核電廠18個(gè)月?lián)Q料過(guò)渡循環(huán)靈活性論證及應(yīng)用

李文海

（陽(yáng)江核電有限公司技術(shù)部，廣東 陽(yáng)江 529500）

0 引言

某省每年1 月～2 月和9 月～10 月均為電網(wǎng)電力負(fù)荷低谷，在此期間核電廠將面臨減載甚至長(zhǎng)時(shí)間停備。核電廠需要根據(jù)電網(wǎng)特性制定相應(yīng)的大修規(guī)劃，將大修窗口落在電網(wǎng)負(fù)荷低谷，實(shí)現(xiàn)電廠經(jīng)營(yíng)效益最大化。某核電廠的燃料管理方案為首循環(huán)含釓棒的18個(gè)月?lián)Q料方案，首循環(huán)設(shè)計(jì)的循環(huán)長(zhǎng)度為332等效滿(mǎn)功率天（EFPD），反應(yīng)堆從第2循環(huán)（C02循環(huán)）開(kāi)始快速向18個(gè)月?lián)Q料過(guò)渡，第2、3循環(huán)（C02、C03循環(huán)）長(zhǎng)度分別為450和505EFPD，均作為過(guò)渡循環(huán)。最終安全分析報(bào)告（FSAR）中對(duì)過(guò)渡循環(huán)的裝載方案有嚴(yán)格的限定，導(dǎo)致過(guò)渡循環(huán)不具備靈活性。受工程建設(shè)進(jìn)度和商運(yùn)時(shí)間的影響，部分機(jī)組過(guò)渡循環(huán)大修窗口與電網(wǎng)負(fù)荷低谷不匹配，嚴(yán)重影響了經(jīng)濟(jì)效益。該文以該核電廠2號(hào)機(jī)組為例，介紹C03循環(huán)過(guò)渡循環(huán)靈活性論證、特定反應(yīng)性事故補(bǔ)充安全分析、對(duì)執(zhí)照文件影響及啟動(dòng)物理試驗(yàn)結(jié)果。

1 燃料管理方案

某核電廠2號(hào)機(jī)組C03循環(huán)原設(shè)計(jì)長(zhǎng)度為505EFPD，導(dǎo)致第3次大修落在2019年3 月～4 月，無(wú)法利用當(dāng)年的春節(jié)停備期。這樣的大修安排，嚴(yán)重影響了電廠。如果提前停堆，也將造成一定的棄料損失。

C03循環(huán)長(zhǎng)度的優(yōu)化方案是從原505EFPD減少為435.9EFPD，新組件數(shù)量從72組減少為64組，從而實(shí)現(xiàn)了第3次大修安排在春節(jié)期間。后續(xù)循環(huán)在平衡循環(huán)及靈活性循環(huán)的框架下就可以實(shí)現(xiàn)大修落在春節(jié)或國(guó)慶期間的目的。原方案和優(yōu)化方案的堆芯主要參數(shù)見(jiàn)表1。

通過(guò)表1可看出，C03循環(huán)新裝載方案需要入堆64組新燃料組件，堆芯主要參數(shù)被FSAR包絡(luò)。

為了評(píng)價(jià)C03循環(huán)換料方案優(yōu)化后對(duì)后續(xù)循環(huán)的影響，需要計(jì)算并評(píng)價(jià)C04/C05的堆芯裝載方案，這2個(gè)循環(huán)的堆芯主要參數(shù)匯總見(jiàn)表2。結(jié)果表明，這2個(gè)循環(huán)的裝載方案仍然被FSAR包絡(luò)。在C04/C05具體的換料設(shè)計(jì)當(dāng)中，將進(jìn)一步全面論證堆芯裝載方案的安全性。

2 安全評(píng)價(jià)及分析

換料堆芯的安全分析評(píng)價(jià)的基本原理是采用“安全邊界”的概念，一般即FSAR確定的邊界限值。換料安全評(píng)價(jià)對(duì)于給定的事故，當(dāng)換料堆芯的所有與事故相關(guān)的參數(shù)都保守的處于FSAR安全分析所用值的邊界限值以?xún)?nèi)時(shí)，則FSAR的結(jié)論是適用的，從而保證了該換料堆芯對(duì)給定事故的安全性；反之，當(dāng)換料堆芯的關(guān)鍵安全參數(shù)超出FSAR安全分析的邊界限值時(shí)，就需要對(duì)換料堆芯的有關(guān)事故進(jìn)行安全再分析，以確定該超限參數(shù)對(duì)堆芯安全性的影響[1]。盡管采用64組新燃料組件數(shù)量的新裝載方案與FSAR規(guī)定的過(guò)渡循環(huán)裝載方案不一致，但是經(jīng)過(guò)計(jì)算證明，通用關(guān)鍵安全參數(shù)能夠被FSAR安全邊界限值包絡(luò)。然而裝載方案的不同導(dǎo)致了特定功率分布的差異，因此需要針對(duì)新方案進(jìn)行補(bǔ)充安全分析論證，其范圍限于與特定功率分布密切相關(guān)的反應(yīng)性事故即次臨界或低功率啟動(dòng)時(shí)控制棒組失控提出事故、功率運(yùn)行時(shí)單束控制棒失控提出事故、彈棒事故、落棒事故、不可控硼稀釋事故及主蒸汽管道破裂事故[2]。

