田湾核电站18个月换料燃料管理策略

李友谊，杨晓强，姚进国，王 汗，董 超，李宝库

(中国核电江苏核电有限公司，江苏 连云港 222042)

隶属于中国核电江苏核电有限公司的田湾核电站1、2号机组分别于2007年5月17日和8月16日投入商业运行，这两台机组采用俄罗斯的WWER-1000/428型反应堆装置，设计循环长度为7 000 h，机组能力因子为80%，与世界核电运营者协会(WANO)先进值有较大的差距。为提高机组能力因子和电站经济效益，满足多机组大修时间的灵活性要求，田湾核电站两台机组将采用先进的堆芯燃料管理策略来提高核燃料的燃耗深度、延长循环长度[1-2]，本文旨在阐述实现此目标的燃料管理策略。

1 目标及基本要求

根据江苏核电有限公司的规划，2014年田湾核电站1、2号机组第7次换料大修(T107、T207)时正式开始向18个月燃料循环过渡[3]。以此为目标，田湾核电站在制定18个月换料燃料管理策略时，主要考虑了以下几个方面。

1.1 循环长度要求

按田湾核电站1、2号机组2009—2018年换料检修十年规划[4]，保守地考虑年度大修工期为55 d和4年大修工期为65 d，计算得出循环长度目标为490 EFPD，预留2%运行过程中的不确定性，最终确定平衡换料的循环长度应大于480 EFPD。

根据公司大修优化计划，大修工期将由55 d和65 d逐步调整为35 d和45 d[5]，实际的循环长度应可根据换料堆芯设计调整优化。通过寿期末延长运行时间或提前停堆的方式，以及加、减6个燃料组件来延长或缩短燃料循环长度。

根据江苏电力公司的要求，6月15日—9月15日为夏季用电高峰期，在此期间不宜安排机组检修[6]，1、2号机组停堆大修应尽量避开该时间段。实施长周期换料项目前，两台机组大修均在上半年实施，有大修时间重合的可能，长周期燃料管理策略应使两台机组大修时间尽量错开，分别安排在上、下半年交替进行，这要求两台机组以不同的循环长度逐步向18个月换料过渡。

1.2 燃料组件要求

田湾核电站年换料采用的AFA型燃料组件燃耗限值为49 MW·d/kgU，燃耗深度不能满足18个月换料的要求，为了适应长周期燃料循环的需要，参考俄罗斯核电站的应用经验，将采用从俄罗斯引进的TVS-2M新型燃料组件。TVS-2M组件的设计与AFA组件相比做了重大改进，主要包括：定位格架与导向管改用焊接方式，定位格架数量减少2个但宽度增加，燃料棒活性区两端共增长15 cm，燃料芯块外径增加0.03 mm而中心孔减小0.3 mm等。通过改进，明显提高了燃料组件的结构稳定性并增加了燃料装载量，使组件设计最大运行时间延长到40 000有效满功率小时，燃耗限值提高到60 MW·d/kgU[7]。

1.3 安全限值

参考国内法规和俄罗斯长周期换料燃料管理经验，田湾核电站提出的安全限值要求[8]如下：AFA组件燃耗限值为49 MW·d/kgU，TVS-2M组件燃耗限值为60 MW·d/kgU；燃料富集度限值为4.95%；所有临界状态下，慢化剂温度系数、燃料温度系数和功率系数为负值或零；慢化剂密度系数为正值或零；线功率密度限值为448 W/cm；AFA组件燃料棒功率峰因子限值为1.50，TVS-2M组件燃料棒功率峰因子限值为1.60。

2 18个月换料燃料管理策略的确定

2.1 TVS-2M先导燃料组件考虑

实施18个月换料策略之前，堆芯装载的是AFA燃料组件，长周期换料需采用TVS-2M高性能燃料组件，因此在过渡燃料循环堆芯存在两种不同类型燃料组件的混装情况。考虑到这两种燃料组件结构差异大且俄罗斯电站无直接过渡的先例，参考国内外核电站的成功运行经验，在正式转入长周期过渡循环前，装入6组TVS-2M燃料组件先导运行，以验证新型组件的设计与实际性能，验证两类组件在堆芯中的相容性，为长周期换料项目通过核安全审评提供论证支持。为此，田湾核电站实施两步走的策略：首先在1号机组T104大修装入6组TVS-2M燃料组件先导运行，再于1、2号机组第7次大修开始向18个月换料的长燃料循环过渡。

