許星星，常小博，曹云龍，位金鋒，蔡德昌，付學(xué)峰

(1.中廣核研究院有限公司，深圳518026；2.遼寧紅沿河核電有限公司，大連116319)

延長(zhǎng)換料周期可以提高機(jī)組的能力因子，降低年均大修費(fèi)用，增加年度發(fā)電量。自20世紀(jì)80年代初美國(guó)核電廠首次實(shí)施18 月的周期性換料策略以來(lái)，世界各國(guó)多個(gè)核電廠逐步轉(zhuǎn)為18 月或更長(zhǎng)的換料周期。目前國(guó)內(nèi)絕大多數(shù)壓水堆核電廠已經(jīng)過(guò)渡或者計(jì)劃改造為18 月周期性換料，并且國(guó)內(nèi)在建的核電廠中均采用了18 月周期性換料的燃料管理策略，因此18 月長(zhǎng)循環(huán)周期性換料策略是目前燃料管理模式的主流[1-6]。

近幾年，由于經(jīng)濟(jì)新常態(tài)、可再生能源大量投產(chǎn)及電力市場(chǎng)改革，核電上網(wǎng)形勢(shì)發(fā)生了巨大的變化。目前，國(guó)內(nèi)各核電廠發(fā)電需求普遍低于工程設(shè)計(jì)假設(shè)，部分電廠負(fù)荷減載嚴(yán)重，因此，出現(xiàn)了燃料管理方案難以實(shí)現(xiàn)、提前停堆棄料、燃料經(jīng)濟(jì)性差及堆芯關(guān)鍵性參數(shù)裕量降低等一系列問(wèn)題，迫切需要進(jìn)行燃料管理優(yōu)化改進(jìn)。

為了更好地適應(yīng)當(dāng)前形勢(shì)下的發(fā)電需求，需要優(yōu)化目前的燃料管理策略，合理調(diào)整大修規(guī)劃，將電廠大修安排在負(fù)荷減載嚴(yán)重期間，以便在允許核電廠發(fā)電的時(shí)間段內(nèi)多發(fā)電。本文調(diào)研了中廣核集團(tuán)的核電廠發(fā)電需求，發(fā)現(xiàn)各核電廠減載原因和規(guī)律不盡相同，但基本上所有機(jī)組都采取了節(jié)假日減載，尤其春節(jié)和國(guó)慶期間減載幅度大且持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)。16～20 月的換料措施可將大修安排至春節(jié)和國(guó)慶期間，有利于提高機(jī)組的發(fā)電總量。

本文在當(dāng)前18 月的周期性換料策略基礎(chǔ)上研究了16～20 月?lián)Q料的可行性，采用相同的安全限值，研究給出了235U富集度為4.0%和4.45%的雙富集度燃料管理方案[7]，以適應(yīng)新形勢(shì)下電廠發(fā)電需求。

1 設(shè)計(jì)目標(biāo)和準(zhǔn)則

1.1 設(shè)計(jì)目標(biāo)

基于近幾年電廠負(fù)荷需求減載的新形勢(shì)，平衡循環(huán)設(shè)計(jì)目標(biāo)為典型的電廠燃料可利用率達(dá)80%。為實(shí)現(xiàn)安排機(jī)組在春節(jié)和國(guó)慶期間大修，擬采用長(zhǎng)短交替的16～20 月?lián)Q料燃料管理模式，因此，長(zhǎng)、短平衡循環(huán)的循環(huán)長(zhǎng)度tEFPD分別為493 d和391 d。

