华龙一号燃料组件错装载事故计算分析

王昆鹏, 赵传奇, 邱国盛, 宋 维, 攸国顺, 冯进军

(生态环境部核与辐射安全中心,北京 100082)

核电厂反应堆的堆芯燃料装载方案都进行了必要的安全分析,但在堆芯装载时,仍有发生燃料装载错误的情况。例如,2001年4月,法国Dampierre 4机组发生了燃料装载错误,导致次临界度降低。2005年大亚湾核电站进行了相应的研究工作,通过对不利循环的保守计算,分析了如果岭澳核电站和大亚湾核电站发生与法国Dampierre 4 机组同样装载错误时造成的后果[1]。

福岛核事故后,中核集团在二代改进型压水堆成熟技术的基础上,借鉴吸收中外三代压水堆先进设计理念,自主开展了堆型的初步设计、联合研究和试验验证等工作,2013年4月,在国家能源局、国家核安全局的推动下,中核集团和中广核集团确定联合开发三代核电技术“华龙一号”[2]。2013年9月,两个集团联合制定了《自主创新三代压水堆核电技术“华龙一号”总体技术方案(A版)》,计划采用“华龙一号”核电技术[3]。

华龙一号采用“蛇形”装料方式,一定程度上能够避免装料错误的事故发生[1,4],但华龙一号采用177堆芯,比中国改进型压水堆核电站(CPR1000)堆芯多出了20个燃料组件,这在一定程度上增加了堆芯装载错误的可能性,因此需要对其发生类似装料错误后的次临界度进行计算,分析其堆芯的安全性。

近年,随着三代堆的全面发展,中外相关研究机构都进行了堆芯错装载临界事故的模拟分析,包括西屋公司的AP1000和中国的CAP1400,评估其典型装载错误下堆芯的安全性能。以华龙一号堆芯首循环设计参数为研究对象,采用SCIENCE V2程序进行了堆芯装载方案的建模,分析了两种错装载类型共计20余种燃料错装载的方案,首次从安全角度评估了华龙一号堆芯的安全裕量,为中国三代堆的安全审评提供了有力参考。

1 华龙一号堆芯装载

华龙一号反应堆首循环[5]堆芯燃料组件分三区装载,对应的三种富集度分别为1.8%、2.4%、3.1%,固体可燃毒物采用分立的硼硅酸盐玻璃可燃毒物棒。从第二循环开始,使用载钆燃料棒的燃料组件,堆芯采用部分低泄漏(IN-OUT)换料方式,装入68个新燃料组件,同时卸除68个燃耗较深或富集度较低的燃料组件。第二循环为提高燃料组件富集度的过渡循环,换料燃料组件富集度为3.9%,从第三循环开始使用富集度为4.45%的载钆新燃料组件。平衡循环堆芯燃料组件富集度为4.45%,合理的选择数目及组件载钆数量,使平衡循环达到18月换料循环长度,相应电站的可利用率大于等于0.87。

为满足反应堆热工水力设计和事故分析要求[6],对堆芯功率分布提出如下限值要求。

(2)热点因子FQ≤2.40,并考虑18.1%的不确定性。

堆芯共装载了177个AFA-3G燃料组件。堆芯活性段高度(冷态)为365.76 cm,等效直径为322.80 cm,堆芯高径比为1.13。运行模式为Mode-G。堆芯装载布置了61束控制棒。分为功率补偿棒(G1、G2、N1和N2)、温度调节棒(R)和停堆棒组(SA、SB、SC)。功率补偿棒编号分别为G1(4束)、G2(8束)、N1(8束)、N2(8束),温度调节棒编号为R(8束),停堆棒组的编号分别为SA(9束)、SB(8束)、SC(8束)。图1为反应堆堆芯控制棒布置。

图1 堆芯控制棒的布置Fig.1 Arrangement of control rods of core

反应堆首循环堆芯分3区布置,最高富集度的组件置于堆芯外区,较低富集度的两种组件按棋盘格式排列在堆芯内区。图2为首循环堆芯装载图,图3给出了堆芯探测器的布置图。

图2 首循环堆芯装载图Fig.2 Core loading of initial circle

图3 堆芯固定式探测器布置Fig.3 Arrangement of fixed detector of core

2 计算程序及计算方法

计算程序是由法马通公司引进的先进的SCIENCE V2核设计和燃料管理计算程序包完成的。该程序包主要由先进的组件计算程序APOLLO2-F、堆芯模型化和分析程序SMART以及人机接口的界面程序COPILOTE组成[7]。在设计中使用了APOLLO2-F、SMART和COPILOTE程序,其中,燃料组件的参数由APOLLO2-F计算得到,换料和堆芯特性参数的计算使用了SMART程序。

