田灣核電站18個月?lián)Q料燃料管理策略

李友誼，楊曉強，姚進國，王 汗，董 超，李寶庫

(中國核電江蘇核電有限公司，江蘇 連云港 222042)

隸屬于中國核電江蘇核電有限公司的田灣核電站1、2號機組分別于2007年5月17日和8月16日投入商業(yè)運行，這兩臺機組采用俄羅斯的WWER-1000/428型反應(yīng)堆裝置，設(shè)計循環(huán)長度為7 000 h，機組能力因子為80%，與世界核電運營者協(xié)會(WANO)先進值有較大的差距。為提高機組能力因子和電站經(jīng)濟效益，滿足多機組大修時間的靈活性要求，田灣核電站兩臺機組將采用先進的堆芯燃料管理策略來提高核燃料的燃耗深度、延長循環(huán)長度[1-2]，本文旨在闡述實現(xiàn)此目標的燃料管理策略。

1 目標及基本要求

根據(jù)江蘇核電有限公司的規(guī)劃，2014年田灣核電站1、2號機組第7次換料大修(T107、T207)時正式開始向18個月燃料循環(huán)過渡[3]。以此為目標，田灣核電站在制定18個月?lián)Q料燃料管理策略時，主要考慮了以下幾個方面。

1.1 循環(huán)長度要求

按田灣核電站1、2號機組2009—2018年換料檢修十年規(guī)劃[4]，保守地考慮年度大修工期為55 d和4年大修工期為65 d，計算得出循環(huán)長度目標為490 EFPD，預留2%運行過程中的不確定性，最終確定平衡換料的循環(huán)長度應(yīng)大于480 EFPD。

根據(jù)公司大修優(yōu)化計劃，大修工期將由55 d和65 d逐步調(diào)整為35 d和45 d[5]，實際的循環(huán)長度應(yīng)可根據(jù)換料堆芯設(shè)計調(diào)整優(yōu)化。通過壽期末延長運行時間或提前停堆的方式，以及加、減6個燃料組件來延長或縮短燃料循環(huán)長度。

根據(jù)江蘇電力公司的要求，6月15日—9月15日為夏季用電高峰期，在此期間不宜安排機組檢修[6]，1、2號機組停堆大修應(yīng)盡量避開該時間段。實施長周期換料項目前，兩臺機組大修均在上半年實施，有大修時間重合的可能，長周期燃料管理策略應(yīng)使兩臺機組大修時間盡量錯開，分別安排在上、下半年交替進行，這要求兩臺機組以不同的循環(huán)長度逐步向18個月?lián)Q料過渡。

1.2 燃料組件要求

田灣核電站年換料采用的AFA型燃料組件燃耗限值為49 MW·d/kgU，燃耗深度不能滿足18個月?lián)Q料的要求，為了適應(yīng)長周期燃料循環(huán)的需要，參考俄羅斯核電站的應(yīng)用經(jīng)驗，將采用從俄羅斯引進的TVS-2M新型燃料組件。TVS-2M組件的設(shè)計與AFA組件相比做了重大改進，主要包括：定位格架與導向管改用焊接方式，定位格架數(shù)量減少2個但寬度增加，燃料棒活性區(qū)兩端共增長15 cm，燃料芯塊外徑增加0.03 mm而中心孔減小0.3 mm等。通過改進，明顯提高了燃料組件的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性并增加了燃料裝載量，使組件設(shè)計最大運行時間延長到40 000有效滿功率小時，燃耗限值提高到60 MW·d/kgU[7]。

1.3 安全限值

參考國內(nèi)法規(guī)和俄羅斯長周期換料燃料管理經(jīng)驗，田灣核電站提出的安全限值要求[8]如下：AFA組件燃耗限值為49 MW·d/kgU，TVS-2M組件燃耗限值為60 MW·d/kgU；燃料富集度限值為4.95%；所有臨界狀態(tài)下，慢化劑溫度系數(shù)、燃料溫度系數(shù)和功率系數(shù)為負值或零；慢化劑密度系數(shù)為正值或零；線功率密度限值為448 W/cm；AFA組件燃料棒功率峰因子限值為1.50，TVS-2M組件燃料棒功率峰因子限值為1.60。

2 18個月?lián)Q料燃料管理策略的確定

2.1 TVS-2M先導燃料組件考慮

實施18個月?lián)Q料策略之前，堆芯裝載的是AFA燃料組件，長周期換料需采用TVS-2M高性能燃料組件，因此在過渡燃料循環(huán)堆芯存在兩種不同類型燃料組件的混裝情況。考慮到這兩種燃料組件結(jié)構(gòu)差異大且俄羅斯電站無直接過渡的先例，參考國內(nèi)外核電站的成功運行經(jīng)驗，在正式轉(zhuǎn)入長周期過渡循環(huán)前，裝入6組TVS-2M燃料組件先導運行，以驗證新型組件的設(shè)計與實際性能，驗證兩類組件在堆芯中的相容性，為長周期換料項目通過核安全審評提供論證支持。為此，田灣核電站實施兩步走的策略：首先在1號機組T104大修裝入6組TVS-2M燃料組件先導運行，再于1、2號機組第7次大修開始向18個月?lián)Q料的長燃料循環(huán)過渡。

