壓水堆多堆聯合堆芯裝載設計技術應用研究

馬茲容

壓水堆多堆聯合堆芯裝載設計技術應用研究

馬茲容

（華龍國際核電技術有限公司堆工所，北京 100036）

在壓水堆之間開展的多堆聯合堆芯裝載設計技術能提高堆芯裝載設計的靈活性，研究其對燃料經濟性和機組在燃料組件損壞情況下應對能力的影響。分析了多堆聯合堆芯裝載設計技術對來自其他機組燃耗過燃料組件的相容性要求。計算了燃耗過燃料組件的余熱與冷卻時間的關系，列出了可用于燃耗過燃料組件運輸的大負荷乏燃料運輸容器。分析了首循環堆芯和換料堆芯面對燃料組件損壞后堆芯裝載設計的應對能力，以及在采用多堆聯合堆芯裝載設計技術后的應對能力改善情況。開展了多堆聯合首循環堆芯裝載模擬設計并分析了其經濟性。研究結果表明，首循環出現燃料組件損壞的風險比后續換料堆芯大，而由全新燃料組件組成的首循環應對燃料組件損壞的能力最低；通過多堆聯合堆芯裝載設計技術可以把首循環轉化為換料堆芯，不僅能憑借換料堆芯的設計靈活性提高應對燃料組件損壞的能力，還能節省約3.2億元人民幣的燃料費。因此，多堆聯合堆芯裝載設計技術能提高首循環的燃料經濟性和機組面對燃料組件損壞后的應對能力。

堆芯裝載；首循環；乏燃料運輸容器

現有各型壓水堆如VVER[1]、M310[2]、AP1000和EPR的燃料管理論證和實施的堆芯裝載設計中，每個堆都相互獨立。首循環堆芯由三種或三種以上富集度的新燃料組件組成；后續循環堆芯由新燃料組件和在各自反應堆中燃耗過的燃料組件組成。每個堆的設計相互獨立能降低復雜度；但在發生燃料組件損壞的情況下，由于損壞燃料組件的修復時間較長，特別是首循環可能會面臨短期內無足夠合適燃料組件入堆的難題。多堆聯合堆芯裝載設計[3]打破壓水堆機組堆芯裝載設計相互之間各自獨立的壁壘；即堆芯所裝載的燃料組件除使用新燃料組件和在各自反應堆中燃耗過的燃料組件外，還可使用在其他機組燃耗過的燃料組件。本文研究多堆聯合堆芯裝載設計的適用要求；現有技術條件下對燃料組件意外損壞后的應對能力及多堆聯合堆芯裝載設計對應對能力的影響；為新機組首循環開展多堆聯合堆芯裝載模擬設計，把新機組首循環變成換料堆芯，并分析該方案的燃料經濟性。

1　多堆聯合堆芯裝載設計適用要求

1.1　相容性要求

來自其他機組的燃耗過燃料組件跟堆內構件的接口如燃料組件高度需要與入堆新燃料組件一致，以保證燃料組件與堆內構件的相容性。

同型號機組之間能滿足燃料組件與堆內構件的相容性要求，非同型號機組之間則需要對相容性予以特別關注。常見的幾種壓水堆機組燃料組件之間的相容性如下：

（1） VVER機組采用的六角形燃料組件與其他壓水堆機組如“華龍一號”采用的正方形燃料組件之間不滿足相容性要求；

（2） 14英尺燃料組件與12英尺燃料組件之間由于活性區高度和燃料組件高度不同不滿足相容性要求；

（3）燃料棒同樣有下氣腔的AP1000和EPR燃料組件，由于燃料組件高度和活性區高度不同，不滿足相容性要求；與燃料棒無下氣腔的傳統14英尺燃料組件之間由于活性區位置不同也不滿足相容性要求；

（4）同樣采用12英尺燃料組件的M310及改進型和“華龍一號”由于堆內探測器的插入方向不同，在限制燃耗過燃料組件不能放置于堆內探測器位置的前提下，滿足相容性要求。

M310及改進型堆型的移動式堆內探測器從堆芯下部插入，而“華龍一號”的固定式堆內探測器從堆芯上部插入，使得這兩種12英尺燃料組件在上下管座上的儀表管通孔位置有差異；示意圖如圖1所示。這導致“華龍一號”的堆內探測器不能從M310及改進型燃料組件的上部插入。

