采用TVS-2006组件的VVER-1200堆芯燃料管理

徐 敏，郭治鹏，张浩然，易 璇，霍小东

(中国核电工程有限公司，北京 100840)

俄罗斯推出VVER-1200新堆型，采用先进的TVS-2006组件。国内的VVER-1000堆型，均使用的组件类型为TVS-2 M。相比TVS-2 M，TVS-2006型的燃料棒长度更长，芯块外径增加，并取消了中心孔。通过上述的改进，燃料装载量更多，可以提供更高的堆芯反应性，为堆芯升功率提供了保障。

据了解，TVS-2006组件已在俄方的多项验证试验中取得了满意的结果，包括机械强度试验、高热试验、强震试验、长周期运行模拟试验等。俄罗斯本国的加利林和特美林核电厂，已有一定的运行经验，并且计划在捷克的正在建造的VVER-1200堆型上使用。

在国内长周期堆芯的论证中，运营单位对平衡循环长度提出了更高的要求，目标调整为510 EFPD。因此，对VVER-1200堆型开展燃料管理研究，是具有重要意义和实际工程应用价值的。

1 计算程序简介

VVER堆型设计采用相匹配的堆芯计算程序包KASKAD。KASKAD程序包是由俄罗斯库尔恰多夫研究院开发的，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，堆芯装在优化程序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，热工耦合程序TEPRO等[1]。

2 应用TVS-2006组件

2.1 设计准则和目标

为保证核电厂的安全性，堆芯核设计必须满足下列设计准则和目标：

(1)焓升因子Kr≤ 1.6；

(2)燃料棒线功率密度≤420 W/cm

(3)含钆燃料棒线功率密度≤360 W/cm

(4)寿期初、热态零功率、零氙、控制棒全提出时的慢化剂温度系数≤0 pcm/℃；

(5)卡一束最大价值棒的情况下，堆芯重返临界温度不大于120 ℃；

(6)平衡循环寿期长度约510 EFPD；

(7)组件的最大比燃耗≤60 GWd/tU；

(8)平衡循环实现低泄漏堆芯装载[2]。

2.2 堆芯描述

本文的燃料管理方案是应用在VVER-1200反应堆中，堆芯共装载了163个燃料组件，堆芯活性段高度为375 cm[4]。表1给出了堆芯的总体参数，并与VVER-1000的运行参数进行比较，可以看出功率提升了6.7%。

表1 堆芯总体参数Table 1 Core parameter

TVS-2006型组件包括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[2]。

2.3 组件设计

表2给出了本文的长周期换料方案中平衡循环使用到的燃料组件种类，虽然这些组件的名称与VVER-1000中使用的TVS-2 M组件一样，但是TVS-2006的燃料芯块、组件几何尺寸等是不一样的，需要使用组件计算程序TVS-M，根据VVER-1200的运行参数和组件参数，重新建模，建立KASKAD程序包的常数库。图1至图2给出了平衡循环使用到的部分燃料组件结构图示例[2]，其中U40Y4、U44Z4、U49Z4结构图相同，即含钆棒的参数一样，但燃料棒的富集度是不一样的；U4930是作者自行研究和设计出的，结构图不在本文中给出。

表2 组件类型描述Table 2 Description of FA types

图1 U49G6型燃料组件结构图Fig.1 Structure of fuel bundle in FA of type U49G6

图2 U40Y4、U44Z4、U49Z4型燃料组件结构图Fig.2 Structure of fuel bundle in FA of type U40Y4,U44Z4,U49Z4

2.4 堆芯燃料管理

本文给出4个燃料管理方案，方案1是VVER-1000长周期的基准方案(平衡循环约510EFPD)；方案2至方案4为VVER-1200的研究方案；方案2是参照基准方案使用TVS-2006组件替代TVS-2 M组件；方案3是调整方案2的堆芯装载，提高燃料富集度，实现更长的寿期目标(平衡循环约510EFPD)；方案4是在实现方案3相同的寿期目标前提下(平衡循环约510EFPD)，优化堆芯装载，减少换料组件数目，具有更好的经济性。

平衡循环装载是核电厂寿命内机组运行时间最长的堆芯装载，直接反映堆芯的运行安全性和经济性，因而，本文中将各方案的平衡循环计算结果进行比较并分析，不给出首循环和过渡循环的信息。图3～图6是各方案的平衡循环装载图。

