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秦山核電廠堆芯燃料管理改進

孔德萍^1.2氣廖澤軍²，氣吳錫鋒²，魏文斌²，王永明²，李  華²

(1．上海交通大學機械工程學院，200240；2．秦山核電公司，浙江海鹽，314300)

        摘   要：泰山核電廠在最近10年的運行中，結合國內外先進的堆芯燃料管理方法，    并針對電廠的實際情況，對最初設計的換料方案進行了逐步改進，通過改變布料方式、提    高燃料富集度等，加深了燃料的燃耗，實現了較好的經濟效益。本文介紹了秦山核電廠最    近10年來的堆芯燃料管理改進情況。
        關鍵詞：堆芯燃料管理；換抖方案改進；燃耗
1  前  言
        堆芯燃料管理是保證核電廠的安全性和經濟性的極其重要的工作，主要內容是確定合理  的堆芯燃料管理方案和換料技術路線，最終達到提高燃料利用率、降低燃料循環成本、實現較好的核電廠經濟性的目標。隨著核能在我國能  源中的地位日益增強，改善電廠的燃料管理，降低發電成本，提高電廠的經濟性已成為一項重要的任務。
        堆芯燃料管理的主要任務是，在滿足安全要求的前提下選擇經濟性最佳的燃料裝載方  式。堆芯燃料管理研究主要包括下列決策變量的確定^［2］：①換料組件數N或批料數n；②換料組件的富集度e；③循環長度T；④循環功率水平P；⑤燃料組件在堆芯的裝載方案L；⑥可燃毒物的類型和在堆芯的布置B。
        上述變量之間存在著密切的互相影響和相互耦合的關系，一個變量的確定必須考慮其對后續幾個循環結果的影響。通常在做燃料管理策略研究時，首先要確定上述6個變量中的2—3個(如堆芯裝載方式或換料組件數等)，然后在此基礎上通過程序計算對其余變量進行優化組合，得到一個較佳的換料方案。
        20世紀80年代后，西方各國都致力于堆芯燃料管理策略的改進，通過低泄漏優化換料、提高富集度、延長循環長度、加深卸料燃耗深度以及應用先進的可燃毒物、采用軸向再生層、提高運行功率等手段，大幅度提高了核電廠運行的經濟性和競爭力^［2］。
        秦山核電廠設計于20世紀70年代，計算偏于保守，安全裕度偏大，與國外燃料管理相比有很大潛力。由于原設計的保守和局限，秦山核電廠在前三個燃料循環中燃料的利用率和循環壽期相對來說較低，電廠的經濟性也較差。從第四次換料起，秦山核電廠結合國內外先進的燃料管理方法，并針對電廠的實際情況，通過4次換料，布料方式從原來的高泄漏逐步過渡到低泄漏的模式，大大提高了燃料的燃耗，延長了燃料循環周期，實現了較好的經濟效益。
2  秦山核電廠燃料管理初始方案
        秦山核電廠第一循環堆芯裝載方式如圖1所示，共有燃料組件121個，分3區布置。235U的富集度分別為2．4％、2．672％和3．0％；235U富集度高的燃料組件放在堆芯外圍，內部區域為棋盤式布置以展平徑向功率分布。第—循環堆芯共裝576根可燃毒物棒(硼硅酸鹽玻璃)，多數插在235U富集度為2．672％的燃料組件內，一個燃料組件內插入的可燃毒物棒數日分別為16根、4根和2根3種。

       秦山核電廠的前三次換料設計按下列原則進行：①1／3換料，批換料量40組；②新燃料富集度，3．0％；③堆芯的裝載方案，“Out-in”；④機組功率水平，300MW電功率負荷運行；⑤不采用可燃毒物。
        在此換料策略下，秦山核電廠的卸料組件最大燃耗僅為30GWd／t(U)，機組循環長度為335EFPD(等效滿功率天)，與國外先進的燃料管理相距甚遠。
3  秦山核電廠換料改進方案
        秦山核電廠的燃料管理改進研究是以循環長度和卸料燃耗為目標函數，在參考國外先進燃料管理方法的基礎上進行的，出發點是以最小的投入獲得最大的效益。針對電廠的實際情況，制定出改進的初步方向，從中確定最佳的換料方案，既滿足安全限制的要求，又在經濟性上有大的提高。鑒于電廠設備的狀態及可靠性，最適合秦山核電廠的燃料管理方案的參量選取為：①1／3換料，批換料量40組；②新燃料富集度為3．4％；③堆芯的裝載方案為“改進out-in”方式，即新燃料組件向堆芯內部移動，布置在堆芯次外圍，部分燃燒過的燃料組件置于堆芯最外面的周邊部分(圖2)；④循環長度，-410EFPD；⑤機組功率水平，310MW負荷運行；⑥不采用可燃毒物；⑦組件最大燃耗38-40GWd／t(U)，卸料組件平均燃耗深度32433 BWd／t(U).