先导组件在堆芯的位置需考虑以下因素[7]：1) 俄罗斯参考核电站的堆芯装载策略和TVS-2M燃料组件的运行经验；2) 可获得先导组件在中子通量最不均匀条件下的运行信息；3) 避免最大功率出现在先导组件中；4) 对田湾核电站1号机组原堆芯装载方案改变不大，AFA、TVS-2M燃料组件和堆芯的中子物理参数均满足限值；5) 每个燃料循环至少有1个先导组件内布置了堆内测量系统的中子温度测量通道。

图1 TVS-2M先导组件在堆芯的位置

综合考虑上述因素，先导燃料组件在堆芯的位置变化设定如图1所示，其中箭头指示组件位置的移动，D表示中子温度测量通道。为了不显著影响原堆芯装载方案，设计TVS-2M先导组件的增殖因数与被替换的AFA组件的增殖因数相近，将先导组件235U初始富集度从4.0%降至3.9%以消减铀装载量增大约3%的影响，同时活性区长度相比AFA组件增加的部分装载天然铀包覆层。TVS-2M先导组件的中子物理、热工水力、燃料机械设计论证以及安全分析论证已通过国家核安全局的审评，并于1号机组第5循环装入堆芯，经历第5～8循环运行。

2.2 长周期燃料循环组件类型考虑

向长周期换料过渡时，TVS-2M组件将分批替换目前堆芯装载的AFA组件。相比AFA组件，TVS-2M燃料组件活性区高度共增加15 cm，其中顶端增加3.7 cm，底端增加11.3 cm，且中心管被燃料棒取代，结构差异较大。为了降低结构差异带来的影响，实现混合堆芯的平稳过渡，参考俄罗斯Balakovo核电站机组过渡到18个月燃料循环的经验，燃料组件替换分为两个阶段[9]：第1阶段，在前两个过渡循环堆芯装入带有天然铀包覆层的TVS-2M组件，天然铀包覆层对应于活性区顶部和底部增长的部分；第2阶段，从第3个过渡循环开始装载不带天然铀包覆层的TVS-2M组件，即整个燃料活性区高度上富集度一致，这时堆芯中的AFA组件已全部卸出。TVS-2M与AFA燃料组件活性区高度对比示于图2。

图2 燃料组件活性区高度

从年度换料过渡到18个月换料，循环长度逐渐增大，为了避免过早卸出燃耗较浅的燃料组件而造成“弃料”，同时展平组件和堆芯功率分布，采用多种235U富集度的燃料组件，最高富集度提高到4.95%。可燃毒物采用了已在AFA组件中有成熟应用经验的氧化钆(Gd2O3)，燃料组件中含钆燃料棒数量根据组件类型不同分别有6、7、9、12、18、24根，带天然同位素的氧化钆弥散在氧化铀中，氧化钆质量含量为5%或8%，天然铀包覆层中不含钆。与组件内其他燃料棒相比，含钆燃料棒的富集度稍低，以避免在钆被消耗后出现过高的功率峰。除了含钆燃料棒外，过渡循环的燃料组件内布置有不同富集度的燃料棒，其中组件周边燃料棒的富集度较中心燃料棒的低0.4%，以消减燃料组件间水隙引起的功率升高。

2.3 18个月换料燃料管理方案

1) 平衡循环

选择平衡循环装载时已参考俄罗斯Balakovo核电站18个月换料所积累的经验，采用不带天然铀包覆层的TVS-2M燃料组件。平衡循环装载的TVS-2M组件数、平均卸料燃耗、循环长度和组件富集度之间的关系示于图3。图中星号标注出田湾核电站1、2号机组18个月换料平衡循环的参数。

平衡循环装载的新燃料组件数为66，其中12个新组件布置在堆芯外围，54个新组件布置在堆芯中部，堆芯外围其余30个燃料组件为燃耗较深的第3年组件，这种部分低泄漏的装载方案可显著减少对反应堆压力容器的中子辐照。平衡循环的堆芯为燃料组件1/6对称装载。平衡循环燃料组件类型列于表1，主要计算结果列于表2。

图3 平均卸料燃耗与装载的TVS-2M组件数、富集度及循环长度的关系

表1 平衡循环燃料组件类型

表2 平衡循环主要计算结果

2) 过渡循环

田湾核电站1、2号机组从年换料向18个月换料过渡时，考虑两台机组避开夏季用电高峰和错开大修时间的要求，结合已知的大修工期和停堆大修时间，设计了不同的过渡循环装载，分别经历4个循环逐步增加运行时间，最终达到不低于480 EFPD的循环长度，并使两台机组大修分别在上、下半年实施。设计的过渡循环的循环长度列于表3，循环长度包含了寿期末不超过30 EFPD的延长运行时间。

