姚進(jìn)國(guó)，李旭東，楊曉強(qiáng)，李載鵬，楊高升

(中國(guó)核電江蘇核電有限公司，江蘇 連云港 222042)

中國(guó)核電有限公司旗下的田灣核電站一期工程兩臺(tái)機(jī)組采用俄羅斯的WWER-1000/428型反應(yīng)堆裝置，并于2007年5月和8月兩臺(tái)機(jī)組相繼投入商業(yè)運(yùn)行，設(shè)計(jì)循環(huán)長(zhǎng)度7 000 h，換料周期為年度換料，負(fù)荷因子80%，與國(guó)內(nèi)外核電機(jī)組相比，其運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性偏低。為了提高田灣核電站機(jī)組運(yùn)行的負(fù)荷因子及核電站經(jīng)濟(jì)性，田灣核電站通過(guò)引進(jìn)高性能TVS-2M燃料組件，采用18個(gè)月燃料循環(huán)換料策略，并確定在一、二號(hào)機(jī)組第8燃料循環(huán)逐步開(kāi)始向18個(gè)月燃料循環(huán)過(guò)渡。

2010年12月，TVS-2M先導(dǎo)組件的方案設(shè)計(jì)及堆芯論證工作完成，并獲得國(guó)家核安全局的批準(zhǔn)。一號(hào)機(jī)組第5燃料循環(huán)反應(yīng)堆堆芯由157個(gè)AFA燃料組件和6個(gè)TVS-2M先導(dǎo)燃料組件組成，目前6個(gè)先導(dǎo)組件正運(yùn)行在第7燃料循環(huán)，運(yùn)行考驗(yàn)情況良好，為田灣核電站一、二號(hào)機(jī)組實(shí)施長(zhǎng)周期換料策略奠定了基礎(chǔ)。鑒于TVS-2M燃料組件與目前田灣核電站使用的AFA組件在結(jié)構(gòu)上存在較大差異，為了確保過(guò)渡堆芯的安全和可靠運(yùn)行，通過(guò)在機(jī)組上的試驗(yàn)測(cè)量來(lái)驗(yàn)證TVS-2M燃料組件的性能及與AFA燃料組件的相容性，同時(shí)驗(yàn)證熱工水力設(shè)計(jì)程序計(jì)算模型的合理性以及計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的符合性。

1 TVS-2M先導(dǎo)組件特點(diǎn)

與AFA組件相比，TVS-2M組件在設(shè)計(jì)上的改進(jìn)主要包括：1) 定位格架與導(dǎo)向管采用焊接方式；2) 定位格架數(shù)量減少，格架外條帶的厚度和寬度增加；3) 燃料棒活性段兩端長(zhǎng)度增加；4) 燃料芯塊外徑增加，芯塊中心孔減小等。通過(guò)上述改進(jìn)，提高了TVS-2M組件的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，并增加了燃料裝載量。燃料最大運(yùn)行時(shí)間延長(zhǎng)到40 000 h，設(shè)計(jì)的最大燃耗為60 MW·d/kgU[1-2]。TVS-2M燃料組件與AFA燃料組件參數(shù)對(duì)比列于表1。

表1 TVS-2M與AFA燃料組件主要參數(shù)對(duì)比

2 穩(wěn)態(tài)熱工水力分析

熱工水力分析的目的是驗(yàn)證反應(yīng)堆穩(wěn)態(tài)工況下的參數(shù)是否滿(mǎn)足熱工水力設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，即在滿(mǎn)足“雙95%”條件下，燃料棒外表面不發(fā)生DNB；燃料包殼外表面最大溫度不超過(guò)352 ℃；燃料芯塊最高溫度應(yīng)低于熔化溫度。穩(wěn)態(tài)熱工分析的主要參數(shù)包括通過(guò)反應(yīng)堆和燃料組件的流量、燃料組件的冷卻劑溫升、堆芯壓降、燃料棒包殼外表面最大溫度、堆芯出口冷卻劑過(guò)冷度以及最小DNBR等。

2.1 計(jì)算程序簡(jiǎn)介

穩(wěn)態(tài)熱工水力分析采用STAR-1和PUCHOK-1000穩(wěn)態(tài)計(jì)算程序。STAR-1用于計(jì)算一回路冷卻劑溫度、流量、壓降、燃料組件冷卻劑流量及比焓分布等總體參數(shù)。STAR-1將反應(yīng)堆和一回路視作1個(gè)水力網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)每段范圍內(nèi)冷卻劑都是一維流動(dòng)，在堆芯段和蒸汽發(fā)生器管束段內(nèi)都是一維熱交換[3]。

PUCHOK-1000計(jì)算程序是計(jì)算燃料棒束的穩(wěn)態(tài)子通道熱工水力分析程序，根據(jù)沿棒束截面和高度的冷卻劑局部參數(shù)(比焓、質(zhì)量流密度)，計(jì)算臨界熱流密度和表面?zhèn)鳠嵛C(jī)裕度及棒束內(nèi)表面?zhèn)鳠嵛C(jī)裕度因子的最小值，并確定其所在的計(jì)算坐標(biāo)(網(wǎng)格序號(hào)和沿高度的段序號(hào))[4]。