先導組件在堆芯的位置需考慮以下因素[7]：1) 俄羅斯參考核電站的堆芯裝載策略和TVS-2M燃料組件的運行經(jīng)驗；2) 可獲得先導組件在中子通量最不均勻條件下的運行信息；3) 避免最大功率出現(xiàn)在先導組件中；4) 對田灣核電站1號機組原堆芯裝載方案改變不大，AFA、TVS-2M燃料組件和堆芯的中子物理參數(shù)均滿足限值；5) 每個燃料循環(huán)至少有1個先導組件內(nèi)布置了堆內(nèi)測量系統(tǒng)的中子溫度測量通道。

圖1 TVS-2M先導組件在堆芯的位置

綜合考慮上述因素，先導燃料組件在堆芯的位置變化設(shè)定如圖1所示，其中箭頭指示組件位置的移動，D表示中子溫度測量通道。為了不顯著影響原堆芯裝載方案，設(shè)計TVS-2M先導組件的增殖因數(shù)與被替換的AFA組件的增殖因數(shù)相近，將先導組件235U初始富集度從4.0%降至3.9%以消減鈾裝載量增大約3%的影響，同時活性區(qū)長度相比AFA組件增加的部分裝載天然鈾包覆層。TVS-2M先導組件的中子物理、熱工水力、燃料機械設(shè)計論證以及安全分析論證已通過國家核安全局的審評，并于1號機組第5循環(huán)裝入堆芯，經(jīng)歷第5～8循環(huán)運行。

2.2 長周期燃料循環(huán)組件類型考慮

向長周期換料過渡時，TVS-2M組件將分批替換目前堆芯裝載的AFA組件。相比AFA組件，TVS-2M燃料組件活性區(qū)高度共增加15 cm，其中頂端增加3.7 cm，底端增加11.3 cm，且中心管被燃料棒取代，結(jié)構(gòu)差異較大。為了降低結(jié)構(gòu)差異帶來的影響，實現(xiàn)混合堆芯的平穩(wěn)過渡，參考俄羅斯Balakovo核電站機組過渡到18個月燃料循環(huán)的經(jīng)驗，燃料組件替換分為兩個階段[9]：第1階段，在前兩個過渡循環(huán)堆芯裝入帶有天然鈾包覆層的TVS-2M組件，天然鈾包覆層對應(yīng)于活性區(qū)頂部和底部增長的部分；第2階段，從第3個過渡循環(huán)開始裝載不帶天然鈾包覆層的TVS-2M組件，即整個燃料活性區(qū)高度上富集度一致，這時堆芯中的AFA組件已全部卸出。TVS-2M與AFA燃料組件活性區(qū)高度對比示于圖2。

圖2 燃料組件活性區(qū)高度

從年度換料過渡到18個月?lián)Q料，循環(huán)長度逐漸增大，為了避免過早卸出燃耗較淺的燃料組件而造成“棄料”，同時展平組件和堆芯功率分布，采用多種235U富集度的燃料組件，最高富集度提高到4.95%。可燃毒物采用了已在AFA組件中有成熟應(yīng)用經(jīng)驗的氧化釓(Gd2O3)，燃料組件中含釓燃料棒數(shù)量根據(jù)組件類型不同分別有6、7、9、12、18、24根，帶天然同位素的氧化釓彌散在氧化鈾中，氧化釓質(zhì)量含量為5%或8%，天然鈾包覆層中不含釓。與組件內(nèi)其他燃料棒相比，含釓燃料棒的富集度稍低，以避免在釓被消耗后出現(xiàn)過高的功率峰。除了含釓燃料棒外，過渡循環(huán)的燃料組件內(nèi)布置有不同富集度的燃料棒，其中組件周邊燃料棒的富集度較中心燃料棒的低0.4%，以消減燃料組件間水隙引起的功率升高。

2.3 18個月?lián)Q料燃料管理方案

1) 平衡循環(huán)

選擇平衡循環(huán)裝載時已參考俄羅斯Balakovo核電站18個月?lián)Q料所積累的經(jīng)驗，采用不帶天然鈾包覆層的TVS-2M燃料組件。平衡循環(huán)裝載的TVS-2M組件數(shù)、平均卸料燃耗、循環(huán)長度和組件富集度之間的關(guān)系示于圖3。圖中星號標注出田灣核電站1、2號機組18個月?lián)Q料平衡循環(huán)的參數(shù)。

