压水堆核电机组长循环模式下的换料设计管理

焦健

【摘 要】压水堆核电机组长循环策略下的换料设计与年度换料相比有很大区别：设计循环长度、关键安全参数限值、安全分析结果均有所不同。确定堆芯装载方案时需要对备选换料方案进行综合考虑，选择安全性及经济性较好的堆芯装载方案。应用独立自主校算对设计院提供的装载方案的关键参数进行独立校算以确保关键安全参数不超限。其次重点关注所选择方案的事故分析结果，对出现的参数超差事故进行进一步的事故评价，确保事故后果不超出电厂FSAR限值。最后，通过将计算结果与实测结果的对比分析对所选择的方案进行评价和总结，为后续长循环换料设计管理提供数据支撑及经验反馈。

【关键词】长循环;换料设计;管理

中图分类号： TL421.1 文献标识码： A文章编号： 2095-2457（2019）04-0194-005

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.04.075

【Abstract】The refueling design of long cycle mode and annual mode is very different：the design cycle length， the critical security parameters limit，the safety analysis results may vary.First of all，it needs to give overall consideration on alternative design，choose safe and economic solutions to meet reloading requirements.Use independent software system to benchmark the key parameters of selected design.Secondly，pay attention to the results of safety analysis，give further accident analysis towards parameters which are overrun tolerance.Finally，comparing the results with the experimental results to evaluate and summarize the selected design，providing experience for future long refueling cycle design and management.

【Key words】Long cycle;Refueling  design;Management

0 概述

壓水堆核电厂初始堆芯及后续循环的燃料管理模式一般采用年度换料的模式。但随着运营单位机组数量的增加，多机组群堆管理模式开始实施，多机组大修整体规划要求不断提升。另一方面，随着运营单位技术能力的提升，对机组燃料管理的经济性要求不断提高。在此情况下，运营单位实施了燃料管理模式更先进的长循环燃料管理。该模式下每个机组单次燃料循环的循环长度由约320等效满功率天（EFPD）提高到500EFPD左右，有效减少了机组大修的频率，提高了燃料燃耗利用率，增加了电厂的经济性。长燃料循环是对换料燃料管理策略的一项重大改进，其实施可以提高燃料循环运行时间，提高机组的负荷因子，降低发电成本，提升经济性。秦山第二核电厂2号机组和1号机组分别于2014年和2015年进入首个长燃料循环，本文以秦二厂1、2号机组首次长燃料循环换料设计为研究对象，对长燃料循环模式下的换料设计进行研究和总结，为后续机组的长循环换料设计管理提供经验反馈。

1 长循环模式下的换料设计要求

核电厂运营单位在本燃料循环停堆前6个月向设计院提出下一个循环的换料设计要求，主要包括预测的当前循环停堆信息及下一循环的能量需求等具体要求。长循环模式换料设计与年度换料模式有相同点，但不同点更加鲜明：

1）长燃料循环换料堆芯一般采用低泄漏装载模式，对换料设计方案的堆芯功率展平要求更高，难度更大;

2）长燃料换料设计要求使用的新燃料组件的类型、富集度、数量等都与年度换料不同，要使用富集度更高的新燃料组件，并且含有不同数量的可燃毒物，燃料组件类型的多样化给换料设计增加了难度;

3）长燃料循环换料设计对换料堆芯燃料组件出口温差提出更加具体的要求。根据近几年国内已实施长循环的核电机组均反馈出现了不同程度的控制棒扰动问题，为有效降低控制棒扰动风险，要求热电偶出口温差尽可能小于25℃;

4）根据长燃料循环换料设计特点，燃料组件卸料燃耗将比年换料有所加深，换料设计审查时应对燃料组件最大卸料燃耗的设计控制更加严格，以确保实际燃料组件卸料燃耗满足国家核安全局批准的要求。

