壓水堆核電機組長循環模式下的換料設計管理

焦健

【摘 要】壓水堆核電機組長循環策略下的換料設計與年度換料相比有很大區別：設計循環長度、關鍵安全參數限值、安全分析結果均有所不同。確定堆芯裝載方案時需要對備選換料方案進行綜合考慮，選擇安全性及經濟性較好的堆芯裝載方案。應用獨立自主校算對設計院提供的裝載方案的關鍵參數進行獨立校算以確保關鍵安全參數不超限。其次重點關注所選擇方案的事故分析結果，對出現的參數超差事故進行進一步的事故評價，確保事故后果不超出電廠FSAR限值。最后，通過將計算結果與實測結果的對比分析對所選擇的方案進行評價和總結，為后續長循環換料設計管理提供數據支撐及經驗反饋。

【關鍵詞】長循環;換料設計;管理

中圖分類號： TL421.1 文獻標識碼： A文章編號： 2095-2457（2019）04-0194-005

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.04.075

【Abstract】The refueling design of long cycle mode and annual mode is very different：the design cycle length， the critical security parameters limit，the safety analysis results may vary.First of all，it needs to give overall consideration on alternative design，choose safe and economic solutions to meet reloading requirements.Use independent software system to benchmark the key parameters of selected design.Secondly，pay attention to the results of safety analysis，give further accident analysis towards parameters which are overrun tolerance.Finally，comparing the results with the experimental results to evaluate and summarize the selected design，providing experience for future long refueling cycle design and management.

【Key words】Long cycle;Refueling ?design;Management

0 概述

壓水堆核電廠初始堆芯及后續循環的燃料管理模式一般采用年度換料的模式。但隨著運營單位機組數量的增加，多機組群堆管理模式開始實施，多機組大修整體規劃要求不斷提升。另一方面，隨著運營單位技術能力的提升，對機組燃料管理的經濟性要求不斷提高。在此情況下，運營單位實施了燃料管理模式更先進的長循環燃料管理。該模式下每個機組單次燃料循環的循環長度由約320等效滿功率天（EFPD）提高到500EFPD左右，有效減少了機組大修的頻率，提高了燃料燃耗利用率，增加了電廠的經濟性。長燃料循環是對換料燃料管理策略的一項重大改進，其實施可以提高燃料循環運行時間，提高機組的負荷因子，降低發電成本，提升經濟性。秦山第二核電廠2號機組和1號機組分別于2014年和2015年進入首個長燃料循環，本文以秦二廠1、2號機組首次長燃料循環換料設計為研究對象，對長燃料循環模式下的換料設計進行研究和總結，為后續機組的長循環換料設計管理提供經驗反饋。

1 長循環模式下的換料設計要求

核電廠運營單位在本燃料循環停堆前6個月向設計院提出下一個循環的換料設計要求，主要包括預測的當前循環停堆信息及下一循環的能量需求等具體要求。長循環模式換料設計與年度換料模式有相同點，但不同點更加鮮明：

1）長燃料循環換料堆芯一般采用低泄漏裝載模式，對換料設計方案的堆芯功率展平要求更高，難度更大;

2）長燃料換料設計要求使用的新燃料組件的類型、富集度、數量等都與年度換料不同，要使用富集度更高的新燃料組件，并且含有不同數量的可燃毒物，燃料組件類型的多樣化給換料設計增加了難度;

3）長燃料循環換料設計對換料堆芯燃料組件出口溫差提出更加具體的要求。根據近幾年國內已實施長循環的核電機組均反饋出現了不同程度的控制棒擾動問題，為有效降低控制棒擾動風險，要求熱電偶出口溫差盡可能小于25℃;

4）根據長燃料循環換料設計特點，燃料組件卸料燃耗將比年換料有所加深，換料設計審查時應對燃料組件最大卸料燃耗的設計控制更加嚴格，以確保實際燃料組件卸料燃耗滿足國家核安全局批準的要求。

