第三代反应堆AP1000和EPR的堆芯核设计

韩向臻 攸国顺 孙 微

环境保护部核与辐射安全中心核与辐射安全研究所，北京 100082

AP1000和EPR是我国正在发展的两种第三代核电站。这两种核电堆型的设计理念有较大的差异，AP1000引入安全系统非能动理念，大大降低了发生人因错误的可能性；EPR在传统设计的基础上对系统的设计、布置和运行进行了适当的改进和优化，增加安全系统多重性，增大了单机容量，经济性能得到了改善和提高。由于设计理念的不同，AP1000和EPR两种堆型的堆芯核设计也存在较大差异。

1 总体参数

AP1000核电站和EPR核电站的设计特点和总体参数的比较见表1。AP1000和EPR这两种三代堆型的设计寿命均为60年，增加了安全性能，延长了使用年限。AP1000的电功率为1000MW，EPR的单价容量较大，达到1750MW，提高了核电站的经济性。AP1000和EPR核电站堆芯活性段高度为426cm左右，不同于一般M310堆型的366cm。AP1000堆芯燃料组件为157盒，EPR堆芯组件数为241盒，这是由于EPR的设计的功率较大，堆芯燃料组件数目增多，堆芯等效直径也相应增大。EPR的平均线功率密度略小于AP1000。

2 燃料组件

2.1 AP1000燃料组件

AP1000燃料组件是基于RFA-2组件和RFA-2(XL)组件改进而成的。RFA-2燃料组件的活性区长度为12英尺，在靠近顶部的中间格架之间设置了三层搅混格架。RFA-2(XL)组件的活性区长度为14英尺，未设置搅混格架。AP1000燃料组件采用14英尺的活性区长度，在高热流密度区域，增设4层搅混格架。并对燃料组件加以改进，包括抬高了活性区，降低堆芯下板注量，延长RV寿命；降低管座高度，降低压降；燃料棒增加下气腔设计；增大燃料棒与上管座之间间隙，提供更多燃料棒生长空间等。

表1 AP1000和EPR总体参数的比较Table 1 ParameterS of AP1000 and EPR

燃料组件呈17×17方阵排列，包含264根燃料棒，24根控制棒导向管，1根中央测量管。燃料芯块由稍加富集的UO2粉末经冷压后烧结而成，两端为浅碟型，并在两端外圆柱面上留有倒角。燃料包壳为ZIRLO合金。AP1000燃料组件的格架包括10层结构格架（顶部格架、底部格架、8层中间格架）、4层中间搅混格架以及1层保护格架。其中，顶部和底部格架的材料为INCONEL，中间格架和中间搅混格架的材料为ZIRLO合金。ZIRLO合金具备较低中子吸收截面，有良好的中子经济性能；较高的抗冷却剂、燃料和裂变产物腐蚀能力；更好的抗辐照生长和蠕变的性能，在运行温度下有高机械强度和延展性。有利于加深燃料的燃耗。INCONEL合金具有丰富的压水堆使用经验，可确保满足反应堆运行对材料的要求。

2.2 EPR燃料组件

EPR燃料组件为17×17方阵排列的，其中有265根燃料棒，余下24个空位布置导向管，用于布置控制棒组件，中子源组件和堆芯测量仪表。燃料棒由铀芯块堆叠在M5包壳管中构成，导向管材料也采用M5合金。每个燃料组件中有两类定位格架，8个带有整体混流翼片，用于组件的高热量通流区促进冷却剂混合，3个不带混流翼片的定位格架（两个位于底部，1个位于顶部），只用于燃料棒的支撑和定位。定位格架的材料为M5&INCONEL合金。定位格架由互锁皮带的蛋箱形排列组成，皮带包含弹簧夹子和用于燃料棒支撑的支撑陷窝以及冷却剂混流翼片。

2.3 燃料组件比较

AP1000的燃料组件与EPR燃料组件的几何尺寸基本一致，都为17×17方阵排列的UO2燃料组件。AP1000在组件中心设置1根专用于测量的中央测量管，而EPR由导向管兼顾此项功能。主要燃料元件均为UO2圆柱状燃料芯块，两端为浅碟形，有倒角设计。AP1000的燃料组件设计较为复杂，为了展平功率，设计了特殊的燃料元件和普通燃料元件一起布置燃料组件，如低富集度的燃料芯块、带有可燃毒物涂层的燃料芯块。燃料包壳和导向管选用的材料有差异，AP1000采用ZIRLO合金，EPR采用M5合金。AP1000在燃料棒下端放置支撑管，提供下空腔，增加了空腔体积，能更好的容纳燃料中释放的裂变气体、包壳与芯块间的热膨胀差异以及辐照后芯块密度的改变。AP1000燃料组件在原有14英寸组件中设置了4层搅混格架，促进冷却剂的搅混，但是这种新型的燃料组件在核电站中尚无应用，核电站运行时冷却剂在堆芯的传热效率等仍需进一步验证。EPR燃料组件和现有14英寸组件基本一致，有较多应用经验。

