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CNP650长燃料循环长短交替运行管理探究

2020-08-28 581 上传者：管理员

摘要：海南核电厂1、2号机组采用我国自主设计的CNP650反应堆，由于海南电网存在着明显的用电峰谷期，使得海南核电厂从年换料向长燃料循环过渡的关键在于循环长度差异巨大的长、短交替运行设计。面向上述目标，本文针对CNP650反应堆，完成了新燃料组件类型和富集度设计、新燃料组件数目及布置设计、独立过渡循环设计，得到了CNP650反应堆长、短交替运行的长燃料循环燃料管理策略，从1号机组第5循环开始，通过4个过渡循环，进入循环长度分别为517.3等效满功率天（EFPD）和464.0EFPD的交替运行平衡循环，各项参数满足长燃料循环燃料管理设计要求，有效地解决了海南核电厂长周期运行的特异性需求，可直接应用于海南核电厂长燃料循环运行。

关键词：
核工程
核电厂
燃料管理
长燃料循环
长短交替运行
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海南核电厂1、2号机组采用具有我国完全自主知识产权的CNP650型压水堆。CNP650反应堆由121个组件组成，采用Mode-A控制模式，装机容量为65×104kW[1]。由于海南电网属于独立电网，全省电网负荷相对较小，2016年海南省统调最高负荷为412.9×104kW，海南核电厂1、2号机组总装机容量达到了电网容量的31.5%，“大机小网”问题非常突出，为了满足用电低峰换料的需求，海南核电厂1、2号机组采用的是年换料模式，换料燃料富集度为3.25%，平衡循环循环长度为284等效满功率天（EFPD），平均批卸料燃耗为33305MW·d/t(U)，机组负荷因子仅为71%[2]。

在确保安全的前提下，为了提高电站的经济性，同时匹配海南电网用电峰谷的变化，海南核电厂提出了由目前的年换料方式向长短交替运行的长燃料循环过渡的方案。在海南核电厂1号机组第2循环燃料管理设计基础上，从1号机组第5循环开始，综合考虑电厂的经济性、安全性与循环长度和电网的匹配关系，对长燃料循环下长短交替运行的燃料管理策略进行研究分析。

1、设计目标和换料策略

由于海南电网的特殊性，海南核电厂1、2号机组长短交替燃料管理设计的目标，主要有：满足燃料经济性要求；满足核安全法规的要求；满足电网用电需求和电厂发电规划；满足燃料组件的机械设计限值。

1.1 燃料经济性

核电厂在商业运行后，燃料成本约占整个发电成本的40%，而燃料成本由天然铀采购、铀浓缩分离、燃料组件制造、乏燃料后处理等费用组成。在采用4.45%富集度的情况下，长燃料循环换料策略与目前采用3.25%富集度的年换料方案相比，燃料循环成本基本持平，但由于平均上网电量增加了4.29%，因此，大大降低了发电成本，提高了电厂经济性。

1.2 循环长度

基于海南电网的特殊性，海南核电厂2台机组在用电高峰期必须保证满负荷运行，机组的大修应安排在用电低谷期（春节期间和10月份雨季期），如果采用恒定循环长度的长燃料循环，则不可避免会在用电高峰期停堆检修。为此，应采用长、短交替运行方式，目标平衡循环自然循环长度为517、460EFPD，同时为了满足电厂发电灵活性需求，要求尽可能提高过渡循环的循环长度。

1.3 安全限值

为了满足反应堆热工水力设计和事故分析要求，海南核电厂的安全限值要求：(1)核焓升因子F(35)H的限值为1.60;(2)热点因子FQ的限值为2.40;(3)慢化剂温度系数不为正值；(4)停堆裕量满足事故安全分析要求；(5)燃料组件最大燃耗不超过52000MW·d/t(U)。

2、燃料管理方案设计与研究

2.1 燃料组件类型及富集度

本研究中考虑的平衡循环循环长度目标达到517、460EFPD，循环长度过长导致燃料富集度不宜差异过大，而过渡前机组处于年换料模式，换料燃料富集度仅为3.25%，为了更好地展平功率分布，防止过大的组件间反应性差异，最终确定采用4.45%的富集度。同时由于燃料组件最大燃耗限值为52000MW·d/t(U)，组件平均批卸料燃耗较高，为了确保高燃耗时的燃料性能，确定采用全M5的AFA3G燃料组件。

