采用TVS-2M組件的堆芯燃料管理及其經濟性分析

徐 敏，王紅霞，李友誼

(1.中國核電工程有限公司，北京 100840；2.江蘇核電有限公司，江蘇 連云港 222042)

田灣核電站1、2號機組將于2014年開始逐步向長周期燃料循環過渡，以提高年均能力因子和電站經濟效益。實施長周期換料需采用TVS-2M高性能燃料組件。在正式轉入過渡循環前，田灣核電站已在1號機組第5循環裝入6組TVS-2M燃料組件，目前已運行至第6循環的壽期末，從堆內運行在線測量及換料大修的組件檢查結果看，TVS-2M組件的性能得到了充分的驗證[1-2]。

TVS-2M組件與AFA組件相比有重大改進，提高了燃料組件的結構穩定性，并增加了燃料裝載量，使設計最大運行時間延長到40 000 h，燃耗限值提高到60 MW·d/kgU[1-2]。因此，對田灣核電站從首循環開始使用TVS-2M組件進行研究具有重要意義，本文擬從經濟性角度來比較兩種燃料管理方案的優劣。

1 計算程序簡介

田灣核電站采用從俄羅斯引進的VVER堆型，也隨帶引進了堆芯計算程序包KASKAD。KASKAD程序包由俄羅斯庫爾恰多夫研究院開發，包括三維粗網堆芯計算程序BIPR-7A、多層二維細網計算程序PERMAK-A、堆芯裝載優化程序PROROK、組件計算程序TVS-M、堆芯功率恢復程序PIR-A及附加圖表程序ALBUM和熱工耦合程序TEPRO等[3]。

2 燃料管理

2.1 設計準則和目標

為保證核電站的安全性，堆芯設計必須滿足下列設計準則和目標：1) AFA組件的焓升因子Kr≤1.5，TVS-2M組件的Kr≤1.6；2) 燃料棒線功率密度(考慮不確定性)≤448 W/cm；3) 含Gd燃料棒線功率密度(考慮不確定性)≤360 W/cm；4) 壽期初、熱態零功率、零氙、控制棒全部提出堆芯時的慢化劑溫度系數≤0 pcm/℃；5) 1束最大價值棒被卡情況下，堆芯重返臨界溫度不大于120 ℃；6) AFA組件的最大燃耗≤49 MW·d/kgU，TVS-2M組件的最大燃耗≤60 MW·d/kgU；7) 平衡循環實現部分低泄漏堆芯裝載[4]。

2.2 堆芯描述

本文給出的燃料管理方案應用在VVER-1000反應堆中，堆芯共裝載了163個燃料組件，堆芯活性段高度為354 cm(AFA組件)/372.6 cm(TVS-2M組件)。堆芯的總體參數列于表1。

TVS-2M燃料組件包括312根燃料棒，18個控制棒導向管，1個中子溫度測量管，共331個柵元。燃料組件的布置形狀為六邊形，組件中心距為23.6 cm，對邊距為23.51 cm[4]。

表1 堆芯總體參數

2.3 燃料管理方案

田灣核電站3、4號機組工程項目初步安全分析報告[5]中給出了首循環的堆芯裝載和平衡循環的堆芯裝載。本文參照該報告中的初始裝載，自行完成了組件計算和過渡循環的堆芯裝載設計，最后達到平衡循環，得到了一個滿足年換料壽期目標的燃料管理方案。為便于說明，將使用AFA組件的燃料管理方案稱為AFA方案，TVS-2M組件的燃料管理方案稱為2M方案。

圖1 首循環堆芯裝載示意圖(1/6區域)

使用TVS-2M組件后，堆芯高度由AFA組件時的354 cm變為372.6 cm，多個堆芯總體參數發生了變化，堆芯安全參數計算結果也發生了變化，有些安全參數的裕量變得很小，因而需針對首循環堆芯裝載及后續循環的換料方案進行改進。改進后的2M方案首循環堆芯裝載示意圖示于圖1。平衡循環的堆芯裝載示意圖示于圖2，平衡循環的中心組件每3個循環換1組新料36G7(平均富集度為3.6%，含有7根Gd棒的燃料組件)。

圖2 年換料平衡循環裝載示意圖(1/6區域)

2.4 計算結果及分析

各循環的燃耗計算在堆芯滿功率(HFP)、工作棒處于90%、其他控制棒全提的狀態下進行，通過調整堆芯硼濃度維持堆芯臨界狀態，循環壽期末臨界硼濃度定為零。計算慢化劑溫度系數的堆芯狀態是堆芯零功率(HZP)、控制棒全提(ARO)、壽期初(BOL)[6]。VVER核電站的堆芯停堆裕量用重返臨界溫度來描述：除最大反應性價值的1束控制棒完全卡死在堆芯外，其余控制棒插入堆芯，堆芯硼、氙和釤濃度保持不變，堆芯平均溫度下降至堆芯重新達到臨界時的溫度。采用KASKAD程序包對AFA方案和2M方案進行計算，結果分別列于表2和表3。

