華龍一號(hào)負(fù)荷跟蹤策略模擬研究

王晨琳 李天涯 劉同先 王冬勇 劉 琨

（中國核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院核反應(yīng)堆系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610041）

0 前言

華龍一號(hào)百萬千瓦級(jí)核電廠采用MODE-G運(yùn)行模式，支持進(jìn)行基負(fù)荷運(yùn)行、日負(fù)荷跟蹤運(yùn)行。

負(fù)荷跟蹤運(yùn)行是壓水堆核電廠應(yīng)對電網(wǎng)負(fù)荷變化、參與調(diào)峰的主要方式。負(fù)荷跟蹤策略可用如下形式來表達(dá)：12-3-6-3（100-50-100），即維持在100%FP的時(shí)長為12小時(shí)，維持在50%FP的時(shí)長為6小時(shí)，高低功率平臺(tái)間轉(zhuǎn)換的時(shí)長為3小時(shí)（見圖1）。核電廠實(shí)際執(zhí)行的負(fù)荷跟蹤策略主要受兩方面因素共同影響而決定：（1）所在電網(wǎng)總用電負(fù)荷變化曲線；（2）該地區(qū)發(fā)電機(jī)組容量、能源類型、發(fā)電成本等因素。也即核電廠實(shí)際執(zhí)行的負(fù)荷跟蹤策略可能根據(jù)所在地域、季節(jié)、節(jié)假日不同而顯著不同，如低功率平臺(tái)值不同、降功率或升功率的速率不同、在低功率平臺(tái)所持續(xù)的時(shí)間不同。

圖1 負(fù)荷跟蹤策略示意

不同負(fù)荷跟蹤策略下堆芯的特性也存在不同。為保證設(shè)計(jì)安全，有必要針對不同負(fù)荷跟蹤策略進(jìn)行模擬分析。而實(shí)際運(yùn)行過程中負(fù)荷跟蹤策略的多樣性也使得逐一進(jìn)行模擬變得不現(xiàn)實(shí)。

針對此情況，本文基于華龍一號(hào)核電廠進(jìn)行不同負(fù)荷跟蹤策略下堆芯特性模擬分析，并給出設(shè)計(jì)中的負(fù)荷跟蹤策略分析建議。

1 模擬說明

1.1 MODE-G運(yùn)行模式簡述

華龍一號(hào)核電廠采用MODE-G運(yùn)行模式，允許堆芯功率跟隨電網(wǎng)負(fù)荷的變化，快速降低或提高反應(yīng)堆功率水平，但負(fù)荷變化過程中仍需要進(jìn)行硼濃度調(diào)節(jié)。

具體而言，堆芯共設(shè)置兩類調(diào)節(jié)棒組：功率補(bǔ)償控制棒組（G1 G2 N1 N2）和溫度調(diào)節(jié)棒組（R）。功率補(bǔ)償控制棒組采用部分灰體控制棒，各功率補(bǔ)償棒組之間設(shè)置重疊步以在連續(xù)穩(wěn)定引入反應(yīng)性的同時(shí)減少對堆芯徑向和軸向功率分布的影響，能夠以較快的速度調(diào)節(jié)反應(yīng)堆功率；溫度調(diào)節(jié)棒組均為黑體控制棒，按照控制系統(tǒng)內(nèi)置邏輯進(jìn)行移動(dòng)以自動(dòng)控制堆芯冷卻劑平均溫度。操縱員手動(dòng)操作控制堆芯△I；調(diào)節(jié)堆芯內(nèi)可溶硼濃度以補(bǔ)償由于燃耗、氙濃度變化等引起的較慢的反應(yīng)性變化。

在MODE-G模式下進(jìn)行負(fù)荷跟蹤時(shí)，通過將功率補(bǔ)償棒組快速插入堆芯實(shí)現(xiàn)以特定速率將堆芯功率降低至目標(biāo)功率水平，通過調(diào)節(jié)溫度調(diào)節(jié)棒組保持堆芯平均水溫在目標(biāo)范圍內(nèi)。堆芯達(dá)到目標(biāo)功率水平后，堆芯中氙毒物濃度的演變引入的反應(yīng)性變化通過調(diào)節(jié)可溶硼濃度補(bǔ)償；同時(shí)，為將堆芯軸向功率分布控制在目標(biāo)范圍內(nèi)所需進(jìn)行的溫度調(diào)節(jié)棒組調(diào)節(jié)引入的反應(yīng)性變化也由可溶硼補(bǔ)償。

1.2 模擬程序

華龍一號(hào)的堆芯設(shè)計(jì)采用SCIENCE V2程序包，該程序包中僅有基于一維堆芯程序ESPADON的負(fù)荷跟蹤模擬模塊，而缺少三維堆芯負(fù)荷跟蹤模擬的計(jì)算程序，無法模擬MODE-G模式下三維堆芯在負(fù)荷跟蹤過程中控制棒棒位、可溶硼濃度、氙濃度的實(shí)時(shí)變化。

由中國核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院自行開發(fā)并經(jīng)過驗(yàn)證的Load_Follow程序可與SCIENCE軟件聯(lián)合使用，支持對MODE-A、MODE-G、MODE-C等多種運(yùn)行模式進(jìn)行三維負(fù)荷跟蹤模擬計(jì)算。該程序主要功能如下：（1）在負(fù)荷跟蹤過程中根據(jù)堆芯條件的變化進(jìn)行碘和氙的燃耗計(jì)算；（2）堆芯臨界搜索、軸向功率分布形狀控制、堆芯平均水溫控制均基于指定運(yùn)行模式的控制邏輯開展。

