AP1000核電廠靈活循環燃料管理策略研究及應用

曹 泓，秦玉龍，王麗華，楊 波，王釋偉

(1.上海核工程研究設計院有限公司，上海 200233；2.山東核電有限公司，山東 煙臺 265116)

三門和海陽AP1000核電廠目前采用18個月換料周期(固定換料組件數)、低泄漏和高燃耗的堆芯燃料管理策略。根據當前燃料管理策略，堆芯共有157組燃料組件，每循環換料組件數量均為64組，循環長度相對固定。在核電廠實際運行過程中，為了在用電高峰的夏季避免停堆大修，保障冬季用電高峰供電，增加兩臺機組大修間隔防止大修重疊等，通常需要電廠具有靈活的循環長度。雖然可采用壽期末延伸運行、提前停堆等方式調節循環長度，但這些措施會降低電廠負荷因子，導致燃料經濟性下降，且不滿足冬季供暖或夏季用電高峰供電等場景的能量需求。傳統的18個月固定換料周期模式已經難以滿足核電廠經濟生產的要求。

本文針對核電廠運行的實際需求，在18個月固定循環長度的基礎上，研究±1個月(17/19個月)和±2個月(16/20個月)的靈活循環燃料管理策略[1]，通過調整新燃料組件的數量，實現長短周期靈活運行[2-3]。本文研究的靈活循環燃料管理策略即將應用于海陽核電廠，三門核電廠也計劃在后續循環中應用。

1 設計目標與設計程序

1.1 設計目標和準則

靈活循環燃料管理策略研究基于AP1000核電廠目前的堆芯裝載方案設計，從堆芯循環壽期和燃料經濟性、安全性、運行靈活性等方面開展完整的論證分析，論證內容包括靈活燃料循環換料堆芯方案布置、堆芯通用安全限值與燃料經濟性評價、功率容量論證、反應性事故包絡限值驗證以及其他可能受影響的方面。

本文研究的靈活循環堆芯裝載方案均基于AP1000核電廠目前的燃料設計[4]，且遵循核電廠目前使用的安全限值。表1列出AP1000核電廠堆芯裝載方案設計遵循的設計準則。

表1 方案設計遵循的設計準則Table 1 Loading pattern design criteria

1.2 設計程序

本文采用PARAGON/ANC程序對各策略的堆芯裝載方案進行計算分析。PARAGON程序是一個基于ENDF B/Ⅵ的70群基本核數據庫和兩維多群輸運理論的燃料組件能譜計算程序，用于計算燃料組件的均勻化核截面參數。ANC程序是建立在三維節塊展開方法(NEM)與精細功率重構基礎上的堆芯計算程序，用于堆芯反應性、反應性系數、功率和燃耗分布等各種堆芯參數的計算[5]。

2 靈活循環燃料管理策略研究

靈活循環燃料管理策略研究的目的是為核電廠提供一種或多種合理的、安全的、經濟的、靈活的換料策略，確定滿足各種要求的堆芯裝載方案。基于AP1000核電廠目前的堆芯設計，靈活循環采用整體型燃料可燃毒物(IFBA)展平堆芯功率分布，采用低泄漏裝載方式[6]以提高燃料利用率，并在滿足靈活換料循環長度和相關安全限值的前提下，根據需要對新燃料組件進行分批[7-8]，以盡量提高燃料的利用率，進而保證核電廠運行的經濟性。

2.1 17/19個月靈活循環裝載方案

17個月換料周期方案采用60組新燃料，由36組4.45%的Y1區與24組4.95%的Y2區組成，平衡循環的長度為476.2 EFPD，卸料燃耗為49 687 MW·d/tU；19個月換料周期方案采用68組新燃料，由36組4.45%的Z1區與32組4.95%的Z2區組成，平衡循環的長度為535.5 EFPD，卸料燃耗為50 115 MW·d/tU。圖1示出17/19個月交替換料策略的平衡循環堆芯裝載圖。

2.2 16/20個月靈活循環裝載方案

16個月換料周期方案采用56組新燃料，由32組4.30%的Y1區與24組4.75%的Y2區組成，平衡循環的長度為441.0 EFPD，卸料燃耗為49 910 MW·d/tU；20個月換料周期方案采用72組新燃料，由36組4.80%的Z1區與36組4.95%的Z2區組成，平衡循環的長度為575.2 EFPD，卸料燃耗為50 532 MW·d/tU。圖2示出16/20個月交替換料策略的平衡循環堆芯裝載圖。

3 方案評價

3.1 安全限值要求

表2列出各換料策略的平衡循環堆芯裝載方案的評價結果。由表2可見，各方案的核焓升熱管因子最大值不高于1.617，總功率峰因子最大值不高于1.977，慢化劑溫度系數均不為正，壽期末停堆裕量大于1 600 pcm，最大棒燃耗為59 927 MW·d/tU，均滿足相關設計準則。

