第三代反應堆AP1000和EPR的堆芯核設計

韓向臻 攸國順 孫 微

環境保護部核與輻射安全中心核與輻射安全研究所，北京 100082

AP1000和EPR是我國正在發展的兩種第三代核電站。這兩種核電堆型的設計理念有較大的差異，AP1000引入安全系統非能動理念，大大降低了發生人因錯誤的可能性；EPR在傳統設計的基礎上對系統的設計、布置和運行進行了適當的改進和優化，增加安全系統多重性，增大了單機容量，經濟性能得到了改善和提高。由于設計理念的不同，AP1000和EPR兩種堆型的堆芯核設計也存在較大差異。

1 總體參數

AP1000核電站和EPR核電站的設計特點和總體參數的比較見表1。AP1000和EPR這兩種三代堆型的設計壽命均為60年，增加了安全性能，延長了使用年限。AP1000的電功率為1000MW，EPR的單價容量較大，達到1750MW，提高了核電站的經濟性。AP1000和EPR核電站堆芯活性段高度為426cm左右，不同于一般M310堆型的366cm。AP1000堆芯燃料組件為157盒，EPR堆芯組件數為241盒，這是由于EPR的設計的功率較大，堆芯燃料組件數目增多，堆芯等效直徑也相應增大。EPR的平均線功率密度略小于AP1000。

2 燃料組件

2.1 AP1000燃料組件

AP1000燃料組件是基于RFA-2組件和RFA-2(XL)組件改進而成的。RFA-2燃料組件的活性區長度為12英尺，在靠近頂部的中間格架之間設置了三層攪混格架。RFA-2(XL)組件的活性區長度為14英尺，未設置攪混格架。AP1000燃料組件采用14英尺的活性區長度，在高熱流密度區域，增設4層攪混格架。并對燃料組件加以改進，包括抬高了活性區，降低堆芯下板注量，延長RV壽命；降低管座高度，降低壓降；燃料棒增加下氣腔設計；增大燃料棒與上管座之間間隙，提供更多燃料棒生長空間等。

表1 AP1000和EPR總體參數的比較Table 1 ParameterS of AP1000 and EPR

燃料組件呈17×17方陣排列，包含264根燃料棒，24根控制棒導向管，1根中央測量管。燃料芯塊由稍加富集的UO2粉末經冷壓后燒結而成，兩端為淺碟型，并在兩端外圓柱面上留有倒角。燃料包殼為ZIRLO合金。AP1000燃料組件的格架包括10層結構格架（頂部格架、底部格架、8層中間格架）、4層中間攪混格架以及1層保護格架。其中，頂部和底部格架的材料為INCONEL，中間格架和中間攪混格架的材料為ZIRLO合金。ZIRLO合金具備較低中子吸收截面，有良好的中子經濟性能；較高的抗冷卻劑、燃料和裂變產物腐蝕能力；更好的抗輻照生長和蠕變的性能，在運行溫度下有高機械強度和延展性。有利于加深燃料的燃耗。INCONEL合金具有豐富的壓水堆使用經驗，可確保滿足反應堆運行對材料的要求。

2.2 EPR燃料組件

EPR燃料組件為17×17方陣排列的，其中有265根燃料棒，余下24個空位布置導向管，用于布置控制棒組件，中子源組件和堆芯測量儀表。燃料棒由鈾芯塊堆疊在M5包殼管中構成，導向管材料也采用M5合金。每個燃料組件中有兩類定位格架，8個帶有整體混流翼片，用于組件的高熱量通流區促進冷卻劑混合，3個不帶混流翼片的定位格架（兩個位于底部，1個位于頂部），只用于燃料棒的支撐和定位。定位格架的材料為M5&INCONEL合金。定位格架由互鎖皮帶的蛋箱形排列組成，皮帶包含彈簧夾子和用于燃料棒支撐的支撐陷窩以及冷卻劑混流翼片。

2.3 燃料組件比較

AP1000的燃料組件與EPR燃料組件的幾何尺寸基本一致，都為17×17方陣排列的UO2燃料組件。AP1000在組件中心設置1根專用于測量的中央測量管，而EPR由導向管兼顧此項功能。主要燃料元件均為UO2圓柱狀燃料芯塊，兩端為淺碟形，有倒角設計。AP1000的燃料組件設計較為復雜，為了展平功率，設計了特殊的燃料元件和普通燃料元件一起布置燃料組件，如低富集度的燃料芯塊、帶有可燃毒物涂層的燃料芯塊。燃料包殼和導向管選用的材料有差異，AP1000采用ZIRLO合金，EPR采用M5合金。AP1000在燃料棒下端放置支撐管，提供下空腔，增加了空腔體積，能更好的容納燃料中釋放的裂變氣體、包殼與芯塊間的熱膨脹差異以及輻照后芯塊密度的改變。AP1000燃料組件在原有14英寸組件中設置了4層攪混格架，促進冷卻劑的攪混，但是這種新型的燃料組件在核電站中尚無應用，核電站運行時冷卻劑在堆芯的傳熱效率等仍需進一步驗證。EPR燃料組件和現有14英寸組件基本一致，有較多應用經驗。

