華龍一號堆芯延伸運(yùn)行能力分析

謝運(yùn)利 李滿倉 婁磊 王星博

摘? ?要：出于增加經(jīng)濟(jì)性和運(yùn)行靈活性的考慮，核電站一般要求具備延伸運(yùn)行能力。延伸運(yùn)行通常在堆芯壽期末進(jìn)行，硼濃度過低不能再稀釋引入反應(yīng)性，僅依靠降低冷卻劑溫度或者堆芯功率來延長運(yùn)行的運(yùn)行模式。目前國內(nèi)僅少數(shù)核電廠實施過延伸運(yùn)行，缺乏對不同延伸運(yùn)行方式的分析研究，另外大型三代壓水堆的延伸運(yùn)行能力有待研究?；谖覈笮腿鷫核讶A龍一號堆型，本文從堆芯物理角度，首次分析了不同延伸運(yùn)行方式的實現(xiàn)過程，并討論了不同延伸運(yùn)行方式的經(jīng)濟(jì)性及安全評價的影響。

關(guān)鍵詞：華龍一號? 三代壓水堆型? 延伸運(yùn)行

中圖分類號：TM623? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-098X（2020）01（b）-0028-05

Abstract： Strech out operation usually arises from a change in energy requirements or a change in planned shutdown date. Usually it happens in the end of cycle when the boron concentration is too low to induce reactivity. Several methods of cycle extension are possible， including power coastdown， temperature coastdown， and varying combinations of these. Few nuclear powered plants have operated with stretch out operation in China， research or demonstration should be done for different kinds of operations especially for the large-scale nuclear powered plants. This paper for the first time researches the coastdown operation capability of HPR1000 from the view of core physics. The results show the performances of power coastdown， temperature coastdown， and varying combinations of these of HPR1000. Economy and safety for different kinds of operations are also discussed in this paper.

Key Words： HPR1000; Generation III pressurized reactor; Stretch out operation

核電廠反應(yīng)堆在循環(huán)壽期末，硼濃度已非常低，通常在10ppm左右，已不能通過調(diào)硼引入反應(yīng)性。但是通過降低一回路冷卻劑溫度或者堆芯功率，由通過慢化劑溫度、多普勒功率、平衡氙價值及軸向通量再分布等反饋引入正反應(yīng)性，可以實現(xiàn)一段時間的堆芯延伸。堆芯延伸不僅為電廠的生產(chǎn)計劃提供了很大的靈活性，也可以提高核燃料利用率，增加電廠經(jīng)濟(jì)性。

根據(jù)反應(yīng)性引入方式的不同，延伸運(yùn)行方式包括降功率運(yùn)行（power coastdown）、降溫運(yùn)行（temperature coastdown）、或者降溫和降功率結(jié)合的運(yùn)行方式。降功率運(yùn)行不改變一二回路的運(yùn)行參數(shù)，僅通過降低堆芯功率引入反應(yīng)性;而降溫運(yùn)行通常不改變堆芯功率，通過降低一回路冷卻劑入口溫度或者汽輪機(jī)功率來降低一回路冷卻劑平均溫度，進(jìn)而引入反應(yīng)性。

延伸運(yùn)行在國際上是一種使用比較成熟和廣泛的運(yùn)行技術(shù)手段，目前國內(nèi)大亞灣、秦山核電等二代電廠成功實施過延伸運(yùn)行[1，2]，方法是先通過汽輪機(jī)降低一回路冷卻劑平均溫度，然后降低堆芯功率實現(xiàn)延伸運(yùn)行。

華龍一號是我國具有自主知識產(chǎn)權(quán)的三代核電壓水堆堆型[3]，堆芯設(shè)計吸取了國內(nèi)外相關(guān)設(shè)計的先進(jìn)經(jīng)驗，具備較好的先進(jìn)性、安全性和經(jīng)濟(jì)性。在運(yùn)行靈活性方面，堆芯采用Mode-G模式運(yùn)行，可以進(jìn)行負(fù)荷跟蹤、負(fù)荷階躍等機(jī)動運(yùn)行，具備較好的運(yùn)行機(jī)動性。華龍一號實現(xiàn)延伸運(yùn)行，將進(jìn)一步提高運(yùn)行機(jī)動性，增強(qiáng)與國內(nèi)外其他三代核電的競爭力。

本文對華龍一號堆型幾種延伸運(yùn)行方式進(jìn)行了建模，從延伸運(yùn)行時間、堆芯功率變化、冷卻劑入口溫度和平均溫度變化、軸向功率分布控制等角度，分析了不同延伸運(yùn)行方式的運(yùn)行過程，同時初步討論了不同延伸運(yùn)行方式的經(jīng)濟(jì)性及安全評價等內(nèi)容。

