姚 紅，高 鑫，孫幸光，劉國(guó)明

（1.中國(guó)核電工程有限公司，北京 100840；2.中核核電運(yùn)行管理有限公司，浙江海鹽 314300）

秦山二期長(zhǎng)循環(huán)燃料管理方案研究

姚 紅1，高 鑫1，孫幸光2，劉國(guó)明1

（1.中國(guó)核電工程有限公司，北京 100840；2.中核核電運(yùn)行管理有限公司，浙江海鹽 314300）

秦山二期目前采用的是使用36盒富集度為3.7%的換料組件的OUT－IN年換料燃料管理策略，從2號(hào)機(jī)組第11燃料循環(huán)開始第1個(gè)長(zhǎng)循環(huán)過(guò)渡，采用的是使用44盒富集度為4.45%的換料組件的IN－OUT長(zhǎng)循環(huán)燃料管理策略。為解決目前長(zhǎng)循環(huán)燃料管理策略循環(huán)長(zhǎng)度偏短、預(yù)留停堆維修時(shí)間較長(zhǎng)、電站可利用率較低等問(wèn)題，對(duì)使用48盒富集度為4.45%的換料組件的IN－OUT長(zhǎng)循環(huán)燃料管理策略進(jìn)行了研究。通過(guò)對(duì)上述3種燃料管理策略的主要計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析和比較，推薦秦山二期長(zhǎng)循環(huán)燃料管理采用48盒富集度為4.45%的燃料管理策略。

長(zhǎng)循環(huán)；低泄漏；燃料管理

秦山二期電站目前有4個(gè)65萬(wàn)千瓦級(jí)機(jī)組，分別為1、2、3、4號(hào)機(jī)組，依次為2002、2004、2010、2011年商運(yùn)，目前正在運(yùn)行的依次是第11、10、4、3燃料循環(huán)。截止到目前的運(yùn)行循環(huán)，采用的都是年換料的燃料管理策略，除首循環(huán)使用富集度為1.9%、2.6%、3.1%的燃料組件，過(guò)渡循環(huán)使用富集度為3.25%的燃料組件外，其他循環(huán)均使用富集度為3.7%的燃料組件，按照年換料設(shè)計(jì)來(lái)看，平衡循環(huán)亦采用36盒富集度為3.7%的換料燃料組件。

根據(jù)秦山二期業(yè)主對(duì)長(zhǎng)循環(huán)堆芯燃料管理的要求，從2號(hào)機(jī)組第11燃料循環(huán)開始采用長(zhǎng)循環(huán)的燃料管理策略。目前采用的是44盒富集度為4.45%的換料燃料組件的長(zhǎng)循環(huán)燃料管理方案。由于該方案的循環(huán)長(zhǎng)度為480 EFPD左右，長(zhǎng)循環(huán)的停堆維修時(shí)間將達(dá)到67.5 d，可見該方案的停堆維修時(shí)間預(yù)留較多，電站的可利用率不高，約為0.877，電站的經(jīng)濟(jì)性能受影響。

本文針對(duì)秦山二期電站目前長(zhǎng)循環(huán)燃料管理采用44盒換料燃料組件的方案，在不能增加換料燃料組件富集度的情況下，提出增加換料組件數(shù)到48盒的辦法，旨在解決長(zhǎng)循環(huán)燃料管理方案壽期稍短、停堆維修時(shí)間預(yù)留較多、電站利用率不高、經(jīng)濟(jì)性受影響等問(wèn)題。

本文應(yīng)用SCIENCE程序包，采用人工優(yōu)化換料設(shè)計(jì)方案的方法對(duì)秦山二期反應(yīng)堆堆芯進(jìn)行長(zhǎng)循環(huán)燃料管理優(yōu)化設(shè)計(jì)研究，給出換料組件數(shù)為48盒的長(zhǎng)循環(huán)、IN－OUT的燃料管理方案，并與目前設(shè)計(jì)的換料組件數(shù)為44盒的長(zhǎng)循環(huán)燃料管理方案進(jìn)行比較和分析。本文的長(zhǎng)循環(huán)燃料管理設(shè)計(jì)都是從2號(hào)機(jī)組的第11燃料循環(huán)開始向長(zhǎng)循環(huán)換料過(guò)渡的。

