CNP600機組延伸運行的研究

楊 嗣 劉 臻 沈亞杰 高永恒 王澄瀚

（中核核電運行管理有限公司，浙江 海鹽 314300）

0 前言

隨著核電機組的增多，各機組按照設(shè)計循環(huán)長度同時大修的情況時有發(fā)生。另外，隨著核電在電網(wǎng)中所占比例逐漸增大，電網(wǎng)也對核電錯峰大修等要求越來越高。基于以上原因，機組延伸運行成為一種迫切的需求，在適當(dāng)?shù)臋C組循環(huán)實施延伸運行時可以提高停堆大修窗口安排的靈活性，提高燃料經(jīng)濟性，也可以滿足電網(wǎng)要求。

1 延伸運行原理

隨著燃耗增加，易裂變核素減少，熱中子利用系數(shù)f降低，導(dǎo)致反應(yīng)堆有效增殖系數(shù)Keff降低，為了維持臨界狀態(tài)，需要不斷引入正反應(yīng)性。在常規(guī)的功率運行過程中，是通過不斷稀釋降低硼濃度和提升控制棒來實現(xiàn)的，其中降低硼濃度提供了絕大部分正反應(yīng)性。但是在壽期末，一回路硼濃度通常只有10ppm左右，控制棒能提升的步數(shù)也很有限，并沒有進一步引入正反應(yīng)性的空間，只能通過延伸運行的方式的方式保持反應(yīng)堆功率運行。

延伸運行分為降參數(shù)延伸運行和降功率延伸運行。CNP600機組由于沒有進行專項論證，暫不具備實施降參數(shù)延伸運行的條件，只考慮以降功率的方式來延伸運行。

降功率后，堆芯釋放正反應(yīng)性以延伸運行，反應(yīng)性釋放來源有：

（1）功率虧損：當(dāng)功率降低時，燃料溫度下降，多普勒效應(yīng)導(dǎo)致鈾-238對中子的共振吸收減少，有更多的快中子被慢化成熱中子，使Keff增加，即引入正反應(yīng)性，通常稱此為釋放功率虧損，這是降功率延伸運行中反應(yīng)性的主要來源。

（2）氙毒：機組降低功率運行，堆芯的平衡氙毒變小，釋放出正反應(yīng)性。

（3）慢化劑溫度反饋：在降功率延伸運行中，堆芯功率降低也伴隨有慢化劑溫度的降低，由于CNP600機組是在欠慢化區(qū)運行，故溫度降低也會引入正反應(yīng)性。但通常計算中慢化劑溫度反饋已經(jīng)包含在功率虧損中，不作單獨考慮。

（4）提升控制棒：電廠運行技術(shù)規(guī)格書規(guī)定，控制棒組D應(yīng)位于咬量位置以下運行。在壽期末可以使控制棒組D盡量接近咬量位置，從而釋放一部分反應(yīng)性。但是在電廠實際運行過程中，需要實施延伸運行時，控制棒已經(jīng)處于較高位置，為了保證控制棒有一定的控制調(diào)整裕量，能夠應(yīng)對氙震蕩等突發(fā)情況，不應(yīng)把控制棒置于過于接近咬量的位置，所以通常進行延伸運行時不考慮通過提升控制棒進行反應(yīng)性釋放。

2 延伸運行計算

2.1 降功率方式

在降功率延伸運行時，若一次降功率幅度較大，則由于功率虧損，降功率后需要進行硼化操作，而且在隨后的氙毒變化過程中又需要進行稀釋或除硼，這些都對電廠運行的操作性和經(jīng)濟性造成不利影響，特別是在壽期末堆芯硼濃度很低時，一回路硼濃度的頻繁調(diào)整在操作上非常困難。因而，通常采取逐步降功率的方式?？紤]到電廠實際報表、工作等一般以天為單位，逐步降功率也以天為周期為宜。

2.2 燃耗效應(yīng)

因為在正常功率運行期間，燃耗效應(yīng)引入的負反應(yīng)性主要靠對一回路硼濃度進行稀釋釋放出的正反應(yīng)性來平衡，所以燃耗效應(yīng)的反應(yīng)性可以通過延伸運行前一階段的硼濃度變化來間接求得。

以CNP600機組某循環(huán)為例，如表1所示。

表1 以CNP600機組某循環(huán)硼降速率

根據(jù)該循環(huán)的《核設(shè)計報告》查詢可得壽期末硼微分價值為-7.56pcm/ppm，可得每天由燃耗效應(yīng)引入的反應(yīng)性ρ=3.783ppm/d×（-7.56pcm/ppm）=-28.60pcm/d。

2.3 功率虧損

根據(jù)圖1《核設(shè)計報告》中該循環(huán)的功率虧損曲線，可知在壽期末需要延伸運行時功率虧損值為3142ppm/100%FP=31.42pcm/%FP。

