采用TVS-2M组件的堆芯燃料管理及其经济性分析

徐 敏，王红霞，李友谊

(1.中国核电工程有限公司，北京 100840；2.江苏核电有限公司，江苏 连云港 222042)

田湾核电站1、2号机组将于2014年开始逐步向长周期燃料循环过渡，以提高年均能力因子和电站经济效益。实施长周期换料需采用TVS-2M高性能燃料组件。在正式转入过渡循环前，田湾核电站已在1号机组第5循环装入6组TVS-2M燃料组件，目前已运行至第6循环的寿期末，从堆内运行在线测量及换料大修的组件检查结果看，TVS-2M组件的性能得到了充分的验证[1-2]。

TVS-2M组件与AFA组件相比有重大改进，提高了燃料组件的结构稳定性，并增加了燃料装载量，使设计最大运行时间延长到40 000 h，燃耗限值提高到60 MW·d/kgU[1-2]。因此，对田湾核电站从首循环开始使用TVS-2M组件进行研究具有重要意义，本文拟从经济性角度来比较两种燃料管理方案的优劣。

1 计算程序简介

田湾核电站采用从俄罗斯引进的VVER堆型，也随带引进了堆芯计算程序包KASKAD。KASKAD程序包由俄罗斯库尔恰多夫研究院开发，包括三维粗网堆芯计算程序BIPR-7A、多层二维细网计算程序PERMAK-A、堆芯装载优化程序PROROK、组件计算程序TVS-M、堆芯功率恢复程序PIR-A及附加图表程序ALBUM和热工耦合程序TEPRO等[3]。

2 燃料管理

2.1 设计准则和目标

为保证核电站的安全性，堆芯设计必须满足下列设计准则和目标：1) AFA组件的焓升因子Kr≤1.5，TVS-2M组件的Kr≤1.6；2) 燃料棒线功率密度(考虑不确定性)≤448 W/cm；3) 含Gd燃料棒线功率密度(考虑不确定性)≤360 W/cm；4) 寿期初、热态零功率、零氙、控制棒全部提出堆芯时的慢化剂温度系数≤0 pcm/℃；5) 1束最大价值棒被卡情况下，堆芯重返临界温度不大于120 ℃；6) AFA组件的最大燃耗≤49 MW·d/kgU，TVS-2M组件的最大燃耗≤60 MW·d/kgU；7) 平衡循环实现部分低泄漏堆芯装载[4]。

2.2 堆芯描述

本文给出的燃料管理方案应用在VVER-1000反应堆中，堆芯共装载了163个燃料组件，堆芯活性段高度为354 cm(AFA组件)/372.6 cm(TVS-2M组件)。堆芯的总体参数列于表1。

TVS-2M燃料组件包括312根燃料棒，18个控制棒导向管，1个中子温度测量管，共331个栅元。燃料组件的布置形状为六边形，组件中心距为23.6 cm，对边距为23.51 cm[4]。

表1 堆芯总体参数

2.3 燃料管理方案

田湾核电站3、4号机组工程项目初步安全分析报告[5]中给出了首循环的堆芯装载和平衡循环的堆芯装载。本文参照该报告中的初始装载，自行完成了组件计算和过渡循环的堆芯装载设计，最后达到平衡循环，得到了一个满足年换料寿期目标的燃料管理方案。为便于说明，将使用AFA组件的燃料管理方案称为AFA方案，TVS-2M组件的燃料管理方案称为2M方案。

图1 首循环堆芯装载示意图(1/6区域)

使用TVS-2M组件后，堆芯高度由AFA组件时的354 cm变为372.6 cm，多个堆芯总体参数发生了变化，堆芯安全参数计算结果也发生了变化，有些安全参数的裕量变得很小，因而需针对首循环堆芯装载及后续循环的换料方案进行改进。改进后的2M方案首循环堆芯装载示意图示于图1。平衡循环的堆芯装载示意图示于图2，平衡循环的中心组件每3个循环换1组新料36G7(平均富集度为3.6%，含有7根Gd棒的燃料组件)。

图2 年换料平衡循环装载示意图(1/6区域)

2.4 计算结果及分析

各循环的燃耗计算在堆芯满功率(HFP)、工作棒处于90%、其他控制棒全提的状态下进行，通过调整堆芯硼浓度维持堆芯临界状态，循环寿期末临界硼浓度定为零。计算慢化剂温度系数的堆芯状态是堆芯零功率(HZP)、控制棒全提(ARO)、寿期初(BOL)[6]。VVER核电站的堆芯停堆裕量用重返临界温度来描述：除最大反应性价值的1束控制棒完全卡死在堆芯外，其余控制棒插入堆芯，堆芯硼、氙和钐浓度保持不变，堆芯平均温度下降至堆芯重新达到临界时的温度。采用KASKAD程序包对AFA方案和2M方案进行计算，结果分别列于表2和表3。

