AP1000堆芯核設計中一個應當注意的問題

李海鈺，胡　雨，趙華陽（中電投電力工程有限公司設計咨詢分公司，上?！?00233）

?

AP1000堆芯核設計中一個應當注意的問題

李海鈺，胡雨，趙華陽
（中電投電力工程有限公司設計咨詢分公司，上海200233）

摘要：AP1000核電廠作為我國引進的第三代核電技術已在我國多地開建，其設計中的很多先進技術與理念也成為核電行業(yè)學習研究的方向之一。但由于諸多原因，其他非承轉單位在對AP1000設計的研究與學習過程中，會遇到一些與以往不同的問題，往往會引起技術消化困難。本文通過對AP1000堆芯核設計的審查，發(fā)現(xiàn)了一個功率分布畸變的問題，通過校算與研討分析，給出了AP1000堆芯核設計報告中硼降曲線與堆芯功率分布計算工況的非常規(guī)處理方式。

關鍵詞：AP1000；堆芯；核設計；功率分布

在對某AP1000核電項目初步設計文件［1］審查時，我們對該設計中所提供的堆芯核設計報告進行了初步校算［2，3］。校算表明，在熱態(tài)滿功率（Hot Full Power，簡稱HFP）、無棒（All Rods Out，簡稱ARO）、平衡氙條件下，一組控制棒組所在位置組件功率出現(xiàn)超規(guī)定容許的精度偏差；此外，對比美國西屋公司同堆芯的參考計算結果發(fā)現(xiàn)［4-6］，該組控制棒價值與另一組控制棒價值明顯高估，不符合安全設計要求。下面介紹校算情況、功率分布和控制棒價值的比較結果及結論。

1　校算說明

1.1校算軟件

本次審查使用西屋公司開發(fā)的核設計APA程序包進行校算。主要使用該程序包中的ALPAH、PHOENIX和ANC三個主要程序。其中PHOENIX程序是一個兩維多群輸運理論計算程序［7］，主要用于生成作為燃耗函數(shù)的少群常數(shù)。ANC則是一個堆芯三維節(jié)塊展開法計算程序，計算正常工況及偏離正常工況的條件下核反應堆反應性及組件中的中子通量分布。ALPHA程序是一個組件和堆芯計算數(shù)據(jù)接口處理程序。堆芯計算邏輯圖如圖1所示。

圖1　APA程序包堆芯計算邏輯框圖Fig.1 Logic block diagram of the APA calculation

計算時，將燃料組件數(shù)據(jù)輸入ALPHA程序，該程序自動調(diào)用PHOENIX程序進行燃料組件擴散參數(shù)計算，并生成PHOENIX數(shù)據(jù)庫；之后，ALPHA程序會讀取PHOENIX數(shù)據(jù)庫，并生成ANC程序的基礎輸入文件；在該輸入文件基礎中完善堆芯布置信息，便可得到完整的ANC堆芯計算輸入文件［8-10］。ALPHA程序會自動調(diào)用ANC進行三維堆芯計算。

1.2校算堆芯

設計報告所給出堆芯布置如圖2所示。

圖2　設計報告中的堆芯布置圖Fig.2 Core arrangement in the design report

該堆芯采用A、B、C、D和E五批燃料布置，各批燃料的平均富集度分別為0.74%、1.58%、3.05%、3.72%和4.27%。燃料組件數(shù)分別為16盒、49盒、28盒、36盒和28盒。其中A、B批燃料組件（A_00、B_00）的富集度分別為0.74%、1.58%。C批燃料組件（C_00）含有兩種富集度，燃料中間段為3.20%，兩端柱狀軸向再生區(qū)為1.58%。D批燃料組件（D_68_12）燃料中間段含3.40%、3.80%和4.20%三種富集度，含整體燃料可燃毒物（Integral Fuel Burnable Abserber，簡稱IFBA）的燃料棒兩端軸向再生區(qū)為管狀，其富集度為3.20%，不含整體燃料可燃毒物的燃料棒兩端軸向再生區(qū)為柱狀，其富集度為3.20%。E批組件共有三種不同類型（子批），分別為E_88_4、E_124和E_124_8，各批燃料中間段均采用4.00%、4.40%和4.80%三種富集度，同D批燃料組件一樣，含整體燃料可燃毒物的燃料棒兩端軸向再生區(qū)為管狀，其富集度為3.20%，不含IFBA的燃料棒兩端軸向再生區(qū)為柱狀，其富集度為3.20%。通水環(huán)狀可燃毒物（Wet Annular Burnable Abserber，簡稱WABA）有三種長度，黑體控制棒吸收體是銀銦鎘合金，灰體控制棒吸收體是鎢。

2　校算結果及分析

2.1校算結果

經(jīng)建模計算后得出，壽期末（臨界硼濃度達到10 ppm時）的燃耗深度為17 825 MWd·tU-1，設計值的燃耗深度為18 078 MWd·tU-1，折算成臨界硼濃度二者大約相差22 ppm，在程序包精度范圍±50ppm以內(nèi)。