2.1 组件参数计算程序APOLLO2-F

APOLLO2-F程序[8-9]可以为堆芯设计计算程序SMART提供所需要的参数。数据的建立主要通过三个步骤:APOLLO2-F燃料演化计算、APOLLO2-F重新启动计算、多参数表格化数据库的建立。

燃料演化计算是在额定功率的堆芯条件下,利用APOLLO2-F程序对各种类型组件进行燃耗计算,给出了不同燃耗下的各种同位素的核密度和微观截面数据库。

重新启动计算时,读入演化计算形成的数据库,计算堆芯状态参数改变时的截面参数。堆芯状态参数包括:硼浓度、氙浓度、慢化剂密度、燃料温度、控制棒插入等。该计算形成一个随堆芯状态参数变化的截面数据库。

全部重新启动数据文件组织起来形成两种类型的数据基础,一种包含截面数据和不连续因子,另一种是细网结构的数据。这些数据包含了堆芯计算中各种状态参数或反馈参数,最后形成一个多参数表格化的数据库,提供给SMART程序使用。

2.2 堆芯模型化和分析程序SMART

SMART程序采用多维粗网先进节块法求解二群中子扩散方程。通过燃料的微观燃耗计算求解主要同位素的核密度,使用APOLLO2-F程序提供的多参数表格内插出微观截面,从而计算出宏观扩散参数。热工水力反馈通过一个闭通道模型来分析,这个模型处理单相流和两相流的变化特征。燃料热物理计算有两种模型:一种是通过内插,另一种是直接求解热扩散方程。用组件中的逐棒分布和堆芯中宏观形状的叠加原理,确定逐棒功率和燃耗分布。SMART程序用于堆内燃料管理计算、控制棒价值、反应性系数和动力学参数等计算。

3 燃料组件错装载计算分析

基于SCIENCE V2程序建立了华龙一号的堆芯首循环装载方案,并基于堆芯装载的方案进行了错装载事故的计算分析。

3.1 事故起因与事故描述

燃料管理的目的在于确定每一循环燃料组件在堆芯中的最佳布置。对于一个给定循环所要求装载方案的主要准则是基于使径向功率峰因子Fxy最小,而堆芯装载错误可能干扰预期的功率分布[10]。

燃料和堆芯装载错误有:由一个或多个燃料组件置于错误位置引起；在制造过程中由一个或多个错误富集度芯块制成的燃料棒,或整个燃料组件由错误的富集度芯块制成。如果在堆内某个位置错放的燃料组件的富集度高于预期放置的燃料组件的富集度,那将引起此处热通量的增加。在可能的错装载中也包括:对于初始堆芯需要可燃毒物棒而没有装载可燃毒物棒的情况。

燃料组件错装载能引起堆芯功率分布很大的变化。各种错装载将大大增加功率分布的峰值,但将被堆内通量探测器测到。除通量测量以外,在全堆1/3的组件出口处安装了热电偶,这些热电偶也能测出非正常值的冷却剂焓升,完成每一个换料之后在启动期间将进行堆内通量测量,但在堆芯装载错误事故分析中不考虑热电偶测量。

为了减少错装载概率,每个燃料组件都标上了一个识别号,并且按照堆芯装载图进行装料。在装料期间,每个组件移至堆芯之前都要检查其识别号是否正确。在燃料组件移动后,其识别号被记录在装载图上,以便在装料完成后对装料的正确性作进一步的检查。

3.2 计算方法及错误装载方案

从理论上来说可能的错装载方案几乎是无穷的。计算分析时不得不选择有限的一些特定方案来进行,这些特定情形应该能够用来评判堆芯监测系统在测量错装载方案功率分布和发现导致燃料损坏方案方面的总体能力[11]。这些方案应包括各种范围的反应性扰动,从而可以代表各种范围的功率分布扰动。

