核電廠調(diào)峰反應(yīng)堆堆芯主要特性研究

李向陽(yáng) 李瑋瑋 陳亮 王詩(shī)倩 盧迪 廖鴻寬 樊興 姚磊 劉勇

摘? ?要：核電廠參與電網(wǎng)調(diào)峰運(yùn)行多數(shù)情況是獨(dú)立于常規(guī)設(shè)計(jì)之外的工況。在參與調(diào)峰運(yùn)行期間，由于堆芯的負(fù)反饋特性，堆芯的后備反應(yīng)性以及功率分布都有較大的變化。為保證核電廠的安全運(yùn)行，需要對(duì)調(diào)峰運(yùn)行方式下的堆芯性能進(jìn)行研究，從而確定電廠的調(diào)峰能力。本文對(duì)于核電廠參與電網(wǎng)調(diào)峰情況下堆芯的主要性能進(jìn)行了研究，得出了重要的結(jié)論，為核電廠參與調(diào)峰堆芯性能的分析及反應(yīng)堆運(yùn)行提供了有意義的指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：調(diào)峰? 降功率運(yùn)行? 燃料管理? 功率分布

中圖分類號(hào)：TL329.2? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-098X（2019）10（a）-0011-03

按《電力發(fā)展“十三五規(guī)劃”》提出，“十三五”期間全國(guó)核電投產(chǎn)約3000萬(wàn)kW，開(kāi)工3000萬(wàn)kW以上，2020年裝機(jī)達(dá)到5800萬(wàn)kW。核電的快速增長(zhǎng)一方面提供了更多清潔能源，有利于能源結(jié)構(gòu)優(yōu)化;另一方面由于電力總量的不斷提高，對(duì)于電網(wǎng)的運(yùn)行提出了更高的要求。特別是在某些“大機(jī)小網(wǎng)”的背景下，為保證電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行，對(duì)于核電參與調(diào)峰的要求更加迫切。

一般來(lái)說(shuō)，核電廠常規(guī)設(shè)計(jì)中考慮了某些基本的調(diào)峰需求。但在大多數(shù)情況下，調(diào)峰運(yùn)行是獨(dú)立于電廠常規(guī)設(shè)計(jì)以外的一種運(yùn)行方式，比如季節(jié)負(fù)荷需求變化等。在調(diào)峰運(yùn)行方式下，相較于基荷運(yùn)行，堆芯部分性能會(huì)產(chǎn)生顯著變化。為保證核電廠的安全運(yùn)行，需要對(duì)調(diào)峰運(yùn)行方式下的堆芯性能進(jìn)行研究，從而確定電廠的調(diào)峰能力，并為指導(dǎo)電廠參與調(diào)峰運(yùn)行提供必要的技術(shù)參數(shù)。

本文旨在對(duì)于核電廠參與調(diào)峰后的反應(yīng)堆堆芯主要性能進(jìn)行研究，以期為核電廠調(diào)峰運(yùn)行的研究及運(yùn)行提供必要的指導(dǎo)。

1? 研究?jī)?nèi)容

1.1 調(diào)峰運(yùn)行方案

核電廠參與電網(wǎng)調(diào)峰意味著電廠負(fù)荷根據(jù)電網(wǎng)需求進(jìn)行即時(shí)調(diào)節(jié)，可能在某一個(gè)時(shí)刻降低到一個(gè)低功率水平，可能在另一個(gè)時(shí)刻提升到較高甚至是滿功率水平。因此理論上來(lái)講，核電廠參與電網(wǎng)調(diào)峰的負(fù)荷變化方式多種多樣。