如果不同上下管座結構的燃料組件同時入堆，需對不同結構的燃耗過燃料組件在堆芯中的位置進行檢查，避免出現堆內探測器無法插入的情況。如從M310及改進型來的燃耗過燃料組件不能位于“華龍一號”堆芯中有堆內探測器的位置。“華龍一號”堆內探測器布置示意圖如圖2所示。

由于換料設計通常采用1/4堆芯旋轉對稱設計，而堆內探測器通常采用如圖2所示的軸向對稱布置，使得從M310及改進型來的燃耗過燃料組件只能位于“華龍一號”堆芯中部有控制棒的69個位置（其余中部位置或其旋轉對稱位置中有堆內探測器）和堆芯外圈旋轉對稱位置中無堆內探測器的20個位置。

圖2 “華龍一號”堆內探測器布置示意圖

1.2　燃耗過燃料組件的運輸

1.2.1燃耗過燃料組件的運輸需求

在壓水堆多堆聯合堆芯裝載設計的實施過程中，涉及到燃耗過燃料組件在壓水堆機組之間的運輸。燃料組件在入堆燃耗后卸出，仍具有很高的余熱和輻射水平。燃耗過燃料組件在運輸過程中的要求為：

（1）保證足夠的次臨界度；

（2）保證足夠的屏蔽，使運輸滿足環保法規的要求；

（3）保證足夠的冷卻，使燃料包殼溫度不超過限值以便能再次入堆使用。

要滿足上述要求，關鍵在于根據設計要求采購備用適用于核電基地內運輸或核電基地之間運輸的乏燃料運輸容器。

1.2.2大熱負荷壓水堆乏燃料運輸容器

乏燃料運輸容器的關鍵參數是可裝載燃料組件數和最大熱負荷。18個月換料中燃耗過一次燃料組件的最大燃耗約26 000MWd/tU，其余熱隨冷卻時間的變化示意圖如圖3所示。由圖3可知，余熱在早期衰減很快，后期衰減慢；冷卻1個月后的余熱為24.5 kW，冷卻半年后余熱降為7.7 kW，冷卻1年后余熱降為4.0 kW。

圖3　燃耗過燃料組件余熱隨冷卻時間變化示意圖

燃耗過兩次的燃料組件積累較多，可選用冷卻時間更長余熱較小的和燃耗過一次的燃料組件混裝在一起運輸。

為了把燃耗過燃料組件只冷卻1年或更短時間就運往新機組，目前國內采用的用于乏燃料冷卻8年后運輸的乏燃料運輸容器NAC-STC已不能滿足要求，需要采購更大熱負荷的乏燃料運輸容器。對此，世界范圍內已有一些成熟產品可供購買或借鑒，國際上的大熱負荷壓水堆乏燃料運輸容器如表1[4]所示。

其中能裝載12組僅冷卻半年的燃耗過燃料組件的乏燃料運輸容器TN-12如圖4所示。

圖4　乏燃料運輸容器TN-12

2　燃料組件意外損壞的應對能力

2.1　現有技術條件下的應對能力

2.1.1首循環

首循環由于是新機組的原因，一回路冷卻劑中異物較多，即使在采用下管座帶濾網的燃料組件設計之后，多個M310改進型機組在首循環運行過程中仍出現了導致一回路冷卻劑放射性水平異常升高的燃料組件損壞事件；相對于后續循環僅偶爾出現的燃料組件損壞事件，首循環燃料組件的損壞風險仍偏大。

當出現燃料組件損壞事件后，如果一回路冷卻劑放射性水平未超運行限值并逐漸降低，可繼續運行；如果超過了運行限值，則需要停堆對破損燃料組件進行修復或替換。

如果采用不銹鋼棒替換破損燃料棒的方式對損壞燃料組件進行修復后再原位入堆，可簡化安全論證但修復時間較長，在提前準備且人員操作熟練的情況下修復后滿足重新入堆標準約需1個月。

如果用備用新燃料組件替換破損燃料組件的方式，當破損燃料組件僅1組的情況下，4組備用燃料組件（首循環通常有3種新組件富集度，只備用4組最大富集度的燃料組件）可替換破損燃料組件及其1/4旋轉對稱位置的燃料組件；當破損燃料組件不止1組的情況下，僅有的4組備用燃料組件很可能將不足以在保持堆芯1/4旋轉對稱的情況下替換破損燃料組件，需要從燃料廠獲得額外的新燃料組件（獲取進度取決于燃料廠的燃料棒備用情況，由于與換料富集度不同，無法在短期內獲取的風險較大）。然后重新設計堆芯裝載方案并完成安全評價和補充安全分析。由于損壞燃料組件的類型和停堆燃耗均不確定，實施難度及所需時間具有很大的不確定性，短則停堆后1周，長則數月。