1.2 設(shè)計(jì)準(zhǔn)則

選擇CPR1000機(jī)組作為參考堆芯。該堆芯中裝載157個(gè)365.76 cm的全M5 AFA3G組件[6]。采用現(xiàn)有周期為18月的周期性換料燃料管理中成熟的設(shè)計(jì)方法和堆芯安全限值，設(shè)計(jì)準(zhǔn)則為：1) 最大徑向功率峰因子FΔH≤1.481；2) 反應(yīng)堆在各種功率水平下慢化劑溫度系數(shù)為負(fù)數(shù)或零；3) 壽期初熱態(tài)零功率臨界硼質(zhì)量分?jǐn)?shù)ω(B)≤2.2×10-3；4) 卸料組件燃耗≤52 GW·d·t-1；5) 卸料燃料棒燃耗≤57 GW·d·t-1；6) 停堆裕量≥2.3×10-2。

1.3 計(jì)算方法

本文利用法國(guó)開(kāi)發(fā)的SCIENCE V2程序包進(jìn)行模擬計(jì)算[8]。SCIENCE程序采用CEA提供的JEF2.1核數(shù)據(jù)庫(kù)，子程序APOLLO2-F采用碰撞幾率方法進(jìn)行組件輸運(yùn)計(jì)算，用于給子程序SMART提供2群均勻化的截面數(shù)據(jù)。利用該程序可對(duì)不同邊界條件和不同幾何對(duì)稱性的堆芯組件進(jìn)行計(jì)算。子程序SMART是一個(gè)3維2群堆芯擴(kuò)散-燃耗計(jì)算程序，采用先進(jìn)節(jié)塊技術(shù)，可以計(jì)算所有類型壓水堆的穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)工況。

1.4 燃料組件選型

為更好地實(shí)現(xiàn)16～20 月?lián)Q料的目標(biāo)及進(jìn)一步提升靈活性，本文選取了2種燃料組件[3]：一種組件中235U富集度為4.45%，可燃毒物芯塊中Gd2O3的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8%；另一種組件中，235U富集度為4.00%，可燃毒物芯塊中Gd2O3的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6%。2種組件中235U的質(zhì)量分?jǐn)?shù)均為2.5%。為展平堆芯徑向功率分布，新組件采用了含5種不同數(shù)量釓棒的組件，分別為4，8，12，16，20根。

2 燃料管理優(yōu)化

2.1 燃料管理策略

基于CPR1000堆芯，以電廠可利用率80%為設(shè)計(jì)目標(biāo)，采用16～20 月的換料策略，本文分別設(shè)計(jì)了長(zhǎng)、短2個(gè)平衡循環(huán)，堆芯裝載方案分別如圖1和圖2所示。

圖1 平衡循環(huán)L0堆芯裝載方案Fig.1 Loading pattern for equilibrium cycle scheme L0

圖2 平衡循環(huán)S0堆芯裝載方案Fig.2 Loading pattern for equilibrium cycle scheme S0

長(zhǎng)平衡循環(huán)使用了72組235U富集度為4.45%的新燃料組件；短平衡循環(huán)使用了52組新燃料組件，其中，28組組件的235U富集度為4.45%，24組組件的235U富集度為4.00%。為了展平堆芯徑向功率峰因子分布，235U富集度為4.45%的新燃料組件主要布置在堆芯次外圈，235U富集度為4.00%的新燃料組件則布置在堆芯內(nèi)圈。長(zhǎng)、短循環(huán)方案均采用低泄漏模式，堆芯外圈布置三次或二次入堆的組件。外圈F14及1/8布置二次入堆的組件，下個(gè)循環(huán)中可以繼續(xù)在堆芯內(nèi)圈使用。

2.2 燃料管理計(jì)算結(jié)果

平衡循環(huán)燃料管理方案計(jì)算結(jié)果如表1所列。

由表1可見(jiàn)，對(duì)于長(zhǎng)平衡循環(huán)L0，循環(huán)長(zhǎng)度tEFPD為493 d；壽期初慢化劑溫度系數(shù)為-3.2×10-5℃-1；堆芯最大徑向功率峰因子FΔH為1.463；組件最大卸料燃耗為49.2 GW·d·t-1；燃料棒最大燃耗為53.9 GW·d·t-1；停堆裕量為3.057×10-2；所有參數(shù)均滿足設(shè)計(jì)準(zhǔn)則要求。235U富集度為4.00%和4.45%的組件平均卸料燃耗分別為42.4 GW·d·t-1和46.9 GW·d·t-1，235U富集度為4.45%組件平均卸料燃耗高于目前18 月周期性換料的平均卸料燃耗44.5 GW·d·t-1。

