晶等，靈活循環(huán)燃料管理策略不影響18個月?lián)Q料周期方案設(shè)計結(jié)論；且小幅度的靈活循環(huán)燃料管理策略的變化，不影響技術(shù)規(guī)格書中各項定期試驗的執(zhí)行。

4 總結(jié)

本文針對AP1000核電廠開展靈活循環(huán)燃料管理策略的研究，在18個月固定循環(huán)長度的基礎(chǔ)上，設(shè)計了±1個月和±2個月的長短周期堆芯裝載方案，完成方案的安全性限值與燃料經(jīng)濟(jì)性評價，開展了完整的安全分析，堆芯設(shè)計滿足安全相關(guān)驗收準(zhǔn)則的要求。本文的研究論證了AP1000核電廠靈活循環(huán)燃料管理策略的安全性和可行性，為AP1000核電廠實現(xiàn)靈活循環(huán)周期的運行方式奠定了基礎(chǔ)。

根據(jù)海陽核電廠的生產(chǎn)計劃，即將于1號機組第3循環(huán)實施靈活循環(huán)燃料管理策略。三門核電廠也計劃在后續(xù)循環(huán)中應(yīng)用靈活循環(huán)燃料管理策略。