表2 不同靈活循環燃料管理策略平衡循環安全限值要求的評價結果Table 2 Evaluation on safety-related limit for equilibrium-cycle of each strategy

3.2 燃料循環經濟性分析

核電廠經濟性分析是復雜的多變量問題，鈾礦價格、燃料轉化富集制造成本價格等存在較大不確定性，堆芯燃料管理則主要關心核燃料利用，而鈾礦、分離功占燃料循環成本80%以上，故本文暫以燃料分離功、天然鈾需求量對各方案進行燃料循環經濟性初步分析，采用單位能量輸出天然鈾需求量表征核燃料利用率[9-10]。天然鈾富集度為0.711%，尾料富集度假設為0.250%，采用濃縮廠的物質平衡方程計算新料分離功和天然鈾需求量，結果列于表3。由表3可見，17/19個月和16/20個月兩套靈活循環換料策略與18個月換料策略的單位能量輸出新料分離功和天然鈾需求量相當，即兩套靈活循環燃料管理策略在實現了不同換料周期靈活運行的基礎上，與現役壓水堆的燃料經濟性相比，具有明顯的優勢，燃料經濟性較好。

a——16個月；b——20個月圖2 16/20個月交替換料策略平衡循環堆芯裝載圖Fig.2 Equilibrium-cycle loading pattern of 16/20 months duplex refueling strategy

a——17個月；b——19個月圖1 17/19個月交替換料策略平衡循環堆芯裝載圖Fig.1 Equilibrium-cycle loading pattern of 17/19 months duplex refueling strategy

表3 不同靈活循環燃料管理策略平衡循環方案燃料利用率評價Table 3 Evaluation on fuel utilization for equilibrium-cycle of each strategy

3.3 安全分析

為進一步研究靈活循環燃料管理策略的安全性，對各換料策略開展了完整的安全分析。

1) 針對通用關鍵安全參數(包括慢化劑溫度系數、多普勒系數、停堆反應性等)開展了計算分析，靈活循環燃料管理策略不會突破通用關鍵安全參數。開展了功率容量論證分析，圖3示出滿足所有正常運行和運行瞬態(工況Ⅰ)要求的可接受的常軸向偏移控制(CAOC)運行帶。反應堆功率分布驗證分析結果表明，堆芯運行滿足各種安全要求并可保持運行靈活性。

圖3 滿足工況Ⅰ要求的可接受的CAOC運行帶Fig.3 Acceptable CAOC band for meeting requirement of conditionⅠ

2) 針對反應性事故開展了計算分析。分析表明，除硼稀釋事故外，其他反應性事故均不會突破安全分析限值。針對硼稀釋事故重新開展事故分析，確定適用于靈活循環燃料管理策略的安全分析限值。針對反應性事故以外的其他事故也開展了計算分析。圖4示出落棒事故分析結果，分析表明這類事故不會突破安全分析限值。

a——灰棒控制組件(GRCA)；b——黑棒控制組件(RCCA)圖4 落棒后與落棒價值的關系 after rod dropping vs drop rod worth

3) 對源項設計及放射性屏蔽計算開展了分析評估，18個月換料周期方案的堆芯放射性積存量、設計基準反應堆冷卻劑源項、排放源項、屏蔽設計設備源項等源項分析結果具有足夠的保守性，可以包絡靈活換料設計方案所帶來的影響。靈活循環燃料管理策略導致的堆芯功率分布變化在10%以內，仍在18個月換料周期方案分析所采用的包絡性功率分布范圍內，不影響18個月換料周期方案的一次屏蔽[11]設計結果。

4) 對系統進行了評價和論證。評估了一回路水化學影響、三廢處理系統能力、衰變熱分析、系統能力和屏蔽設計、失水事故后硼結晶等，靈活循環燃料管理策略不影響18個月換料周期方案設計結論；且小幅度的靈活循環燃料管理策略的變化，不影響技術規格書中各項定期試驗的執行。

4 總結

本文針對AP1000核電廠開展靈活循環燃料管理策略的研究，在18個月固定循環長度的基礎上，設計了±1個月和±2個月的長短周期堆芯裝載方案，完成方案的安全性限值與燃料經濟性評價，開展了完整的安全分析，堆芯設計滿足安全相關驗收準則的要求。本文的研究論證了AP1000核電廠靈活循環燃料管理策略的安全性和可行性，為AP1000核電廠實現靈活循環周期的運行方式奠定了基礎。

根據海陽核電廠的生產計劃，即將于1號機組第3循環實施靈活循環燃料管理策略。三門核電廠也計劃在后續循環中應用靈活循環燃料管理策略。