1 設(shè)計(jì)準(zhǔn)則

1）換料組件類型：采用富集度為4.45%的AFA3GAA燃料組件。

2）堆芯裝載模式：采用IN－OUT低泄漏模式［］。

3）燃料組件的燃耗限值：燃料組件的最大燃耗＜52 GW·d／t U［2］。

4）燃料組件的焓升因子FΔH≤1.60（其中包括9.2%的不確定性）。

5）慢化劑溫度系數(shù)≤0 pcm／℃。

6）壽期末最小停堆裕量≥2 200 pcm。

2 計(jì)算機(jī)程序

本設(shè)計(jì)計(jì)算使用從法馬通公司引進(jìn)的SCIENCE核設(shè)計(jì)和燃料管理計(jì)算程序包完成。該程序包主要由先進(jìn)的組件計(jì)算程序APOLLO2－F、堆芯模型化和分析程序SMART、堆芯測(cè)量數(shù)據(jù)處理和功率恢復(fù)程序SQUALE以及人機(jī)接口的界面程序COPILOTE組成。在本設(shè)計(jì)中使用了APOLLO2－F、SMART和COPILOTE程序，其中，燃料組件的參數(shù)由APOLLO2－F程序計(jì)算得到，換料和堆芯特性參數(shù)的計(jì)算使用SMART程序。

3 堆芯描述

秦山二期反應(yīng)堆堆芯由121盒燃料組件組成，堆芯核功率1 930 MW，電功率650 MW，堆芯冷卻劑總流量48 580 m3／h，壓力15.5 MPa，活性區(qū)高度3.658 m，平均線功率密度16.09 kW／m［3］。

2號(hào)機(jī)組第10循環(huán)采用的是36盒富集度為3.7%的換料燃料組件、OUT－IN［4］高泄漏裝載模式，即新燃料組件布置在堆芯外圈。從第11循環(huán)開始采用48盒富集度為4.45%的換料燃料組件向長(zhǎng)循環(huán)換料設(shè)計(jì)過(guò)渡，并采用INOUT低泄漏裝載模式，即大部分新燃料組件布置在堆芯內(nèi)區(qū)［5］。由于新燃料組件如果全部布置在堆芯內(nèi)區(qū)，引起的功率峰難以展平到安全限值內(nèi)，因此在堆芯最外圈離壓力容器最遠(yuǎn)位置布置了新燃料組件，既展平了功率峰、保證了安全性，又較大程度地維護(hù)了燃料的利用率。由于堆芯內(nèi)區(qū)布置了較高富集度的新燃料組件，引起較大的功率峰，為了展平堆芯徑向功率峰，采用含釓燃料棒，其中的釓毒物可降低壽期初的功率峰。適量配置可燃毒物，在降低功率峰的同時(shí)，也不至于更多影響燃料的利用率；同時(shí)考慮到生產(chǎn)、組裝燃料的復(fù)雜性，采用了較少種類的含釓組件。含釓燃料棒中的Gd2O3與UO2均勻彌散在芯塊中，Gd2O3的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8%，235U富集度為2.5%。根據(jù)含釓燃料棒在組件中的數(shù)量又分為含有4、8、12根等。

4 燃料管理方案描述

秦山二期從2號(hào)機(jī)組第11循環(huán)開始采用長(zhǎng)循環(huán)燃料管理方案，堆芯采用IN－OUT裝載模式，每次換料裝入48盒235U 富集度為4.45%的新燃料組件，經(jīng)過(guò)3次換料，第14循環(huán)達(dá)到平衡。運(yùn)行過(guò)兩個(gè)循環(huán)的燃料組件再入堆的選取原則是挑選燃耗淺、反應(yīng)性大的已輻照燃料組件。表1列出該方案第11循環(huán)到第15循環(huán)的燃料管理主要計(jì)算結(jié)果。圖1示出該方案平衡循環(huán)堆芯裝載圖。