PUCHOK-1000程序考慮堆芯燃料組件的徑向、軸向功率分布，非均勻幾何，子通道的湍流攪混以及燃料棒與冷卻劑之間的傳熱。在求解計(jì)算棒束內(nèi)局部熱工水力參數(shù)的方程組時(shí)，采用了平分間隔法以及利用松弛因子的簡(jiǎn)單迭代法，以保證求解能量方程所需的穩(wěn)定性。

采用的臨界熱流密度關(guān)系式是根據(jù)帶格架的棒束實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)歸納得出的Gidropress關(guān)系表達(dá)式：

qDNB=0.95(1-x)-0.95+0.105p·

式中：qDNB為均勻功率分布條件下用Gidropress關(guān)系式計(jì)算的均勻臨界熱流密度，MW/m2；x為發(fā)生DNB點(diǎn)的相對(duì)含汽率，范圍為-0.07～0.4；p為壓力，范圍為7.45～16.7 MPa；ρw為質(zhì)量流速，范圍為700～3 800 kg/(m2·s)。

2.2 穩(wěn)態(tài)計(jì)算輸入

計(jì)算中考慮了最保守的參數(shù)偏差組合，4臺(tái)冷卻劑泵運(yùn)行工況下，考慮參數(shù)偏差的反應(yīng)堆熱工水力主要輸入?yún)?shù)列于表2。

表2 反應(yīng)堆熱工水力設(shè)計(jì)主要輸入?yún)?shù)

3 計(jì)算結(jié)果

3.1 AFA燃料組件與TVS-2M先導(dǎo)燃料組件堆芯熱工參數(shù)對(duì)比

AFA燃料組件堆芯和裝入6組先導(dǎo)燃料組件堆芯的計(jì)算結(jié)果表明：裝入6組TVS-2M先導(dǎo)燃料組件堆芯較全AFA燃料組件堆芯的反應(yīng)堆流量減少0.06%；通過(guò)TVS-2M燃料組件的冷卻劑流量較AFA燃料組件減少7%左右[5]?？紤]保守的參數(shù)偏差組合，第5～8燃料循環(huán)裝有6組TVS-2M先導(dǎo)組件堆芯的熱工水力參數(shù)計(jì)算結(jié)果列于表3。

3.2 試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果

為驗(yàn)證從第5燃料循環(huán)裝入6組TVS-2M先導(dǎo)燃料組件堆芯設(shè)計(jì)和運(yùn)行安全準(zhǔn)則的滿(mǎn)足性，跟蹤測(cè)量第5～7燃料循環(huán)的堆芯熱工水力參數(shù)，在換料大修后反應(yīng)堆達(dá)到滿(mǎn)功率運(yùn)行狀態(tài)下完成了熱工水力參數(shù)的試驗(yàn)測(cè)量。測(cè)量的參數(shù)包括反應(yīng)堆功率，冷卻劑溫度，冷卻劑流量，以及反應(yīng)堆、一回路、蒸汽發(fā)生器壓力損失等熱工水力參數(shù)，熱工水力測(cè)量結(jié)果[6]表明，各項(xiàng)參數(shù)均滿(mǎn)足驗(yàn)收準(zhǔn)則，詳細(xì)試驗(yàn)結(jié)果列于表4。

表3 計(jì)算結(jié)果

表4 熱工水力測(cè)量試驗(yàn)結(jié)果

續(xù)表4

另外，在機(jī)組大修卸料期間完成對(duì)燃料組件的變形檢查測(cè)量，測(cè)量結(jié)果表明，燃料組件變形的形式主要有S形和C形兩種，不同燃料循環(huán)下組件的最大變形量均小于參考限值，TVS-2M組件在同等條件下較AFA組件的變形量小[7]，該測(cè)量結(jié)果與俄羅斯核電站TVS-2M組件應(yīng)用實(shí)踐基本相符[8-9]。測(cè)量結(jié)果列于表5。

表5 燃料組件最大變形量測(cè)量結(jié)果

4 結(jié)論

田灣核電站一號(hào)機(jī)組從第5燃料循環(huán)裝入6組TVS-2M先導(dǎo)燃料組件，反應(yīng)堆穩(wěn)態(tài)熱工水力分析結(jié)果表明，堆芯熱工水力設(shè)計(jì)參數(shù)滿(mǎn)足穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則要求；機(jī)組運(yùn)行中堆芯熱工水力參數(shù)實(shí)測(cè)結(jié)果以及燃料組件變形檢查表明，堆芯各熱工水力參數(shù)滿(mǎn)足試驗(yàn)驗(yàn)收準(zhǔn)則要求，TVS-2M燃料組件在同等條件下較AFA燃料組件的變形量小，燃料組件變形量遠(yuǎn)低于參考限值。通過(guò)對(duì)裝入先導(dǎo)燃料組件堆芯的熱工水力分析及試驗(yàn)測(cè)量，驗(yàn)證了TVS-2M燃料組件的運(yùn)行性能及與AFA燃料組件的相容性，保證堆芯在過(guò)渡循環(huán)下的運(yùn)行可靠性和安全性，同時(shí)驗(yàn)證了熱工水力設(shè)計(jì)程序計(jì)算模型的合理性以及計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的符合性。

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