2 長循環模式下的設計方案選擇及考慮的因素

根據運營單位提出的換料設計要求，換料設計支持單位一般會提供多個換料設計備選方案，由運營單位技術人員進行選擇。由于燃料經濟性和堆芯安全性之間的相互制約，每個方案都有一定的優缺點，經濟性很好則可能帶來卸料燃耗更深，安全裕量較小，有可能存在超出卸料燃耗限值的風險;安全性較好、安全裕量較大的設計方案則可能達不到要求的能量需求，或造成卸料燃耗相對較淺但又不足以繼續使用造成浪費。如何在經濟性和安全性之間找到平衡點，找到能滿足機組安全經濟性要求的方案是換料設計管理的關鍵。在進行換料方案的對比和選擇時，應重點考慮以下因素：

1）能量需求

長循環模式下的換料設計方案要求提供比年度換料更高的能量需求，要求機組每次循環的運行時間大幅增加。在方案選擇時應考慮所選方案能量需求應該與長循環換料設計要求相差不大，不能明顯短于或長于要求的循環長度。應滿足當前循環長度并同時應兼顧后續循環能量需求，不能造成后續循環的明顯能量不足或能量過剩。

2）慢化劑溫度系數

電廠運行規程要求機組運行期間的慢化劑溫度系數必須為非正值，即慢化劑溫度升高時堆芯產生負反應性，一致功率提升，使得機組本身具有負反饋效應，以保證反應堆固有安全性。慢化劑溫度系數的正負與硼濃度有很大關系。當慢化劑溫度升高時，硼的密度會下降，從而引入正反應性，如果硼濃度過高，這個引入的正反應性會大于慢化劑升溫引入的負反應性效應，從而整體使得慢化劑溫度系數為正，這樣就不滿足負反饋的要求。但長循環壽期初必然貯備較多的后備反應性，在壽期初必然產生較高的臨界硼濃度，因此需要考察備選方案的臨界硼濃度不應過高，并配合控制棒的插入以確保有功率期間負的慢化劑溫度系數。

3）停堆裕度

停堆裕度表示為反應堆在不同工況下當所有控制棒都插入堆芯時，價值最大的一束控制棒卡在堆外，反應堆達到的負反應性。停堆裕度的重要性體現在其為裝載方案進行的各種事故安全分析的假設條件。如果停堆裕度被突破，則可能面臨在此基礎上開展的事故分析是無效的。長循環換料模式下的停堆裕度限值與年度換料不同，必須要求換料設計方案的停堆裕度滿足長循環模式下停堆裕度要求的最小值。如某次長循環換料設計的三個方案分別為2470pcm、2643pcm、2524pcm，均滿足停堆裕度2200pcm的最小值要求。

4）核焓升因子

核焓升因子是判斷堆芯功率分布是否展平的重要指標之一，其物理意義為最熱通道焓升與平均通道焓升之比值。長循環模式下換料方案的功率展平由于新燃料擺放位置的要求，相比年度換料有更高的難度，因此核焓升因子限值有所提升。長循環換料設計方案在設計階段各燃耗點的焓升因子設計值應小于1.465，在運行期間的實測值應小于1.6。由于機組實際的停堆時間可能與換料設計論證時的假設有所不同，因此在選擇方案時應同時考慮長短窗口下的焓升因子參數，同樣不能超過設計限制。由于越小的焓升因子代表越平坦的功率分布，因此選擇盡量小的核焓升因子方案代表了更加安全的方案。如某次長循環換料設計的三個方案在壽期初平衡氙狀態下的焓升因子分別為1.409、1.431、1.432。顯然1.409的方案由更好的堆芯功率分布，更好的安全性。

5）卸料燃耗

根據特定機組長循環模式下換料管理策略的論證結果，AFA3G燃料組件最大卸料燃耗應小于52000MWD/tU，燃料棒卸料燃耗應小于57000MWD/tU，因此選擇的換料方案應滿足燃耗最大的組件卸料燃耗要求。例如某換料設計方案的卸料燃耗對于AFA 3G組件最大燃耗為47356 MWd/tU，AFA 3GAA組件最大燃耗為21278MWd/tU，滿足相應的組件燃耗限值要求。

