秦山核电厂堆芯燃料管理改进

孔德萍^1.2气廖泽军²，气吴锡锋²，魏文斌²，王永明²，李  华²

(1．上海交通大学机械工程学院，200240；2．秦山核电公司，浙江海盐，314300)

        摘   要：泰山核电厂在最近10年的运行中，结合国内外先进的堆芯燃料管理方法，    并针对电厂的实际情况，对最初设计的换料方案进行了逐步改进，通过改变布料方式、提    高燃料富集度等，加深了燃料的燃耗，实现了较好的经济效益。本文介绍了秦山核电厂最    近10年来的堆芯燃料管理改进情况。
        关键词：堆芯燃料管理；换抖方案改进；燃耗
1  前  言
        堆芯燃料管理是保证核电厂的安全性和经济性的极其重要的工作，主要内容是确定合理  的堆芯燃料管理方案和换料技术路线，最终达到提高燃料利用率、降低燃料循环成本、实现较好的核电厂经济性的目标。随着核能在我国能  源中的地位日益增强，改善电厂的燃料管理，降低发电成本，提高电厂的经济性已成为一项重要的任务。
        堆芯燃料管理的主要任务是，在满足安全要求的前提下选择经济性最佳的燃料装载方  式。堆芯燃料管理研究主要包括下列决策变量的确定^［2］：①换料组件数N或批料数n；②换料组件的富集度e；③循环长度T；④循环功率水平P；⑤燃料组件在堆芯的装载方案L；⑥可燃毒物的类型和在堆芯的布置B。
        上述变量之间存在着密切的互相影响和相互耦合的关系，一个变量的确定必须考虑其对后续几个循环结果的影响。通常在做燃料管理策略研究时，首先要确定上述6个变量中的2—3个(如堆芯装载方式或换料组件数等)，然后在此基础上通过程序计算对其余变量进行优化组合，得到一个较佳的换料方案。
        20世纪80年代后，西方各国都致力于堆芯燃料管理策略的改进，通过低泄漏优化换料、提高富集度、延长循环长度、加深卸料燃耗深度以及应用先进的可燃毒物、采用轴向再生层、提高运行功率等手段，大幅度提高了核电厂运行的经济性和竞争力^［2］。
        秦山核电厂设计于20世纪70年代，计算偏于保守，安全裕度偏大，与国外燃料管理相比有很大潜力。由于原设计的保守和局限，秦山核电厂在前三个燃料循环中燃料的利用率和循环寿期相对来说较低，电厂的经济性也较差。从第四次换料起，秦山核电厂结合国内外先进的燃料管理方法，并针对电厂的实际情况，通过4次换料，布料方式从原来的高泄漏逐步过渡到低泄漏的模式，大大提高了燃料的燃耗，延长了燃料循环周期，实现了较好的经济效益。
2  秦山核电厂燃料管理初始方案
        秦山核电厂第一循环堆芯装载方式如图1所示，共有燃料组件121个，分3区布置。235U的富集度分别为2．4％、2．672％和3．0％；235U富集度高的燃料组件放在堆芯外围，内部区域为棋盘式布置以展平径向功率分布。第—循环堆芯共装576根可燃毒物棒(硼硅酸盐玻璃)，多数插在235U富集度为2．672％的燃料组件内，一个燃料组件内插入的可燃毒物棒数日分别为16根、4根和2根3种。

       秦山核电厂的前三次换料设计按下列原则进行：①1／3换料，批换料量40组；②新燃料富集度，3．0％；③堆芯的装载方案，“Out-in”；④机组功率水平，300MW电功率负荷运行；⑤不采用可燃毒物。
        在此换料策略下，秦山核电厂的卸料组件最大燃耗仅为30GWd／t(U)，机组循环长度为335EFPD(等效满功率天)，与国外先进的燃料管理相距甚远。
3  秦山核电厂换料改进方案
        秦山核电厂的燃料管理改进研究是以循环长度和卸料燃耗为目标函数，在参考国外先进燃料管理方法的基础上进行的，出发点是以最小的投入获得最大的效益。针对电厂的实际情况，制定出改进的初步方向，从中确定最佳的换料方案，既满足安全限制的要求，又在经济性上有大的提高。鉴于电厂设备的状态及可靠性，最适合秦山核电厂的燃料管理方案的参量选取为：①1／3换料，批换料量40组；②新燃料富集度为3．4％；③堆芯的装载方案为“改进out-in”方式，即新燃料组件向堆芯内部移动，布置在堆芯次外围，部分燃烧过的燃料组件置于堆芯最外面的周边部分(图2)；④循环长度，-410EFPD；⑤机组功率水平，310MW负荷运行；⑥不采用可燃毒物；⑦组件最大燃耗38-40GWd／t(U)，卸料组件平均燃耗深度32433 BWd／t(U).

