新形勢下的燃料管理優化

許星星，常小博，曹云龍，位金鋒，蔡德昌，付學峰

(1.中廣核研究院有限公司，深圳518026；2.遼寧紅沿河核電有限公司，大連116319)

延長換料周期可以提高機組的能力因子，降低年均大修費用，增加年度發電量。自20世紀80年代初美國核電廠首次實施18 月的周期性換料策略以來，世界各國多個核電廠逐步轉為18 月或更長的換料周期。目前國內絕大多數壓水堆核電廠已經過渡或者計劃改造為18 月周期性換料，并且國內在建的核電廠中均采用了18 月周期性換料的燃料管理策略，因此18 月長循環周期性換料策略是目前燃料管理模式的主流[1-6]。

近幾年，由于經濟新常態、可再生能源大量投產及電力市場改革，核電上網形勢發生了巨大的變化。目前，國內各核電廠發電需求普遍低于工程設計假設，部分電廠負荷減載嚴重，因此，出現了燃料管理方案難以實現、提前停堆棄料、燃料經濟性差及堆芯關鍵性參數裕量降低等一系列問題，迫切需要進行燃料管理優化改進。

為了更好地適應當前形勢下的發電需求，需要優化目前的燃料管理策略，合理調整大修規劃，將電廠大修安排在負荷減載嚴重期間，以便在允許核電廠發電的時間段內多發電。本文調研了中廣核集團的核電廠發電需求，發現各核電廠減載原因和規律不盡相同，但基本上所有機組都采取了節假日減載，尤其春節和國慶期間減載幅度大且持續時間長。16～20 月的換料措施可將大修安排至春節和國慶期間，有利于提高機組的發電總量。

本文在當前18 月的周期性換料策略基礎上研究了16～20 月換料的可行性，采用相同的安全限值，研究給出了235U富集度為4.0%和4.45%的雙富集度燃料管理方案[7]，以適應新形勢下電廠發電需求。

1 設計目標和準則

1.1 設計目標

基于近幾年電廠負荷需求減載的新形勢，平衡循環設計目標為典型的電廠燃料可利用率達80%。為實現安排機組在春節和國慶期間大修，擬采用長短交替的16～20 月換料燃料管理模式，因此，長、短平衡循環的循環長度tEFPD分別為493 d和391 d。

1.2 設計準則

選擇CPR1000機組作為參考堆芯。該堆芯中裝載157個365.76 cm的全M5 AFA3G組件[6]。采用現有周期為18月的周期性換料燃料管理中成熟的設計方法和堆芯安全限值，設計準則為：1) 最大徑向功率峰因子FΔH≤1.481；2) 反應堆在各種功率水平下慢化劑溫度系數為負數或零；3) 壽期初熱態零功率臨界硼質量分數ω(B)≤2.2×10-3；4) 卸料組件燃耗≤52 GW·d·t-1；5) 卸料燃料棒燃耗≤57 GW·d·t-1；6) 停堆裕量≥2.3×10-2。

1.3 計算方法

本文利用法國開發的SCIENCE V2程序包進行模擬計算[8]。SCIENCE程序采用CEA提供的JEF2.1核數據庫，子程序APOLLO2-F采用碰撞幾率方法進行組件輸運計算，用于給子程序SMART提供2群均勻化的截面數據。利用該程序可對不同邊界條件和不同幾何對稱性的堆芯組件進行計算。子程序SMART是一個3維2群堆芯擴散-燃耗計算程序，采用先進節塊技術，可以計算所有類型壓水堆的穩態和瞬態工況。

1.4 燃料組件選型

為更好地實現16～20 月換料的目標及進一步提升靈活性，本文選取了2種燃料組件[3]：一種組件中235U富集度為4.45%，可燃毒物芯塊中Gd2O3的質量分數為8%；另一種組件中，235U富集度為4.00%，可燃毒物芯塊中Gd2O3的質量分數為6%。2種組件中235U的質量分數均為2.5%。為展平堆芯徑向功率分布，新組件采用了含5種不同數量釓棒的組件，分別為4，8，12，16，20根。

2 燃料管理優化

2.1 燃料管理策略

基于CPR1000堆芯，以電廠可利用率80%為設計目標，采用16～20 月的換料策略，本文分別設計了長、短2個平衡循環，堆芯裝載方案分別如圖1和圖2所示。

圖1 平衡循環L0堆芯裝載方案Fig.1 Loading pattern for equilibrium cycle scheme L0

圖2 平衡循環S0堆芯裝載方案Fig.2 Loading pattern for equilibrium cycle scheme S0

長平衡循環使用了72組235U富集度為4.45%的新燃料組件；短平衡循環使用了52組新燃料組件，其中，28組組件的235U富集度為4.45%，24組組件的235U富集度為4.00%。為了展平堆芯徑向功率峰因子分布，235U富集度為4.45%的新燃料組件主要布置在堆芯次外圈，235U富集度為4.00%的新燃料組件則布置在堆芯內圈。長、短循環方案均采用低泄漏模式，堆芯外圈布置三次或二次入堆的組件。外圈F14及1/8布置二次入堆的組件，下個循環中可以繼續在堆芯內圈使用。

