姚 紅,劉國明,高 鑫

(中國核電工程有限公司,北京100840)

157組組件堆芯燃料管理方案設計及其經濟性分析

姚 紅,劉國明,高 鑫

(中國核電工程有限公司,北京100840)

157組燃料組件組成堆芯的燃料管理方案有1/3堆芯年換料、1/4堆芯年換料、18個月換料等多種策略,本文給出了常見的5種燃料管理方案的平衡循環(huán)主要計算結果。然后對這5個燃料管理方案的平衡循環(huán)進行經濟性分析計算,逐一介紹關系到電站收益的發(fā)電量的計算、關系到電站成本的燃料費用的計算以及由于燃料管理策略中換料周期的不一樣導致的停堆維修頻率不一樣而產生的對電站成本的影響。通過這5個燃料管理方案設計及其經濟性分析比較,推薦采用72組富集度為4.45%的長循環(huán)換料方案作為157組燃料組件堆芯燃料管理主推方案,實用性較強。

燃料管理;方案設計;經濟性分析;最佳方案

157組燃料組件組成堆芯的燃料管理方案設計包括各批次燃料組件富集度和數量的選取,以滿足核電站運行壽期的需求;還包括燃料組件和控制毒物在堆芯內的布置,以滿足核安全限值要求。評價堆芯燃料管理方案設計主要從安全性和經濟性兩方面來考慮。評價安全性的指標有焓升因子、慢化劑溫度系數、停堆裕量、卸料燃耗等,簡單的經濟性比較可以從循環(huán)長度(滿功率運行天數)、卸料燃耗等方面考慮。

本文給出了1/3堆芯OUT-IN年換料、1/4堆芯OUT-IN年換料、1/4堆芯IN-OUT年換料以及2個IN-OUT 18個月換料共計5個燃料管理方案。

鑒于目前該類型電站的換料周期有從年換料過渡到18個月換料的趨勢,也為了進一步綜合反映設計方案的經濟性,本文主要考慮了核燃料費用和燃料管理方案設計的不同對電站經濟性的影響。

1 設計目標和準則

1)換料組件類型:換料組件富集度≤4.45%的AFA3 G燃料組件。

2)堆芯裝載模式:長循環(huán)換料采用INOUT低泄漏模式;年換料采用OUT-IN模式。

3)燃料組件的燃耗限值:燃料組件的最大燃耗＜55 000 MWd/t U。

4)換料燃料組件的焓升因子FΔH≤1.65(其中包括11.4%的不確定性)。

5)慢化劑溫度系數≤0 pcm/℃。

6)長循環(huán)換料壽期末最小停堆裕量≥2 300 pcm;年換料壽期末最小停堆裕量≥1 770 pcm。

2 計算機程序

本設計計算是使用從法馬通公司引進的SCIENCE核設計和燃料管理計算程序包完成的。該程序包主要由先進的組件計算程序APOLLO2-F、堆芯模型化和分析程序SMART、堆芯測量數據處理和功率恢復程序SQUALE,以及人機接口的界面程序COPILOTE組成。在本設計中使用了APOLLO2-F、SMART和COPILOTE程序,其中,燃料組件的參數由APOLLO2-F計算得到,換料和堆芯特性參數的計算使用了SMART程序。

3 燃料管理方案描述

157組燃料組件堆芯核功率為2 895 MWt,電功率為1 089 MWe,堆芯冷卻劑總流量為71 370 m3/h,壓力為15.5 MPa,活性區(qū)高度為3.658 m,平均線功率密度為186 W/cm。

方案1采用52組富集度為3.4%的換料組件的OUT-IN年換料燃料管理模式,方案2采用40組富集度為4.2%的換料組件的OUTIN年換料燃料管理模式,方案3采用40組富集度為4.2%的換料組件的IN-OUT年換料燃料管理模式,方案4采用68組富集度為4.45%的換料組件的IN-OUT長循環(huán)換料燃料管理模式,方案5采用72組富集度為4.45%的換料組件的IN-OUT長循環(huán)換料燃料管理模式。其中方案3與參考文獻[1]中的燃料管理方案因采用的程序版本不同、含釓量不同、堆芯裝載不同等而導致卸料燃耗有所差別。

表1[2]給出了5個方案平衡循環(huán)的燃料管理主要計算結果。

表1 平衡循環(huán)主要計算結果比較Table 1 Fuelmanagement main result comparison of equilibrium cycle for five schemes

