CNP600機組延伸運行的研究

楊 嗣 劉 臻 沈亞杰 高永恒 王澄瀚

（中核核電運行管理有限公司，浙江 海鹽 314300）

0 前言

隨著核電機組的增多，各機組按照設計循環長度同時大修的情況時有發生。另外，隨著核電在電網中所占比例逐漸增大，電網也對核電錯峰大修等要求越來越高?；谝陨显颍瑱C組延伸運行成為一種迫切的需求，在適當的機組循環實施延伸運行時可以提高停堆大修窗口安排的靈活性，提高燃料經濟性，也可以滿足電網要求。

1 延伸運行原理

隨著燃耗增加，易裂變核素減少，熱中子利用系數f降低，導致反應堆有效增殖系數Keff降低，為了維持臨界狀態，需要不斷引入正反應性。在常規的功率運行過程中，是通過不斷稀釋降低硼濃度和提升控制棒來實現的，其中降低硼濃度提供了絕大部分正反應性。但是在壽期末，一回路硼濃度通常只有10ppm左右，控制棒能提升的步數也很有限，并沒有進一步引入正反應性的空間，只能通過延伸運行的方式的方式保持反應堆功率運行。

延伸運行分為降參數延伸運行和降功率延伸運行。CNP600機組由于沒有進行專項論證，暫不具備實施降參數延伸運行的條件，只考慮以降功率的方式來延伸運行。

降功率后，堆芯釋放正反應性以延伸運行，反應性釋放來源有：

（1）功率虧損：當功率降低時，燃料溫度下降，多普勒效應導致鈾-238對中子的共振吸收減少，有更多的快中子被慢化成熱中子，使Keff增加，即引入正反應性，通常稱此為釋放功率虧損，這是降功率延伸運行中反應性的主要來源。

（2）氙毒：機組降低功率運行，堆芯的平衡氙毒變小，釋放出正反應性。

（3）慢化劑溫度反饋：在降功率延伸運行中，堆芯功率降低也伴隨有慢化劑溫度的降低，由于CNP600機組是在欠慢化區運行，故溫度降低也會引入正反應性。但通常計算中慢化劑溫度反饋已經包含在功率虧損中，不作單獨考慮。

（4）提升控制棒：電廠運行技術規格書規定，控制棒組D應位于咬量位置以下運行。在壽期末可以使控制棒組D盡量接近咬量位置，從而釋放一部分反應性。但是在電廠實際運行過程中，需要實施延伸運行時，控制棒已經處于較高位置，為了保證控制棒有一定的控制調整裕量，能夠應對氙震蕩等突發情況，不應把控制棒置于過于接近咬量的位置，所以通常進行延伸運行時不考慮通過提升控制棒進行反應性釋放。

2 延伸運行計算

2.1 降功率方式

在降功率延伸運行時，若一次降功率幅度較大，則由于功率虧損，降功率后需要進行硼化操作，而且在隨后的氙毒變化過程中又需要進行稀釋或除硼，這些都對電廠運行的操作性和經濟性造成不利影響，特別是在壽期末堆芯硼濃度很低時，一回路硼濃度的頻繁調整在操作上非常困難。因而，通常采取逐步降功率的方式。考慮到電廠實際報表、工作等一般以天為單位，逐步降功率也以天為周期為宜。

2.2 燃耗效應

因為在正常功率運行期間，燃耗效應引入的負反應性主要靠對一回路硼濃度進行稀釋釋放出的正反應性來平衡，所以燃耗效應的反應性可以通過延伸運行前一階段的硼濃度變化來間接求得。

以CNP600機組某循環為例，如表1所示。

表1 以CNP600機組某循環硼降速率

根據該循環的《核設計報告》查詢可得壽期末硼微分價值為-7.56pcm/ppm，可得每天由燃耗效應引入的反應性ρ=3.783ppm/d×（-7.56pcm/ppm）=-28.60pcm/d。