       秦山核電廠的燃料管理策略改進是分階段逐漸實施的一個長期項目，各個階段的改進都在前一階段安全實施的基礎上進行。這種方式避免了在堆芯和系統中引入過大的設計上和安全上的躍變，是節省投入并取得良好效益的方式。改進的方面主要是以下3個，遇到的最大的難點是燃料組件和燃料棒的燃耗限值問題。
3．1改變裝載方式
        20世紀80年代以來，低泄漏裝載方式(LLLP)已成為世界上各壓水堆核電站裝載方式的主要發展趨勢。這種裝載方式不僅提高了中子的利用率，延長了循環周期，提高丁燃料組件的卸料燃耗，從而降低了燃料循環成本，并能顯著降低反應堆壓力容器的中子輻照水平和積分中子注量，有效地延長電廠的壽命。
        圖3給出了out-in和LLLP兩種換料方案下，反應堆壓力殼所受的能量高于1MeV的中子輻照情況。從該圖的曲線可以看出低泄漏裝載方式(LLLp)在降低壓力殼輻照損傷方面的顯著效果。

        秦山核電廠從第四循環開始，在堆芯外圍07方向(即平邊組件)布置了12組經過一個循環的組件；到第六循環，堆芯外圍共布置了16組舊組件，并將4組新燃料布置在堆芯中心區，這時的裝載方式對提高中子利用率，降低壓力容器中子注量有較大的好處。
        表1給出了秦山核電廠裝載方式改變對堆芯外圍中子分布和循環長度的影響。從表1可以看出，在相同堆功率下，堆芯0^０方向平邊組件的功率較"Out-in”裝載方式下降20％左右，有效地降低了壓力殼的中子輻照水平和積分中子注量。圖4給出了秦山核電廠各個循環堆；芯0*角方位的燃料組件的平均功率。其中，循環C5的數值偏低，是由于第五燃料循環因燃料組件破損而回堆的2．4％的舊料布置在0^０角方位。從第六循環開始，中子的利用率顯著提高，燃料循環周期明顯增加，燃料循環長度從350EFPD逐步提高到410EFPD左右，顯著改善了電站的經濟性。

3．2提高換料富集度
        秦山核電廠前四個循環新料富集度均為3．0％，從第五循環開始新料組件的”’U富集度從3．0％提高至3．4％。隨著新燃料富集度的提高和裝載方式的改變，循環長度也隨著延長，從350EFPD延長至410EFPD左右。

3．3隨堆燃耗考驗及評價
        加深燃牦帶來的突出問題是燃料組件的燃耗限值問題。我們采取了理論計算與隨堆燃耗考驗相結合的方法，用最新的燃料組件與燃料棒計算分析程序，對燃料組件和燃料棒的性能重新進行了計算分析，得出其燃耗限值，同時在理淪計算結果的基礎上有計劃地安排了燃料組件加深燃耗的隨堆考驗。為謹慎起見，每次隨堆考驗值只提高2GWd／t(U)。表2是考驗計劃及其實施情況。
        至第九循環，隨堆考驗組件燃耗已達40GWd/t(U)。歷次隨堆考驗組件池邊檢查的結果表明，秦山燃料組件在考驗的燃耗范圍內能保證良好的性能，這為后續循環逐漸加深燃耗提供了保證。
4  改進后的經濟效益
        自1997年開始進行秦山核電廠燃料管理策略改進的研究和實施，通過燃料管理策略改進，很大程度地提高了電廠的經濟性。與原設汁值相比，經濟性改善表現在以下幾個方面：①燃料循環壽期從320EFPD延長到約410EFPD，換料周期達16個月；②按照目前的負荷運行方式，每5個燃料循環可減少一次大修；③燃料組件燃耗加深約28％(見圖5)，燃料的利用率顯著提高，燃料循環成本降低約20％；④降低壓力容器中子注量約28％，延長了壓力容器壽命；⑤乏燃料的產生量減少約16．7％，降低了乏燃料后處理的壓力和費用；⑥平均每循環多發電約17．1％；⑦負荷因子提高2％左右。
5  結  論
        堆芯燃料管理策略改進是一項復雜的綜合性研究項目，涉及到堆芯物理、換料方案設計、燃料管理、運行監督等多個方面，關系到電站安全性和經濟性的重大改善。秦山核電廠燃料管理策略改進歷經4個燃料循環，已見成效。在不用對系統進行變更，對燃料組件進行改動的基礎上，以較小的投入，延長了電站燃料循環長度，降低了燃料循環成本，提高了核燃料的利用率，延長了反應堆關鍵部件——壓力容器的壽命，成功地提高了國產化核電機組燃料管理水平，提高了核電自主化能力，給電廠帶來了較大的經濟效益和社會效益。從國際上先進PWR堆芯設計和燃料管理發展趨勢來看，秦山核電廠的堆芯燃料管理仍有潛力，有待于進一步改進［3］。
參考文獻：   
     ［1]謝仲生，張少泓．核反應堆物理理論與計算方法[M]．西安：西安交通大學出版社，2000：228-230．
        [2]謝仲生．關于PWR及CANDU堆先進燃料管理策略的研究[J)．核動力工程，2000，21(1)：56—62．
        [3]程平東，沈煒，沈六華等．秦山和恰希瑪核電廠堆芯燃料管理策略選擇［J］．核動力工程，1999，20(2)：99—102．