從表1可以看出,方案1即采用52組富集度為3.4%的換料組件的OUT-IN年換料的燃料管理策略的安全性能表現優(yōu)越,該方案的焓升因子、最大組件燃耗等方面安全裕量最大。方案2即采用40組富集度為4.2%的換料組件的OUT-IN年換料的燃料管理策略的組件燃耗性能表現優(yōu)越,該方案的組件平均卸料燃耗最大,且與組件最大燃耗的差值最小,說明該方案的組件燃耗充分和均勻,組件的利用率高。方案3即采用40組富集度為4.2%的換料組件的IN-OUT年換料的燃料管理策略的卸料組件燃耗最大,循環(huán)長度較方案2增加約3EFPD。方案4即采用68組富集度為4.45%的換料組件的IN-OUT 18個月換料的燃料管理策略的經濟性能較好,該方案的電站可利用率高于年換料的相應值,僅次于方案5的相應值;該方案的組件燃耗性能僅次于方案2。方案5即采用72組富集度為4.45%的換料組件的IN-OUT 18個月換料的燃料管理策略的經濟性能表現優(yōu)越,該方案的電站可利用率最大。

4 經濟性分析

在電價已定的情況下,發(fā)電量越多,核電站的收益越多;在電站額定功率運行的情況下,電站的發(fā)電量又取決于燃料管理策略中的循環(huán)長度。由于電站的一個換料周期分為運行期和停堆維修期,所以電站的可利用率(循環(huán)長度與換料周期的比值)越大,則電站的經濟效益越好。

核電站總費用包括投資費用、運行維護費用、燃料費。運行維護費用又分為工資、材料費用和停堆維修費用。燃料費用包括采購天然鈾的費用、天然鈾提純轉化費用、鈾濃縮費用、燃料元件加工費用、運輸費用、中間貯存費用和廢物處置費用等。圖1[3]給出了發(fā)電成本的基本構成因素。

圖1 發(fā)電成本的基本構成因素圖Fig．1 basic cause factor of electricity generation cost

下面逐一介紹關系到電站收益的發(fā)電量的計算、關系到電站成本的燃料費用的計算以及由于燃料管理策略中換料周期的不一樣導致的停堆維修頻率不一樣而產生的對電站成本的影響。

4.1 發(fā)電量的計算

根據參考文獻[3]中提供的發(fā)電量的計算為:

式中,L′為反應堆負荷因子(%),電站在一個運行期內實際生產的電與電站在該期內以設計額定負荷能力連續(xù)運行生產的電之比,國內電站的負荷因子基本為100%;K為電功率(MWe);T′為循環(huán)長度(a)。

如圖2所示,此發(fā)電量E是這批核燃料元件U/n在三次燃料循環(huán)(圖中示意n＝3)中發(fā)出電量的總和,即E＝e1＋e2＋e3。核燃料費用在發(fā)電中分攤的份額應為e1/E、e2/E和e3/E。發(fā)電所需時間為(t1－t′1)、(t″2－t′2)和(t″3－t′3)之和,且中間有兩次停堆換料的時間為(t′2－t″1)、(t′3－t″2)。根據貨幣的時間價值觀念,因而引出不同時間發(fā)出的電量,由于核燃料費用貨幣化之后不同時間的單位核燃料價格相應作不同的價格計算,因此要對所發(fā)出的電力進行貼現。貼現因子PWE為:

式中:d′＝ln(1＋d),d為貼現率。

表2給出了5個燃料管理策略平衡循環(huán)一批料的發(fā)電量。

表2 5個方案平衡循環(huán)一批料的發(fā)電量Table 2 electricity generation of each batch of equilibrium cycle fuel for five schemes

可見,5個方案中折合到一個自然年的發(fā)電量的貼現量最多是方案5,比方案1、2、3、4的相應值依次高出12.7%、10.7%、9.8%、4.1%。

4.2 燃料費用的計算

如圖2[3]所示,核燃料的整個流程為:a為購買天然鈾,需支付天然鈾的費用F1;b為轉化成UF6,需支付天然鈾的轉化成本F2;c為235U的濃縮,需支付鈾的濃縮成本F3;d為元件加工,需支付燃料元件加工費F4;e為元件在堆芯中“燃燒”發(fā)電,售電得到收入;f為乏燃料在核電廠貯存;g為化工后處理,需支付乏燃料元件的運輸費用F5和后處理或中間貯存費用F6;h為廢物處置,需支付玻璃固化高放廢物處置或乏燃料封裝/處置的費用F7。a～d這四部分為核燃料循環(huán)前段(亦稱前端)。g～h這兩部分為核燃料循環(huán)后端。

圖2 核燃料循環(huán)費用和預購時間Fig．2 fuel cycle expense and purchase time in advance

核燃料循環(huán)各個環(huán)節(jié)所需費用支付時間如圖2所示。由于發(fā)電量的貼現時間坐標在t′1,因而核燃料循環(huán)各個環(huán)節(jié)費用支付的貼現時間標準統(tǒng)一到時間t′1。

本文根據參考文獻[3]中提供的關于燃料費用的計算項及計算公式,并依據參考文獻[4]中提供的相關燃料費用信息,完成了燃料費用的計算。表3列出了這些燃料費用計算項的單位價格。