對(duì)于短平衡循環(huán)，循環(huán)長(zhǎng)度tEFPD為391 d；壽期初慢化劑溫度系數(shù)為-3.7 ×10-5℃-1；堆芯最大徑向功率峰因子FΔH為1.463；組件最大卸料燃耗為48.1 GW·d·t-1；燃料棒最大燃耗為52.4 GW·d·t-1；停堆裕量為2.655×10-2；所有參數(shù)均滿足設(shè)計(jì)準(zhǔn)則要求。235U富集度為4.45%的組件平均卸料燃耗為45.1 GW·d·t-1，略高于目前18 月周期性換料的平均卸料燃耗。

3 安全評(píng)價(jià)

3.1 通用核數(shù)據(jù)和關(guān)鍵中子學(xué)參數(shù)

基于上述長(zhǎng)、短平衡循環(huán)的燃料管理方案，計(jì)算了通用核數(shù)據(jù)和關(guān)鍵中子學(xué)參數(shù)，并與某電廠18 月周期性換料燃料管理的通用中子學(xué)參數(shù)進(jìn)行了對(duì)比，如表2所列。

表1 燃料管理計(jì)算結(jié)果Tab.1Calculation results of dual-enrichment fuel management strategies

表2 通用核數(shù)據(jù)和關(guān)鍵中子學(xué)參數(shù)Tab.2General nuclear data and key parameters

由表2可見(jiàn)，基于16～20 月?lián)Q料策略設(shè)計(jì)出的燃料管理方案中各項(xiàng)中子學(xué)參數(shù)均滿足現(xiàn)有18 月周期性換料策略的安全限值要求。

根據(jù)啟動(dòng)物理試驗(yàn)的結(jié)果，將有可能需要在低功率時(shí)對(duì)功率控制棒的提出設(shè)定限值，以保證功率運(yùn)行時(shí)的慢化劑溫度系數(shù)始終為負(fù)。

3.2 關(guān)鍵反應(yīng)性事故評(píng)估

實(shí)施16～20 月?lián)Q料策略后，事故分析使用的與燃料管理方案有關(guān)的功率分布、燃料數(shù)據(jù)、通用核數(shù)據(jù)和關(guān)鍵中子學(xué)參數(shù)等關(guān)鍵安全參數(shù)可能超出原FSAR的分析限值，需分析落棒、次臨界提棒、卡軸、單棒失控提出事故及彈棒事故等7個(gè)關(guān)鍵反應(yīng)性事故下的關(guān)鍵安全參數(shù)。反應(yīng)性事故分析結(jié)果表明，所有關(guān)鍵事故下相關(guān)參數(shù)均滿足相關(guān)安全準(zhǔn)則要求。以彈棒事故為例，燃料芯塊熔化份額最大值為2.86%，最大包殼溫度值為978 ℃、芯塊焓最大值為579 J·g-1，均低于驗(yàn)收準(zhǔn)則；使用確定論方法計(jì)算得到的DNB的最大燃料份額為6.00%，低于驗(yàn)收準(zhǔn)則10%；瞬態(tài)過(guò)程中的壓力峰值遠(yuǎn)低于110%的設(shè)計(jì)壓力限值18.95 MPa。

