“華龍一號”堆芯延伸運行能力分析

謝運利，于穎銳，陳 長，李滿倉，婁 磊，王星博，劉 琨，劉 勇

(中國核動力研究設計院 核反應堆系統(tǒng)設計技術國家級重點實驗室，四川 成都 610041)

核電廠反應堆在循環(huán)壽期末，硼濃度已非常低，通常在10 ppm(1 ppm=10-6)左右，已不能通過調硼引入反應性。但是通過降低一回路冷卻劑溫度或者堆芯功率，由通過慢化劑溫度、多普勒功率、平衡氙價值及軸向通量再分布等反饋引入正反應性，可以實現(xiàn)一段時間的堆芯延伸。堆芯延伸不僅為電廠的生產計劃提供了很大的靈活性，也可以提高核燃料利用率，增加電廠經濟性。

根據(jù)反應性引入方式的不同，延伸運行方式包括降功率運行(power coastdown)、降溫運行(temperature coastdown)、或者降溫和降功率結合的運行方式。降功率運行不改變一二回路的運行參數(shù)，僅通過降低堆芯功率引入反應性；而降溫運行通常不改變堆芯功率，通過降低一回路冷卻劑入口溫度或者汽輪機功率來降低一回路冷卻劑平均溫度，進而引入反應性。

延伸運行在國際上是一種使用比較成熟和廣泛的運行技術手段，目前國內大亞灣、秦山核電等二代電廠成功實施過延伸運行[1-2]，方法是先通過汽輪機降低一回路冷卻劑平均溫度，然后降低堆芯功率實現(xiàn)延伸運行。

“華龍一號”是我國具有自主知識產權的三代核電壓水堆堆型[3]，堆芯設計吸取了國內外相關設計的先進經驗，具備較好的先進性、安全性和經濟性。在運行靈活性方面，堆芯采用Mode-G模式運行，可以進行負荷跟蹤、負荷階躍等機動運行，具備較好的運行機動性。“華龍一號”實現(xiàn)延伸運行，將進一步提高運行機動性，增強與國內外其他三代核電的競爭力。

本文對“華龍一號”堆型幾種延伸運行方式進行了建模，從延伸運行時間、堆芯功率變化、冷卻劑入口溫度和平均溫度變化、軸向功率分布控制等角度，分析了不同延伸運行方式的運行過程，同時初步討論了不同延伸運行方式的經濟性及安全評價等內容。

1 延伸運行研究

1.1 延伸運行模擬

本文以“華龍一號”平衡循環(huán)為研究對象進行延伸運行能力分析。“華龍一號”平衡循環(huán)堆芯采用177組4.45%的AFA3G組件，循環(huán)長度為17 870 MW·d/t，壽期末硼濃度約為10 ppm。

“華龍一號”堆芯控制棒組由功率補償棒(G1、G2、N1和N2)和溫度調節(jié)棒(R)構成。功率補償棒用于補償負荷跟蹤時的反應性變化，溫度調節(jié)棒用于調節(jié)堆芯平均溫度，補償反應性的細微變化和控制軸向功率偏差。在延伸運行模擬過程中，為避免產生氙振蕩進而增加堆芯功率分布控制難度，R棒組棒位保持在延伸運行前位置附近，其他棒組全提出堆芯。降溫運行僅考慮通過降低冷卻劑入口溫度來降低一回路平均溫度。

1.2 降功率運行過程

降功率運行不改變慢化劑入口溫度，不需要改變整定值和改動設備，是最簡單的延伸運行方法。由于功率下降，多普勒反饋降低，并且氙密度減少，得以補償燃耗增加引入的反應性。

在堆芯壽期末進行降功率運行，運行時間為一個月，循環(huán)燃耗增加1 128 MW·d/t。硼濃度恒定為10×106，入口溫度為292 ℃，考慮瞬態(tài)氙和釤濃度變化。圖1給出了堆芯相對功率和冷卻劑平均溫度隨堆芯燃耗的變化。經過30天延伸運行，相對功率緩慢降至80%，冷卻劑平均溫度由312 ℃緩慢降至308 ℃。

圖1 降功率運行期間相對功率與冷卻劑平均溫度隨時間變化Fig.1 Relative power and coolant average temperature as a function of burnup during power coastdown

圖2給出降功率運行期間堆芯軸向功率偏差ΔI與隨時間變化的過程。由于堆芯進水口與堆芯出水口溫差相對較小，導致功率分布趨向于堆頂，ΔI將向更正的方向偏移，由-3%升至6%。由于硼濃度很低，負荷跟蹤能力有限，延伸運行過程中極端的軸向功率分布很難產生，并且降功率過程中功率峰因子限值增大，因此延伸過程中允許更大的ΔI是合理的，不會影響安全性。延伸運行過程中應定期調整參考軸向功率偏差ΔIref，從圖2可見，整個運行期間ΔI由-4%變?yōu)?%，ΔIref約需標定5次，約每星期一次，可保證ΔI在參考值運行帶以內。

圖2 降功率運行期間堆芯ΔI隨時間變化Fig.2 ΔI as a function of burnup during power coastdown

1.3 降溫運行

對于降溫運行，正反應性通過降低慢化劑平均溫度引入。降溫過程中功率水平維持在恒定水平，通常接近100%。降溫運行時間由安全分析允許的最低入口溫度決定，圖3為降溫運行時間隨最低入口溫度的變化關系，可見最低入口溫度為282 ℃時，入口溫度由292 ℃降低10 ℃，可實施30 d的降溫延伸運行。

圖3 降溫運行時間隨最低入口溫度的變化關系Fig.3 Temperature coastdown operation times as a function of the lowest inlet temperature