表3 燃料費用計算項和單位價格Table 3 Calculation items and unit price of fuel expense

根據上表給出的價格計算了上述5個燃料 管理方案的核燃料組件費用如表4。

表4 5個方案的核燃料組件費用和發(fā)電收入Table 4 Fuel assembly costs and generate electricity incomes for five schemes

可見,單組組件的費用隨富集度的增加而遞增,富集度4.45%的單組燃料組件費用比富集度3.4%、4.2%的單組組件費用依次高出25.4%、5.6%。折合到一個自然年的換料燃料組件費用最高的是方案5,最低的是方案3。

從表4可見,年換料的方案1、2、3中方案3的經濟性最好;同為18個月換料的方案4、5中方案5的經濟性最好。不同換料周期的方案的經濟性比較還需考慮電站的停堆維修費用,而年換料為一年停堆一次,18個月換料為一年半停堆一次,則三年內18個月換料相對年換料節(jié)省了一次停堆維修費用,折合到一個自然年內則節(jié)省了1/3的停堆維修費用。因此,方案5的經濟性最好,不僅去除燃料年費用的電站年收入最高,比同為18個月換料的方案4的經濟效益高3.8%,而且比年換料的方案1、2、3每年節(jié)省了1/3的停堆維修費用;方案4的經濟性僅次于方案5,亦比年換料每年節(jié)省了1/3的停堆維修費用。

5 結論

從上面的燃料管理方案計算結果及其經濟性分析結果來看,有如下幾點結論:

1)157組燃料組件堆芯無論采用52組富集度為3.4%、40組富集度為4.2%的年換料燃料管理策略還是采用68組或72組富集度為4.45%的長循環(huán)燃料管理策略,都滿足安全限值和設計目標的要求,都是優(yōu)化和可行的。

2)從換料組件在堆芯中的布置來看,采用OUT-IN模式的安全裕量較大,采用IN-OUT模式的安全裕量稍小但也滿足限值要求。

3)方案1、2、3均為年換料,從費用方面考慮,雖然隨富集度提高單組組件費用增加(約18.7%),但是減少組件數目大于5組(1/18.7%＝5.3),則總的組件費用減少;從發(fā)電收入方面考慮,盡可能增加循環(huán)長度,能獲得較高的發(fā)電收入。因此選取較高的換料組件富集度和較少的換料組件數目,在滿足目前組件燃耗性能限值的要求下,盡可能地提高組件的利用率。

4)方案4、5均為18個月換料,所使用的換料組件富集度均為4.45%,只是換料組件數目不同,方案5比方案4每次換料多了4組組件。這兩個方案在燃料管理方面的計算結果較為接近,尤其是組件燃耗性能方面,方案5的平均卸料燃耗和最大燃耗比方案4的相應值略小些;而方案5的循環(huán)長度比方案4的長3.8%,發(fā)電年收入多出13 702萬元,燃料年費用多出3 336萬元,去除燃料年費用的電站年收入多出10 366萬元。

5)比較而言,18個月換料的方案4、5的經濟效益好于年換料的方案1、2、3,雖然年換料的組件費用偏低,但是組件費用只占發(fā)電年收入的14%～16%,電站的經濟效益主要還是取決于發(fā)電量多少,取決于電站可利用率因子的大小,去除燃料年費用的電站年收入前者比后者高出4%～12%,約1.2～3.3億元;而且,前者比后者每年還節(jié)省1/3停堆維修費用,這也是一筆可觀的費用。

綜上所述,推薦方案5作為157組件堆芯燃料管理策略的優(yōu)化方案,實用性較強。

[1] 張洪,厲井鋼．嶺澳核電站1/4換料燃料管理方案研究[J]．核科學與工程,2012,32(1)．

[2] 姚紅．157組燃料組件組成的堆芯燃料管理研究[J]．原子能科學技術,2013,47(10):45-51．

[3] 王成孝．核電站經濟[M]．北京:原子能出版社,1997.8．

[4] 任德曦,胡泊．全球核燃料產業(yè)與市場發(fā)展導向[M]．南華大學學報,2012.2．

Scheme Design and Economy Accounting of Fuel management of 157 Fuel Assemblies

YAO Hong,LIU Guo Ming,GAO Xin
(China Nuclear Power Engineering Co．,Ltd．,Beijing 100840)

There are several schemes including 1/3 core yearly reload,1/4 core yearly reload and 18-month reload for fuel management of 157 fuel assemblies'core．Results of the equilibrium cycles of five schemes are showed．Economic analysis of the five schemes is introduced one by one for electricity generation which related with income,for fuel expense and for different maintenance frequency due to different reload period which related with cost．Among the others,the fifth scheme of reloaded 72 fuel assemblies of 4.45%enrichment is the most optimized scheme．

fuel management;scheme design;economic analysis;the most optimized scheme

TL38＋4

A

0258-0918(2016)01-0273-06

2014-10-30

姚紅(1977—),女,湖南岳陽人,高級工程師,本科,核科學與技術