3 堆芯設計

3.1 設計程序

AP1000核設計基于ENDF/B-VI的70群數據庫，組件計算程序為PARAGON，堆芯計算為ANC9程序，該程序采用節塊求解方法，具有大量的自動序列，用于自動完成各種不同的工程計算和分析。

EPR的核設計中組件計算采用APOLLO2程序，求解二維幾何的Boltzman輸運方程，為擴散程序提供兩群宏觀截面和組件不連續因子。堆芯計算使用SMART程序。每個組件的徑向上有四個網點，軸向上有20個網點。通過一個能夠模擬反射層的材料和活性區的環境的附加的虛擬燃料組件來模擬強反射層。

3.2 換料方案

AP1000的換料方案采用低泄漏、長周期、高燃耗堆芯燃料管理策略。低泄漏堆芯裝載方案降低了中子泄漏，提高中子的經濟性，有利于降低壓力容器內壁的快中子注量，延長壓力容器的壽命。換料方案具有多種長周期換料策略，標準設計采用18個月換料，也可以采用16/20個月交替換料，通過換料組件數的調整，換料周期可以延長到24個月，具有靈活的特點，能夠更好的滿足電網的需求。18個月平衡循環平均卸料燃耗近50GWd/tU，提高了燃料利用率。

EPR換料方案的循環長度為18個月，采用外內分區交替換料方案，即堆芯中心部分，兩個區域中的兩種富集度較低的組件交替排列，富集度較高的燃料組件位于堆芯外圍。這是壓水堆傳統的一種裝載方式，由于新燃料裝在堆芯最外區，展平了全堆芯的中子通量密度分布、降低了整體功率峰；而且堆芯內的局部的反應性分布也比較均勻，因而中心區域的中子通量密度分布將像精細的波浪形，降低了局部功率峰因子。但是由于新組件位于堆芯外側，中子泄露較大，中子經濟性稍差。

3.3 堆芯控制及功率展平

AP1000的運行方式采用MSHIM運行控制策略，即不調硼的負荷跟蹤。控制棒中黑棒為24根銀銦鎘合金，灰棒為24根鎢棒，鎢具有燃耗的性能，是一種新型的灰棒材料。EPR的控制棒中黑棒和灰棒的材料均為銀銦鎘。堆芯運行具有負荷跟蹤的功能，控制棒用于補償功率、溫度、負荷等變化引起的反應性突變，硼只用于反應性變化較慢的反應性補償。

為了展平功率、補償剩余反應性，在組件中添加可燃毒物。首循環在導向管中設置可燃毒物棒，EPR反應堆的可燃毒物棒材料采用B4C，AP1000采用通水環狀可燃毒物棒，是碳化硼彌散在氧化鋁基體中形成的，并且WABA棒采用長短配合的軸向設計，有助于展平軸向功率。AP1000還在高富集度組件內徑向采取了分區設計，能夠更好的展平堆芯徑向功率。為了補償壽期初的剩余反應性，在組件的燃料棒中添加可燃毒物，EPR在組件中的固定位置設置含Gd2O3的燃料棒，首循環組件中Gd的富集度為9%，平衡循環為8%；AP1000在部分燃料芯塊表面涂有一體化可燃吸收體，成分為ZrB2，這種芯塊位于部分燃料棒的中部，可以耗盡，剩余反應性幾乎為零，可以降低局部功率峰值因子，提高堆芯裝載的靈活性。AP1000在燃料棒兩端設計軸向再生區，由一些低富集度的燃料芯塊組成，可以減少中子的軸向泄漏，提高燃料的利用率。

4 結語

AP1000和EPR這兩種三代堆型的堆芯核設計具有較大差異，EPR功率大，堆芯等效直徑較大，堆芯組件數相對較多，有241盒燃料組件。AP1000堆芯裝載157盒燃料組件。AP1000采用的燃料組件增設了中間攪混格架，但應用經驗較少。而EPR使用的燃料組件有豐富的壓水堆使用經驗。

堆芯換料方案都為長周期換料，EPR為外內分區交替換料方案，該方案為高泄漏換料方案，中子泄漏較多，但堆芯功率容易展平，并且采用的吸收體和可燃毒物的材料和設計是目前普遍采用的，技術較為成熟，有豐富的使用經驗。AP1000的長周期換料方案更為靈活，換料周期可根據需要選擇18個月換料、16/20個月交替換料或24個月換料。換料方案為低泄漏方案，提高了中子利用率，為了展平功率，提出了較多新型設計理念，如高富集度組件內徑向分區、燃料棒兩端設置再生區、燃料棒中段采用有可燃吸收體涂層的芯塊、可燃毒物棒也采用不同長短的軸向設計等，使燃料組件種類增加，堆芯裝載更為復雜。

[1]林誠格.非能動安全先進核電廠AP1000.北京：原子能出版社，2008.8

[2]三門核電一期工程1&2號機組初步安全分析報告.第4章

[3]臺山核電廠一、二號機組初步安全分析報告.第4章

[4]Fuel Management Report for AP1000.Westinghouse Electric Company，2010

[5]謝仲生.核反應堆物理分析.西安：西安交通大學出版社，2004.7