基于核電站模擬機(jī)的燃料循環(huán)無繞切換過程仿真研究

李海波

摘 要 核電站全范圍模擬機(jī)，需要選定實(shí)際機(jī)組作為其參考機(jī)組。采用18個(gè)月?lián)Q料方案的核電機(jī)組，隨著其投入商業(yè)運(yùn)行及歷次大修的完成，燃料循環(huán)將由首循環(huán)逐步過渡到18個(gè)月?lián)Q料循環(huán)。當(dāng)參考機(jī)組進(jìn)入18個(gè)月?lián)Q料循環(huán)，模擬機(jī)即具備使用18個(gè)月?lián)Q料相關(guān)數(shù)據(jù)（代替設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)）建立18個(gè)月?lián)Q料場(chǎng)景初態(tài)的條件。本文以18個(gè)月?lián)Q料方案為背景，討論在核電站模擬機(jī)上實(shí)現(xiàn)不同燃料循環(huán)無繞切換的仿真方法。

關(guān)鍵詞 模擬機(jī);燃料循環(huán);無繞切換

引言

壓水堆（PWR）最初是美國(guó)為核潛艇設(shè)計(jì)的一種熱中子堆堆型。美國(guó)Nautilus壓水堆核潛艇于1955年4月27日下水，陸上Shippingport壓水堆核電站于1957年12月投入運(yùn)行，經(jīng)過幾十年的努力，這種堆型得到了很大的發(fā)展，通過一系列的重大改進(jìn)，已經(jīng)成為技術(shù)上成熟的一種堆型。為了兼顧堆芯設(shè)計(jì)的先進(jìn)性、燃料經(jīng)濟(jì)性和控制工程風(fēng)險(xiǎn)，目前商運(yùn)的核電機(jī)組很多采用12個(gè)月轉(zhuǎn)18個(gè)月?lián)Q料的燃料管理方案，即首循環(huán)采用年度換料模式，并采用釓作為可燃讀物，從第二循環(huán)開始快速向18個(gè)月?lián)Q料過渡。

核電站全范圍模擬機(jī)，需要選定實(shí)際機(jī)組作為其參考機(jī)組;采用18個(gè)月?lián)Q料方案的核電機(jī)組，隨著其投入商業(yè)運(yùn)行及歷次大修的完成，燃料循環(huán)將由首循環(huán)逐步過渡到18個(gè)月?lián)Q料循環(huán)。當(dāng)參考機(jī)組進(jìn)入18個(gè)月?lián)Q料循環(huán)，模擬機(jī)即具備使用18個(gè)月?lián)Q料相關(guān)數(shù)據(jù)（代替設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)）建立18個(gè)月?lián)Q料場(chǎng)景初態(tài)的條件。本文以18個(gè)月?lián)Q料方案為背景，討論在核電站模擬機(jī)上實(shí)現(xiàn)不同燃料循環(huán)無繞切換的仿真方法。

1堆芯及燃料組件

假定某反應(yīng)堆由眾多個(gè)燃料組件組成，堆芯額定熱功率近3000MW，反應(yīng)堆運(yùn)行壓力為15MPa左右，反應(yīng)堆冷卻劑總流量為7萬m3/h左右。每個(gè)燃料組件包括264根燃料棒（部分燃料棒載有釓可燃讀物）、24根鋯-4材料的導(dǎo)向管（用以放置控制棒組件、中子源組件和阻流塞組件）和1根鋯-4材料的儀表導(dǎo)向管，他們按17X17方陣排列成正方形柵格，共289根棒位。冷態(tài)時(shí)相鄰燃料組件的中心距離為約為20cm。

在18個(gè)月?lián)Q料管理策略中，共使用了11種類型的組件，其中首循環(huán)6種，后續(xù)循環(huán)5種，分別描述如下：

U-235富集度為1.9%的燃料組件：不含釓棒或含4根釓棒;

U-235富集度為2.5%的燃料組件：含4根或含8根釓棒;

U-235富集度為3.2%的燃料組件：不含釓棒或含12根釓棒;

U-235富集度為4.5%的燃料組件：不含釓棒或含8根、16根、20根、24根釓棒[1]。

218個(gè)月?lián)Q料過程

首循環(huán)采用12個(gè)月，經(jīng)過2個(gè)過渡循環(huán)后進(jìn)入平衡循環(huán)（短循環(huán)和長(zhǎng)循環(huán)交替運(yùn)行），在燃料管理策略里，基于平衡循環(huán)方案，對(duì)其進(jìn)行了一定程度的靈活性研究，包括在平衡循環(huán)的后續(xù)循環(huán)里考慮±4個(gè)新組件時(shí)堆芯特性的可能變化，以及平衡循環(huán)提前18EFPD（等效滿功率天）停堆或延長(zhǎng)燃耗運(yùn)行28EFPD后的堆芯變化特性等。靈活性循環(huán)詳細(xì)策略如下：

L1循環(huán)是跟在平衡循環(huán)的短循環(huán)（S0）后面，并考慮了75（ 71+4 ）組新組件長(zhǎng)循環(huán);

L3循環(huán)是跟在平衡循環(huán)的短循環(huán)（S0）后面，并考慮了S0（ 72+4 ）組新組件長(zhǎng)循環(huán);