從表2、3可看出，所有方案的堆芯慢化劑溫度系數均為負值。AFA方案中卸料組件最大燃耗小于限值49 MW·d/kgU，2M方案中卸料組件最大燃耗小于限值60 MW·d/kgU；考慮到計算的不確定性，兩種方案的燃料棒線功率密度小于限值448 W/cm，含Gd棒的線功率密度小于限值360 W/cm；兩種方案的重返臨界溫度均小于限值120 ℃。以上結果表明，所有安全參數均滿足設計準則，平衡循環的壽期長度也達到了設計要求。

表2 AFA方案燃料管理主要計算結果

3 經濟性分析

3.1 方案比較

兩種燃料管理換料方案主要參數比較列于表4。田灣核電站機組大修時間約為40 d，且大修時間的長短并不明顯受循環長度的影響[7]。由表4可見，AFA方案平衡循環壽期平均長度(考慮中心組件)為302.7 EFPD，年均能力因子為302.7/(302.7+40)=88.3%，2M方案平衡循環壽期平均長度(考慮中心組件)為323.4 EFPD，年均能力因子為323.4/(323.4+40)=89.0%。2M方案年均能力因子有所增大，因而可增加電站的經濟效益。

表3 2M方案燃料管理主要計算結果

表4 兩種燃料管理換料方案主要參數比較

3.2 經濟性分析

兩種燃料管理方案的差異會導致燃料組件購買費、后處理費、大修費、發電銷售收入等存在差異，本文假設電站的其他費用不變，僅燃料組件購買費有變化。燃料組件購買費考慮了燃料組件制造費、運輸費、相關費用和鈾采購費；而鈾采購費則根據燃料組件富集度的不同，按分離功進行估算。本文中兩種燃料管理方案的組件富集度相同，僅堆芯高度增大，使得燃料總量增加，后處理費也會隨燃料總量增大而增加。單次大修的費用和循環長度無明顯關系，認為保持不變。

根據表4中的數據以及電站相關的費用數據，可計算出2M方案相比AFA方案年均燃料組件購買費用減少了735萬元，年均燃料組件后處理費用減少了326萬元，年均大修費用減少了667萬元，年均發電銷售收入增加了2 729萬元，因此年均利潤增加了4 457萬元。分析表明，2M方案可減少年均換料組件數，從而減少燃料的購買費用和后處理費用。

4 結論

本文使用KASKAD程序包，對田灣核電站采用AFA組件的過渡循環和從首循環起使用TVS-2M組件進行研究設計，給出了改進型的燃料管理方案，并進行了兩種方案的經濟性分析，得出TVS-2M組件可顯著提高電站經濟性的結論。燃料管理方案從首循環就開始使用TVS-2M組件，采用了部分低泄漏的裝置方式，堆芯安全特性參數均滿足設計準則和目標，可提高電廠的年均能力因子，減少燃料的相關年均費用和年均大修費用，增加機組年均利潤顯著，從而極大地提高了電站的經濟效益。

參考文獻：

[1] 李友誼,楊曉強,李文雙,等. 田灣核電站堆芯燃料管理簡介[C]∥第十三屆反應堆數值計算與粒子輸運學術會議暨2010年反應堆物理會議論文集. 西安:西安交通大學,2010.

[2] 李友誼,楊曉強,李文雙,等. 田灣核電站1號機組第6循環堆芯裝載策略及驗證[J]. 原子能科學技術,2013,47(增刊):160-163.

LI Youyi, YANG Xiaoqiang, LI Wenshuang, et al. Loading scheme and verification of TNPS unit 1 cycle 6[J]. Atomic Energy Science and Technology, 2013, 47(Suppl.): 160-163(in Chinese).

[3] KASKAD application framework user manual code description[R]. Moscow: Kurchatov Institue, 2006.

[4] Calculation of neutron physics characteristics of transient fuel cycles, beginning from the 8th fuel cycle, with reaching the equilibrium fuel cycle of TNPS, units 1&2 (Version B)[R]. Russia: National Research Center “Kurchatov Institue”, 2011.

[5] Tianwan NPS units 3 & 4 preliminary safety analysis report: Version A[R]. Russia: Joint Stock Company Saint-petersburg Research and Design Institute, 2011.

[6] 謝仲生. 核反應堆物理分析[M]. 西安：西安交通大學出版社；北京：原子能出版社,2005.

[7] 蔡光明. 秦山第二核電廠燃料管理策略改進的經濟性分析[J]. 核科學與工程,2006,26(4):380-384.

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