當(dāng)反應(yīng)堆處于低功率運(yùn)行時(shí)，由于反應(yīng)堆負(fù)的溫度反饋效應(yīng)，一方面堆芯會(huì)引入較大正反應(yīng)性，從而會(huì)顯著影響堆芯的循環(huán)長(zhǎng)度;另一方面由于慢化劑的負(fù)反饋特性，堆芯的上半部分較下半部分會(huì)引入較多的正反應(yīng)性，從而會(huì)造成較大的堆芯軸向功率傾斜，這樣的功率分布有可能會(huì)超出原來(lái)堆芯事故安全和燃料組件安全論證的范圍。另外，反應(yīng)堆運(yùn)行在較低功率水平下，造成堆芯能譜較正常運(yùn)行時(shí)更“軟”，會(huì)造成同位素產(chǎn)量有所變化，該種變化反過(guò)來(lái)也會(huì)影響堆芯反應(yīng)性;反應(yīng)堆長(zhǎng)期低功率運(yùn)行，機(jī)組功率史將異于常規(guī)燃料管理設(shè)計(jì)，對(duì)于燃料組件的影響可能會(huì)超出原有評(píng)價(jià)范圍。

分析研究表明，相較于常規(guī)設(shè)計(jì)，參與調(diào)峰后堆芯性能的變化與調(diào)峰后運(yùn)行的功率水平及運(yùn)行時(shí)間關(guān)系密切。一般來(lái)講，運(yùn)行的功率水平越低及運(yùn)行的時(shí)間越長(zhǎng)，堆芯的性能變化越大。為具有代表性，假設(shè)該核電廠第一循環(huán)全壽期參與調(diào)峰，堆芯功率水平一直處于75%FP運(yùn)行，后續(xù)各循環(huán)又恢復(fù)到滿功率水平運(yùn)行。需要特別注意的是核電廠反應(yīng)堆采用批換料策略，燃料組件需要經(jīng)歷多個(gè)循環(huán)。某一循環(huán)經(jīng)歷調(diào)峰后的燃料組件還可能影響后續(xù)循環(huán)。因此本研究以國(guó)內(nèi)某核電廠為研究對(duì)象，統(tǒng)籌考慮電廠參與調(diào)峰后對(duì)多循環(huán)的影響。

1.2 調(diào)峰對(duì)于反應(yīng)堆循環(huán)長(zhǎng)度的影響

考慮到該核電廠采用近三批換料策略方式，部分燃料要在堆芯停留四個(gè)循環(huán)，為系統(tǒng)研究調(diào)峰運(yùn)行對(duì)于反應(yīng)堆燃料管理的影響，從第一循環(huán)開(kāi)始一共考慮了五個(gè)燃料循。并與原有常規(guī)設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析，得到了核電廠在進(jìn)行調(diào)峰模式運(yùn)行下循環(huán)長(zhǎng)度的變化。

核電廠利用核能來(lái)產(chǎn)生電力，因此其能量總輸出量是一個(gè)關(guān)鍵因素。核電廠一般用循環(huán)長(zhǎng)度來(lái)表征其能量總輸出量。

反應(yīng)堆循環(huán)長(zhǎng)度計(jì)算時(shí)，一般將全提棒時(shí)堆芯臨界硼濃度為10ppm作為壽期末。表1給出了各循環(huán)在首循環(huán)參與電網(wǎng)調(diào)峰以后的循環(huán)長(zhǎng)度變化。由表1所示，不參與調(diào)峰第一循環(huán)的循環(huán)長(zhǎng)度為13430MWd/tU，實(shí)施調(diào)峰后，堆芯循環(huán)長(zhǎng)度為14080MWd/tU。從運(yùn)行天數(shù)來(lái)說(shuō)，實(shí)施調(diào)峰前堆芯在滿功率可以運(yùn)行387d，實(shí)施調(diào)峰運(yùn)行以后（按75%FP運(yùn)行），堆芯可以運(yùn)行541d。首循環(huán)調(diào)峰運(yùn)行以后，后續(xù)循環(huán)的循環(huán)長(zhǎng)度也有一定的影響，但到了第四循環(huán)以后循環(huán)長(zhǎng)度與原設(shè)計(jì)已經(jīng)非常接近，這主要是因?yàn)樵摱巡捎昧私咏鷵Q料模式，部分組件在堆內(nèi)停留了四個(gè)循環(huán)。