綜上，首循環存在燃料組件損壞風險偏大，快速應對能力卻相對較弱的問題；為降低潛在風險，需要提前準備和謀劃。

2.1.2后續循環

在后續循環出現燃料組件損壞的情況下，如果一回路冷卻劑放射性水平超過了運行限值，也需要停堆對破損燃料組件進行修復或替換。

由于后續循環為換料堆芯，通常有充足的備用新燃料組件（各運行機組的備用組件富集度通常一致，可互相備用）和大量可用的燃耗過燃料組件，設計靈活性高。在只有少量燃料組件損壞的情況下，能夠在停堆后1周內完成新的堆芯裝載設計及其安全評價。

在核電發展過程中曾多次發生大量燃料組件破損或格架損傷事件（格架損傷不會導致一回路冷卻劑放射性水平異常升高，但通常需要修復后才能再次入堆，且修復時間較長）。如2001年法國EDF的CATTENOM 3號機組由于振動磨蝕發生了28組燃料組件破損事件；1995—2005年法國EDF平均每年有約20組燃料組件發生格架損傷。由于堆芯采用1/4旋轉對稱設計，這將使更多的燃耗過燃料組件暫時不可用，可能需要尋求外部支持。

綜上，后續循環對少量燃料組件損壞的快速應對能力很強。在發生大量燃料組件損壞事件后，可能需要尋求外部支持。

2.2　多堆聯合堆芯裝載設計的應對能力

如果機組自身缺乏足夠的反應性合適的燃料組件，采用多堆聯合堆芯裝載設計后，鄰近機組特別是同一核電基地機組中滿足相容性要求且余熱和反應性合適的燃耗過燃料組件都可以納入堆芯裝載設計；設計靈活性和應對能力可得到大幅提高，預計能夠在停堆后1周內完成新的堆芯裝載設計及其安全評價。

燃耗過燃料組件的運輸將成為關鍵路徑，為使鄰近機組更多的燃耗過燃料組件可用于燃料組件受損機組的堆芯裝載設計，需要備用大熱負荷乏燃料運輸容器。

目前自主燃料批量入堆的主要障礙是安審部門對其信心不足，擔心發生大量燃料組件損壞事件；多堆聯合堆芯裝載設計如果作為燃料組件損壞事件發生后應急預案的重要組成部分，可增強安審部門的信心。

3　多堆聯合首循環堆芯裝載模擬設計

3.1　設計目標和設計范圍

設計目標為通過多堆聯合堆芯裝載設計把首循環轉變為循環長度18個月的換料堆芯。這不僅能提高首循環應對燃料組件意外損壞的能力，還能提高平均卸料燃耗、改善燃料經濟性。

模擬設計范圍為一臺M310改進型新機組和一臺實施18個月換料的M310運行機組——大亞灣1號機。該組合為多堆聯合首循環堆芯裝載模擬設計的最小組合，對擁有更多運行機組的情況，設計靈活性將更大。其研究結果對“華龍一號”新機組和M310系列運行機組/“華龍一號”運行機組之間的多堆聯合堆芯裝載設計也具有借鑒意義。

3.2　設計結果

模擬設計中燃耗過燃料組件的來源示意圖如圖5所示。模擬設計中各循環堆芯組成及計算結果如表2所示。從表2可知，由于受堆芯可容納燃料組件數量的限制（M310及改進型機組為由157個燃料組件組成的堆芯），只有少量燃耗過兩次的燃料組件能第三次入堆（對72組新組件的18個月平衡循環換料堆芯，第三次入堆組件數僅為16組）；所以對新機組首循環，有足夠的燃耗過兩次的燃料組件可用。加上新燃料組件為直接采購，因此把新機組首循環轉化為循環長度18個月換料堆芯的關鍵就在于如何獲得足夠燃耗過一次的燃料組件（指燃耗范圍，在堆芯外圈燃耗兩次后的燃耗與之相當，在本文也算作在堆芯內部和/或次外圈燃耗過一次的燃料組件）；這是因為位于堆芯內部/或次外圈的燃料組件燃耗增量大，只能裝載新燃料組件和燃耗過一次的燃料組件，否則會超目前52 000 MWd/tU的組件燃耗限值。

