新形势下的燃料管理优化

许星星，常小博，曹云龙，位金锋，蔡德昌，付学峰

(1.中广核研究院有限公司，深圳518026；2.辽宁红沿河核电有限公司，大连116319)

延长换料周期可以提高机组的能力因子，降低年均大修费用，增加年度发电量。自20世纪80年代初美国核电厂首次实施18 月的周期性换料策略以来，世界各国多个核电厂逐步转为18 月或更长的换料周期。目前国内绝大多数压水堆核电厂已经过渡或者计划改造为18 月周期性换料，并且国内在建的核电厂中均采用了18 月周期性换料的燃料管理策略，因此18 月长循环周期性换料策略是目前燃料管理模式的主流[1-6]。

近几年，由于经济新常态、可再生能源大量投产及电力市场改革，核电上网形势发生了巨大的变化。目前，国内各核电厂发电需求普遍低于工程设计假设，部分电厂负荷减载严重，因此，出现了燃料管理方案难以实现、提前停堆弃料、燃料经济性差及堆芯关键性参数裕量降低等一系列问题，迫切需要进行燃料管理优化改进。

为了更好地适应当前形势下的发电需求，需要优化目前的燃料管理策略，合理调整大修规划，将电厂大修安排在负荷减载严重期间，以便在允许核电厂发电的时间段内多发电。本文调研了中广核集团的核电厂发电需求，发现各核电厂减载原因和规律不尽相同，但基本上所有机组都采取了节假日减载，尤其春节和国庆期间减载幅度大且持续时间长。16～20 月的换料措施可将大修安排至春节和国庆期间，有利于提高机组的发电总量。

本文在当前18 月的周期性换料策略基础上研究了16～20 月换料的可行性，采用相同的安全限值，研究给出了235U富集度为4.0%和4.45%的双富集度燃料管理方案[7]，以适应新形势下电厂发电需求。

1 设计目标和准则

1.1 设计目标

基于近几年电厂负荷需求减载的新形势，平衡循环设计目标为典型的电厂燃料可利用率达80%。为实现安排机组在春节和国庆期间大修，拟采用长短交替的16～20 月换料燃料管理模式，因此，长、短平衡循环的循环长度tEFPD分别为493 d和391 d。

1.2 设计准则

选择CPR1000机组作为参考堆芯。该堆芯中装载157个365.76 cm的全M5 AFA3G组件[6]。采用现有周期为18月的周期性换料燃料管理中成熟的设计方法和堆芯安全限值，设计准则为：1) 最大径向功率峰因子FΔH≤1.481；2) 反应堆在各种功率水平下慢化剂温度系数为负数或零；3) 寿期初热态零功率临界硼质量分数ω(B)≤2.2×10-3；4) 卸料组件燃耗≤52 GW·d·t-1；5) 卸料燃料棒燃耗≤57 GW·d·t-1；6) 停堆裕量≥2.3×10-2。

1.3 计算方法

本文利用法国开发的SCIENCE V2程序包进行模拟计算[8]。SCIENCE程序采用CEA提供的JEF2.1核数据库，子程序APOLLO2-F采用碰撞几率方法进行组件输运计算，用于给子程序SMART提供2群均匀化的截面数据。利用该程序可对不同边界条件和不同几何对称性的堆芯组件进行计算。子程序SMART是一个3维2群堆芯扩散-燃耗计算程序，采用先进节块技术，可以计算所有类型压水堆的稳态和瞬态工况。

1.4 燃料组件选型

为更好地实现16～20 月换料的目标及进一步提升灵活性，本文选取了2种燃料组件[3]：一种组件中235U富集度为4.45%，可燃毒物芯块中Gd2O3的质量分数为8%；另一种组件中，235U富集度为4.00%，可燃毒物芯块中Gd2O3的质量分数为6%。2种组件中235U的质量分数均为2.5%。为展平堆芯径向功率分布，新组件采用了含5种不同数量钆棒的组件，分别为4，8，12，16，20根。

2 燃料管理优化

2.1 燃料管理策略

基于CPR1000堆芯，以电厂可利用率80%为设计目标，采用16～20 月的换料策略，本文分别设计了长、短2个平衡循环，堆芯装载方案分别如图1和图2所示。

图1 平衡循环L0堆芯装载方案Fig.1 Loading pattern for equilibrium cycle scheme L0

图2 平衡循环S0堆芯装载方案Fig.2 Loading pattern for equilibrium cycle scheme S0

长平衡循环使用了72组235U富集度为4.45%的新燃料组件；短平衡循环使用了52组新燃料组件，其中，28组组件的235U富集度为4.45%，24组组件的235U富集度为4.00%。为了展平堆芯径向功率峰因子分布，235U富集度为4.45%的新燃料组件主要布置在堆芯次外圈，235U富集度为4.00%的新燃料组件则布置在堆芯内圈。长、短循环方案均采用低泄漏模式，堆芯外圈布置三次或二次入堆的组件。外圈F14及1/8布置二次入堆的组件，下个循环中可以继续在堆芯内圈使用。

