压水堆核电厂燃料经济性提升方法研究

摘  要：为提高压水堆核电厂的燃料经济性，通过对核电厂堆芯特性进行研究，确定采用钆棒轴向分区并提升钆芯块内U-235富集度的钆棒优化设计方法。分析表明，采用该技术可在保证安全性的前提下实现首循环的长周期低泄漏堆芯装载，相对于长周期高泄漏堆芯装载技术，该技术能为每台机组减少约6 300万元的首循环燃料费，采用该技术的平衡循环能为每循环节省燃料费约2 300万元。

关键词：燃料管理   首循环   平衡循环   轴向分区   经济性

中图分类号：F27                             文献标识码：A文章编号：1672-3791（2021）07（c）-0060-03

Abstract： In order to improve the fuel economy of pressurized water reactor（PWR） nuclear power plant， through the study of the core characteristics of nuclear power plant， the gadolinium rod optimization design method of axial zoning of gadolinium rod and increasing the enrichment of U-235 in gadolinium pellet is determined. The analysis shows that this technology can realize the long-term low leakage core loading of the first cycle on the premise of ensuring safety. Compared with the long-term high leakage core loading technology， this technology can reduce the first cycle fuel cost of about 63 million yuan for each unit， and the balanced cycle with this technology can save about 23 million yuan for each cycle.

Key Words： Fuel management; First cycle; Balance cycle; Axial partition; Economy

压水堆核电厂可采用年度换料、1/4换料、18个月换料等不同的换料模式[1-3]，不同换料模式的经济性是不同的，需根据电厂需要选择最为合适的换料模式。影响经济性的因素很多，如与卸料燃耗相关的燃料经济性、大修带来的人工成本和发电量减少等。总体而言，目前国内压水堆核电厂普遍采用的18个月换料模式是较为经济的一种换料模式[4-6]。该文基于国内核电厂采用最多的18个月换料模式，对燃料的经济性提升方法进行了研究，针对初始投运核电厂的首循环和已投运核电厂的后续循环（主要是平衡循环）分别进行了研究。

国内二代核电厂平衡循环已基本采用18个月换料模式[7]，但首循环仍普遍采用高泄漏年度换料。首循环长周期低泄漏堆芯装载模式能提高机组的可用率和燃料经济性，减少作为工程费用部分的燃料费初始投入。采用钆棒轴向分区技术可以实现首循环长周期（18个月）低泄漏堆芯装载，从而提升压水堆机组的技术先进性和燃料经济性。

对于国内大量已处于平衡循环运行的二代压水堆核电机组和即将投运的三代压水堆核电机组而言，以国内已具备的燃料组件轴向分区设计和制造能力为基础，采用钆棒轴向分区并提升钆芯块内U-235富集度的钆棒优化设计可以显著提升堆芯的安全性和燃料的经济性。

压水堆核电厂燃料经济性的优化目标是提高平衡循环的平均卸料燃耗，且在寿期末具备延伸运行能力，提高堆芯的燃料经济性;实现首循环长周期低泄漏堆芯装载，以降低首循环燃料费初始投入。

1  优化方法

对于压水堆机组普遍使用的活性区长度为365.76 cm的燃料组件，采用如下的钆棒轴向分区和钆芯块内U-235富集度提升的设计方案。

（1）钆棒轴向分区：含钆燃料棒轴向两端各设置一定尺寸的不含钆铀芯块，并装载与同一燃料组件铀棒中相同的铀芯块。

（2）富集度提升：提升钆芯块内U-235富集度，可提高到与同一燃料组件铀棒中铀芯块的U-235富集度相同。

针对首循环和平衡循环可分别采用不同的轴向分區方案[7-8]，如对称或非对称方案设计。由于首循环的堆芯特性与后续循环（包含平衡循环）差异较大，对于首循环需采用钆棒轴向分区的非对称方案设计。对首循环含钆燃料棒进行轴向分区时，可以在顶部设置更多的不含钆铀芯块，从而缓解首循环寿期初堆芯下部功率比上部功率大的问题。对于平衡循环，堆芯上部和下部轴向功率偏差不大，可采用轴向分区的对称方案设计。钆棒优化方案含钆组件中铀棒和钆棒的轴向设计示意图见图1。