表1 燃料管理主要計(jì)算結(jié)果Table 1 Fuel management main result

圖1 平衡循環(huán)堆芯裝載圖Fig.1 Equilibrium cycle core reloading pattern

從表1可知，該方案FΔH的最大值為1.570，慢化劑溫度系數(shù)最大值為－0.568 pcm／℃，停堆裕量最小值為2 302 pcm，組件的最大燃耗為50 934 MW·d／t U。該方案平衡循環(huán)的循環(huán)長(zhǎng)度為508 EFPD。該方案的主要參數(shù)計(jì)算結(jié)果均滿足設(shè)計(jì)準(zhǔn)則的要求。

因此，堆芯每次換料48盒富集度為4.45%的AFA－3GAA燃料組件，采用IN－OUT的長(zhǎng)循環(huán)換料方式的燃料管理方案設(shè)計(jì)是可行的。

5 方案比較

秦山二期目前采用的長(zhǎng)循環(huán)燃料管理方案是采用44盒新組件的換料方案，該方案堆芯采用完全低泄漏裝載，即堆芯最外圈不布置新組件。為比較目前采用44盒換料燃料組件的長(zhǎng)循環(huán)燃料管理方案，本文計(jì)算并給出采用44盒換料燃料組件的長(zhǎng)循環(huán)燃料管理方案的計(jì)算結(jié)果，另外，本文也計(jì)算并給出采用36盒富集度為3.7%的換料燃料組件的年換料燃料管理方案的計(jì)算結(jié)果。表2列出了這3個(gè)方案平衡循環(huán)的主要計(jì)算結(jié)果。

表2 平衡循環(huán)主要計(jì)算結(jié)果比較Table 2 Fuel management main result comparison of equilibrium cycle of three schemes

電站堆芯燃料管理方案的評(píng)價(jià)主要從電站安全性和經(jīng)濟(jì)性兩方面來(lái)考慮［6］。評(píng)價(jià)安全性的指標(biāo)有焓升因子、最大燃耗、停堆裕量等。評(píng)價(jià)經(jīng)濟(jì)性的指標(biāo)有循環(huán)長(zhǎng)度、卸料燃耗等。

從表2可見：電站可利用率最大的是方案2，為0.93；方案1的電站可利用率最小。方案3的焓升因子最小，為1.450；方案1、2的焓升因子均較大；各方案的焓升因子均滿足設(shè)計(jì)準(zhǔn)則的要求。表明方案3的安全裕量最充足，主要是因?yàn)樵摲桨覆捎肙UT－IN裝載且富集度較低，功率峰較易展平；而方案1、2采用INOUT裝載且富集度較高，新燃料組件基本布置在堆芯內(nèi)區(qū)，引起較大的功率峰，并使用含釓燃料棒中的釓毒物來(lái)抑制壽期初的功率峰值。

從表2還可見，方案1的平均卸料燃耗最大，超過(guò)45 GW·d／t U，說(shuō)明該方案的組件燃燒得最充分、利用率最高［7］。方案3的組件最大燃耗最小，方案1、2的組件最大燃耗較大，但都在限值以內(nèi)。

從表2可推算出這3個(gè)設(shè)計(jì)方案中組件最大卸料燃耗與平均卸料燃耗的差依次為4 802、6 419、5 386 MW·d／t U。組件最大卸料燃耗與平均卸料燃耗的差最小的是方案1，最大的是方案2。表明方案1的卸料組件的燃耗值離散度較?。?］。

6 結(jié)論

1）秦山二期電站無(wú)論采用36盒富集度為3.7%的年換料燃料管理策略，還是采用44盒富集度為4.45%的長(zhǎng)循環(huán)燃料管理策略，還是采用48盒富集度為4.45%的長(zhǎng)循環(huán)燃料管理策略，都滿足安全限值和設(shè)計(jì)目標(biāo)的要求，都是優(yōu)化和可行的。