6）堆芯組件熱電偶出口溫差

根據長循環堆芯裝載的特點，相比年度換料功率展平更加困難，焓升因子會升高，堆芯出口溫差相對年度換料也會增加，在年度換料期間一般要求換料設計方案堆芯熱電偶出口溫差小于20℃，由于年度換料焓升因子較小，該條件很容易得到滿足，年度換料設計方案及運行情況極少出現熱點偶出口溫差超過限值而導致報警。對于長循環，由于后備反應性要求高及功率分布平坦的矛盾關系，很難設計出如年度換料設計方案相似的焓升因子，焓升因子會增大。同時根據電廠系統特性，在改造前系統的溫差報警閾值設定在25℃，因此換料設計要求方案的堆芯熱電偶出口溫差應盡量小于25℃。如果出口熱電偶溫差大于25℃可能出現運行期間控制棒自動動作以降低溫差的現象，近幾年國內已實施長循環的核電機組均反饋出現了不同程度的控制棒擾動問題。因此應特別注意方案的堆芯組件熱電偶出口溫差。例如在某次換料設計方案中，熱電偶處組件出口溫度最大溫差為21.8℃。考慮到設計與運行的不確定性，仍然可以保證不超限控制棒自動動作的現象。

3 關鍵安全參數的校算

對備選的換料設計方案進行選擇的同時，運營單位運用與核電廠專業服務單位共同開發的具有自主知識產權的堆芯校算軟件對備選方案進行關鍵安全參數校算，以驗證這些參數的正確性、合理性。校算的關鍵安全參數至少包括設計方案的循環長度、不同棒位狀態下的臨界硼濃度、循環壽期內的焓升因子，壽期末的停堆裕量、組件最大卸料燃耗，慢化劑溫度系數、徑向功率分布，堆芯熱電偶出口溫差。因為換料方案設計時使用的軟件與方案校算使用的軟件是完全不同的，相當于使用了完全不同的方法都相同的方案進行了獨立的驗證。當校算的參數與設計的參數存在偏差較大時，一般以物理試驗驗收準則為限，超出偏差范圍時要對產生偏差進行分析，確定合理的計算結果，消除建模分歧。

如下圖為自主校算的某機組壽期初平衡氙下的堆芯功率分布及某機組壽期初平衡氙下的燃料組出口溫度分布，可以同設計院試驗數據對比以進行獨立的驗證。

4 對方案的安全分析及再評價

長循環模式下的換料設計與年度換料相比，由于關鍵安全參數的變化可能造成事故分析論證結果的不同。因此必須特別關注換料方案安全分析的結果。如果換料方案通過了安全分析，則其滿足包括最終安全分析報告（FSAR）在內的所有安全參考文件對所有可能事故的假設條件及結論，即方案是滿足安全準則的。具體方法是判斷關鍵安全參數是否在換料安全檢查表（RSAC）允許范圍以內，如果部分參數不在RSAC范圍內，對于超差的參數應該進行再評價，看事故分析的結果是否滿足安全安全分析報告對事故工況的要求。安全分析評價的關鍵安全參數包括通用關鍵安全參數和特定事故關鍵安全參數。

特定關鍵安全參數僅影響某一特定事故，核電廠假設的特定事故一般包括：硼稀釋事故、提棒事故、落棒事故、彈棒事故、主蒸汽管道斷裂事故。通過對這些事故進行模擬，計算出特定關鍵安全參數，并與RSAC限值進行比較，對于超限的參數，應該分析其后果。在某次長循環換料設計的安全分析中，慢化劑密度系數最小值超過了限制，從而導致啟動物理試驗階段溫度系數可能為正，這就需要設置控制棒的提出限以限制硼濃度從而保證慢化劑溫度系數為負值。又如某次安全分析中，硼微分價值超限，這會影響硼稀釋事故分析結果，通過對該事故進行模擬，如果硼微分價值超限，在自動運行期間會觸發控制棒低報警，在沒有其他動作情況下反應堆大概14分鐘會重返臨界，而在手動控制模式下，會有36分鐘重返臨界，因此在有報警的情況下操縱員均有足有時間進行干預防止臨界。又如對彈棒事故進行分析，其設計基準要求是燃料棒包殼溫度和燃料棒發生偏離泡核沸騰的份額都在安全限值以內。但在對方案進行提單棒事故模擬時發現在壽期末滿功率發生提單棒事故后功率分布不滿足限制要求，熱點因子超出RSAC的限值。此時需要對該事故進行進一步的分析，方法是選用比這種情況更惡劣的熱點因子進行模擬計算，發現即使工況更惡劣，燃料組件包殼和燃料芯塊的溫度依然滿足最終安全分析報告的安全準則。通過對通用關鍵安全參數和特定事故安全參數的確認，以及對超差關鍵安全參數進行事故的再分析和再評價，即可判斷換料安全分析報告是否可以接受。

