壓水堆核電廠燃料經濟性提升方法研究

摘? 要：為提高壓水堆核電廠的燃料經濟性，通過對核電廠堆芯特性進行研究，確定采用釓棒軸向分區并提升釓芯塊內U-235富集度的釓棒優化設計方法。分析表明，采用該技術可在保證安全性的前提下實現首循環的長周期低泄漏堆芯裝載，相對于長周期高泄漏堆芯裝載技術，該技術能為每臺機組減少約6 300萬元的首循環燃料費，采用該技術的平衡循環能為每循環節省燃料費約2 300萬元。

關鍵詞：燃料管理? ?首循環? ?平衡循環? ?軸向分區? ?經濟性

中圖分類號：F27? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A文章編號：1672-3791（2021）07（c）-0060-03

Abstract： In order to improve the fuel economy of pressurized water reactor（PWR） nuclear power plant， through the study of the core characteristics of nuclear power plant， the gadolinium rod optimization design method of axial zoning of gadolinium rod and increasing the enrichment of U-235 in gadolinium pellet is determined. The analysis shows that this technology can realize the long-term low leakage core loading of the first cycle on the premise of ensuring safety. Compared with the long-term high leakage core loading technology， this technology can reduce the first cycle fuel cost of about 63 million yuan for each unit， and the balanced cycle with this technology can save about 23 million yuan for each cycle.

Key Words： Fuel management; First cycle; Balance cycle; Axial partition; Economy

壓水堆核電廠可采用年度換料、1/4換料、18個月換料等不同的換料模式[1-3]，不同換料模式的經濟性是不同的，需根據電廠需要選擇最為合適的換料模式。影響經濟性的因素很多，如與卸料燃耗相關的燃料經濟性、大修帶來的人工成本和發電量減少等。總體而言，目前國內壓水堆核電廠普遍采用的18個月換料模式是較為經濟的一種換料模式[4-6]。該文基于國內核電廠采用最多的18個月換料模式，對燃料的經濟性提升方法進行了研究，針對初始投運核電廠的首循環和已投運核電廠的后續循環（主要是平衡循環）分別進行了研究。

國內二代核電廠平衡循環已基本采用18個月換料模式[7]，但首循環仍普遍采用高泄漏年度換料。首循環長周期低泄漏堆芯裝載模式能提高機組的可用率和燃料經濟性，減少作為工程費用部分的燃料費初始投入。采用釓棒軸向分區技術可以實現首循環長周期（18個月）低泄漏堆芯裝載，從而提升壓水堆機組的技術先進性和燃料經濟性。

對于國內大量已處于平衡循環運行的二代壓水堆核電機組和即將投運的三代壓水堆核電機組而言，以國內已具備的燃料組件軸向分區設計和制造能力為基礎，采用釓棒軸向分區并提升釓芯塊內U-235富集度的釓棒優化設計可以顯著提升堆芯的安全性和燃料的經濟性。

壓水堆核電廠燃料經濟性的優化目標是提高平衡循環的平均卸料燃耗，且在壽期末具備延伸運行能力，提高堆芯的燃料經濟性;實現首循環長周期低泄漏堆芯裝載，以降低首循環燃料費初始投入。

1? 優化方法

對于壓水堆機組普遍使用的活性區長度為365.76 cm的燃料組件，采用如下的釓棒軸向分區和釓芯塊內U-235富集度提升的設計方案。

（1）釓棒軸向分區：含釓燃料棒軸向兩端各設置一定尺寸的不含釓鈾芯塊，并裝載與同一燃料組件鈾棒中相同的鈾芯塊。

（2）富集度提升：提升釓芯塊內U-235富集度，可提高到與同一燃料組件鈾棒中鈾芯塊的U-235富集度相同。

針對首循環和平衡循環可分別采用不同的軸向分區方案[7-8]，如對稱或非對稱方案設計。由于首循環的堆芯特性與后續循環（包含平衡循環）差異較大，對于首循環需采用釓棒軸向分區的非對稱方案設計。對首循環含釓燃料棒進行軸向分區時，可以在頂部設置更多的不含釓鈾芯塊，從而緩解首循環壽期初堆芯下部功率比上部功率大的問題。對于平衡循環，堆芯上部和下部軸向功率偏差不大，可采用軸向分區的對稱方案設計。釓棒優化方案含釓組件中鈾棒和釓棒的軸向設計示意圖見圖1。