表3 过渡循环的循环长度

1号机组第8、9循环装载的带有天然铀包覆层的TVS-2M组件数分别为48和55，而2号机组第8、9循环装载的新燃料组件数分别为54和66；两台机组第9循环以后装载的不带天然铀包覆层的TVS-2M组件数均为66，并将AFA组件全部卸出堆芯。

为了减少对反应堆压力容器的中子辐照，过渡循环装载也设计为部分低泄漏的方案，第8、9循环堆芯最外围装载18个新燃料组件，其余24个为第3或第4年AFA组件；第10及以后循环堆芯最外围装载12个新燃料组件，其余30个为第3年TVS-2M组件。

3) 循环长度灵活性

在以额定功率运行至寿期末，一回路冷却剂中的硼已除尽时，可采用降低反应堆功率和堆芯入口冷却剂温度的方法，通过燃料和冷却剂温度的负反应性系数和氙毒的解毒效应延长燃料循环长度。根据俄罗斯的运行经验，寿期末反应堆功率最多可降至70%额定值[10]。从开始过渡的第8循环到装载平衡的第14循环，除第9循环和第13、14循环需进行少量组件位置的调整以满足AFA和TVS-2M组件燃耗限值外，均可在不改变堆芯装载方案的基础上寿期末延长运行约30 EFPD。在平衡循环寿期末最多可一次性延长约40 EFPD，并在后继3个循环内恢复到平衡堆芯装载和循环长度，主要计算结果列于表4。

在后继循环功率峰因子和慢化剂温度系数满足设计限值的条件下，以额定功率运行至寿期末一回路冷却剂中的硼除尽之前停堆，可缩短循环长度。在不改变堆芯装载的情况下，平衡循环最多可提前约14 EFPD停堆，并且在后继3个循环内恢复到平衡堆芯装载和循环长度，主要计算结果列于表5。

平衡循环装载增加6个新燃料组件，循环长度达510 EFPD，减少6个新燃料组件，循环长度为450 EFPD，堆芯受到加减组件的扰动后经历3个循环能恢复到平衡装载。

表4 平衡循环一次性延长运行的主要计算结果

表5 平衡循环一次性提前停堆的主要计算结果

3 结论

田湾核电站在1、2号机组引入TVS-2M新型燃料组件，通过先导组件的堆芯运行验证和逐步延长循环长度方案，最终达到18个月换料的长周期燃料循环，实现了减少机组大修次数、提高机组能力因子和经济性的目的。

参考文献：

[1] 付卓亚,卢铁忠,顾颖宾,等. 江苏核电有限公司中长期发展战略与规划(2008—2020)[R]. 连云港:江苏核电有限公司,2008.

[2] 付亚卓,卢铁忠,顾颖宾,等. 江苏核电有限公司第一个五年发展规划(2008—2012)[R]. 连云港:江苏核电有限公司,2008.

[3] 马灵,于玲,帅希建,等. 田湾核电站长周期换料经济可行性研究报告[R]. 连云港:江苏核电有限公司,2009.

[4] 张向京,沈红,李祝三,等. 1、2号机组换料检修十年规划(2009—2018)[R]. 连云港:江苏核电有限公司,2008.

[5] 张向京,高顺龙,卢铁忠,等. 1、2号机组换料检修十年规划(2011—2020)[R]. 连云港:江苏核电有限公司,2010.

[6] 江苏省电力公司办公室. 关于编制2012年发电机组检修计划的通知[R]. 南京:江苏省电力公司, 2011.

[7] ALESHIN S. Calculation of the neutron physical characteristics of the 5-8 fuel cycles unit 1 TNPP taking into account of six pilot TVS-2M loading in the fifth cycle[R]. Moscow: NRC Kurchatov Institute, 2009.

[8] 李文双,姚进国,王建瑜,等. 田湾核电站1、2号机组长周期燃料循环和新型燃料组件引入专项堆芯燃料管理技术服务[R]. 连云港:江苏核电有限公司,2011.

[9] ALESHIN S. Calculation of neutron physics characteristics of transient fuel cycles, beginning from the 8thfuel cycle, with reaching the equilibrium fuel cycle of TNPS, units 1&2[R]. Moscow: NRC Kurchatov Institute, 2011.

[10] BYCHKOVA N. Fuel management report for TNPS unit 1 cycle 2[R]. Moscow: NRC Kurchatov Institute, 2007.