核電廠調(diào)峰反應(yīng)堆堆芯主要特性研究

李向陽 李瑋瑋 陳亮 王詩倩 盧迪 廖鴻寬 樊興 姚磊 劉勇

摘? ?要：核電廠參與電網(wǎng)調(diào)峰運行多數(shù)情況是獨立于常規(guī)設(shè)計之外的工況。在參與調(diào)峰運行期間，由于堆芯的負反饋特性，堆芯的后備反應(yīng)性以及功率分布都有較大的變化。為保證核電廠的安全運行，需要對調(diào)峰運行方式下的堆芯性能進行研究，從而確定電廠的調(diào)峰能力。本文對于核電廠參與電網(wǎng)調(diào)峰情況下堆芯的主要性能進行了研究，得出了重要的結(jié)論，為核電廠參與調(diào)峰堆芯性能的分析及反應(yīng)堆運行提供了有意義的指導。

關(guān)鍵詞：調(diào)峰? 降功率運行? 燃料管理? 功率分布

中圖分類號：TL329.2? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2019）10（a）-0011-03

按《電力發(fā)展“十三五規(guī)劃”》提出，“十三五”期間全國核電投產(chǎn)約3000萬kW，開工3000萬kW以上，2020年裝機達到5800萬kW。核電的快速增長一方面提供了更多清潔能源，有利于能源結(jié)構(gòu)優(yōu)化;另一方面由于電力總量的不斷提高，對于電網(wǎng)的運行提出了更高的要求。特別是在某些“大機小網(wǎng)”的背景下，為保證電網(wǎng)的穩(wěn)定運行，對于核電參與調(diào)峰的要求更加迫切。

一般來說，核電廠常規(guī)設(shè)計中考慮了某些基本的調(diào)峰需求。但在大多數(shù)情況下，調(diào)峰運行是獨立于電廠常規(guī)設(shè)計以外的一種運行方式，比如季節(jié)負荷需求變化等。在調(diào)峰運行方式下，相較于基荷運行，堆芯部分性能會產(chǎn)生顯著變化。為保證核電廠的安全運行，需要對調(diào)峰運行方式下的堆芯性能進行研究，從而確定電廠的調(diào)峰能力，并為指導電廠參與調(diào)峰運行提供必要的技術(shù)參數(shù)。

本文旨在對于核電廠參與調(diào)峰后的反應(yīng)堆堆芯主要性能進行研究，以期為核電廠調(diào)峰運行的研究及運行提供必要的指導。

1? 研究內(nèi)容

1.1 調(diào)峰運行方案

核電廠參與電網(wǎng)調(diào)峰意味著電廠負荷根據(jù)電網(wǎng)需求進行即時調(diào)節(jié)，可能在某一個時刻降低到一個低功率水平，可能在另一個時刻提升到較高甚至是滿功率水平。因此理論上來講，核電廠參與電網(wǎng)調(diào)峰的負荷變化方式多種多樣。

當反應(yīng)堆處于低功率運行時，由于反應(yīng)堆負的溫度反饋效應(yīng)，一方面堆芯會引入較大正反應(yīng)性，從而會顯著影響堆芯的循環(huán)長度;另一方面由于慢化劑的負反饋特性，堆芯的上半部分較下半部分會引入較多的正反應(yīng)性，從而會造成較大的堆芯軸向功率傾斜，這樣的功率分布有可能會超出原來堆芯事故安全和燃料組件安全論證的范圍。另外，反應(yīng)堆運行在較低功率水平下，造成堆芯能譜較正常運行時更“軟”，會造成同位素產(chǎn)量有所變化，該種變化反過來也會影響堆芯反應(yīng)性;反應(yīng)堆長期低功率運行，機組功率史將異于常規(guī)燃料管理設(shè)計，對于燃料組件的影響可能會超出原有評價范圍。

分析研究表明，相較于常規(guī)設(shè)計，參與調(diào)峰后堆芯性能的變化與調(diào)峰后運行的功率水平及運行時間關(guān)系密切。一般來講，運行的功率水平越低及運行的時間越長，堆芯的性能變化越大。為具有代表性，假設(shè)該核電廠第一循環(huán)全壽期參與調(diào)峰，堆芯功率水平一直處于75%FP運行，后續(xù)各循環(huán)又恢復到滿功率水平運行。需要特別注意的是核電廠反應(yīng)堆采用批換料策略，燃料組件需要經(jīng)歷多個循環(huán)。某一循環(huán)經(jīng)歷調(diào)峰后的燃料組件還可能影響后續(xù)循環(huán)。因此本研究以國內(nèi)某核電廠為研究對象，統(tǒng)籌考慮電廠參與調(diào)峰后對多循環(huán)的影響。