圖1 CNP600機組某循環(huán)《核設(shè)計報告》的功率虧損曲線

2.4 平衡氙毒

根據(jù)圖2《核設(shè)計報告》中該循環(huán)的氙毒曲線，可以認為在一小段功率范圍內(nèi)變化接近線性，則在滿功率至75%這段范圍內(nèi)的平衡氙毒為（2722-2507）pcm/（100-75）%FP=8.6pcm/%FP。需要注意的是氙毒并不是在降功率時立即降低到平衡氙毒，而是有一個先漲毒再消毒的過程。但是由于漲毒幅度很小，在幾個pcm之間，可以靠機組溫度等自我調(diào)節(jié)應(yīng)對，不會造成劇烈的功率峰波動，隨后機組可以緩慢消毒，直至下一次降功率。

圖2 CNP600機組某循環(huán)《核設(shè)計報告》的氙毒曲線

2.5 反應(yīng)性平衡計算

通過降功率延伸運行的方法時，因為當(dāng)功率虧損與平衡氙毒變化之和與燃耗效應(yīng)釋放的負反應(yīng)性相加等于0時，即達成反應(yīng)性平衡。由2.2-2.4計算可知，該機組循環(huán)降功率延伸運行時降功率速率為：

按照CNP600機組當(dāng)前的熱效率，0.71%FP核功率對應(yīng)電功率約為5MW。同時，因為進行降功率時是對電功率進行設(shè)定操作，考慮到便捷性，可設(shè)置電功率下降速率為5MW/d，即進行延伸運行時每天降低電功率5MW就能實現(xiàn)反應(yīng)性平衡。

繼續(xù)以該機組循環(huán)對上述各參數(shù)進行計算，結(jié)果如圖3所示，其中正反應(yīng)變化為功率虧損與氙毒反應(yīng)性之和；燃耗效應(yīng)反應(yīng)性實際為負值，為了便于作圖對比，在圖中以正值給出。

圖3 反應(yīng)性平衡曲線

圖中正反應(yīng)變化為功率虧損與氙毒反應(yīng)性之和，從圖中可以看出，該機組循環(huán)按照電功率5MW/d進行降功率延伸運行時，在降功率的前幾個小時，由于功率虧損基本是瞬時變化，氙毒的變化速度也比較快，引入的正反應(yīng)性會大于燃耗效應(yīng)引入的負反應(yīng)性。隨著機組的運行，燃耗效應(yīng)不斷引入負反應(yīng)性，在降功率后24小時左右，燃耗效應(yīng)所引入的負反應(yīng)性應(yīng)與功率虧損、氙毒變化引入的正反應(yīng)性之和基本相同，即達成反應(yīng)性平衡，完成一天的降功率延伸運行，可以進行下一天的降功率操作。

3 延伸運行實施及其他事項

3.1 延伸運行實施

繼續(xù)以上述某機組為例，在7月18日硼濃度達到10ppm，從7月18日開始以1MWe/min的速率降低電功率5MW，直至達到計劃停堆日期。實際實施時不一定必須在機組運行至10ppm時才開始降功率，要綜合考慮需要延伸的天數(shù)、燃耗限值等因素。

3.2 其他調(diào)整

實施延伸運行時，除了考慮堆芯反應(yīng)性平衡等堆芯物理相關(guān)因素外，還需要對一回路溫度定值、GCTC參數(shù)、RGL系統(tǒng)報警定值、PZR水位等進行調(diào)整，以匹配堆芯核功率降低、一回路溫度降低等新的狀態(tài)。

3.3 風(fēng)險分析

（1）燃耗超限：實施延伸運行時，要關(guān)注堆芯燃耗及組件燃耗，防止超過設(shè)計限值。若發(fā)現(xiàn)以天為單位進行的降功率延伸存在燃耗超限等風(fēng)險時，可以以更長時間為周期進行降功率，即每次更大幅度地降低功率，用更長運行時間的燃耗效應(yīng)去平衡功率虧損，以達到降低停堆燃耗的目的。

（2）氙震蕩：以天為周期進行降功率延伸運行時，每次降功率幅度小，氙毒變化有限，變化比較平穩(wěn)，通常不會對運行控制產(chǎn)生明顯影響。但由于控制棒棒位較高，控制能力有限，機組仍應(yīng)盡量避免非必要的瞬變，同時密切監(jiān)視氙毒、△I等參數(shù)。當(dāng)機組以更長周期、更大幅度進行降功率延伸時，更應(yīng)注意避免瞬變和加強監(jiān)視。

4 結(jié)論

經(jīng)過理論計算和實際操作，在CNP600機組上進行降功率延伸運行是可行的，特別是選取一天為周期進行延伸運行時，堆芯變化平穩(wěn)，不會對機組運行控制產(chǎn)生明顯影響。近幾年，CNP600各機組己大體按照上述方案實施了數(shù)次延伸運行。具備成熟的降功率延伸運行方案后，提高了機組運行靈活性和機組經(jīng)濟效益，也滿足了電網(wǎng)日趨復(fù)雜的發(fā)電需求。