2 长循环模式下的设计方案选择及考虑的因素

根据运营单位提出的换料设计要求，换料设计支持单位一般会提供多个换料设计备选方案，由运营单位技术人员进行选择。由于燃料经济性和堆芯安全性之间的相互制约，每个方案都有一定的优缺点，经济性很好则可能带来卸料燃耗更深，安全裕量较小，有可能存在超出卸料燃耗限值的风险;安全性较好、安全裕量较大的设计方案则可能达不到要求的能量需求，或造成卸料燃耗相对较浅但又不足以继续使用造成浪费。如何在经济性和安全性之间找到平衡点，找到能满足机组安全经济性要求的方案是换料设计管理的关键。在进行换料方案的对比和选择时，应重点考虑以下因素：

1）能量需求

长循环模式下的换料设计方案要求提供比年度换料更高的能量需求，要求机组每次循环的运行时间大幅增加。在方案选择时应考虑所选方案能量需求应该与长循环换料设计要求相差不大，不能明显短于或长于要求的循环长度。应满足当前循环长度并同时应兼顾后续循环能量需求，不能造成后续循环的明显能量不足或能量过剩。

2）慢化剂温度系数

电厂运行规程要求机组运行期间的慢化剂温度系数必须为非正值，即慢化剂温度升高时堆芯产生负反应性，一致功率提升，使得机组本身具有负反馈效应，以保证反应堆固有安全性。慢化剂温度系数的正负与硼浓度有很大关系。当慢化剂温度升高时，硼的密度会下降，从而引入正反应性，如果硼浓度过高，这个引入的正反应性会大于慢化剂升温引入的负反应性效应，从而整体使得慢化剂温度系数为正，这样就不满足负反馈的要求。但长循环寿期初必然贮备较多的后备反应性，在寿期初必然产生较高的临界硼浓度，因此需要考察备选方案的临界硼浓度不应过高，并配合控制棒的插入以确保有功率期间负的慢化剂温度系数。

3）停堆裕度

停堆裕度表示为反应堆在不同工况下当所有控制棒都插入堆芯时，价值最大的一束控制棒卡在堆外，反应堆达到的负反应性。停堆裕度的重要性体现在其为装载方案进行的各种事故安全分析的假设条件。如果停堆裕度被突破，则可能面临在此基础上开展的事故分析是无效的。长循环换料模式下的停堆裕度限值与年度换料不同，必须要求换料设计方案的停堆裕度满足长循环模式下停堆裕度要求的最小值。如某次长循环换料设计的三个方案分别为2470pcm、2643pcm、2524pcm，均满足停堆裕度2200pcm的最小值要求。

4）核焓升因子

核焓升因子是判断堆芯功率分布是否展平的重要指标之一，其物理意义为最热通道焓升与平均通道焓升之比值。长循环模式下换料方案的功率展平由于新燃料摆放位置的要求，相比年度换料有更高的难度，因此核焓升因子限值有所提升。长循环换料设计方案在设计阶段各燃耗点的焓升因子设计值应小于1.465，在运行期间的实测值应小于1.6。由于机组实际的停堆时间可能与换料设计论证时的假设有所不同，因此在选择方案时应同时考虑长短窗口下的焓升因子参数，同样不能超过设计限制。由于越小的焓升因子代表越平坦的功率分布，因此选择尽量小的核焓升因子方案代表了更加安全的方案。如某次长循环换料设计的三个方案在寿期初平衡氙状态下的焓升因子分别为1.409、1.431、1.432。显然1.409的方案由更好的堆芯功率分布，更好的安全性。

5）卸料燃耗

根据特定机组长循环模式下换料管理策略的论证结果，AFA3G燃料组件最大卸料燃耗应小于52000MWD/tU，燃料棒卸料燃耗应小于57000MWD/tU，因此选择的换料方案应满足燃耗最大的组件卸料燃耗要求。例如某换料设计方案的卸料燃耗对于AFA 3G组件最大燃耗为47356 MWd/tU，AFA 3GAA组件最大燃耗为21278MWd/tU，满足相应的组件燃耗限值要求。