圖5　首循環堆芯技術應用模擬設計示意圖

表2　模擬設計中各循環堆芯組成及計算結果

注：① 包括了在堆芯外圈燃耗兩次的8組；

② 扣除了在堆芯外圈燃耗兩次的8組。

從表2和圖5可知，除大亞灣1號機第13循環和新機組首循環為84組新組件18個月機動換料堆芯外，其余循環均為72組新組件18個月平衡循環換料堆芯。84組新組件18個月機動換料堆芯裝載示意圖如圖6所示，圖中燃耗過組件中的數字為燃耗，單位為MWd/tU；堆芯內部和次外圈布置76組新燃料組件和45組燃耗過一次的燃料組件，堆芯外圈（有一到兩個邊與堆芯圍板相鄰）布置8組不含釓棒的新燃料組件和28組燃耗過兩次的燃料組件。72組新組件18個月平衡循環換料堆芯裝載示意圖如圖7所示，堆芯內部和次外圈布置72組新燃料組件和49組燃耗過一次的燃料組件，堆芯外圈布置20組燃耗過一次的燃料組件和16組燃耗過兩次的燃料組件。

圖6　84組新組件堆芯裝載示意圖

圖7　72組新組件平衡循環堆芯裝載示意圖

從表2可知大亞灣1號機第12循環為72組新組件18個月平衡循環換料堆芯，循環初剩余3組燃耗過一次的燃料組件（上循環新燃料組件數減去本循環使用的燃耗過一次燃料組件數）。第13循環為84組新組件18個月機動換料堆芯，循環初剩余27組燃耗過一次的燃料組件。第14和15循環又回到72組18個月平衡循環換料堆芯；其中第14循環初剩余15組燃耗過一次的燃料組件，第15循環初剩余11組燃耗過一次的燃料組件（包括了在堆芯外圈燃耗兩次的8組不含釓棒燃料組件）。由上述可知，經過第13循環84組新燃料組件這一次換料機動運行就可為新機組首循環制造足夠適用的燃耗過燃料組件，即45組燃耗過一次的燃料組件和28組燃耗過兩次的燃料組件。

新機組首循環、第2循環和第3循環的堆芯裝載情況分別與大亞灣1號機第13循環、第14循環和第15循環的堆芯裝載情況相似，在經過首循環的84組新燃料組件18個月換料堆芯之后，在第2循環即進入72組新組件的18個月平衡循環換料。第2循環初剩余15組燃耗過一次的燃料組件，第3循環初剩余11組燃耗過一次的燃料組件（包括了在堆芯外圈燃耗兩次的8組不含釓棒燃料組件），這些待使用的燃耗過一次燃料組件可增加后續循環換料時的設計靈活性，或被后續采用多堆聯合堆芯裝載設計的其他新機組所使用。

如表2所示各循環都滿足對熱管焓升因子DH計算值的要求（小于1.481）；循環長度也都滿足18個月換料的要求（表中EFPD為等效滿功率天），后續循環的循環長度將在經歷小幅振蕩后趨于平衡循環的循環長度。

上述所有新燃料組件的富集度均為4.45%，相對于傳統由高中低三種富集度新燃料組件組成的首爐堆芯，平均卸料燃耗更高，所需燃料組件數更少。富集度種類和燃料組件數更少能縮短燃料組件的制造時間，有利于降低燃料采購中的財務費用；燃料組件數少能節省燃料組件的制造費用。另外，第三次入堆的燃料組件數增加了40組，提高了燃料利用率，這將節省部分燃料費。

3.3　經濟性分析

3.3.1分析方法

采用傳統技術即首循環全部為新燃料組件的M310改進型首循環18個月燃料管理方案，其循環長度與模擬設計中的首循環循環長度相近，后續循環也都是直接過渡到18個月換料；所以把首循環全部為新燃料組件的M310改進型首循環18個月燃料管理方案作為比較基準方案。比較兩種方案的首循環燃料費用差異即為采用該技術帶來的經濟性。