2? 優化方案

通過對不同釓棒軸向分區設計和釓芯塊中的UO2富集度進行研究，確定了一種平衡循環堆芯裝載經濟性提升方案，其主要參數如下：換料新組件數為72組，換料組件富集度為4.45%;釓芯塊內含8%的Gd2O3，釓芯塊內U-235富集度為2.5%;釓棒采用軸向分區設計，釓棒兩端各22.86 cm裝載富集度4.45%的鈾芯塊;釓芯塊內U-235富集度提升為4.45%。首循環堆芯裝載經濟性提升方案的主要參數如下：堆芯含32組1.8%、73組2.4%和72組3.1%三種UO2富集度組件;2.4%組件中釓芯塊UO2富集度為2.4%，Gd2O3重量百分比為8%;3.1%組件中釓芯塊UO2富集度為3.1%，Gd2O3重量百分比為9%;2.4%和3.1%組件的釓棒頂部30.48 cm分別為2.4%和3.1%的鈾芯塊。

此方案并非最優解，實際工程實施時，可在此方法基礎上開展進一步的優化研究，選擇更為合適的釓棒軸向分區和富集度提升方案。為便于比較，選取某國內已商運的含177組燃料組件的壓水堆核電廠作為經濟性提升分析比較的基準方案。

3? 計算結果及經濟性分析

采用上述堆芯燃料經濟性提升方案的計算結果顯示，在滿足循環長度、停堆裕量、卸料燃耗等堆芯燃料管理常規要求的前提下，采用釓棒軸向分區的技術對堆芯軸向功率分布有明顯的改善，采用釓芯塊內U-235富集度提升的技術對堆芯徑向功率分布也有積極作用。軸向功率分布和徑向功率分布的改善對堆芯的安全性有較為重要的貢獻。

一方面，燃料經濟性提升方法所采用的釓芯塊富集度與鈾芯塊富集度相同，減少了不同芯塊富集度的種類，有利于燃料的制造;另一方面，釓棒軸向分區會略微增加燃料組件制造流程的復雜性。在經濟性分析中，可假設經濟性提升方案采用的燃料制造價格與目前壓水堆核電廠所采用的燃料制造價格相同。

燃料經濟性分析中采用的關鍵參數假設詳見表1。

表2給出了燃料經濟性提升方案相對于基準方案的平衡循環燃料費用節省和首循環相對于基準方案減少的燃料費初始投入。

由表2可知，采用釓棒軸向分區和釓芯塊內U-235富集度提升的燃料經濟性提升方法可為機組每循環節省2 300萬元左右的燃料費;采用該方法可實現首循環長周期（18個月）低泄漏堆芯裝載，可減少首循環燃料費初始投入約6 300萬元。表2中需要說明的是，6 300萬元為首循環節省的燃料費初始投入，并非燃料費節省。

4? 結語

該研究采用釓棒軸向分區和釓芯塊內U-235富集度提升技術提高了壓水堆核電廠堆芯的燃料經濟性。相比基準方案，首循環和平衡循環的安全性均有了不同程度的提高，經濟性有了較大幅度的提升。其中，平衡循環每循環能節省燃料費約2 300萬元，即每臺機組、每18個月可以節省2 300萬元，可用于國內大量的在運壓水堆核電機組;首循環能為每臺機組減少約6 300萬元的燃料費初始投入。堆芯設計要想有大的優化，必須得從燃料的改進著手。該文介紹的技術以國內已具備的燃料組件軸向分區設計能力和制造能力為基礎，對含釓燃料棒進行了改進與創新，相較于事故容錯燃料（ATF）等先進燃料技術現階段面臨的種種問題，該技術成熟度較高、設計改動較小，是一項安全、經濟、可靠的燃料經濟性提升措施。

參考文獻

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