2.2 燃料管理计算结果

平衡循环燃料管理方案计算结果如表1所列。

由表1可见，对于长平衡循环L0，循环长度tEFPD为493 d；寿期初慢化剂温度系数为-3.2×10-5℃-1；堆芯最大径向功率峰因子FΔH为1.463；组件最大卸料燃耗为49.2 GW·d·t-1；燃料棒最大燃耗为53.9 GW·d·t-1；停堆裕量为3.057×10-2；所有参数均满足设计准则要求。235U富集度为4.00%和4.45%的组件平均卸料燃耗分别为42.4 GW·d·t-1和46.9 GW·d·t-1，235U富集度为4.45%组件平均卸料燃耗高于目前18 月周期性换料的平均卸料燃耗44.5 GW·d·t-1。

对于短平衡循环，循环长度tEFPD为391 d；寿期初慢化剂温度系数为-3.7 ×10-5℃-1；堆芯最大径向功率峰因子FΔH为1.463；组件最大卸料燃耗为48.1 GW·d·t-1；燃料棒最大燃耗为52.4 GW·d·t-1；停堆裕量为2.655×10-2；所有参数均满足设计准则要求。235U富集度为4.45%的组件平均卸料燃耗为45.1 GW·d·t-1，略高于目前18 月周期性换料的平均卸料燃耗。

3 安全评价

3.1 通用核数据和关键中子学参数

基于上述长、短平衡循环的燃料管理方案，计算了通用核数据和关键中子学参数，并与某电厂18 月周期性换料燃料管理的通用中子学参数进行了对比，如表2所列。

表1 燃料管理计算结果Tab.1Calculation results of dual-enrichment fuel management strategies

表2 通用核数据和关键中子学参数Tab.2General nuclear data and key parameters

由表2可见，基于16～20 月换料策略设计出的燃料管理方案中各项中子学参数均满足现有18 月周期性换料策略的安全限值要求。

根据启动物理试验的结果，将有可能需要在低功率时对功率控制棒的提出设定限值，以保证功率运行时的慢化剂温度系数始终为负。

3.2 关键反应性事故评估

实施16～20 月换料策略后，事故分析使用的与燃料管理方案有关的功率分布、燃料数据、通用核数据和关键中子学参数等关键安全参数可能超出原FSAR的分析限值，需分析落棒、次临界提棒、卡轴、单棒失控提出事故及弹棒事故等7个关键反应性事故下的关键安全参数。反应性事故分析结果表明，所有关键事故下相关参数均满足相关安全准则要求。以弹棒事故为例，燃料芯块熔化份额最大值为2.86%，最大包壳温度值为978 ℃、芯块焓最大值为579 J·g-1，均低于验收准则；使用确定论方法计算得到的DNB的最大燃料份额为6.00%，低于验收准则10%；瞬态过程中的压力峰值远低于110%的设计压力限值18.95 MPa。

4 经济性分析

根据表1中长、短平衡循环的平均卸料燃耗进行折算，16～20 月换料策略中，235U富集度为4.45%组件平均卸料燃耗高于现有18 月周期性换料策略中组件的平均卸料燃耗44.5 GW·d·t-1；考虑235U富集度为4.00%的组件，双富集度方案的平均卸料燃耗约为45.3 GW·d·t-1，略高于18 月周期性换料策略。因此，采用16～20 月换料策略，在不改变组件燃耗限值的情况下，组件的燃料利用率略有提高。

16～20 月换料策略下，大修安排在负荷减载严重期间，如春节和国庆期间，从而保证了电厂需要发电时多发电，提高了机组发电量。

假设原换料策略中10月份减载日期为7 d，减载为停堆或降功率至50%FP，以电厂每天满发电收入为人民币1 000 万元计算，每3年1次的10月份大修降功率至50%FP时，收益为7×0.5×1 000/3≈1 200 万元；假设每3年1次的10月份大修停堆，则收益为7×1 000/3≈2 400 万元。因此，多发电收益约1 200 万～2 400 万元。一般国庆期间减载时间可达10～15 d。负荷需求减载越大，燃料管理优化收益就越多，因此燃料管理优化可带来更多的发电收益[9]。

根据某电厂统计，最近几年中，因燃料管理不适应当前发电需求导致的提前停堆弃料时间大于30 d的情况已有3次，每次燃料经济性损失超过3 000万元。16～20月换料策略采用双富集度方案，循环长度能有效满足新形势下燃料管理循环的要求，解决了当前部分电厂方案中难以实现和提前停堆弃料经济性差的问题。

5 结论

本文基于国内核电厂负荷需求普遍减载的新形势下，开展了堆芯燃料管理优化研究，提出了16～20 月换料策略和长、短交替的平衡循环方案，并开展堆芯通用核数据和关键中子学参数计算和经济性分析。为了进一步提高燃料管理的灵活性，在设计时采用了235U富集度为4.45%和4.00%组件的双富集度方案。

结果显示，采用235U富集度为4.45%和4.00%的两种组件可以很好地实现16～20 月换料策略，满足燃料管理相关参数要求；关键中子学参数计算结果与18 月周期性换料策略的相关参数安全限值保持一致。关键反应性事故论证结果显示，当前燃料管理策略能满足事故安全限值要求，证明了设计方案具备工程实施的条件。

与现有18 月周期性换料策略相比，16～20 月换料策略减少了提前停堆换料经济性损失，同时燃料组件的平均卸料燃耗略有提升；可将大修调整至春节、国庆期间等负荷减载严重时段，减少电厂负荷减载，提高机组发电量，每台机组每年可获得多发电收益1 200 万～2 400万元。