設計數(shù)據(jù)中壽期初（Beginning of Life，簡稱BOL）、壽期中（Middle of Life，簡稱MOL）和壽期末（Ending of Life，簡稱EOL）分別對應的堆芯平均燃耗深度是150、9 017和18 078 MWd·tU-1。摘取校算數(shù)據(jù)中對應相同燃耗深度的堆芯組件功率分布進行對比分析。為了客觀，采用相同堆芯布置的西屋公司的壓水堆參考設計作為標準進行比較，需要注意的是西屋的參考數(shù)據(jù)中未標明燃耗深度，但西屋公司標準壽期初平衡氙對應的燃耗深度是150 MWd·tU-1。壽期中和壽期末的燃耗深度可能略有差別，僅供參考。圖3、4、5分別是3個壽期點的西屋參考數(shù)據(jù)［2，8］、設計數(shù)據(jù)［3-6］以及校算所得數(shù)據(jù)的堆芯功率分布。

注：數(shù)據(jù)第一行為西屋數(shù)據(jù)、第二行為核算數(shù)據(jù)，第三行為設計數(shù)據(jù)。

2.2結果分析

如圖4所示，我們以西屋數(shù)據(jù)為參考值，分別計算校算數(shù)據(jù)與設計數(shù)據(jù)的相對誤差，對堆芯功率分布數(shù)據(jù)進行了處理，。通過比較易得，校算值與參考值的對比結果比設計值與參考值的對比結果的符合程度更高。以圖4所示的壽期初數(shù)據(jù)為例，設計值有31個功率誤差≥1%的組件，誤差排行依次為-12.1%、-2.8%、-2.5%；而校算值只有12個，誤差排行依次為-1.5%、-1.3%、1.0%。

圖4　壽期初堆芯功率分布比較Fig.4 Comparison of Power Distribution of BOL

圖5　壽期中堆芯功率分布Fig.5 Core power distribution in MOL

分析發(fā)現(xiàn)，設計數(shù)據(jù)中的B類組件F10的功率明顯偏低畸變。以壽期初為例，設計值B 類F10組件的功率0.869比周邊B組件E09、G09、E11、G11的功率低了10%左右。設計值相比參考值高達-12.1%的誤差也大大超過程序包所允許的5%的誤差范圍，而參考數(shù)據(jù)與校算數(shù)據(jù)中卻并未出現(xiàn)此類現(xiàn)象。此外，與F10相鄰的4個D類組件E10、F9、G10、F11的功率分布誤差均也超過-2.5%，這點顯然極不合理。

圖6　壽期末堆芯功率分布Fig.6 Core power distribution in EOL

由于APA程序包中有專門的繪圖程序ANCSUM和CORPIX，用來生成組件相對功率和燃耗深度分布圖，不需人工抄寫。而該項目的設計單位作為我國最先進的核電設計院，應該不會出現(xiàn)編寫設計報告時填寫數(shù)據(jù)有錯等低級錯誤。此現(xiàn)象的出現(xiàn)應該另有原因。

由于此現(xiàn)象與APA程序包計算控制棒價值時所出現(xiàn)的功率分布有相似之處，因此我們對該設計報告中給出的堆芯功率分布按有棒工況進行了分析。該設計報告在“堆芯燃耗”部分指出AP1000采用MSHIM運行模式，“在MSHIM運行模式下，控制棒將長期插入堆芯，反應性補償主要由控制棒自動完成，因此反應堆中軸向和徑向的功率分布也將隨控制棒的運動而發(fā)生改變”［11］。報告中提到了“基本負荷MSHIM”與“簡化的MSHIM”兩種模型，下面分別進行分析。

設計報告給出了首循環(huán)中詳細的基本負荷MSHIM運行模擬結果，如圖7所示。可以看出，在該運行模式下，從壽期初到壽期末的整個運行過程中，（MA+MB）和（MD+MC）雙棒組是輪流插入堆芯的，而且控制棒一直可以插到堆底。但按照報告給出的功率分布（圖3、4、5）［12，13］，卻只有MA控制棒所在的組件的功率有了低畸變，而MB棒所在組件位置并未出現(xiàn)畸低現(xiàn)象。因此，報告所給出的功率分布應該不是基本負荷MSHIM運行條件下的功率分布。

圖7　設計報告中的首循環(huán)基本負荷MSHIM運行計算結果Fig.7 Calculation of the first cycle of the basic load MSHIM in the report