从表2、3可看出，所有方案的堆芯慢化剂温度系数均为负值。AFA方案中卸料组件最大燃耗小于限值49 MW·d/kgU，2M方案中卸料组件最大燃耗小于限值60 MW·d/kgU；考虑到计算的不确定性，两种方案的燃料棒线功率密度小于限值448 W/cm，含Gd棒的线功率密度小于限值360 W/cm；两种方案的重返临界温度均小于限值120 ℃。以上结果表明，所有安全参数均满足设计准则，平衡循环的寿期长度也达到了设计要求。

表2 AFA方案燃料管理主要计算结果

3 经济性分析

3.1 方案比较

两种燃料管理换料方案主要参数比较列于表4。田湾核电站机组大修时间约为40 d，且大修时间的长短并不明显受循环长度的影响[7]。由表4可见，AFA方案平衡循环寿期平均长度(考虑中心组件)为302.7 EFPD，年均能力因子为302.7/(302.7+40)=88.3%，2M方案平衡循环寿期平均长度(考虑中心组件)为323.4 EFPD，年均能力因子为323.4/(323.4+40)=89.0%。2M方案年均能力因子有所增大，因而可增加电站的经济效益。

表3 2M方案燃料管理主要计算结果

表4 两种燃料管理换料方案主要参数比较

3.2 经济性分析

两种燃料管理方案的差异会导致燃料组件购买费、后处理费、大修费、发电销售收入等存在差异，本文假设电站的其他费用不变，仅燃料组件购买费有变化。燃料组件购买费考虑了燃料组件制造费、运输费、相关费用和铀采购费；而铀采购费则根据燃料组件富集度的不同，按分离功进行估算。本文中两种燃料管理方案的组件富集度相同，仅堆芯高度增大，使得燃料总量增加，后处理费也会随燃料总量增大而增加。单次大修的费用和循环长度无明显关系，认为保持不变。

根据表4中的数据以及电站相关的费用数据，可计算出2M方案相比AFA方案年均燃料组件购买费用减少了735万元，年均燃料组件后处理费用减少了326万元，年均大修费用减少了667万元，年均发电销售收入增加了2 729万元，因此年均利润增加了4 457万元。分析表明，2M方案可减少年均换料组件数，从而减少燃料的购买费用和后处理费用。

4 结论

本文使用KASKAD程序包，对田湾核电站采用AFA组件的过渡循环和从首循环起使用TVS-2M组件进行研究设计，给出了改进型的燃料管理方案，并进行了两种方案的经济性分析，得出TVS-2M组件可显著提高电站经济性的结论。燃料管理方案从首循环就开始使用TVS-2M组件，采用了部分低泄漏的装置方式，堆芯安全特性参数均满足设计准则和目标，可提高电厂的年均能力因子，减少燃料的相关年均费用和年均大修费用，增加机组年均利润显著，从而极大地提高了电站的经济效益。

参考文献：

[1] 李友谊,杨晓强,李文双,等. 田湾核电站堆芯燃料管理简介[C]∥第十三届反应堆数值计算与粒子输运学术会议暨2010年反应堆物理会议论文集. 西安:西安交通大学,2010.

[2] 李友谊,杨晓强,李文双,等. 田湾核电站1号机组第6循环堆芯装载策略及验证[J]. 原子能科学技术,2013,47(增刊):160-163.

LI Youyi, YANG Xiaoqiang, LI Wenshuang, et al. Loading scheme and verification of TNPS unit 1 cycle 6[J]. Atomic Energy Science and Technology, 2013, 47(Suppl.): 160-163(in Chinese).

[3] KASKAD application framework user manual code description[R]. Moscow: Kurchatov Institue, 2006.

[4] Calculation of neutron physics characteristics of transient fuel cycles, beginning from the 8th fuel cycle, with reaching the equilibrium fuel cycle of TNPS, units 1&2 (Version B)[R]. Russia: National Research Center “Kurchatov Institue”, 2011.

[5] Tianwan NPS units 3 & 4 preliminary safety analysis report: Version A[R]. Russia: Joint Stock Company Saint-petersburg Research and Design Institute, 2011.

[6] 谢仲生. 核反应堆物理分析[M]. 西安：西安交通大学出版社；北京：原子能出版社,2005.

[7] 蔡光明. 秦山第二核电厂燃料管理策略改进的经济性分析[J]. 核科学与工程,2006,26(4):380-384.

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): 380-384(in Chinese).