4 經(jīng)濟(jì)性分析

根據(jù)表1中長(zhǎng)、短平衡循環(huán)的平均卸料燃耗進(jìn)行折算，16～20 月?lián)Q料策略中，235U富集度為4.45%組件平均卸料燃耗高于現(xiàn)有18 月周期性換料策略中組件的平均卸料燃耗44.5 GW·d·t-1；考慮235U富集度為4.00%的組件，雙富集度方案的平均卸料燃耗約為45.3 GW·d·t-1，略高于18 月周期性換料策略。因此，采用16～20 月?lián)Q料策略，在不改變組件燃耗限值的情況下，組件的燃料利用率略有提高。

16～20 月?lián)Q料策略下，大修安排在負(fù)荷減載嚴(yán)重期間，如春節(jié)和國(guó)慶期間，從而保證了電廠需要發(fā)電時(shí)多發(fā)電，提高了機(jī)組發(fā)電量。

假設(shè)原換料策略中10月份減載日期為7 d，減載為停堆或降功率至50%FP，以電廠每天滿發(fā)電收入為人民幣1 000 萬(wàn)元計(jì)算，每3年1次的10月份大修降功率至50%FP時(shí)，收益為7×0.5×1 000/3≈1 200 萬(wàn)元；假設(shè)每3年1次的10月份大修停堆，則收益為7×1 000/3≈2 400 萬(wàn)元。因此，多發(fā)電收益約1 200 萬(wàn)～2 400 萬(wàn)元。一般國(guó)慶期間減載時(shí)間可達(dá)10～15 d。負(fù)荷需求減載越大，燃料管理優(yōu)化收益就越多，因此燃料管理優(yōu)化可帶來(lái)更多的發(fā)電收益[9]。

根據(jù)某電廠統(tǒng)計(jì)，最近幾年中，因燃料管理不適應(yīng)當(dāng)前發(fā)電需求導(dǎo)致的提前停堆棄料時(shí)間大于30 d的情況已有3次，每次燃料經(jīng)濟(jì)性損失超過(guò)3 000萬(wàn)元。16～20月?lián)Q料策略采用雙富集度方案，循環(huán)長(zhǎng)度能有效滿足新形勢(shì)下燃料管理循環(huán)的要求，解決了當(dāng)前部分電廠方案中難以實(shí)現(xiàn)和提前停堆棄料經(jīng)濟(jì)性差的問(wèn)題。

5 結(jié)論

本文基于國(guó)內(nèi)核電廠負(fù)荷需求普遍減載的新形勢(shì)下，開(kāi)展了堆芯燃料管理優(yōu)化研究，提出了16～20 月?lián)Q料策略和長(zhǎng)、短交替的平衡循環(huán)方案，并開(kāi)展堆芯通用核數(shù)據(jù)和關(guān)鍵中子學(xué)參數(shù)計(jì)算和經(jīng)濟(jì)性分析。為了進(jìn)一步提高燃料管理的靈活性，在設(shè)計(jì)時(shí)采用了235U富集度為4.45%和4.00%組件的雙富集度方案。

結(jié)果顯示，采用235U富集度為4.45%和4.00%的兩種組件可以很好地實(shí)現(xiàn)16～20 月?lián)Q料策略，滿足燃料管理相關(guān)參數(shù)要求；關(guān)鍵中子學(xué)參數(shù)計(jì)算結(jié)果與18 月周期性換料策略的相關(guān)參數(shù)安全限值保持一致。關(guān)鍵反應(yīng)性事故論證結(jié)果顯示，當(dāng)前燃料管理策略能滿足事故安全限值要求，證明了設(shè)計(jì)方案具備工程實(shí)施的條件。

與現(xiàn)有18 月周期性換料策略相比，16～20 月?lián)Q料策略減少了提前停堆換料經(jīng)濟(jì)性損失，同時(shí)燃料組件的平均卸料燃耗略有提升；可將大修調(diào)整至春節(jié)、國(guó)慶期間等負(fù)荷減載嚴(yán)重時(shí)段，減少電廠負(fù)荷減載，提高機(jī)組發(fā)電量，每臺(tái)機(jī)組每年可獲得多發(fā)電收益1 200 萬(wàn)～2 400萬(wàn)元。