1? 延伸運(yùn)行研究

1.1 延伸運(yùn)行模擬

本文以華龍一號平衡循環(huán)為研究對象進(jìn)行延伸運(yùn)行能力分析。華龍一號平衡循環(huán)堆芯采用177組4.45%的AFA3G組件，循環(huán)長度為17870 MWd/tU，壽期末硼濃度約為10ppm。

華龍一號堆芯控制棒組由功率補(bǔ)償棒（G1、G2、N1和N2）和溫度調(diào)節(jié)棒（R）構(gòu)成。功率補(bǔ)償棒用于補(bǔ)償負(fù)荷跟蹤時的反應(yīng)性變化，溫度調(diào)節(jié)棒用于調(diào)節(jié)堆芯平均溫度，補(bǔ)償反應(yīng)性的細(xì)微變化和控制軸向功率偏差。在延伸運(yùn)行模擬過程中，為避免產(chǎn)生氙振蕩進(jìn)而增加堆芯功率分布控制難度，R棒組棒位保持在延伸運(yùn)行前位置附近，其他棒組全提出堆芯。降溫運(yùn)行僅考慮通過降低冷卻劑入口溫度來降低一回路平均溫度。

1.2 降功率運(yùn)行過程

降功率運(yùn)行不改變慢化劑入口溫度，不需要改變整定值和改動設(shè)備，是最簡單的延伸運(yùn)行方法。由于功率下降，多普勒反饋降低，并且氙密度減少，得以補(bǔ)償燃耗增加引入的反應(yīng)性。

在堆芯壽期末進(jìn)行降功率運(yùn)行，運(yùn)行時間為一個月，循環(huán)燃耗增加1128 MWd/tU。硼濃度恒定為10ppm，入口溫度為292℃，考慮瞬態(tài)氙和釤濃度變化。圖1給出了堆芯相對功率和冷卻劑平均溫度隨堆芯燃耗的變化。經(jīng)過30d延伸運(yùn)行，相對功率緩慢降至80%，冷卻劑平均溫度由312℃緩慢降至308℃。

圖2給出降功率運(yùn)行期間堆芯軸向功率偏差ΔI與隨時間變化的過程。由于堆芯進(jìn)水口與堆芯出水口溫差相對較小，導(dǎo)致功率分布趨向于堆頂，ΔI將向更正的方向偏移，由-3%升至6%。由于硼濃度很低，負(fù)荷跟蹤能力有限，延伸運(yùn)行過程中極端的軸向功率分布很難產(chǎn)生，并且降功率過程中功率峰因子限值增大，因此延伸過程中允許更大的ΔI是合理的，不會影響安全性。延伸運(yùn)行過程中應(yīng)定期調(diào)整參考軸向功率偏差ΔIref，從圖2可見，整個運(yùn)行期間ΔI由-4%變?yōu)?%，ΔIref約需標(biāo)定5次，約每星期一次，可保證ΔI在參考值運(yùn)行帶以內(nèi)。

1.3 降溫運(yùn)行

對于降溫運(yùn)行，正反應(yīng)性通過降低慢化劑平均溫度引入。降溫過程中功率水平維持在恒定水平，通常接近100%。降溫運(yùn)行時間由安全分析允許的最低入口溫度決定，圖3為降溫運(yùn)行時間隨最低入口溫度的變化關(guān)系，可見最低入口溫度為282℃時，入口溫度由292℃降低10℃，可實施30d的降溫延伸運(yùn)行。

100%功率水平下降溫運(yùn)行期間堆芯ΔI隨時間變化的過程見圖4?？梢?，相同延伸運(yùn)行時間時降溫運(yùn)行的堆芯ΔI要低于降功率運(yùn)行，在30d運(yùn)行時間內(nèi)，ΔIref在整個運(yùn)行期間約需標(biāo)定4次，比降功率運(yùn)行少一次。

1.4 降溫后的降功率運(yùn)行

由于堆芯入口溫度允許下降的幅度不大，不同實施較長時間的降溫運(yùn)行。為保證運(yùn)行時間，降溫運(yùn)行期間冷卻劑入口溫度達(dá)到最低入口溫度后，保持入口溫度不變，可繼續(xù)實施降功率運(yùn)行。假設(shè)堆芯最低入口溫度為289℃，在堆芯壽期末進(jìn)行先降溫再降功率運(yùn)行，運(yùn)行時間為一個月，循環(huán)燃耗增加1128 MWd/tU。硼濃度恒定為10ppm。

圖5給出了堆芯相對功率和冷卻劑入口溫度隨堆芯燃耗的變化。經(jīng)過11d降溫運(yùn)行后，入口溫度降到最低入口溫度289℃，隨后開始降功率運(yùn)行，相對功率緩慢降至87%。整個運(yùn)行期間堆芯平均溫度由312℃緩慢降至306℃。