该事故分析只考虑两个组件对调位置的情况,并且假设含控制棒组件与不含控制棒组件之间如果错放,在布置上部堆内构件时将被发现。根据堆内控制棒组的布置,布置控制棒的燃料组件有61个,未布置控制棒的燃料组件有116个。堆芯1/8对称,考虑1/8堆芯内燃料错装载的情况,1/8堆芯内共有组件29个,可以分为如表1所示类型。

表1 1/8堆芯内燃料组件类型Table 1 Fuel assembly types in 1/8 core

1/8堆芯内燃料错装载方案可以分为两种类型。

(1)不同富集度条件下,毒物棒数量相同的燃料组件错装载。此种错装载方案会引起有效增殖因素Keff和功率分布较大的变化,因此此种错装载方案主要考察堆芯功率分布的畸变能否被堆内探测器检测出来。选取的不同富集度燃料组件错装载方案如表2所示(其中富集度为2.4和3.1的燃料组件因分为含有和没有控制棒的区别,根据上文的分析,不可能出现燃料组件错装载事故,此处不做分析)。

表2 不同富集度燃料组件错装载事故方案Table 2 Inadvertent loading cases within different enrichment fuel assemblies

(2)同种富集度下,毒物棒数量不同的燃料组件错装载。此种错装载方案,引起的Keff和堆芯功率分布较小,有可能不被堆内探测器检测,因此此种方案主要考察焓升因子FΔH是否超过设计限值。选取的同一富集度燃料组件错装载方案如表3所示。

表3 同一富集度燃料组件错装载事故方案Table 3 Inadvertent loading cases within same enrichment fuel assemblies

错装载方案的堆芯功率分布测量值由堆芯三维扩散燃耗程序SMART进行模拟。计算首先在满功率、控制棒全提状态下进行,因为在该状态下多普勒和慢化剂反馈效应使功率分布更趋于平坦,降低测量到的不匹配,使错装载更难被发现,从而使分析偏保守。对于每个错装载方案,只考察布置了探测器的44个燃料组件的相对功率。相对功率大于等于0.9的燃料组件的相对功率偏差大于5%,或者相对功率小于0.9的燃料组件的相对功率偏差大于8%,符合以上两种条件之一者即认为该方案能够被发现。对于未被发现的错装载方案,再分析其FΔH是否超过设计限值。

3.3 计算结果

图4给出了不同富集度下第一种燃料组件错装载的功率分布及其误差,表4给出了所有计算方案探测器处最大功率相对误差和Keff。

图4 燃料组件错装载事故方案1计算结果Fig.4 Calculation results of inadvertent loading case 1

图5给出了同种富集度下第一种燃料组件错装载的功率分布及其误差。表5给出了第二种类型的燃料组件错装载事故下的FΔH值,从表5中可以看出,功率误差小于±20%的方案D1-D6中,FΔH均小于1.6这一堆芯设计限值。

图5 燃料组件错装载事故方案D1计算结果Fig.5 Calculation results of inadvertent loading case D1

表4 各布置方案探测器处最大功率误差及堆芯KeffTable 4 The maximum power error among detectors and the core’s Keff

各种错装载方案中,大多数在做启动物理试验的堆芯功率分布测量时能被发现,重新检查装料方案并更正,即可排除事故；未被发现的错装载方案中,绝大多数的FΔH仍满足设计限值,不影响核电厂的运行安全；仅有个别的错装载方案,未被发现且FΔH超过设计限值,但在正常运行工况下,满足相应的安全限制准则,且安全裕量较大。

表5 同一富集度燃料错装载方案FΔH计算值Table 5 Calculated values of FΔH for each inadvertent loading case

即使存在某错装载方案,难以被发现,且造成燃料包壳损坏,那么损坏的份额也非常小,泄漏的污染物的数量完全在化学和容积控制系统的净化能力之内,不会影响核电厂的运行。

4 结论

基于华龙一号的堆芯设计参数,采用SCIENCE V2程序进行了堆芯装载方案的建模,同时计算分析了富集度相同的燃料组件、富集度不同的燃料组件两种类型共计20个燃料错装载的方案。计算结果表明,华龙一号堆芯燃料管理设计的各种错装载方案中,大多数在做启动物理试验的堆芯功率分布测量时能被发现,重新检查装料方案并更正,即可排除事故；未被发现的错装载方案中,绝大多数的FΔH仍满足设计限值,不影响核电厂的运行安全；仅有个别的错装载方案,未被发现且FΔH超过设计限值,但在正常运行工况下,满足相应的安全限制准则,且安全裕量较大。