平衡循環(huán)裝載的新燃料組件數(shù)為66，其中12個新組件布置在堆芯外圍，54個新組件布置在堆芯中部，堆芯外圍其余30個燃料組件為燃耗較深的第3年組件，這種部分低泄漏的裝載方案可顯著減少對反應(yīng)堆壓力容器的中子輻照。平衡循環(huán)的堆芯為燃料組件1/6對稱裝載。平衡循環(huán)燃料組件類型列于表1，主要計算結(jié)果列于表2。

圖3 平均卸料燃耗與裝載的TVS-2M組件數(shù)、富集度及循環(huán)長度的關(guān)系

表1 平衡循環(huán)燃料組件類型

表2 平衡循環(huán)主要計算結(jié)果

2) 過渡循環(huán)

田灣核電站1、2號機組從年換料向18個月?lián)Q料過渡時，考慮兩臺機組避開夏季用電高峰和錯開大修時間的要求，結(jié)合已知的大修工期和停堆大修時間，設(shè)計了不同的過渡循環(huán)裝載，分別經(jīng)歷4個循環(huán)逐步增加運行時間，最終達到不低于480 EFPD的循環(huán)長度，并使兩臺機組大修分別在上、下半年實施。設(shè)計的過渡循環(huán)的循環(huán)長度列于表3，循環(huán)長度包含了壽期末不超過30 EFPD的延長運行時間。

表3 過渡循環(huán)的循環(huán)長度

1號機組第8、9循環(huán)裝載的帶有天然鈾包覆層的TVS-2M組件數(shù)分別為48和55，而2號機組第8、9循環(huán)裝載的新燃料組件數(shù)分別為54和66；兩臺機組第9循環(huán)以后裝載的不帶天然鈾包覆層的TVS-2M組件數(shù)均為66，并將AFA組件全部卸出堆芯。

為了減少對反應(yīng)堆壓力容器的中子輻照，過渡循環(huán)裝載也設(shè)計為部分低泄漏的方案，第8、9循環(huán)堆芯最外圍裝載18個新燃料組件，其余24個為第3或第4年AFA組件；第10及以后循環(huán)堆芯最外圍裝載12個新燃料組件，其余30個為第3年TVS-2M組件。

3) 循環(huán)長度靈活性

在以額定功率運行至壽期末，一回路冷卻劑中的硼已除盡時，可采用降低反應(yīng)堆功率和堆芯入口冷卻劑溫度的方法，通過燃料和冷卻劑溫度的負反應(yīng)性系數(shù)和氙毒的解毒效應(yīng)延長燃料循環(huán)長度。根據(jù)俄羅斯的運行經(jīng)驗，壽期末反應(yīng)堆功率最多可降至70%額定值[10]。從開始過渡的第8循環(huán)到裝載平衡的第14循環(huán)，除第9循環(huán)和第13、14循環(huán)需進行少量組件位置的調(diào)整以滿足AFA和TVS-2M組件燃耗限值外，均可在不改變堆芯裝載方案的基礎(chǔ)上壽期末延長運行約30 EFPD。在平衡循環(huán)壽期末最多可一次性延長約40 EFPD，并在后繼3個循環(huán)內(nèi)恢復到平衡堆芯裝載和循環(huán)長度，主要計算結(jié)果列于表4。

在后繼循環(huán)功率峰因子和慢化劑溫度系數(shù)滿足設(shè)計限值的條件下，以額定功率運行至壽期末一回路冷卻劑中的硼除盡之前停堆，可縮短循環(huán)長度。在不改變堆芯裝載的情況下，平衡循環(huán)最多可提前約14 EFPD停堆，并且在后繼3個循環(huán)內(nèi)恢復到平衡堆芯裝載和循環(huán)長度，主要計算結(jié)果列于表5。

平衡循環(huán)裝載增加6個新燃料組件，循環(huán)長度達510 EFPD，減少6個新燃料組件，循環(huán)長度為450 EFPD，堆芯受到加減組件的擾動后經(jīng)歷3個循環(huán)能恢復到平衡裝載。

表4 平衡循環(huán)一次性延長運行的主要計算結(jié)果

表5 平衡循環(huán)一次性提前停堆的主要計算結(jié)果

3 結(jié)論

田灣核電站在1、2號機組引入TVS-2M新型燃料組件，通過先導組件的堆芯運行驗證和逐步延長循環(huán)長度方案，最終達到18個月?lián)Q料的長周期燃料循環(huán)，實現(xiàn)了減少機組大修次數(shù)、提高機組能力因子和經(jīng)濟性的目的。

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