圖6給出降溫和降功率運(yùn)行期間堆芯ΔI與隨時間變化的過程。由圖可見，降溫和降功率運(yùn)行期間堆芯ΔI變化與完全降功率運(yùn)行ΔI變化接近，ΔIref仍需每星期標(biāo)定一次。

1.5 控制棒插入對延伸運(yùn)行的影響

理論上來說，延伸運(yùn)行過程中控制棒組部分插入堆芯，可以降低堆芯AO，有利于ΔI目標(biāo)值的控制。圖7給出了降功率運(yùn)行期間，控制棒全提和G棒組按重疊步逐漸插入120步過程中，堆芯ΔI的變化比較。延伸運(yùn)行后期ΔI由6%降至4%，可見，雖然插入控制棒后可降低ΔI，插棒對降低ΔI的效果并不明顯，仍需要標(biāo)定4次ΔIref。另外，控制棒陰影效應(yīng)會影響到下一堆芯循環(huán)，因此不建議華龍一號堆芯進(jìn)行插棒的延伸運(yùn)行。

2? 延伸運(yùn)行影響分析

2.1 功率能力分析

對于堆芯運(yùn)行前有計劃地延伸運(yùn)行的功率能力分析，可在換料安全檢查表（RSAC）出版前采用全提棒及熱態(tài)滿功率模型進(jìn)行分析，該模型產(chǎn)生的軸向功率形狀比RSAC中所有低功率燃耗的形狀都保守，因為相比熱態(tài)滿功率模型，低功率燃耗堆芯AO趨向正值移動，軸向功率形狀相對不惡劣，DNB更加保守。

對于堆芯運(yùn)行后的非計劃延伸運(yùn)行的功率能力分析，為驗證是否滿足RSAC的要求，應(yīng)對實際的延伸運(yùn)行進(jìn)行模擬。降功率運(yùn)行中，堆芯參數(shù)大多只需要經(jīng)過少量計算評價，而降溫運(yùn)行需要更全面的計算分析工作，非計劃延伸運(yùn)行需要進(jìn)行分析或評價的堆芯參數(shù)列表見表1。

延伸運(yùn)行達(dá)到的停堆燃耗不應(yīng)超過下一循環(huán)規(guī)定的停堆燃耗窗口，否則需要對本循環(huán)的燃料管理進(jìn)行重新評價。另外，如果延伸時間較長，延伸運(yùn)行過程可能需要進(jìn)行計算以保證下一循環(huán)LOCA事故分析堆芯功率峰因子是否滿足限值。

2.2 延伸運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性

降溫運(yùn)行過程相對復(fù)雜，需要全面、詳盡地分析對設(shè)備、系統(tǒng)正常運(yùn)行以及所有設(shè)計基準(zhǔn)事故的影響，但相同的堆芯燃耗下，降溫運(yùn)行比降功率運(yùn)行有更好的經(jīng)濟(jì)性，可顯著提高能量利用率。圖8給出了降功率運(yùn)行、降溫和降功率運(yùn)行期間電廠熱功率和電功率的變化比較。綜合考慮延伸運(yùn)行的實施的操作性及能量需求，電廠可先確定降溫運(yùn)行時間，再進(jìn)行降功率運(yùn)行。

3? 結(jié)語

延伸運(yùn)行可提高電廠燃料利用率，增加電廠運(yùn)行靈活性，已成為國際上常見的電廠運(yùn)行方式。

本文對華龍一號反應(yīng)堆的延伸運(yùn)行能力進(jìn)行了初步論證，結(jié)果表明華龍一號可在較長時間內(nèi)實現(xiàn)降功率、降溫或者降溫和降功率運(yùn)行。延伸運(yùn)行建議將控制棒組全提出堆芯，ΔIref約一個星期標(biāo)定一次。降溫運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性好于降功率運(yùn)行，但運(yùn)行操作更復(fù)雜，需要更全面、詳盡地論證分析。電廠可根據(jù)不同需求選擇不同的運(yùn)行方式。

功率能力分析方面，對于堆芯運(yùn)行前有計劃的延伸運(yùn)行的功率能力分析，可采用全提棒及熱態(tài)滿功率模型進(jìn)行分析;對于堆芯運(yùn)行后的非計劃延伸運(yùn)行的功率能力分析，需要對實際的延伸運(yùn)行史進(jìn)行模擬以驗證是否滿足RSAC的要求。本文僅對華龍一號延伸運(yùn)行功率能力分析的方法和內(nèi)容進(jìn)行了初步分析，具體研究有待進(jìn)一步開展。

參考文獻(xiàn)

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[3] 李向陽，劉啟偉.華龍一號反應(yīng)堆177堆芯核設(shè)計[J].核動力工程，2019（1）：8-15.