以上分析表明，由于反應(yīng)堆的負(fù)反饋特性，當(dāng)反應(yīng)堆參與調(diào)峰降低功率運(yùn)行時(shí)，將會(huì)向堆芯引入可觀的正反應(yīng)性，反應(yīng)堆會(huì)獲得額外的運(yùn)行長(zhǎng)度。參與調(diào)峰運(yùn)行的核電廠在生產(chǎn)安排時(shí)需要特別關(guān)注該特性。

1.3 調(diào)峰對(duì)于反應(yīng)堆功率分布的影響

反應(yīng)堆堆芯功率分布包括徑向功率分布和軸向功率分布。對(duì)堆芯徑向的影響主要是通過(guò)對(duì)比長(zhǎng)期低功率運(yùn)行和正常運(yùn)行的焓升因子FΔH值來(lái)分析。對(duì)堆芯軸向的影響主要是通過(guò)對(duì)比長(zhǎng)期低功率運(yùn)行和正常運(yùn)行在各個(gè)燃耗下的軸向功率偏差ΔI來(lái)分析。

表2給出前三個(gè)循環(huán)在首循環(huán)實(shí)施75%FP功率運(yùn)行以后在各個(gè)燃耗步的FΔH，同時(shí)給出了正常運(yùn)行時(shí)的FΔH。從表中數(shù)據(jù)可知，實(shí)施低功率運(yùn)行后，各循環(huán)FΔH略有變化。表3給出前三個(gè)循環(huán)在首循環(huán)實(shí)施75%FP功率運(yùn)行以后的軸向功率偏差ΔI，同時(shí)對(duì)比給出了正常運(yùn)行時(shí)的ΔI值。從表中數(shù)據(jù)可知，實(shí)行低功率運(yùn)行后，第一循環(huán)的軸向功率ΔI偏正，這主要是由于慢化劑的負(fù)反饋效應(yīng)以及堆芯上部溫度變化較大造成的，后續(xù)循環(huán)軸向功率偏差ΔI逐漸收斂到原施工設(shè)計(jì)值。

總體來(lái)說(shuō)，調(diào)峰運(yùn)行對(duì)于堆芯徑向功率分布影響有限，但對(duì)于堆芯軸向功率分布影響較為顯著。

1.4 調(diào)峰對(duì)于反應(yīng)堆運(yùn)行方式的影響

為了確保主調(diào)節(jié)棒組具有足夠的反應(yīng)性引入能力，以滿足運(yùn)行技術(shù)規(guī)范定義的機(jī)動(dòng)性要求，并盡可能使軸向功率分布平坦，核設(shè)計(jì)會(huì)給出功率調(diào)節(jié)棒的建議運(yùn)行棒位。該運(yùn)行棒位一般會(huì)位于“咬量”位置再加12步。核電廠參與調(diào)峰運(yùn)行后，堆芯的軸向功率分布會(huì)產(chǎn)生較顯著的變化。而這種變化反過(guò)來(lái)會(huì)影響到堆芯的“咬量”位置，因此也會(huì)影響到功率調(diào)節(jié)棒的運(yùn)行位置。

本節(jié)分兩種情況來(lái)進(jìn)行研究，一種是核電廠參與調(diào)峰后長(zhǎng)時(shí)間降低功率運(yùn)行;另一種是長(zhǎng)期低功率運(yùn)行后再返回到滿功率水平運(yùn)行。對(duì)于降低功率長(zhǎng)期運(yùn)行，由表3可見(jiàn)，由于軸向功率分布變化較大，需要重新進(jìn)行運(yùn)行棒位的計(jì)算;對(duì)于長(zhǎng)期低功率運(yùn)行以后再返回到滿功率水平運(yùn)行的情況，特別是在壽期末，由于大的負(fù)慢化劑反饋系數(shù)，堆芯的軸向功率分布將有很大的變化。具體數(shù)據(jù)見(jiàn)表4，為盡量減少軸向擾動(dòng)以及避免燃耗陰影，建議較長(zhǎng)時(shí)間的低功率運(yùn)行采用調(diào)硼方式進(jìn)行。由表4可見(jiàn)，長(zhǎng)期低功率運(yùn)行后返回滿功率運(yùn)行，堆芯軸向功率分布將向堆芯底部偏移，偏移幅度與低功率運(yùn)行時(shí)間相關(guān)，某些情況下因?yàn)橐刂戚S向功率分布可能會(huì)無(wú)法返回到滿功率運(yùn)行狀態(tài)。為保證反應(yīng)堆安全，反應(yīng)堆調(diào)峰運(yùn)行時(shí)一定要充分論證軸向功率分布變化對(duì)于運(yùn)行的影響。