1.2 調(diào)峰對于反應(yīng)堆循環(huán)長度的影響

考慮到該核電廠采用近三批換料策略方式，部分燃料要在堆芯停留四個循環(huán)，為系統(tǒng)研究調(diào)峰運行對于反應(yīng)堆燃料管理的影響，從第一循環(huán)開始一共考慮了五個燃料循。并與原有常規(guī)設(shè)計結(jié)果進行了對比分析，得到了核電廠在進行調(diào)峰模式運行下循環(huán)長度的變化。

核電廠利用核能來產(chǎn)生電力，因此其能量總輸出量是一個關(guān)鍵因素。核電廠一般用循環(huán)長度來表征其能量總輸出量。

反應(yīng)堆循環(huán)長度計算時，一般將全提棒時堆芯臨界硼濃度為10ppm作為壽期末。表1給出了各循環(huán)在首循環(huán)參與電網(wǎng)調(diào)峰以后的循環(huán)長度變化。由表1所示，不參與調(diào)峰第一循環(huán)的循環(huán)長度為13430MWd/tU，實施調(diào)峰后，堆芯循環(huán)長度為14080MWd/tU。從運行天數(shù)來說，實施調(diào)峰前堆芯在滿功率可以運行387d，實施調(diào)峰運行以后（按75%FP運行），堆芯可以運行541d。首循環(huán)調(diào)峰運行以后，后續(xù)循環(huán)的循環(huán)長度也有一定的影響，但到了第四循環(huán)以后循環(huán)長度與原設(shè)計已經(jīng)非常接近，這主要是因為該堆采用了接近三批換料模式，部分組件在堆內(nèi)停留了四個循環(huán)。

以上分析表明，由于反應(yīng)堆的負反饋特性，當反應(yīng)堆參與調(diào)峰降低功率運行時，將會向堆芯引入可觀的正反應(yīng)性，反應(yīng)堆會獲得額外的運行長度。參與調(diào)峰運行的核電廠在生產(chǎn)安排時需要特別關(guān)注該特性。

1.3 調(diào)峰對于反應(yīng)堆功率分布的影響

反應(yīng)堆堆芯功率分布包括徑向功率分布和軸向功率分布。對堆芯徑向的影響主要是通過對比長期低功率運行和正常運行的焓升因子FΔH值來分析。對堆芯軸向的影響主要是通過對比長期低功率運行和正常運行在各個燃耗下的軸向功率偏差ΔI來分析。

表2給出前三個循環(huán)在首循環(huán)實施75%FP功率運行以后在各個燃耗步的FΔH，同時給出了正常運行時的FΔH。從表中數(shù)據(jù)可知，實施低功率運行后，各循環(huán)FΔH略有變化。表3給出前三個循環(huán)在首循環(huán)實施75%FP功率運行以后的軸向功率偏差ΔI，同時對比給出了正常運行時的ΔI值。從表中數(shù)據(jù)可知，實行低功率運行后，第一循環(huán)的軸向功率ΔI偏正，這主要是由于慢化劑的負反饋效應(yīng)以及堆芯上部溫度變化較大造成的，后續(xù)循環(huán)軸向功率偏差ΔI逐漸收斂到原施工設(shè)計值。

總體來說，調(diào)峰運行對于堆芯徑向功率分布影響有限，但對于堆芯軸向功率分布影響較為顯著。

1.4 調(diào)峰對于反應(yīng)堆運行方式的影響

為了確保主調(diào)節(jié)棒組具有足夠的反應(yīng)性引入能力，以滿足運行技術(shù)規(guī)范定義的機動性要求，并盡可能使軸向功率分布平坦，核設(shè)計會給出功率調(diào)節(jié)棒的建議運行棒位。該運行棒位一般會位于“咬量”位置再加12步。核電廠參與調(diào)峰運行后，堆芯的軸向功率分布會產(chǎn)生較顯著的變化。而這種變化反過來會影響到堆芯的“咬量”位置，因此也會影響到功率調(diào)節(jié)棒的運行位置。