3 堆芯设计

3.1 设计程序

AP1000核设计基于ENDF/B-VI的70群数据库，组件计算程序为PARAGON，堆芯计算为ANC9程序，该程序采用节块求解方法，具有大量的自动序列，用于自动完成各种不同的工程计算和分析。

EPR的核设计中组件计算采用APOLLO2程序，求解二维几何的Boltzman输运方程，为扩散程序提供两群宏观截面和组件不连续因子。堆芯计算使用SMART程序。每个组件的径向上有四个网点，轴向上有20个网点。通过一个能够模拟反射层的材料和活性区的环境的附加的虚拟燃料组件来模拟强反射层。

3.2 换料方案

AP1000的换料方案采用低泄漏、长周期、高燃耗堆芯燃料管理策略。低泄漏堆芯装载方案降低了中子泄漏，提高中子的经济性，有利于降低压力容器内壁的快中子注量，延长压力容器的寿命。换料方案具有多种长周期换料策略，标准设计采用18个月换料，也可以采用16/20个月交替换料，通过换料组件数的调整，换料周期可以延长到24个月，具有灵活的特点，能够更好的满足电网的需求。18个月平衡循环平均卸料燃耗近50GWd/tU，提高了燃料利用率。

EPR换料方案的循环长度为18个月，采用外内分区交替换料方案，即堆芯中心部分，两个区域中的两种富集度较低的组件交替排列，富集度较高的燃料组件位于堆芯外围。这是压水堆传统的一种装载方式，由于新燃料装在堆芯最外区，展平了全堆芯的中子通量密度分布、降低了整体功率峰；而且堆芯内的局部的反应性分布也比较均匀，因而中心区域的中子通量密度分布将像精细的波浪形，降低了局部功率峰因子。但是由于新组件位于堆芯外侧，中子泄露较大，中子经济性稍差。

3.3 堆芯控制及功率展平

AP1000的运行方式采用MSHIM运行控制策略，即不调硼的负荷跟踪。控制棒中黑棒为24根银铟镉合金，灰棒为24根钨棒，钨具有燃耗的性能，是一种新型的灰棒材料。EPR的控制棒中黑棒和灰棒的材料均为银铟镉。堆芯运行具有负荷跟踪的功能，控制棒用于补偿功率、温度、负荷等变化引起的反应性突变，硼只用于反应性变化较慢的反应性补偿。

为了展平功率、补偿剩余反应性，在组件中添加可燃毒物。首循环在导向管中设置可燃毒物棒，EPR反应堆的可燃毒物棒材料采用B4C，AP1000采用通水环状可燃毒物棒，是碳化硼弥散在氧化铝基体中形成的，并且WABA棒采用长短配合的轴向设计，有助于展平轴向功率。AP1000还在高富集度组件内径向采取了分区设计，能够更好的展平堆芯径向功率。为了补偿寿期初的剩余反应性，在组件的燃料棒中添加可燃毒物，EPR在组件中的固定位置设置含Gd2O3的燃料棒，首循环组件中Gd的富集度为9%，平衡循环为8%；AP1000在部分燃料芯块表面涂有一体化可燃吸收体，成分为ZrB2，这种芯块位于部分燃料棒的中部，可以耗尽，剩余反应性几乎为零，可以降低局部功率峰值因子，提高堆芯装载的灵活性。AP1000在燃料棒两端设计轴向再生区，由一些低富集度的燃料芯块组成，可以减少中子的轴向泄漏，提高燃料的利用率。

4 结语

AP1000和EPR这两种三代堆型的堆芯核设计具有较大差异，EPR功率大，堆芯等效直径较大，堆芯组件数相对较多，有241盒燃料组件。AP1000堆芯装载157盒燃料组件。AP1000采用的燃料组件增设了中间搅混格架，但应用经验较少。而EPR使用的燃料组件有丰富的压水堆使用经验。

堆芯换料方案都为长周期换料，EPR为外内分区交替换料方案，该方案为高泄漏换料方案，中子泄漏较多，但堆芯功率容易展平，并且采用的吸收体和可燃毒物的材料和设计是目前普遍采用的，技术较为成熟，有丰富的使用经验。AP1000的长周期换料方案更为灵活，换料周期可根据需要选择18个月换料、16/20个月交替换料或24个月换料。换料方案为低泄漏方案，提高了中子利用率，为了展平功率，提出了较多新型设计理念，如高富集度组件内径向分区、燃料棒两端设置再生区、燃料棒中段采用有可燃吸收体涂层的芯块、可燃毒物棒也采用不同长短的轴向设计等，使燃料组件种类增加，堆芯装载更为复杂。

[1]林诚格.非能动安全先进核电厂AP1000.北京：原子能出版社，2008.8

[2]三门核电一期工程1&2号机组初步安全分析报告.第4章

[3]台山核电厂一、二号机组初步安全分析报告.第4章

[4]Fuel Management Report for AP1000.Westinghouse Electric Company，2010

[5]谢仲生.核反应堆物理分析.西安：西安交通大学出版社，2004.7