對比分析中考慮了兩種方案的不同支付進度及模擬方案中燃耗過燃料組件運輸對經濟性的影響。

3.3.2參數設定

比較基準方案中首循環裝載富集度2.4%、3.4%和4.45%的新燃料組件數分別為65組、64組和28組。

模擬設計方案中運行機組多投入4.45%燃料組件12組，能多生成燃耗過一次的燃料組件44組。新機組首循環投入4.45%燃料組件84組，返回72組平衡循環時能多生成燃耗過一次的燃料組件20組（包括在外圈燃耗2次但燃耗較淺的8組）。燃耗過燃料組件運輸73組，燃耗過燃料組件在核電基地內運輸和基地外運輸的費用差異很大，此處按基地外運輸預估的2 000萬元計。

其余關鍵參數如表3[5]所示。

表3　燃料經濟性分析關鍵參數

3.3.3經濟性分析結果

模擬設計方案和比較基準方案的燃料費比較如表4所示。模擬設計方案的燃料費中考慮了運行機組增加的燃料費、新機組首循環的燃料費、新機組返回72組平衡循環時多生成燃耗過一次燃料組件的等效燃料費用扣減、以及燃耗過燃料組件的運輸費。

表4　模擬設計方案和比較基準方案的燃料費比較

續表

模擬設計方案相對于比較基準方案減少了17%的天然鈾、7%的分離功以及42%的燃料組件（66組）。考慮燃耗過燃料組件的運輸費用后，模擬設計方案在不折現情況下共節省約2.0億元人民幣的燃料費；在折現情況下，由于比較基準方案的富集度種類多、燃料組件數量也多，使得燃料組件的制造周期更長，財務費用更高，能節省約3.2億元人民幣的燃料費。

4　結論

壓水堆多堆聯合堆芯裝載設計采用成熟的堆芯裝載設計技術和乏燃料運輸技術，能提高核電機組的堆芯裝載設計靈活性。應用到新機組首循環時只需一臺運行機組一次增加新燃料組件的換料機動運行，即可把首循環變為18個月換料堆芯；這不僅能基于換料堆芯的設計靈活性改善首循環在燃料組件損壞后的堆芯裝載設計應對能力，而且能節省約3.2億元人民幣的燃料費。

［1］ 李友誼，楊曉強，姚進國，等．田灣核電站18個月換料燃料管理策略［J］．原子能科學技術，2014，48（11）：2072-2077．

［2］ 張洪，李雷，李慶，等．大亞灣核電站18個月換料燃料管理研究［J］．核動力工程，2002，23（5）：14-17．

［3］ 馬茲容．一種核電站燃料聯合配置方法：中國，200910107548．5［P］．2010-09-29.

［4］ Lee．J．S．Operation and Maintenance of Spent Fuel Storage and Transportation Casks/Containers［R］．Vienna：IAEA，2007．

［5］ 鄭保軍，付翌．AP1000燃料管理方案經濟性分析［J］．核科學與工程，2016，36（4）：555-560．

Application Study on the Multi-core Joint Loading Design Technique for PWRs

MA Zirong

（Reactor Engineering Dept.，Hualong Nuclear Power Technology Co.，Ltd.，Beijing 100036，China）

The implementation of the multi-core joint loading design technique for PWRs can enhance the flexibility of the core loading design, the study is to find the effects of the technique for the fuel economy and the capability to solve the problem of fuel assembly damage. The compatibility requirement for the burned fuel assemblies from other units are analyzed for the multi-core joint loading design technique. The residual powers of the burned fuel assemblies as a function of the cooling time are analyzed, and the available transport casks with large thermal load for the transportation of the burned fuel assemblies during applicating the multi-core joint loading design technique are listed. The capability of the core loading design for solving the problem of fuel assembly damage is analyzed for the first core and the reloaded core, and the improvement of the capability is analyzed after applicating the multi-core joint loading design technique. The first core simulation design applicating multi-core joint loading design technique and its fuel economy analysis have been done. It found that the risk of fuel assembly damage in the first core is bigger than that of the following reloaded cores, and the capability of solving the problem of fuel assembly damage for the first core only loading new fuel assemblies is worst; the first core can be transformed into the reloaded core by applicating the multi-core joint loading design technique, which can improve the capability of solving the problem of fuel assembly damage for the first core by the design flexibility of the reload core and save about 320 million yuan of fuel cost. Thus, the multi-core joint loading design technology can improve the fuel economy of the first core and the capability of solving the problem of fuel assembly damage.

Core loading; First cycle; Transport cask for spent fuel

TL371

A

0258-0918（2022）02-0266-08

2021-02-01

馬茲容（1971—），男，土家族，重慶人，高級工程師，碩士，現主要從事堆芯設計方面研究