S1循環(huán)是跟在平衡循環(huán)的長(zhǎng)循環(huán)（L0）后面，并考慮了65（ 69-4 ）組新組件短循環(huán);

S3循環(huán)是跟在平衡循環(huán)的長(zhǎng)循環(huán)（L0）后面，并考慮了L0提早18 EFPD停堆的短循環(huán)。

3不同燃料壽期無繞切換過程仿真

18個(gè)月?lián)Q料方案是一個(gè)從12個(gè)月?lián)Q料逐漸過渡到18個(gè)月?lián)Q料的過程，中間經(jīng)歷了2個(gè)過渡循環(huán)，過渡循環(huán)換料后的培訓(xùn)用的不是很多，且只在18個(gè)月?lián)Q料的第二，三周期時(shí)有用，對(duì)于后續(xù)平衡循環(huán)后，過渡循環(huán)的初態(tài)將被廢棄，因此模擬機(jī)中無須建立過渡循環(huán)的初態(tài)，只需要建立第四循環(huán)（短循環(huán)）和第五循環(huán)（長(zhǎng)循環(huán)）壽期初態(tài)即可。

3建立不同壽期初態(tài)，需要做以下幾個(gè)方面的工作：

（1）功率-棒位曲線切換。虛擬DCS 功率控制機(jī)柜邏輯參考實(shí)際機(jī)組DCS邏輯設(shè)計(jì)，其中只有一條功率-棒位曲線，為實(shí)現(xiàn)無繞切換，需要手動(dòng)添加多條曲線，以便建立不同壽期初始工況;從DCS引出DI點(diǎn)，通過模擬機(jī)通信工具生成通訊點(diǎn)表，通過工況存儲(chǔ)即可實(shí)現(xiàn)功率-棒位曲線切換。不同的壽期功率-棒位曲線數(shù)據(jù)需要重新標(biāo)定和下裝。

（2）堆芯平衡計(jì)算文件切換。堆芯平衡計(jì)算文件存儲(chǔ)在虛擬DCS服務(wù)器中，包含BOL、MOL、EOL文件夾，即對(duì)應(yīng)壽期初、中、末三種壽期。將需要的壽期文件夾下面的堆芯平衡計(jì)算文件參數(shù)表選擇為使用。

（3）燃料文件切換。模擬機(jī)中反應(yīng)堆燃料裝載的調(diào)整通過修改燃料文件切換參數(shù)來實(shí)現(xiàn)。模擬機(jī)可提供多個(gè)循環(huán)（第一循環(huán)、短循環(huán)和長(zhǎng)循環(huán)）和多個(gè)壽期（壽期處氙平衡、壽期中和壽期末）多爐料供用戶選擇。它們通過一個(gè)十進(jìn)制數(shù)來控制，十進(jìn)制的十位表示燃料循環(huán)，各位表示壽期，他們的組合就得到了多爐料之一，一旦選取了某爐料，模擬機(jī)就會(huì)在運(yùn)行時(shí)讀取相應(yīng)的燃料相關(guān)文件。如11表示首循環(huán)壽期初，21表示短循環(huán)壽期初，以此類推。燃料文件對(duì)應(yīng)的文件所在位置在服務(wù)器燃料文件夾中。

換料操作以修改為長(zhǎng)循環(huán)壽期末為例：①加載一個(gè)穩(wěn)定的滿功率工況，運(yùn)行一步凍結(jié);②將堆芯平衡計(jì)算熱工和物理控制命令控制值修改為39;③將燃料文件修改為33;④重新存儲(chǔ)一個(gè)工況;⑤卸載當(dāng)前工況后加載這個(gè)工況，在服務(wù)器后臺(tái)命令行窗口中確認(rèn)燃料切換成功。

（4）參數(shù)調(diào)整優(yōu)化。由于滿功率時(shí)，各個(gè)壽期熱工參數(shù)是相同的，因此我們?cè)趽Q料調(diào)整過程中，可以凍結(jié)熱工計(jì)算，然后通過一次性同步堆芯硼濃度功能將反映的有效增值系數(shù)調(diào)整到1附近，待堆芯計(jì)算穩(wěn)定后，再放開熱工參數(shù)計(jì)算。最后調(diào)整堆芯平衡計(jì)算電壓，使軸向功率傾斜在允許的范圍內(nèi)，即完成了壽期初態(tài)建立過程。

4結(jié)束語

由于燃料消耗以及反應(yīng)性控制、試驗(yàn)檢查的要求，壓水堆核電站都要制定一套適應(yīng)性的換料方案，常見的換料方式有年度換料、18個(gè)月?lián)Q料、24個(gè)月?lián)Q料等，無論哪種換料方式，模擬機(jī)都需要建立與之對(duì)應(yīng)的培訓(xùn)場(chǎng)景。本文提供的燃料循環(huán)無繞切換過程仿真，是模擬機(jī)實(shí)現(xiàn)不同燃耗場(chǎng)景切換的一般性過程和方法，值得模擬機(jī)開發(fā)設(shè)計(jì)人員及模擬機(jī)維護(hù)人員參考借鑒。

參考文獻(xiàn)

[1] 吳紅艷.基于IoT的核電站電源切換試驗(yàn)仿真推演及風(fēng)險(xiǎn)控制研究[D].武漢：武漢大學(xué)，2018.