壓水堆核電廠燃料經(jīng)濟(jì)性提升方法研究

摘? 要：為提高壓水堆核電廠的燃料經(jīng)濟(jì)性，通過對核電廠堆芯特性進(jìn)行研究，確定采用釓棒軸向分區(qū)并提升釓芯塊內(nèi)U-235富集度的釓棒優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。分析表明，采用該技術(shù)可在保證安全性的前提下實(shí)現(xiàn)首循環(huán)的長周期低泄漏堆芯裝載，相對于長周期高泄漏堆芯裝載技術(shù)，該技術(shù)能為每臺機(jī)組減少約6 300萬元的首循環(huán)燃料費(fèi)，采用該技術(shù)的平衡循環(huán)能為每循環(huán)節(jié)省燃料費(fèi)約2 300萬元。

關(guān)鍵詞：燃料管理? ?首循環(huán)? ?平衡循環(huán)? ?軸向分區(qū)? ?經(jīng)濟(jì)性

中圖分類號：F27? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1672-3791（2021）07（c）-0060-03

Abstract： In order to improve the fuel economy of pressurized water reactor（PWR） nuclear power plant， through the study of the core characteristics of nuclear power plant， the gadolinium rod optimization design method of axial zoning of gadolinium rod and increasing the enrichment of U-235 in gadolinium pellet is determined. The analysis shows that this technology can realize the long-term low leakage core loading of the first cycle on the premise of ensuring safety. Compared with the long-term high leakage core loading technology， this technology can reduce the first cycle fuel cost of about 63 million yuan for each unit， and the balanced cycle with this technology can save about 23 million yuan for each cycle.

Key Words： Fuel management; First cycle; Balance cycle; Axial partition; Economy

壓水堆核電廠可采用年度換料、1/4換料、18個月?lián)Q料等不同的換料模式[1-3]，不同換料模式的經(jīng)濟(jì)性是不同的，需根據(jù)電廠需要選擇最為合適的換料模式。影響經(jīng)濟(jì)性的因素很多，如與卸料燃耗相關(guān)的燃料經(jīng)濟(jì)性、大修帶來的人工成本和發(fā)電量減少等?？傮w而言，目前國內(nèi)壓水堆核電廠普遍采用的18個月?lián)Q料模式是較為經(jīng)濟(jì)的一種換料模式[4-6]。該文基于國內(nèi)核電廠采用最多的18個月?lián)Q料模式，對燃料的經(jīng)濟(jì)性提升方法進(jìn)行了研究，針對初始投運(yùn)核電廠的首循環(huán)和已投運(yùn)核電廠的后續(xù)循環(huán)（主要是平衡循環(huán)）分別進(jìn)行了研究。

國內(nèi)二代核電廠平衡循環(huán)已基本采用18個月?lián)Q料模式[7]，但首循環(huán)仍普遍采用高泄漏年度換料。首循環(huán)長周期低泄漏堆芯裝載模式能提高機(jī)組的可用率和燃料經(jīng)濟(jì)性，減少作為工程費(fèi)用部分的燃料費(fèi)初始投入。采用釓棒軸向分區(qū)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)首循環(huán)長周期（18個月）低泄漏堆芯裝載，從而提升壓水堆機(jī)組的技術(shù)先進(jìn)性和燃料經(jīng)濟(jì)性。

對于國內(nèi)大量已處于平衡循環(huán)運(yùn)行的二代壓水堆核電機(jī)組和即將投運(yùn)的三代壓水堆核電機(jī)組而言，以國內(nèi)已具備的燃料組件軸向分區(qū)設(shè)計(jì)和制造能力為基礎(chǔ)，采用釓棒軸向分區(qū)并提升釓芯塊內(nèi)U-235富集度的釓棒優(yōu)化設(shè)計(jì)可以顯著提升堆芯的安全性和燃料的經(jīng)濟(jì)性。

壓水堆核電廠燃料經(jīng)濟(jì)性的優(yōu)化目標(biāo)是提高平衡循環(huán)的平均卸料燃耗，且在壽期末具備延伸運(yùn)行能力，提高堆芯的燃料經(jīng)濟(jì)性;實(shí)現(xiàn)首循環(huán)長周期低泄漏堆芯裝載，以降低首循環(huán)燃料費(fèi)初始投入。

1? 優(yōu)化方法

對于壓水堆機(jī)組普遍使用的活性區(qū)長度為365.76 cm的燃料組件，采用如下的釓棒軸向分區(qū)和釓芯塊內(nèi)U-235富集度提升的設(shè)計(jì)方案。

（1）釓棒軸向分區(qū)：含釓燃料棒軸向兩端各設(shè)置一定尺寸的不含釓鈾芯塊，并裝載與同一燃料組件鈾棒中相同的鈾芯塊。

（2）富集度提升：提升釓芯塊內(nèi)U-235富集度，可提高到與同一燃料組件鈾棒中鈾芯塊的U-235富集度相同。

針對首循環(huán)和平衡循環(huán)可分別采用不同的軸向分區(qū)方案[7-8]，如對稱或非對稱方案設(shè)計(jì)。由于首循環(huán)的堆芯特性與后續(xù)循環(huán)（包含平衡循環(huán)）差異較大，對于首循環(huán)需采用釓棒軸向分區(qū)的非對稱方案設(shè)計(jì)。對首循環(huán)含釓燃料棒進(jìn)行軸向分區(qū)時，可以在頂部設(shè)置更多的不含釓鈾芯塊，從而緩解首循環(huán)壽期初堆芯下部功率比上部功率大的問題。對于平衡循環(huán)，堆芯上部和下部軸向功率偏差不大，可采用軸向分區(qū)的對稱方案設(shè)計(jì)。釓棒優(yōu)化方案含釓組件中鈾棒和釓棒的軸向設(shè)計(jì)示意圖見圖1。