該核設計報告還介紹了“最佳估算的簡化MSHIM模型（Best MSHIM模型）”。按該設計院所提供的核設計報告中的“最佳估算的簡化MSHIM模型”，先導棒組插至90步，每燃耗1 000 MWd·tU-1進行一次M棒組序列交換，并燃耗到壽期末。但遺憾的是該報告并未說明“先導棒組”是哪個棒組，亦未說明“系列交換”的是哪個棒組。對照圖4、圖5給出的計算誤差，發(fā)現(xiàn)在壽期中和壽期末的功率分布誤差中，MA棒組所在組件F10功率呈較大負誤差，說明該組件很可能有控制棒插入。而MD棒組所在組件F8和H10的功率有較大正誤差，說明該組件很可能曾在控制棒插入的條件下燃耗過較長時間，但在計算功率分布時控制棒已經(jīng)提出去了。這是由于當有控制棒插入時，組件功率會被壓低，從而導致燃料消耗少，剩余反應性比較大，之后當控制棒提出后，該組件的功率就會比較高。因此，分析設計數(shù)據(jù)的誤差可知：該設計院給出的功率分布［3，14］并非像我們過去所理解的常規(guī)的熱態(tài)滿功率、無棒狀態(tài)下的功率分布，而是“最佳估算的簡化MSHIM模型（Best MSHIM模型）”下計算所得，在此模型下運行時，MA和MD棒組將每隔1 000 MWd·tU-1輪流插入堆芯，故而導致了報告中出現(xiàn)功率分布較常規(guī)情況有所畸變的現(xiàn)象。

3　結語

該分析結果在后來我們與設計院的專題溝通中得到了證明。

目前，幾乎國內(nèi)所有核電廠的核設計報告以及安全分析報告（包括西屋公司所提供的經(jīng)美國核管會（Nuclear Regulatory Commission，簡稱NRC）批準的AP1000 DCD19文件以及安全分析報告）中，所提供的硼降曲線和功率分布均為同一工況下計算所得［15］，即熱態(tài)滿功率、無棒堆芯的硼降曲線和功率分布。但縱觀整個國內(nèi)的AP1000核電廠的堆芯核設計報告，其硼降曲線與功率分布卻大都并非為同一工況下計算所得［15］，即功率分布為“最佳估算簡化MSHIM模型（Best MSHIM模型）”下計算所得，而硼降曲線（圖7）是“基本負荷MSHIM”運行模式下計算得到的。這些堆芯核設計報告中的堆芯功率分布都不是常規(guī)的熱態(tài)滿功率的無棒堆芯功率分布，而且，此類報告中也并未在其所提供的堆芯燃耗深度和功率分布圖的說明中對堆芯的插棒情況作任何明確說明。

這種非常規(guī)的堆芯核設計報告撰寫方式，可能會給AP1000核電設計的研習與審查造成一定的困惑與干擾。

參考文獻

［1］施建峰.堆芯核設計報告［R］.上海：上海核工程研究設計院，2013.

［2］李海鈺. AP1000堆芯核設計校算［R］.上海：中電投電力工程有限公司，2012.

［3］姚增華.海陽3、4號機組堆芯核設計校算報告［R］.上海：中電投電力工程有限公司，2014.

［4］李海鈺.海陽核電3、4號機組核設計分析報告［R］.上海：中電投電力工程有限公司，2014.

［5］姚增華，李海鈺.海陽核電3、4號機組初步設計堆芯核設計審查意見［R］.上海：中電投電力工程有限公司，2014.

［6］姚增華，李海鈺.海陽核電3、4號機組初步設計燃料管理報告審查意見［R］.上海：中電投電力工程有限公司，2014.

［7］姚增華.彭澤核電1、2號機組初步設計堆芯核設計審查意見［R］.上海：中電投電力工程有限公司，2012.

［8］施建峰. HYS-GX-F1-001，Rev. B堆芯燃料管理報告［R］.上海：上海核工程研究設計院，2012.

［9］葉青，于悅海. HYS-GX-F4-001，Rev.A核設計報告［R］.上海：上海核工程研究設計院，2010.

［10］Y. S. Liu，A. Meliksetian. ANC-A Multi-Dimensional Neutronic Advanced Nodal Code［R］.U.S.A：Westinghous Company，December 1986.

［11］張弛，劉宇，龐宗柱，等.核電廠標準設計審查的初步研究［J］.核安全，2015，14（1）：71-77.

［12］黃萍.同行評估在我國核電行業(yè)的應用與發(fā)展［J］.核安全，2014，13（2）：16-22.

［13］朱立新，劉宇，馬明俊.內(nèi)陸核電廠發(fā)展狀況與安全監(jiān)管探討［J］.核安全，2011（3）：9-14.

［14］孫國臣，陳睿，張增慶.西屋壓水堆運行技術規(guī)格書幾項修改的跟蹤與探討［J］.核安全，2011（3）：60-64.

［15］陳睿，肖志，曹健，等.核電廠堆芯物理試驗功率虧損和功率系數(shù)項目的探討［J］.核安全，2011（2）：25-29.

中圖分類號：TL48

文章標志碼：A

文章編號：1672-5360（2016）01-0090-05

收稿日期：2015-11-16修回日期：2016-01-03

基金項目：國家科技重大專項項目，項目編號No.2014ZX06004-003

作者簡介：李海鈺（1983—），男，陜西寶雞人，工程師，主要從事堆芯核設計及燃料管理工作