6）堆芯组件热电偶出口温差

根据长循环堆芯装载的特点，相比年度换料功率展平更加困难，焓升因子会升高，堆芯出口温差相对年度换料也会增加，在年度换料期间一般要求换料设计方案堆芯热电偶出口溫差小于20℃，由于年度换料焓升因子较小，该条件很容易得到满足，年度换料设计方案及运行情况极少出现热点偶出口温差超过限值而导致报警。对于长循环，由于后备反应性要求高及功率分布平坦的矛盾关系，很难设计出如年度换料设计方案相似的焓升因子，焓升因子会增大。同时根据电厂系统特性，在改造前系统的温差报警阈值设定在25℃，因此换料设计要求方案的堆芯热电偶出口温差应尽量小于25℃。如果出口热电偶温差大于25℃可能出现运行期间控制棒自动动作以降低温差的现象，近几年国内已实施长循环的核电机组均反馈出现了不同程度的控制棒扰动问题。因此应特别注意方案的堆芯组件热电偶出口温差。例如在某次换料设计方案中，热电偶处组件出口温度最大温差为21.8℃。考虑到设计与运行的不确定性，仍然可以保证不超限控制棒自动动作的现象。

3 关键安全参数的校算

对备选的换料设计方案进行选择的同时，运营单位运用与核电厂专业服务单位共同开发的具有自主知识产权的堆芯校算软件对备选方案进行关键安全参数校算，以验证这些参数的正确性、合理性。校算的关键安全参数至少包括设计方案的循环长度、不同棒位状态下的临界硼浓度、循环寿期内的焓升因子，寿期末的停堆裕量、组件最大卸料燃耗，慢化剂温度系数、径向功率分布，堆芯热电偶出口温差。因为换料方案设计时使用的软件与方案校算使用的软件是完全不同的，相当于使用了完全不同的方法都相同的方案进行了独立的验证。当校算的参数与设计的参数存在偏差较大时，一般以物理试验验收准则为限，超出偏差范围时要对产生偏差进行分析，确定合理的计算结果，消除建模分歧。

如下图为自主校算的某机组寿期初平衡氙下的堆芯功率分布及某机组寿期初平衡氙下的燃料组出口温度分布，可以同设计院试验数据对比以进行独立的验证。

4 对方案的安全分析及再评价

长循环模式下的换料设计与年度换料相比，由于关键安全参数的变化可能造成事故分析论证结果的不同。因此必须特别关注换料方案安全分析的结果。如果换料方案通过了安全分析，则其满足包括最终安全分析报告（FSAR）在内的所有安全参考文件对所有可能事故的假设条件及结论，即方案是满足安全准则的。具体方法是判断关键安全参数是否在换料安全检查表（RSAC）允许范围以内，如果部分参数不在RSAC范围内，对于超差的参数应该进行再评价，看事故分析的结果是否满足安全安全分析报告对事故工况的要求。安全分析评价的关键安全参数包括通用关键安全参数和特定事故关键安全参数。

特定关键安全参数仅影响某一特定事故，核电厂假设的特定事故一般包括：硼稀释事故、提棒事故、落棒事故、弹棒事故、主蒸汽管道断裂事故。通过对这些事故进行模拟，计算出特定关键安全参数，并与RSAC限值进行比较，对于超限的参数，应该分析其后果。在某次长循环换料设计的安全分析中，慢化剂密度系数最小值超过了限制，从而导致启动物理试验阶段温度系数可能为正，这就需要设置控制棒的提出限以限制硼浓度从而保证慢化剂温度系数为负值。又如某次安全分析中，硼微分价值超限，这会影响硼稀释事故分析结果，通过对该事故进行模拟，如果硼微分价值超限，在自动运行期间会触发控制棒低报警，在没有其他动作情况下反应堆大概14分钟会重返临界，而在手动控制模式下，会有36分钟重返临界，因此在有报警的情况下操纵员均有足有时间进行干预防止临界。又如对弹棒事故进行分析，其设计基准要求是燃料棒包壳温度和燃料棒发生偏离泡核沸腾的份额都在安全限值以内。但在对方案进行提单棒事故模拟时发现在寿期末满功率发生提单棒事故后功率分布不满足限制要求，热点因子超出RSAC的限值。此时需要对该事故进行进一步的分析，方法是选用比这种情况更恶劣的热点因子进行模拟计算，发现即使工况更恶劣，燃料组件包壳和燃料芯块的温度依然满足最终安全分析报告的安全准则。通过对通用关键安全参数和特定事故安全参数的确认，以及对超差关键安全参数进行事故的再分析和再评价，即可判断换料安全分析报告是否可以接受。