2? 優(yōu)化方案

通過對不同釓棒軸向分區(qū)設(shè)計(jì)和釓芯塊中的UO2富集度進(jìn)行研究，確定了一種平衡循環(huán)堆芯裝載經(jīng)濟(jì)性提升方案，其主要參數(shù)如下：換料新組件數(shù)為72組，換料組件富集度為4.45%;釓芯塊內(nèi)含8%的Gd2O3，釓芯塊內(nèi)U-235富集度為2.5%;釓棒采用軸向分區(qū)設(shè)計(jì)，釓棒兩端各22.86 cm裝載富集度4.45%的鈾芯塊;釓芯塊內(nèi)U-235富集度提升為4.45%。首循環(huán)堆芯裝載經(jīng)濟(jì)性提升方案的主要參數(shù)如下：堆芯含32組1.8%、73組2.4%和72組3.1%三種UO2富集度組件;2.4%組件中釓芯塊UO2富集度為2.4%，Gd2O3重量百分比為8%;3.1%組件中釓芯塊UO2富集度為3.1%，Gd2O3重量百分比為9%;2.4%和3.1%組件的釓棒頂部30.48 cm分別為2.4%和3.1%的鈾芯塊。

此方案并非最優(yōu)解，實(shí)際工程實(shí)施時，可在此方法基礎(chǔ)上開展進(jìn)一步的優(yōu)化研究，選擇更為合適的釓棒軸向分區(qū)和富集度提升方案。為便于比較，選取某國內(nèi)已商運(yùn)的含177組燃料組件的壓水堆核電廠作為經(jīng)濟(jì)性提升分析比較的基準(zhǔn)方案。

3? 計(jì)算結(jié)果及經(jīng)濟(jì)性分析

采用上述堆芯燃料經(jīng)濟(jì)性提升方案的計(jì)算結(jié)果顯示，在滿足循環(huán)長度、停堆裕量、卸料燃耗等堆芯燃料管理常規(guī)要求的前提下，采用釓棒軸向分區(qū)的技術(shù)對堆芯軸向功率分布有明顯的改善，采用釓芯塊內(nèi)U-235富集度提升的技術(shù)對堆芯徑向功率分布也有積極作用。軸向功率分布和徑向功率分布的改善對堆芯的安全性有較為重要的貢獻(xiàn)。

一方面，燃料經(jīng)濟(jì)性提升方法所采用的釓芯塊富集度與鈾芯塊富集度相同，減少了不同芯塊富集度的種類，有利于燃料的制造;另一方面，釓棒軸向分區(qū)會略微增加燃料組件制造流程的復(fù)雜性。在經(jīng)濟(jì)性分析中，可假設(shè)經(jīng)濟(jì)性提升方案采用的燃料制造價格與目前壓水堆核電廠所采用的燃料制造價格相同。

燃料經(jīng)濟(jì)性分析中采用的關(guān)鍵參數(shù)假設(shè)詳見表1。

表2給出了燃料經(jīng)濟(jì)性提升方案相對于基準(zhǔn)方案的平衡循環(huán)燃料費(fèi)用節(jié)省和首循環(huán)相對于基準(zhǔn)方案減少的燃料費(fèi)初始投入。

由表2可知，采用釓棒軸向分區(qū)和釓芯塊內(nèi)U-235富集度提升的燃料經(jīng)濟(jì)性提升方法可為機(jī)組每循環(huán)節(jié)省2 300萬元左右的燃料費(fèi);采用該方法可實(shí)現(xiàn)首循環(huán)長周期（18個月）低泄漏堆芯裝載，可減少首循環(huán)燃料費(fèi)初始投入約6 300萬元。表2中需要說明的是，6 300萬元為首循環(huán)節(jié)省的燃料費(fèi)初始投入，并非燃料費(fèi)節(jié)省。

4? 結(jié)語

該研究采用釓棒軸向分區(qū)和釓芯塊內(nèi)U-235富集度提升技術(shù)提高了壓水堆核電廠堆芯的燃料經(jīng)濟(jì)性。相比基準(zhǔn)方案，首循環(huán)和平衡循環(huán)的安全性均有了不同程度的提高，經(jīng)濟(jì)性有了較大幅度的提升。其中，平衡循環(huán)每循環(huán)能節(jié)省燃料費(fèi)約2 300萬元，即每臺機(jī)組、每18個月可以節(jié)省2 300萬元，可用于國內(nèi)大量的在運(yùn)壓水堆核電機(jī)組;首循環(huán)能為每臺機(jī)組減少約6 300萬元的燃料費(fèi)初始投入。堆芯設(shè)計(jì)要想有大的優(yōu)化，必須得從燃料的改進(jìn)著手。該文介紹的技術(shù)以國內(nèi)已具備的燃料組件軸向分區(qū)設(shè)計(jì)能力和制造能力為基礎(chǔ)，對含釓燃料棒進(jìn)行了改進(jìn)與創(chuàng)新，相較于事故容錯燃料（ATF）等先進(jìn)燃料技術(shù)現(xiàn)階段面臨的種種問題，該技術(shù)成熟度較高、設(shè)計(jì)改動較小，是一項(xiàng)安全、經(jīng)濟(jì)、可靠的燃料經(jīng)濟(jì)性提升措施。

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