5 長燃料循運行期間實測值與設計值的比較及經驗反饋

1）與啟動物理試驗數據對比

反應堆啟動物理試驗和日常定期物理試驗都會對換料設計文件進行驗證。因為設計和校算文件都是在建立在理論模型和引用理論數據庫的基礎上進行的模擬計算，其計算結果與實測存在偏差甚是必然的。在啟動物理試驗階段，當試驗值與設計值偏差超出驗收準則后，首先應排除人為因素導致試驗值錯誤，排除該因素后應檢查機組狀態是否偏離試驗條件，排除以上因素結果仍然超差，應該首先暫停繼續試驗，將試驗結果反饋設計院并進行專家咨詢，查找偏差產生的根本原因，并按照電廠管理要求通報國家相關主管部門。關于對超差進行處理的方式，應按照運營單位物理試驗監督要求嚴格執行。

2）與日常運行跟蹤數據對比

根據同類型機組反饋，在首個長循環壽期初由于熱工特性改變，相關系統可能會在主控室出現一些報警和動作，包括觸發堆芯熱電偶溫差大報警以及測溫旁路溫度的波動自動對控制棒產生動作。這些現象的直接原因為：與年度換料相比，富集度較高、后備反應性較大的新燃料組件擺放位置的變化，造成堆芯內功率分布不會同年度換料模式一樣平均，堆芯組件熱電偶出口溫差增大。如在年度換料制中，組件熱電偶出口溫差最大值小于20℃，在長循環換料制中，要求組件最大出口溫差盡量小于25℃，但疊加理論計算與實測可能存在偏差，以及現場測溫設備在存在一定范圍的波動，在長循環換料模式下壽期初出現出口溫差偏大是可能的。如在某機首次長循環壽期初出現了棒組頻繁動作，出現了溫差報警現象。根據這些經驗反饋，在今后的換料方案選擇階段，應該對壽期初、核焓升因子較大的燃耗點進行進一步的出口溫差計算和分析，如果其可能導致頻繁報警及控制棒動作較多，則應該對換料設計方案進行重新的優化，或提前告知運行人員注意該現象的操作準備。

6 結論

長燃料循環模式下的換料管理與年度換料管理有共同的目的，均旨在選擇滿足安全經濟性要求的換料方案。但具體的管理過程又存在很大不同，由于能量需求的提高，堆芯燃料組件裝載模式的變化，由高泄露變為部分低泄露，并使用了更多的高富集度組件，因此核特性和熱工特性都發生變化。根據長循環換料與年度換料特性的不同，綜合考慮經濟安全因素，以關鍵參數為依據選擇合理的裝載方案，并用不同的計算方法（計算程序）對關鍵參數進行獨立校算，驗證設計值的合理性。由于堆芯裝載方案特性的變化，可能導致安全分析時關鍵安全參數超限，這就需要對參數超差可能影響的事故做進一步的論證分析，保證其滿足最終的安全準則及設計準則。在機組實際運行期間，要更加注意實測值與計算值＼校算值的分析對比，用以驗證設計與實測工況的符合性，并進一步修復設＼校算計算模型。以上工作的實施，體現出換料管理過程的主要工作，高度重視換料方案的選擇和優化、重視安全分析結果及電廠實際運行反饋，掌握長循環換料與年度換料設計運行階段的主要區別，可以加深對長循環、部分低泄露的換料裝載模式的認識，進一步提升換料設計管理能力，為提升機組運行業績做出貢獻。