本節(jié)分兩種情況來進行研究，一種是核電廠參與調(diào)峰后長時間降低功率運行;另一種是長期低功率運行后再返回到滿功率水平運行。對于降低功率長期運行，由表3可見，由于軸向功率分布變化較大，需要重新進行運行棒位的計算;對于長期低功率運行以后再返回到滿功率水平運行的情況，特別是在壽期末，由于大的負慢化劑反饋系數(shù)，堆芯的軸向功率分布將有很大的變化。具體數(shù)據(jù)見表4，為盡量減少軸向擾動以及避免燃耗陰影，建議較長時間的低功率運行采用調(diào)硼方式進行。由表4可見，長期低功率運行后返回滿功率運行，堆芯軸向功率分布將向堆芯底部偏移，偏移幅度與低功率運行時間相關(guān)，某些情況下因為要控制軸向功率分布可能會無法返回到滿功率運行狀態(tài)。為保證反應(yīng)堆安全，反應(yīng)堆調(diào)峰運行時一定要充分論證軸向功率分布變化對于運行的影響。

1.5 調(diào)峰對于安全相關(guān)中子學參數(shù)的影響

反應(yīng)堆的各種反應(yīng)性系數(shù)基本上確定了堆芯的動力學特性。堆芯動力學特性則決定了電廠因運行條件變化時堆芯響應(yīng)能力、正常運行條件下因操縱員作調(diào)整時的堆芯響應(yīng)能力及非正?；蚴鹿使r下的堆芯響應(yīng)能力。因此，反應(yīng)堆的反應(yīng)性系數(shù)與反應(yīng)堆的安全運行是緊密相關(guān)的。

核電廠參與調(diào)峰后，堆芯的同位素含量及功率分布異于常規(guī)設(shè)計，這種后果可能會影響堆芯的動力學特性從而會影響到事故分析后果。

本文基于1.1節(jié)描述的調(diào)峰運行方案，統(tǒng)籌考慮多個燃料循環(huán)，針對各種主要的反應(yīng)性系數(shù)及堆芯動力學參數(shù)進行了計算研究。其反應(yīng)性系數(shù)主要結(jié)果見表5，動力學參數(shù)見表6。由表5和表6可見，核電廠參與調(diào)峰后，與原有設(shè)計相比較反應(yīng)性系數(shù)略有變化，但這種變化量非常小，被原有安全分析使用值所包絡(luò)。

對于特定事故分析所需的中子學參數(shù)，對于由運行圖控制邊界的初始狀態(tài)，在論證運行圖不發(fā)生變化的情況下，中子學參數(shù)也不會發(fā)生大的改變。但對于不由運行圖來構(gòu)造事故初始點的事故后果可能會有較大變化。

2? 結(jié)語

核電廠參與電網(wǎng)調(diào)峰運行影響到多個核電廠系統(tǒng)，涉及一回路及二回系統(tǒng)等，需要進行綜合論證。

本文對于核電廠參與調(diào)峰以后堆芯主要性能進行了研究分析，得到了一些有意義的結(jié)論：

（1）核電廠參與調(diào)峰運行后，堆芯的循環(huán)長度可能會產(chǎn)生顯著變化，可能會影響到電廠的生產(chǎn)安排;

（2）核電廠參與調(diào)峰運行后，堆芯徑向功率影響較小，但軸向功率影響很大，電廠運行中需特別關(guān)注;

（3）核電廠參與調(diào)峰運行，若堆芯裝載方案不改變，堆芯反應(yīng)性系數(shù)及動力學系數(shù)變化很小，某些特定事故可能會有較大變化;

（4）某一循環(huán)參與調(diào)峰后的影響并非獨立，考慮到燃料組件使用的連續(xù)性可能會影響到后續(xù)循環(huán)，需要統(tǒng)籌考慮。

本文雖然基于1.1節(jié)所述的調(diào)峰方式進行分析，但分析結(jié)論可以推廣到多種調(diào)峰運行方式。需要注意的是堆芯長期低功率運行后，需要特別關(guān)注燃料棒和包殼的相互作用。

參考文獻

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