2  优化方案

通过对不同钆棒轴向分区设计和钆芯块中的UO2富集度进行研究，确定了一种平衡循环堆芯装载经济性提升方案，其主要参数如下：换料新组件数为72组，换料组件富集度为4.45%;钆芯块内含8%的Gd2O3，钆芯块内U-235富集度为2.5%;钆棒采用轴向分区设计，钆棒两端各22.86 cm装载富集度4.45%的铀芯块;钆芯块内U-235富集度提升为4.45%。首循环堆芯装载经济性提升方案的主要参数如下：堆芯含32组1.8%、73组2.4%和72组3.1%三种UO2富集度组件;2.4%组件中钆芯块UO2富集度为2.4%，Gd2O3重量百分比为8%;3.1%组件中钆芯块UO2富集度为3.1%，Gd2O3重量百分比为9%;2.4%和3.1%组件的钆棒顶部30.48 cm分别为2.4%和3.1%的铀芯块。

此方案并非最优解，实际工程实施时，可在此方法基础上开展进一步的优化研究，选择更为合适的钆棒轴向分区和富集度提升方案。为便于比较，选取某国内已商运的含177组燃料组件的压水堆核电厂作为经济性提升分析比较的基准方案。

3  计算结果及经济性分析

采用上述堆芯燃料经济性提升方案的计算结果显示，在满足循环长度、停堆裕量、卸料燃耗等堆芯燃料管理常规要求的前提下，采用钆棒轴向分区的技术对堆芯轴向功率分布有明显的改善，采用钆芯块内U-235富集度提升的技术对堆芯徑向功率分布也有积极作用。轴向功率分布和径向功率分布的改善对堆芯的安全性有较为重要的贡献。

一方面，燃料经济性提升方法所采用的钆芯块富集度与铀芯块富集度相同，减少了不同芯块富集度的种类，有利于燃料的制造;另一方面，钆棒轴向分区会略微增加燃料组件制造流程的复杂性。在经济性分析中，可假设经济性提升方案采用的燃料制造价格与目前压水堆核电厂所采用的燃料制造价格相同。

燃料经济性分析中采用的关键参数假设详见表1。

表2给出了燃料经济性提升方案相对于基准方案的平衡循环燃料费用节省和首循环相对于基准方案减少的燃料费初始投入。

由表2可知，采用钆棒轴向分区和钆芯块内U-235富集度提升的燃料经济性提升方法可为机组每循环节省2 300万元左右的燃料费;采用该方法可实现首循环长周期（18个月）低泄漏堆芯装载，可减少首循环燃料费初始投入约6 300万元。表2中需要说明的是，6 300万元为首循环节省的燃料费初始投入，并非燃料费节省。

4  结语

该研究采用钆棒轴向分区和钆芯块内U-235富集度提升技术提高了压水堆核电厂堆芯的燃料经济性。相比基准方案，首循环和平衡循环的安全性均有了不同程度的提高，经济性有了较大幅度的提升。其中，平衡循环每循环能节省燃料费约2 300万元，即每台机组、每18个月可以节省2 300万元，可用于国内大量的在运压水堆核电机组;首循环能为每台机组减少约6 300万元的燃料费初始投入。堆芯设计要想有大的优化，必须得从燃料的改进着手。该文介绍的技术以国内已具备的燃料组件轴向分区设计能力和制造能力为基础，对含钆燃料棒进行了改进与创新，相较于事故容错燃料（ATF）等先进燃料技术现阶段面临的种种问题，该技术成熟度较高、设计改动较小，是一项安全、经济、可靠的燃料经济性提升措施。

参考文献

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