本文采用Load_Follow程序進(jìn)行華龍一號(hào)三維堆芯負(fù)荷跟蹤模擬計(jì)算。

1.3 負(fù)荷跟蹤策略

負(fù)荷跟蹤策略中主要明確降功率所要達(dá)到的低功率平臺(tái)、在該低功率平臺(tái)所要持續(xù)運(yùn)行的時(shí)間、降功率及返回功率的速率，并默認(rèn)初始功率水平及返回功率水平均為滿功率。

為研究負(fù)荷跟蹤策略中不同策略參數(shù)對堆芯特性的影響情況，本文構(gòu)造了幾種典型的負(fù)荷跟蹤策略，見表1。

表1 負(fù)荷跟蹤策略

在表1所列出的負(fù)荷跟蹤策略中，通過對策略1和策略2的模擬結(jié)果進(jìn)行對比，以評(píng)價(jià)降功率至不同功率平臺(tái)的影響；通過對策略1和策略3、策略2和策略4的模擬結(jié)果進(jìn)行對比，以評(píng)價(jià)不同降功率速率的影響；通過對策略1、策略5、策略6的模擬結(jié)果進(jìn)行對比，以評(píng)價(jià)不同低功率平臺(tái)時(shí)長的影響。

1.4 負(fù)荷跟蹤特性參數(shù)

在單次負(fù)荷跟蹤模擬中，堆芯的硼濃度、軸向功率偏差、功率峰因子等多項(xiàng)參數(shù)均處于持續(xù)變化中。圖2給出了基于華龍一號(hào)堆芯、采用Load_Follow程序進(jìn)行的為期96小時(shí)的12-3-6-3（100-50-100）負(fù)荷跟蹤下堆芯典型參數(shù)的變化。

圖2 典型負(fù)荷跟蹤時(shí)堆芯參數(shù)變化

可以看出，在負(fù)荷跟蹤過程中，由于堆芯功率、氙濃度等因素的持續(xù)變化，堆芯臨界硼濃度和功率分布參數(shù)也處在持續(xù)變化中。為了對比不同負(fù)荷跟蹤策略對堆芯特性的影響，本文以硼濃度、軸向功率分布偏差、熱點(diǎn)因子FQ、核焓升因子FΔH作為堆芯特性典型參數(shù)，對這些參數(shù)在負(fù)荷跟蹤過程中的最大值、最小值進(jìn)行對比評(píng)價(jià)。

2 負(fù)荷跟蹤策略模擬與分析

根據(jù)前述負(fù)荷跟蹤說明，對華龍一號(hào)堆芯不同燃耗深度分別進(jìn)行典型負(fù)荷跟蹤策略模擬。壽期初平衡氙（BLX）、壽期中（MOL）時(shí)的堆芯典型參數(shù)變化情況見表2、表3所示。表4、表5中給出單變量變化的策略結(jié)果對比。

表2 BLX各負(fù)荷跟蹤策略堆芯參數(shù)

表3 MOL各負(fù)荷跟蹤策略堆芯參數(shù)

表4 BLX各負(fù)荷跟蹤策略堆芯參數(shù)差異

表5 MOL各負(fù)荷跟蹤策略堆芯參數(shù)差異

策略1、策略2的主要區(qū)別在于降功率的幅度?？梢娊倒β史葴p小時(shí)，硼濃度的峰值和峰谷差總體減小；軸向功率偏差的峰值差異在±3%以內(nèi)；FQ的峰值及峰谷差的差異總體在±0.25以內(nèi)；FΔH的峰值及峰谷差的差異總體在±0.15以內(nèi)。

策略1、策略3的主要區(qū)別在于降功率速率。降功率速率較快時(shí)，硼濃度的峰值與峰谷差的差異在±15ppm以內(nèi)，且較高功率平臺(tái)下差異相對較??；軸向功率偏差的峰值與峰谷差的差異總體在±2%以內(nèi)；FQ的峰值及峰谷差的差異總體在±0.05以內(nèi)；FΔH的峰值及峰谷差的差異總體在±0.01以內(nèi)。策略2、策略4的數(shù)據(jù)也支撐這一結(jié)論。

策略1、策略5、策略6的主要區(qū)別在于低功率平臺(tái)的持續(xù)時(shí)間（及相應(yīng)的滿功率平臺(tái)持續(xù)時(shí)間）。低功率平臺(tái)持續(xù)時(shí)間變化后，硼濃度峰值及峰谷差的差異總體減小，幅度在±20ppm以內(nèi)；軸向功率偏差的峰值與峰谷差的差異總體在±3%以內(nèi)；FQ的峰值及峰谷差的差異總體在±0.05以內(nèi)；FΔH的峰值及峰谷差的差異總體在±0.01以內(nèi)。

上述結(jié)果表明，在指定低功率平臺(tái)時(shí)，降功率速率和低功率平臺(tái)持續(xù)時(shí)長對于堆芯參數(shù)的影響相對有限；而降功率幅度對堆芯參數(shù)的影響相對顯著。

在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中可著重進(jìn)行不同降功率幅度的策略模擬，并針對未能一一模擬的其他類型策略對堆芯參數(shù)疊加相應(yīng)懲罰系數(shù)，即可得到包絡(luò)性的堆芯參數(shù)，從而確保分析結(jié)論的可靠性。

3 結(jié)語

本文采用三維負(fù)荷跟蹤模擬程序?qū)θA龍一號(hào)進(jìn)行了MODE-G運(yùn)行模式下的典型負(fù)荷跟蹤策略模擬。模擬結(jié)果表明，降功率幅度對于堆芯參數(shù)的影響較為顯著。在設(shè)計(jì)過程中可以通過對此策略參數(shù)著重模擬，同時(shí)針對其他策略參數(shù)對堆芯參數(shù)輔以懲罰系數(shù)，從而保證分析結(jié)論的可靠性。