2.2 可燃毒物

本研究的可燃毒物材料为Gd2O3与UO2均匀弥散的载钆燃料棒，出于全循环功率分布展平考虑，最终方案在平衡循环长循环采用了带4根、8根、12根和16根载钆燃料棒的燃料组件，在平衡循环短循环采用了带4根、8根和16根载钆燃料棒的燃料组件。对于载钆燃料棒，包壳内装入均匀弥散了钆可燃毒物的Gd2O3-UO2燃料芯块。载钆芯块中的Gd2O3重量百分比取8.0%,235U富集度则取2.5%。图1为本研究所使用的各燃料组件，图中黑色块为载钆燃料棒栅元。

2.3 燃料管理方案

2.3.1 平衡循环

为了匹配长、短平衡循环长达近60EFPD的差异要求，同时满足长平衡循环达到517EFPD的要求，本研究中对长、短循环采用的换料新燃料组件数目进行了大量的比较筛选，包括56/36换料、52/40换料、48/44换料、52/44换料、48/40换料等方式，最终确定长、短循环的换料新燃料组件数目为48和44，该方案可有效避免长、短循环交替时造成过大的组件批数扰动，将慢化剂温度系数控制为非正。

图1燃料组件示意图

富集度为4.45%的平衡循环新燃料组件布置如图2所示。长、短平衡循环均采用了低泄漏装载方案，该方案可以提高中子利用效率，减少压力容器中子注量，延长使用寿命。同时通过新燃料组件位置和燃料组件类型的调整，实现长、短循环517、460EFPD的循环长度需求。

为尽可能简化燃料组件生产，减少燃料组件类型，同时，满足展平功率分布的需求，在长、短平衡循环装载方案设计时，确定分别在长、短平衡循环4种和3种类型含钆燃料组件。

最终确定的燃料管理方案中，长、短平衡循环的循环长度为517.3EFPD和464EFPD，满足了目标要求。组件最大卸料燃耗为51039MW·d/t(U)，满足组件燃耗限值，平均批卸料燃耗在长、短循环分别为44598MW·d/t(U)和45441MW·d/t(U)，燃料经济性较好，其他的各项参数也完全满足了长循环燃料管理设计要求，平衡循环的主要燃料管理计算结果见表1。

2.3.2 过渡循环

从1号机组第5循环开始向长燃料循环过渡，最终使循环长度从目前年换料过渡到长循环，由于海南核电厂过渡前循环均采用3.25%富集度燃料组件，而在本长循环燃料管理设计中采用4.45%富集度燃料组件，新旧燃料组件反应性差异很大，在第1个过渡循环的方案设计中，功率分布难以展平，同时由于第1个过渡循环中旧燃料组件反应性相对更小，为了尽可能增加第1个过渡循环循环长度，在本次过渡循环设计中，第1个过渡循环采用独立的燃料组件类型和新组件布置，以满足功率展平和循环长度需求，如图3所示，在后续第6～第8循环的3个过渡中，新燃料组件类型和布置与对应的长、短平衡循环中一致，以确保在第9循环开始达到平衡循环。最终4个过渡循环的各项参数满足燃料管理设计要求，其主要计算结果见表2。

图2平衡循环新燃料组件布置

图中数字为钆燃料组件数目

表1平衡循环主要参数计算结果

表2过渡循环主要参数计算结果

图3第5循环新燃料组件布置

3、结论

对海南核电厂1、2号机组进行了长燃料循环燃料管理策略研究，考虑了海南电网“大机小网”和海南电网较为固定的用电峰谷期特性，针对CNP650型反应堆进行长燃料循环长、短交替运行的燃料管理策略进行研究，主要结论如下：

(1）考虑到海南核电厂年换料采用3.25%富集度，为了防止过大的组件反应性偏差，同时考虑循环长度的需求，确定换料新燃料组件富集度为4.45%。

(2）考虑到长、短交替平衡运行方式时循环长度差异高达57EFPD，通过比较多种新燃料组件使用策略，确定了长短循环的燃料组件数目48/44组新燃料组件交替使用的燃料管理策略，通过新燃料组件布置，满足功率分布展平和循环长度需求。

(3）由于新旧燃料组件富集度差异较大，导致第1个过渡循环新旧燃料组件反应性差异过大，为了展平功率分布，采用了第1个过渡循环独立的新燃料组件类型和装载策略，确保了平稳过渡，通过4个过渡循环设计，成功过渡到平衡循环。

综上所述，研究得到的CNP650反应堆长、短交替运行燃料管理策略各项参数满足长燃料循环燃料管理设计要求，有效地解决海南核电厂“大机小网”、交替循环循环长度差异巨大、年换料与长循环富集度差异过大等特异性问题，适用于海南核电厂长燃料循环运行。

参考文献：