2）秦山二期目前采用36盒富集度為3.7%的換料燃料組件的年換料OUT－IN燃料管理策略的安全性能表現(xiàn)優(yōu)越，該方案的焓升因子、最大燃耗等方面較長(zhǎng)循環(huán)燃料管理策略的相應(yīng)值降低7%～8%、12%～13%。這也是OUT－IN裝載模式的燃料管理方案的共性，因?yàn)楦患雀呋蚍磻?yīng)性大的燃料組件布置在緊靠反射層的堆芯外圈，可達(dá)到展平堆芯中子通量密度的作用而使功率峰因子下降。由于是年換料，循環(huán)燃耗較短，即使經(jīng)歷3或4個(gè)循環(huán)，在合理的堆芯優(yōu)化布置下，組件最大燃耗也離限值較遠(yuǎn)。另外，由于新燃料組件布置在堆芯外圈，造成中子泄漏損失較大，使循環(huán)長(zhǎng)度減少。

3）秦山二期目前采用44盒富集度為4.45%的換料燃料組件的長(zhǎng)循環(huán)IN－OUT燃料管理策略的組件燃耗性能表現(xiàn)優(yōu)越，該方案的平均卸料燃耗較同樣采用長(zhǎng)循環(huán)燃料管理策略的方案2的相應(yīng)值增加3%，而組件最大燃耗卻較方案2的相應(yīng)值降低0.5%。組件的最大燃耗與平均卸料燃耗的差值最小，較方案2、3的相應(yīng)差值減少25%、11%，說(shuō)明該方案的組件燃耗較充分和均勻，組件的利用率較高。這是因?yàn)樵摲桨傅亩研狙b載采用的是完全低泄漏模式，即堆芯最外圈布置的都是已輻照燃料組件，新燃料組件布置在堆芯內(nèi)區(qū)，這樣可使燃料組件燃耗比較均勻，而相對(duì)均勻的裝載可取得較高的平均卸料燃耗。同時(shí)，因?yàn)榉磻?yīng)性大的新燃料組件布置在堆芯內(nèi)區(qū)，反應(yīng)堆中子泄漏損失較小，使循環(huán)長(zhǎng)度增加。另外，由于堆芯內(nèi)區(qū)布置反應(yīng)性大的新燃料組件，引起壽期初的堆芯內(nèi)區(qū)中子通量密度高，加大了堆芯的功率不均勻系數(shù)，引起較大的功率峰因子，所以使用了含釓燃料棒中釓毒物來(lái)降低功率峰。盡管如此，該方案的焓升因子仍最大，但在安全限值以內(nèi)。

4）秦山二期采用48盒富集度為4.45%的換料燃料組件的長(zhǎng)循環(huán)IN－OUT燃料管理策略的經(jīng)濟(jì)性能表現(xiàn)優(yōu)越，該方案的循環(huán)長(zhǎng)度最長(zhǎng)，達(dá)到508 EFPD；該方案的電站可利用率最大，達(dá)到0.93，較方案1提高了6.1%，較目前年換料的可利用率也有所提高。該方案預(yù)留的停堆維修時(shí)間為39.5 d，與目前秦山二期電站停堆維修時(shí)間較為吻合，增加了實(shí)用性。該方案作為長(zhǎng)循環(huán)燃料管理的補(bǔ)充能解決目前長(zhǎng)循環(huán)燃料管理方案壽期偏短、停堆維修時(shí)間預(yù)留較多、電站利用率不高、經(jīng)濟(jì)性受影響等問(wèn)題。由于該方案采用的類似方案1的IN－OUT低泄漏裝載模式，因此在組件燃耗性能方面的表現(xiàn)接近方案1，同樣具有組件燃耗充分和均勻、中子泄漏損失較小、功率峰較大等特點(diǎn)。卸料燃耗在功率一定的情況下與循環(huán)長(zhǎng)度呈正比，與組件鈾重量呈反比，雖然循環(huán)長(zhǎng)度較方案1的增加了6.1%，但增加了4盒組件，鈾重量相對(duì)增加了9.1%，因而卸料燃耗較方案1的相應(yīng)值有所下降［9］。

綜上所述，推薦方案2作為秦山二期長(zhǎng)循環(huán)燃料管理策略的補(bǔ)充方案，實(shí)用性較強(qiáng)。

［1］謝仲生.壓水堆核電廠堆芯燃料管理計(jì)算及優(yōu)化［M］.北京：原子能出版社，2001.

