基于核电站模拟机的燃料循环无绕切换过程仿真研究

李海波

摘 要 核电站全范围模拟机，需要选定实际机组作为其参考机组。采用18个月换料方案的核电机组，随着其投入商业运行及历次大修的完成，燃料循环将由首循环逐步过渡到18个月换料循环。当参考机组进入18个月换料循环，模拟机即具备使用18个月换料相关数据（代替设计数据）建立18个月换料场景初态的条件。本文以18个月换料方案为背景，讨论在核電站模拟机上实现不同燃料循环无绕切换的仿真方法。

关键词 模拟机;燃料循环;无绕切换

引言

压水堆（PWR）最初是美国为核潜艇设计的一种热中子堆堆型。美国Nautilus压水堆核潜艇于1955年4月27日下水，陆上Shippingport压水堆核电站于1957年12月投入运行，经过几十年的努力，这种堆型得到了很大的发展，通过一系列的重大改进，已经成为技术上成熟的一种堆型。为了兼顾堆芯设计的先进性、燃料经济性和控制工程风险，目前商运的核电机组很多采用12个月转18个月换料的燃料管理方案，即首循环采用年度换料模式，并采用钆作为可燃读物，从第二循环开始快速向18个月换料过渡。

核电站全范围模拟机，需要选定实际机组作为其参考机组;采用18个月换料方案的核电机组，随着其投入商业运行及历次大修的完成，燃料循环将由首循环逐步过渡到18个月换料循环。当参考机组进入18个月换料循环，模拟机即具备使用18个月换料相关数据（代替设计数据）建立18个月换料场景初态的条件。本文以18个月换料方案为背景，讨论在核电站模拟机上实现不同燃料循环无绕切换的仿真方法。

1堆芯及燃料组件

假定某反应堆由众多个燃料组件组成，堆芯额定热功率近3000MW，反应堆运行压力为15MPa左右，反应堆冷却剂总流量为7万m3/h左右。每个燃料组件包括264根燃料棒（部分燃料棒载有钆可燃读物）、24根锆-4材料的导向管（用以放置控制棒组件、中子源组件和阻流塞组件）和1根锆-4材料的仪表导向管，他们按17X17方阵排列成正方形栅格，共289根棒位。冷态时相邻燃料组件的中心距离为约为20cm。

在18个月换料管理策略中，共使用了11种类型的组件，其中首循环6种，后续循环5种，分别描述如下：

U-235富集度为1.9%的燃料组件：不含钆棒或含4根钆棒;

U-235富集度为2.5%的燃料组件：含4根或含8根钆棒;

U-235富集度为3.2%的燃料组件：不含钆棒或含12根钆棒;

U-235富集度为4.5%的燃料组件：不含钆棒或含8根、16根、20根、24根钆棒[1]。

218个月换料过程

首循环采用12个月，经过2个过渡循环后进入平衡循环（短循环和长循环交替运行），在燃料管理策略里，基于平衡循环方案，对其进行了一定程度的灵活性研究，包括在平衡循环的后续循环里考虑±4个新组件时堆芯特性的可能变化，以及平衡循环提前18EFPD（等效满功率天）停堆或延长燃耗运行28EFPD后的堆芯变化特性等。灵活性循环详细策略如下：

L1循环是跟在平衡循环的短循环（S0）后面，并考虑了75（ 71+4 ）组新组件长循环;

L3循环是跟在平衡循环的短循环（S0）后面，并考虑了S0（ 72+4 ）组新组件长循环;

S1循环是跟在平衡循环的长循环（L0）后面，并考虑了65（ 69-4 ）组新组件短循环;

S3循环是跟在平衡循环的长循环（L0）后面，并考虑了L0提早18 EFPD停堆的短循环。

3不同燃料寿期无绕切换过程仿真

18个月换料方案是一个从12个月换料逐渐过渡到18个月换料的过程，中间经历了2个过渡循环，过渡循环换料后的培训用的不是很多，且只在18个月换料的第二，三周期时有用，对于后续平衡循环后，过渡循环的初态将被废弃，因此模拟机中无须建立过渡循环的初态，只需要建立第四循环（短循环）和第五循环（长循环）寿期初态即可。

3建立不同寿期初态，需要做以下几个方面的工作：

（1）功率-棒位曲线切换。虚拟DCS 功率控制机柜逻辑参考实际机组DCS逻辑设计，其中只有一条功率-棒位曲线，为实现无绕切换，需要手动添加多条曲线，以便建立不同寿期初始工况;从DCS引出DI点，通过模拟机通信工具生成通讯点表，通过工况存储即可实现功率-棒位曲线切换。不同的寿期功率-棒位曲线数据需要重新标定和下装。

（2）堆芯平衡计算文件切换。堆芯平衡计算文件存储在虚拟DCS服务器中，包含BOL、MOL、EOL文件夹，即对应寿期初、中、末三种寿期。将需要的寿期文件夹下面的堆芯平衡计算文件参数表选择为使用。

（3）燃料文件切换。模拟机中反应堆燃料装载的调整通过修改燃料文件切换参数来实现。模拟机可提供多个循环（第一循环、短循环和长循环）和多个寿期（寿期处氙平衡、寿期中和寿期末）多炉料供用户选择。它们通过一个十进制数来控制，十进制的十位表示燃料循环，各位表示寿期，他们的组合就得到了多炉料之一，一旦选取了某炉料，模拟机就会在运行时读取相应的燃料相关文件。如11表示首循环寿期初，21表示短循环寿期初，以此类推。燃料文件对应的文件所在位置在服务器燃料文件夹中。

换料操作以修改为长循环寿期末为例：①加载一个稳定的满功率工况，运行一步冻结;②将堆芯平衡计算热工和物理控制命令控制值修改为39;③将燃料文件修改为33;④重新存储一个工况;⑤卸载当前工况后加载这个工况，在服务器后台命令行窗口中确认燃料切换成功。

（4）参数调整优化。由于满功率时，各个寿期热工参数是相同的，因此我们在换料调整过程中，可以冻结热工计算，然后通过一次性同步堆芯硼浓度功能将反映的有效增值系数调整到1附近，待堆芯计算稳定后，再放开热工参数计算。最后调整堆芯平衡计算电压，使轴向功率倾斜在允许的范围内，即完成了寿期初态建立过程。

4结束语

由于燃料消耗以及反应性控制、试验检查的要求，压水堆核电站都要制定一套适应性的换料方案，常见的换料方式有年度换料、18个月换料、24个月换料等，无论哪种换料方式，模拟机都需要建立与之对应的培训场景。本文提供的燃料循环无绕切换过程仿真，是模拟机实现不同燃耗场景切换的一般性过程和方法，值得模拟机开发设计人员及模拟机维护人员参考借鉴。

参考文献

[1] 吴红艳.基于IoT的核电站电源切换试验仿真推演及风险控制研究[D].武汉：武汉大学，2018.