       秦山核电厂的燃料管理策略改进是分阶段逐渐实施的一个长期项目，各个阶段的改进都在前一阶段安全实施的基础上进行。这种方式避免了在堆芯和系统中引入过大的设计上和安全上的跃变，是节省投入并取得良好效益的方式。改进的方面主要是以下3个，遇到的最大的难点是燃料组件和燃料棒的燃耗限值问题。
3．1改变装载方式
        20世纪80年代以来，低泄漏装载方式(LLLP)已成为世界上各压水堆核电站装载方式的主要发展趋势。这种装载方式不仅提高了中子的利用率，延长了循环周期，提高丁燃料组件的卸料燃耗，从而降低了燃料循环成本，并能显著降低反应堆压力容器的中子辐照水平和积分中子注量，有效地延长电厂的寿命。
        图3给出了out-in和LLLP两种换料方案下，反应堆压力壳所受的能量高于1MeV的中子辐照情况。从该图的曲线可以看出低泄漏装载方式(LLLp)在降低压力壳辐照损伤方面的显著效果。

        秦山核电厂从第四循环开始，在堆芯外围07方向(即平边组件)布置了12组经过一个循环的组件；到第六循环，堆芯外围共布置了16组旧组件，并将4组新燃料布置在堆芯中心区，这时的装载方式对提高中子利用率，降低压力容器中子注量有较大的好处。
        表1给出了秦山核电厂装载方式改变对堆芯外围中子分布和循环长度的影响。从表1可以看出，在相同堆功率下，堆芯0^０方向平边组件的功率较"Out-in”装载方式下降20％左右，有效地降低了压力壳的中子辐照水平和积分中子注量。图4给出了秦山核电厂各个循环堆；芯0*角方位的燃料组件的平均功率。其中，循环C5的数值偏低，是由于第五燃料循环因燃料组件破损而回堆的2．4％的旧料布置在0^０角方位。从第六循环开始，中子的利用率显著提高，燃料循环周期明显增加，燃料循环长度从350EFPD逐步提高到410EFPD左右，显著改善了电站的经济性。

3．2提高换料富集度
        秦山核电厂前四个循环新料富集度均为3．0％，从第五循环开始新料组件的”’U富集度从3．0％提高至3．4％。随着新燃料富集度的提高和装载方式的改变，循环长度也随着延长，从350EFPD延长至410EFPD左右。

3．3随堆燃耗考验及评价
        加深燃牦带来的突出问题是燃料组件的燃耗限值问题。我们采取了理论计算与随堆燃耗考验相结合的方法，用最新的燃料组件与燃料棒计算分析程序，对燃料组件和燃料棒的性能重新进行了计算分析，得出其燃耗限值，同时在理沦计算结果的基础上有计划地安排了燃料组件加深燃耗的随堆考验。为谨慎起见，每次随堆考验值只提高2GWd／t(U)。表2是考验计划及其实施情况。
        至第九循环，随堆考验组件燃耗已达40GWd/t(U)。历次随堆考验组件池边检查的结果表明，秦山燃料组件在考验的燃耗范围内能保证良好的性能，这为后续循环逐渐加深燃耗提供了保证。
4  改进后的经济效益
        自1997年开始进行秦山核电厂燃料管理策略改进的研究和实施，通过燃料管理策略改进，很大程度地提高了电厂的经济性。与原设汁值相比，经济性改善表现在以下几个方面：①燃料循环寿期从320EFPD延长到约410EFPD，换料周期达16个月；②按照目前的负荷运行方式，每5个燃料循环可减少一次大修；③燃料组件燃耗加深约28％(见图5)，燃料的利用率显著提高，燃料循环成本降低约20％；④降低压力容器中子注量约28％，延长了压力容器寿命；⑤乏燃料的产生量减少约16．7％，降低了乏燃料后处理的压力和费用；⑥平均每循环多发电约17．1％；⑦负荷因子提高2％左右。
5  结  论
        堆芯燃料管理策略改进是一项复杂的综合性研究项目，涉及到堆芯物理、换料方案设计、燃料管理、运行监督等多个方面，关系到电站安全性和经济性的重大改善。秦山核电厂燃料管理策略改进历经4个燃料循环，已见成效。在不用对系统进行变更，对燃料组件进行改动的基础上，以较小的投入，延长了电站燃料循环长度，降低了燃料循环成本，提高了核燃料的利用率，延长了反应堆关键部件——压力容器的寿命，成功地提高了国产化核电机组燃料管理水平，提高了核电自主化能力，给电厂带来了较大的经济效益和社会效益。从国际上先进PWR堆芯设计和燃料管理发展趋势来看，秦山核电厂的堆芯燃料管理仍有潜力，有待于进一步改进［3］。
参考文献：   
     ［1]谢仲生，张少泓．核反应堆物理理论与计算方法[M]．西安：西安交通大学出版社，2000：228-230．
        [2]谢仲生．关于PWR及CANDU堆先进燃料管理策略的研究[J)．核动力工程，2000，21(1)：56—62．
        [3]程平东，沈炜，沈六华等．秦山和恰希玛核电厂堆芯燃料管理策略选择［J］．核动力工程，1999，20(2)：99—102．