［2］潘澤飛，葉國(guó)棟，項(xiàng)駿軍，等.秦山第二核電廠堆芯燃料管理方案的選擇與優(yōu)化［J］.核動(dòng)力工程，2011，32（1）：22－26.PAN Zefei，YE Guodong，XIANG Junjun，et al.Optimization and selection of long fuel cycle reloading pattern for Qinshan ProjectⅡ［J］.Nuclear Power Engineering，2011，32（1）：22－26（in Chinese）.

［3］楊蘭和，戚屯鋒.CP600壓水堆核電廠核燃料管理［M］.北京：中國(guó)原子能出版?zhèn)髅接邢薰荆?011.

［4］謝仲生.核反應(yīng)堆物理分析［M］.北京：原子能出版社，2000.

［5］蔡光明.秦山第二核電廠燃料管理策略改進(jìn)的經(jīng)濟(jì)性分析［J］.核科學(xué)與工程，2006，26（4）：80－84. CAI Guangming.Economic analysis of fuel management philosophy amendment in the Second Qinshan Nuclear Power Plant［J］.Chinese Journal of Nuclear Science and Engineering，2006，26（4）：80－84（in Chinese）.

［6］孔德萍，廖澤軍，吳錫鋒，等.秦山核電廠堆芯燃料管理改進(jìn)［J］.核動(dòng)力工程，2006，27（2）：5－8.KONG Deping，LIAO Zejun，WU Xifeng，et al.Qinshan NPP in－core fuel management improvement［J］.Nuclear Power Engineering，2006，27（2）：5－8（in Chinese）.

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［8］姚紅.換料組件數(shù)為64組的堆芯燃料管理方案研究［J］.核科學(xué)與工程，2014，34（1）：51－58.YAO Hong.Study on fuel management for 64 refueling assemblies［J］.Nuclear Science and Engineering，2014，34（1）：51－58（in Chinese）.

［9］王成孝.核電站經(jīng)濟(jì)［M］.北京：原子能出版社，1997.

Long－cycle Fuel Management Strategy Research of QinshanⅡNPP

YAO Hong1，GAO Xin1，SUN Xing－guang2，LIU Guo－ming1
（1.China Nuclear Power Engineering Co.，Ltd.，Beijing 100840，China；2.CNNP Nuclear Power Operations Management Co.，Ltd.，Haiyan 314300，China）

Currently，the annual and OUT－IN reloading strategy is used in QinshanⅡNPP，which employs 36 new assemblies with 3.7%enrichment.The long－cycle fuel management strategy which uses IN－OUT reloading method and employs 44 fresh assemblies with 4.45%enrichment，is adopted in unit 2 cycle 11（U2C11）.A long－cycle fuel management strategy，adopting IN－OUT reloading method and 48 fresh assemblies with 4.45%enrichment，was presented.The purpose of presented strategy is to extend the cycle length，shorten shutdown time and exalt the utilization rate of power plant.The main attributes of these three fuel management strategies were analyzed and compared.As a result，the presented long－cycle fuel management strategy is the optimized strategy.

long－cycle；low－leakage；fuel management

TL384

：A

：1000－6931（2015）12－2217－05

10.7538／yzk.2015.49.12.2217

2014－09－14；

：2014－10－17

姚 紅（1977—），女，湖南岳陽(yáng)人，高級(jí)工程師，核科學(xué)與技術(shù)專業(yè)