基准方案1使用TVS-2 M组件，平衡循环装载了多种不同富集度的燃料组件，在堆芯功率展平的同时，高富集度的燃料组件可以达到非常深的燃耗。换料组件数目为72，即采用了更多的新料组件来提供堆芯的反应性。图3是基准方案1的平衡循环装载图。

图3 基准方案1的平衡循环装载图(1/6区域)Fig.3 Cartogram of the equilibrium fuel loading of base case (1/6 sector)

方案2使用TVS-2006组件，平衡循环装载是参照基准方案1不做改变，是为了更容易看出使用TVS-2006组件的效果。方案3是对方案2的堆芯装载进行了调整，使用了2种富集度的燃料组件，新料组件数目仍为72。图4和图5分别是方案2和方案3的平衡循环装载图。

图4 方案2的平衡循环装载图(1/6区域)Fig.4 Cartogram of the equilibrium fuel loading of case 2 (1/6 sector)

图5 方案3的平衡循环装载图(1/6区域)Fig.5 Cartogram of the equilibrium fuel loading of case 3 (1/6 sector)

方案4是在前面方案的计算结果上，进行了优化设计，只采用1种富集度的燃料组件，燃料富集度比较高，换料组件数目为66，即减少了新料组件数目。中心组件每两个循环换一组新料U49Z4，可以增加中心组件寿期末的燃耗裕量，因而可以进行缩短或延伸运行，具有很好的机动性。图6是方案4的平衡循环装载图。

图6 方案4的平衡循环装载图(1/6区域)Fig.6 Cartogram of the equilibrium fuel loading of case 4 (1/6 sector)

3 计算结果

3.1 首循环至平衡循环

各循环的燃耗计算是在堆芯满功率(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)、ARO、寿期初(BOL)[3]。VVER堆型机组的堆芯停堆裕量可以用重返临界温度来描述：除了最大反应性价值的一束控制棒完全卡死在堆芯外，其余控制棒插入堆芯，堆芯硼浓度和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。

表3给出了各方案的平衡循环主要计算结果，并进行比较分析。各方案的安全参数满足设计准则，平衡循环的寿期长度均大于480 EFPD。

表3 各方案的平衡循环主要计算结果Table 3 Primary calculation results of each case equilibrium fuel loading

3.2 计算结果分析

从表3中可以看出，方案4的慢化剂温度系数为负数，不仅满足安全性的设计要求，而且相比其他方案，绝对值变小了，但该数值仍能提供足够的运行灵活性。表3中还给出了各方案的年平均发电量。方案2与基准方案1相比，虽然由于功率的提升，使得寿期长度有所缩短，但使用TVS-2006组件后，堆芯总的燃料装载量增加了，最终可使得机组的年平均发电量增加了2.7%；方案3与基准方案1相比，寿期长度很接近，机组的年平均发电量增加了6.4%。虽然方案3相比基准方案1和方案2，提高了燃料富集度，导致燃料组件的购买费用有所增加，但是据市场调研，燃料组件的价格并不是与富集度呈线性关系，价格的增长不明显，和增加的发电收入相比，增加的燃料费用可忽略不计。

据市场调研，一批燃料组件的总价格与数量有明显的线性关系，也就是说燃料组件数目对总价格的贡献很大。方案4在基本保持年平均发电量的前提下，进一步减少了换料组件数目，大大降低了燃料购买费用。并且采用单一富集度的燃料组件，可以减少燃料制造的困难，可以增加燃料制造的效率，从而可以减少燃料的制造成本。

4 总结

本文使用KASKAD程序包，对VVER堆芯采用TVS-2006燃料组件的燃料管理进行了研究和设计，堆芯运行功率提升到3 200 MW，给出了多种满足电站不同寿期需求的方案。每个方案都采用了部分低泄漏的装置方式，堆芯主要安全特性参数都满足设计准则和目标。方案4是本文的推荐方案，具有很好的运行机动性，也具有相当好的经济性。方案4采用单一富集度的燃料组件，能满足运营单位对长周期寿期更高的要求。该研究成果可以减少燃料的购买费用，年平均发电量可超出360亿kWh，可使得机组拥有丰厚的经济效益。