2.2 燃料管理計算結果

平衡循環燃料管理方案計算結果如表1所列。

由表1可見，對于長平衡循環L0，循環長度tEFPD為493 d；壽期初慢化劑溫度系數為-3.2×10-5℃-1；堆芯最大徑向功率峰因子FΔH為1.463；組件最大卸料燃耗為49.2 GW·d·t-1；燃料棒最大燃耗為53.9 GW·d·t-1；停堆裕量為3.057×10-2；所有參數均滿足設計準則要求。235U富集度為4.00%和4.45%的組件平均卸料燃耗分別為42.4 GW·d·t-1和46.9 GW·d·t-1，235U富集度為4.45%組件平均卸料燃耗高于目前18 月周期性換料的平均卸料燃耗44.5 GW·d·t-1。

對于短平衡循環，循環長度tEFPD為391 d；壽期初慢化劑溫度系數為-3.7 ×10-5℃-1；堆芯最大徑向功率峰因子FΔH為1.463；組件最大卸料燃耗為48.1 GW·d·t-1；燃料棒最大燃耗為52.4 GW·d·t-1；停堆裕量為2.655×10-2；所有參數均滿足設計準則要求。235U富集度為4.45%的組件平均卸料燃耗為45.1 GW·d·t-1，略高于目前18 月周期性換料的平均卸料燃耗。

3 安全評價

3.1 通用核數據和關鍵中子學參數

基于上述長、短平衡循環的燃料管理方案，計算了通用核數據和關鍵中子學參數，并與某電廠18 月周期性換料燃料管理的通用中子學參數進行了對比，如表2所列。

表1 燃料管理計算結果Tab.1Calculation results of dual-enrichment fuel management strategies

表2 通用核數據和關鍵中子學參數Tab.2General nuclear data and key parameters

由表2可見，基于16～20 月換料策略設計出的燃料管理方案中各項中子學參數均滿足現有18 月周期性換料策略的安全限值要求。

根據啟動物理試驗的結果，將有可能需要在低功率時對功率控制棒的提出設定限值，以保證功率運行時的慢化劑溫度系數始終為負。

3.2 關鍵反應性事故評估

實施16～20 月換料策略后，事故分析使用的與燃料管理方案有關的功率分布、燃料數據、通用核數據和關鍵中子學參數等關鍵安全參數可能超出原FSAR的分析限值，需分析落棒、次臨界提棒、卡軸、單棒失控提出事故及彈棒事故等7個關鍵反應性事故下的關鍵安全參數。反應性事故分析結果表明，所有關鍵事故下相關參數均滿足相關安全準則要求。以彈棒事故為例，燃料芯塊熔化份額最大值為2.86%，最大包殼溫度值為978 ℃、芯塊焓最大值為579 J·g-1，均低于驗收準則；使用確定論方法計算得到的DNB的最大燃料份額為6.00%，低于驗收準則10%；瞬態過程中的壓力峰值遠低于110%的設計壓力限值18.95 MPa。

4 經濟性分析

根據表1中長、短平衡循環的平均卸料燃耗進行折算，16～20 月換料策略中，235U富集度為4.45%組件平均卸料燃耗高于現有18 月周期性換料策略中組件的平均卸料燃耗44.5 GW·d·t-1；考慮235U富集度為4.00%的組件，雙富集度方案的平均卸料燃耗約為45.3 GW·d·t-1，略高于18 月周期性換料策略。因此，采用16～20 月換料策略，在不改變組件燃耗限值的情況下，組件的燃料利用率略有提高。

16～20 月換料策略下，大修安排在負荷減載嚴重期間，如春節和國慶期間，從而保證了電廠需要發電時多發電，提高了機組發電量。

假設原換料策略中10月份減載日期為7 d，減載為停堆或降功率至50%FP，以電廠每天滿發電收入為人民幣1 000 萬元計算，每3年1次的10月份大修降功率至50%FP時，收益為7×0.5×1 000/3≈1 200 萬元；假設每3年1次的10月份大修停堆，則收益為7×1 000/3≈2 400 萬元。因此，多發電收益約1 200 萬～2 400 萬元。一般國慶期間減載時間可達10～15 d。負荷需求減載越大，燃料管理優化收益就越多，因此燃料管理優化可帶來更多的發電收益[9]。

根據某電廠統計，最近幾年中，因燃料管理不適應當前發電需求導致的提前停堆棄料時間大于30 d的情況已有3次，每次燃料經濟性損失超過3 000萬元。16～20月換料策略采用雙富集度方案，循環長度能有效滿足新形勢下燃料管理循環的要求，解決了當前部分電廠方案中難以實現和提前停堆棄料經濟性差的問題。

5 結論

本文基于國內核電廠負荷需求普遍減載的新形勢下，開展了堆芯燃料管理優化研究，提出了16～20 月換料策略和長、短交替的平衡循環方案，并開展堆芯通用核數據和關鍵中子學參數計算和經濟性分析。為了進一步提高燃料管理的靈活性，在設計時采用了235U富集度為4.45%和4.00%組件的雙富集度方案。

結果顯示，采用235U富集度為4.45%和4.00%的兩種組件可以很好地實現16～20 月換料策略，滿足燃料管理相關參數要求；關鍵中子學參數計算結果與18 月周期性換料策略的相關參數安全限值保持一致。關鍵反應性事故論證結果顯示，當前燃料管理策略能滿足事故安全限值要求，證明了設計方案具備工程實施的條件。

與現有18 月周期性換料策略相比，16～20 月換料策略減少了提前停堆換料經濟性損失，同時燃料組件的平均卸料燃耗略有提升；可將大修調整至春節、國慶期間等負荷減載嚴重時段，減少電廠負荷減載，提高機組發電量，每臺機組每年可獲得多發電收益1 200 萬～2 400萬元。