5 长燃料循运行期间实测值与设计值的比较及经验反馈

1）与启动物理试验数据对比

反应堆启动物理试验和日常定期物理试验都会对换料设计文件进行验证。因为设计和校算文件都是在建立在理论模型和引用理论数据库的基础上进行的模拟计算，其计算结果与实测存在偏差甚是必然的。在启动物理试验阶段，当试验值与设计值偏差超出验收准则后，首先应排除人为因素导致试验值错误，排除该因素后应检查机组状态是否偏离试验条件，排除以上因素结果仍然超差，应该首先暂停继续试验，将试验结果反馈设计院并进行专家咨询，查找偏差产生的根本原因，并按照电厂管理要求通报国家相关主管部门。关于对超差进行处理的方式，应按照运营单位物理试验监督要求严格执行。

2）与日常运行跟踪数据对比

根据同类型机组反馈，在首个长循环寿期初由于热工特性改变，相关系统可能会在主控室出现一些报警和动作，包括触发堆芯热电偶温差大报警以及测温旁路温度的波动自动对控制棒产生动作。这些现象的直接原因为：与年度换料相比，富集度较高、后备反应性较大的新燃料组件摆放位置的变化，造成堆芯内功率分布不会同年度换料模式一样平均，堆芯组件热电偶出口温差增大。如在年度换料制中，组件热电偶出口温差最大值小于20℃，在长循環换料制中，要求组件最大出口温差尽量小于25℃，但叠加理论计算与实测可能存在偏差，以及现场测温设备在存在一定范围的波动，在长循环换料模式下寿期初出现出口温差偏大是可能的。如在某机首次长循环寿期初出现了棒组频繁动作，出现了温差报警现象。根据这些经验反馈，在今后的换料方案选择阶段，应该对寿期初、核焓升因子较大的燃耗点进行进一步的出口温差计算和分析，如果其可能导致频繁报警及控制棒动作较多，则应该对换料设计方案进行重新的优化，或提前告知运行人员注意该现象的操作准备。

6 结论

长燃料循环模式下的换料管理与年度换料管理有共同的目的，均旨在选择满足安全经济性要求的换料方案。但具体的管理过程又存在很大不同，由于能量需求的提高，堆芯燃料组件装载模式的变化，由高泄露变为部分低泄露，并使用了更多的高富集度组件，因此核特性和热工特性都发生变化。根据长循环换料与年度换料特性的不同，综合考虑经济安全因素，以关键参数为依据选择合理的装载方案，并用不同的计算方法（计算程序）对关键参数进行独立校算，验证设计值的合理性。由于堆芯装载方案特性的变化，可能导致安全分析时关键安全参数超限，这就需要对参数超差可能影响的事故做进一步的论证分析，保证其满足最终的安全准则及设计准则。在机组实际运行期间，要更加注意实测值与计算值＼校算值的分析对比，用以验证设计与实测工况的符合性，并进一步修复设＼校算计算模型。以上工作的实施，体现出换料管理过程的主要工作，高度重视换料方案的选择和优化、重视安全分析结果及电厂实际运行反馈，掌握长循环换料与年度换料设计运行阶段的主要区别，可以加深对长循环、部分低泄露的换料装载模式的认识，进一步提升换料设计管理能力，为提升机组运行业绩做出贡献。