1.5 調(diào)峰對(duì)于安全相關(guān)中子學(xué)參數(shù)的影響

反應(yīng)堆的各種反應(yīng)性系數(shù)基本上確定了堆芯的動(dòng)力學(xué)特性。堆芯動(dòng)力學(xué)特性則決定了電廠因運(yùn)行條件變化時(shí)堆芯響應(yīng)能力、正常運(yùn)行條件下因操縱員作調(diào)整時(shí)的堆芯響應(yīng)能力及非正?；蚴鹿使r下的堆芯響應(yīng)能力。因此，反應(yīng)堆的反應(yīng)性系數(shù)與反應(yīng)堆的安全運(yùn)行是緊密相關(guān)的。

核電廠參與調(diào)峰后，堆芯的同位素含量及功率分布異于常規(guī)設(shè)計(jì)，這種后果可能會(huì)影響堆芯的動(dòng)力學(xué)特性從而會(huì)影響到事故分析后果。

本文基于1.1節(jié)描述的調(diào)峰運(yùn)行方案，統(tǒng)籌考慮多個(gè)燃料循環(huán)，針對(duì)各種主要的反應(yīng)性系數(shù)及堆芯動(dòng)力學(xué)參數(shù)進(jìn)行了計(jì)算研究。其反應(yīng)性系數(shù)主要結(jié)果見(jiàn)表5，動(dòng)力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表6。由表5和表6可見(jiàn)，核電廠參與調(diào)峰后，與原有設(shè)計(jì)相比較反應(yīng)性系數(shù)略有變化，但這種變化量非常小，被原有安全分析使用值所包絡(luò)。

對(duì)于特定事故分析所需的中子學(xué)參數(shù)，對(duì)于由運(yùn)行圖控制邊界的初始狀態(tài)，在論證運(yùn)行圖不發(fā)生變化的情況下，中子學(xué)參數(shù)也不會(huì)發(fā)生大的改變。但對(duì)于不由運(yùn)行圖來(lái)構(gòu)造事故初始點(diǎn)的事故后果可能會(huì)有較大變化。

2? 結(jié)語(yǔ)

核電廠參與電網(wǎng)調(diào)峰運(yùn)行影響到多個(gè)核電廠系統(tǒng)，涉及一回路及二回系統(tǒng)等，需要進(jìn)行綜合論證。

本文對(duì)于核電廠參與調(diào)峰以后堆芯主要性能進(jìn)行了研究分析，得到了一些有意義的結(jié)論：

（1）核電廠參與調(diào)峰運(yùn)行后，堆芯的循環(huán)長(zhǎng)度可能會(huì)產(chǎn)生顯著變化，可能會(huì)影響到電廠的生產(chǎn)安排;

（2）核電廠參與調(diào)峰運(yùn)行后，堆芯徑向功率影響較小，但軸向功率影響很大，電廠運(yùn)行中需特別關(guān)注;

（3）核電廠參與調(diào)峰運(yùn)行，若堆芯裝載方案不改變，堆芯反應(yīng)性系數(shù)及動(dòng)力學(xué)系數(shù)變化很小，某些特定事故可能會(huì)有較大變化;

（4）某一循環(huán)參與調(diào)峰后的影響并非獨(dú)立，考慮到燃料組件使用的連續(xù)性可能會(huì)影響到后續(xù)循環(huán)，需要統(tǒng)籌考慮。

本文雖然基于1.1節(jié)所述的調(diào)峰方式進(jìn)行分析，但分析結(jié)論可以推廣到多種調(diào)峰運(yùn)行方式。需要注意的是堆芯長(zhǎng)期低功率運(yùn)行后，需要特別關(guān)注燃料棒和包殼的相互作用。

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