100%功率水平下降溫運行期間堆芯ΔI隨時間變化的過程見圖4。可見，相同延伸運行時間時降溫運行的堆芯ΔI要低于降功率運行，在30 d運行時間內，ΔIref在整個運行期間約需標定4次，比降功率運行少一次。

圖4 降溫運行期間堆芯ΔI隨時間變化Fig.4 ΔI as a function of burnup during temperature coastdown

1.4 降溫后的降功率運行

由于堆芯入口溫度允許下降的幅度不大，不同實施較長時間的降溫運行。為保證運行時間，降溫運行期間冷卻劑入口溫度達到最低入口溫度后，保持入口溫度不變，可繼續(xù)實施降功率運行。假設堆芯最低入口溫度為289 ℃，在堆芯壽期末進行先降溫再降功率運行，運行時間為一個月，循環(huán)燃耗增加1 128 MW·d/t。硼濃度恒定為10×106。

圖5給出了堆芯相對功率和冷卻劑入口溫度隨堆芯燃耗的變化。經過11 d降溫運行后，入口溫度降到最低入口溫度289 ℃，隨后開始降功率運行，相對功率緩慢降至87%。整個運行期間堆芯平均溫度由312 ℃緩慢降至306 ℃。

圖5 堆芯相對功率和冷卻劑入口溫度隨堆芯燃耗的變化Fig.5 Relative power and coolant inlet temperature as a function of burnup

圖6給出降溫和降功率運行期間堆芯ΔI與隨時間變化的過程。由圖可見，降溫和降功率運行期間堆芯ΔI變化與完全降功率運行ΔI變化接近，ΔIref仍需每星期標定一次。

圖6 降溫和降功率運行期間堆芯ΔI與隨時間變化Fig.6 ΔI as a function of burnup during temperature-power coastdown

1.5 控制棒插入對延伸運行的影響

理論上來說，延伸運行過程中控制棒組部分插入堆芯，可以降低堆芯AO，有利于ΔI目標值的控制。圖7給出了降功率運行期間，控制棒全提和G棒組按重疊步逐漸插入120步過程中，堆芯ΔI的變化比較。延伸運行后期ΔI由6%降至4%，可見，雖然插入控制棒后可降低ΔI，插棒對降低ΔI的效果并不明顯，仍需要標定4次ΔIref。另外，控制棒陰影效應會影響到下一堆芯循環(huán)，因此不建議“華龍一號”堆芯進行插棒的延伸運行。

圖7 不同控制棒插入位置下延伸運行期間堆芯 ΔI與隨時間變化Fig.7 ΔI as a function of burnup during coastdown for different control rods positions

2 延伸運行影響分析

2.1 功率能力分析

對于堆芯運行前有計劃的延伸運行的功率能力分析，可在換料安全檢查表(RSAC)出版前采用全提棒及熱態(tài)滿功率模型進行分析，該模型產生的軸向功率形狀比RSAC中所有低功率燃耗的形狀都保守，因為相比熱態(tài)滿功率模型，低功率燃耗堆芯AO趨向正值移動，軸向功率形狀相對不惡劣，DNB更加保守。

對于堆芯運行后的非計劃延伸運行的功率能力分析，為驗證是否滿足RSAC的要求，應對實際的延伸運行進行模擬。降功率運行中，堆芯參數(shù)大多只需要經過少量計算評價，而降溫運行需要更全面的計算分析工作，非計劃延伸運行需要進行分析或評價的堆芯參數(shù)列表見表1。

表1 非計劃延伸運行需要進行分析或評價的堆芯參數(shù)列表

延伸運行達到的停堆燃耗不應超過下一循環(huán)規(guī)定的停堆燃耗窗口，否則需要對本循環(huán)的燃料管理進行重新評價。另外，如果延伸時間較長，延伸運行過程可能需要進行計算以保證下一循環(huán)LOCA事故分析堆芯功率峰因子是否滿足限值。

2.2 延伸運行的經濟性

降溫運行過程相對復雜，需要全面、詳盡地分析對設備、系統(tǒng)正常運行以及所有設計基準事故的影響，但相同的堆芯燃耗下，降溫運行比降功率運行有更好的經濟性，可顯著提高能量利用率。圖8給出了降功率運行、降溫和降功率運行期間電廠熱功率和電功率的變化比較。綜合考慮延伸運行的實施的操作性及能量需求，電廠可先確定降溫運行時間，再進行降功率運行。

圖8 降功率運行、降溫和降功率運行期間 電廠熱功率和電功率的變化比較Fig.8 Comparison of thermal power and electric power between power coastdown and temperature-power coastdown

3 結論

延伸運行可提高電廠燃料利用率，增加電廠運行靈活性，已成為國際上常見的電廠運行方式。

本文對“華龍一號”反應堆的延伸運行能力進行了初步論證，結果表明“華龍一號”可在較長時間內實現(xiàn)降功率、降溫或者降溫和降功率運行。延伸運行建議將控制棒組全提出堆芯，ΔIref約一個星期標定一次。降溫運行經濟性好于降功率運行，但運行操作更復雜，需要更全面、詳盡地論證分析。電廠可根據(jù)不同需求選擇不同的運行方式。

功率能力分析方面，對于堆芯運行前有計劃的延伸運行的功率能力分析，可采用全提棒及熱態(tài)滿功率模型進行分析；對于堆芯運行后的非計劃延伸運行的功率能力分析，需要對實際的延伸運行史進行模擬以驗證是否滿足RSAC的要求。本文僅對華龍一號延伸運行功率能力分析的方法和內容進行了初步分析，具體研究有待進一步開展。