2.3 功率虧損

根據圖1《核設計報告》中該循環的功率虧損曲線，可知在壽期末需要延伸運行時功率虧損值為3142ppm/100%FP=31.42pcm/%FP。

圖1 CNP600機組某循環《核設計報告》的功率虧損曲線

2.4 平衡氙毒

根據圖2《核設計報告》中該循環的氙毒曲線，可以認為在一小段功率范圍內變化接近線性，則在滿功率至75%這段范圍內的平衡氙毒為（2722-2507）pcm/（100-75）%FP=8.6pcm/%FP。需要注意的是氙毒并不是在降功率時立即降低到平衡氙毒，而是有一個先漲毒再消毒的過程。但是由于漲毒幅度很小，在幾個pcm之間，可以靠機組溫度等自我調節應對，不會造成劇烈的功率峰波動，隨后機組可以緩慢消毒，直至下一次降功率。

圖2 CNP600機組某循環《核設計報告》的氙毒曲線

2.5 反應性平衡計算

通過降功率延伸運行的方法時，因為當功率虧損與平衡氙毒變化之和與燃耗效應釋放的負反應性相加等于0時，即達成反應性平衡。由2.2-2.4計算可知，該機組循環降功率延伸運行時降功率速率為：

按照CNP600機組當前的熱效率，0.71%FP核功率對應電功率約為5MW。同時，因為進行降功率時是對電功率進行設定操作，考慮到便捷性，可設置電功率下降速率為5MW/d，即進行延伸運行時每天降低電功率5MW就能實現反應性平衡。

繼續以該機組循環對上述各參數進行計算，結果如圖3所示，其中正反應變化為功率虧損與氙毒反應性之和；燃耗效應反應性實際為負值，為了便于作圖對比，在圖中以正值給出。

圖3 反應性平衡曲線

圖中正反應變化為功率虧損與氙毒反應性之和，從圖中可以看出，該機組循環按照電功率5MW/d進行降功率延伸運行時，在降功率的前幾個小時，由于功率虧損基本是瞬時變化，氙毒的變化速度也比較快，引入的正反應性會大于燃耗效應引入的負反應性。隨著機組的運行，燃耗效應不斷引入負反應性，在降功率后24小時左右，燃耗效應所引入的負反應性應與功率虧損、氙毒變化引入的正反應性之和基本相同，即達成反應性平衡，完成一天的降功率延伸運行，可以進行下一天的降功率操作。

3 延伸運行實施及其他事項

3.1 延伸運行實施

繼續以上述某機組為例，在7月18日硼濃度達到10ppm，從7月18日開始以1MWe/min的速率降低電功率5MW，直至達到計劃停堆日期。實際實施時不一定必須在機組運行至10ppm時才開始降功率，要綜合考慮需要延伸的天數、燃耗限值等因素。

3.2 其他調整

實施延伸運行時，除了考慮堆芯反應性平衡等堆芯物理相關因素外，還需要對一回路溫度定值、GCTC參數、RGL系統報警定值、PZR水位等進行調整，以匹配堆芯核功率降低、一回路溫度降低等新的狀態。

3.3 風險分析

（1）燃耗超限：實施延伸運行時，要關注堆芯燃耗及組件燃耗，防止超過設計限值。若發現以天為單位進行的降功率延伸存在燃耗超限等風險時，可以以更長時間為周期進行降功率，即每次更大幅度地降低功率，用更長運行時間的燃耗效應去平衡功率虧損，以達到降低停堆燃耗的目的。

（2）氙震蕩：以天為周期進行降功率延伸運行時，每次降功率幅度小，氙毒變化有限，變化比較平穩，通常不會對運行控制產生明顯影響。但由于控制棒棒位較高，控制能力有限，機組仍應盡量避免非必要的瞬變，同時密切監視氙毒、△I等參數。當機組以更長周期、更大幅度進行降功率延伸時，更應注意避免瞬變和加強監視。

4 結論

經過理論計算和實際操作，在CNP600機組上進行降功率延伸運行是可行的，特別是選取一天為周期進行延伸運行時，堆芯變化平穩，不會對機組運行控制產生明顯影響。近幾年，CNP600各機組己大體按照上述方案實施了數次延伸運行。具備成熟的降功率延伸運行方案后，提高了機組運行靈活性和機組經濟效益，也滿足了電網日趨復雜的發電需求。