表1 C03優(yōu)化前后裝載方案堆芯主要參數(shù)對(duì)照

表2 C04/C05裝載方案堆芯主要參數(shù)匯總

2.1 次臨界或低功率啟動(dòng)工況下控制棒組件失控提出事故

控制棒組（RCCA）提出事故定義為控制棒組件提出使堆芯反應(yīng)性失控增加的事故。該瞬態(tài)是由反應(yīng)堆控制系統(tǒng)或棒控系統(tǒng)的失效導(dǎo)致的。對(duì)于連續(xù)的反應(yīng)性引入，中子通量快速上升，直到被多普勒負(fù)反應(yīng)性反饋所終止。這一功率劇增的自我限制是至關(guān)重要的，因?yàn)樗鼘⒈Ｗo(hù)動(dòng)作延遲時(shí)間內(nèi)的功率提升限制在可接受的水平。

該事故的分析目的是驗(yàn)證瞬態(tài)過(guò)程中滿(mǎn)足以下3個(gè)限制準(zhǔn)則，以保證燃料沒(méi)有損壞的風(fēng)險(xiǎn)：1） 偏離泡核沸騰比（DNBR）須始終高于設(shè)計(jì)限值1.19。2） 燃料芯塊中心最高溫度始終低于燃料熔化溫度2 590 ℃。3） 通過(guò)計(jì)算分析，新方案的燃料芯塊中心最高溫度為1 813 ℃，事故中最小DNBR為1.25，均滿(mǎn)足設(shè)計(jì)限值的要求，說(shuō)明在該事故過(guò)程中沒(méi)有燃料元件的燒毀或損壞。

2.2 彈棒事故

彈棒事故是由于控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)壓力外殼機(jī)械損壞，從而導(dǎo)致棒束控制組件及驅(qū)動(dòng)桿彈出堆芯的事故。該事故后果為快速引入正反應(yīng)性，從而導(dǎo)致堆芯功率的快速增長(zhǎng)，再加上不利的堆芯功率分布，可能導(dǎo)致局部燃料棒破損和燃料熔化。

彈棒事故計(jì)算分析結(jié)果表明所有的限制準(zhǔn)則都能滿(mǎn)足5點(diǎn)：1） 熱點(diǎn)處燃料芯塊平均焓值547 J/g，低于837 J/g的限值。2） 燃料芯塊熔化份額為0，小于10%限值。3） 熱點(diǎn)處的包殼內(nèi)壁溫度1 010 ℃，低于防止脆化安全限值1 482 ℃。4） 發(fā)生偏離泡核沸騰（DNB）的燃料棒占堆芯全部份額4%，在10%限值內(nèi)。5） 冷卻劑壓力峰值為15.94 MPa，低于使應(yīng)力超過(guò)事故工況應(yīng)力的限值18.95 MPa。

2.3 功率下單棒失控提出事故

單個(gè)RCCA提出首先將導(dǎo)致反應(yīng)性的引入，使堆芯平均功率增加，其次將導(dǎo)致RCCA提出位置的燃料組件中產(chǎn)生局部功率峰。1個(gè)RCCA持續(xù)提出引起堆功率、溫度和熱通道因子增加。在RCCA提出位置附近的峰值因子將會(huì)上升，引起較小的DNBR。根據(jù)RCCA的初始插入狀態(tài)、提出RCCA的位置及發(fā)生事故時(shí)反應(yīng)堆所處壽期等因素影響，DNBR可能會(huì)低于限值，在局部燃料棒表面發(fā)生DNB。

該事故分析計(jì)算結(jié)果有以下2個(gè)：1） 發(fā)生DNB的燃料棒份額為1.5%，在5.0%的驗(yàn)收準(zhǔn)則內(nèi)。2） 包殼峰值溫度為1 112 ℃，低于1 482 ℃的驗(yàn)收準(zhǔn)則。

2.4 落棒事故

落棒事故是指由單一的電氣或機(jī)械故障引起的某一控制棒組中任意數(shù)目的控制棒落入堆芯的事故?？刂瓢袈淙攵研緯?huì)引入負(fù)反應(yīng)性，從而導(dǎo)致堆芯功率和反應(yīng)性降低。如果沒(méi)有觸發(fā)停堆保護(hù)動(dòng)作，堆芯功率下降及一二回路功率之間的不平衡導(dǎo)致堆芯入口溫度下降，在反應(yīng)性反饋和調(diào)節(jié)棒組動(dòng)作下，核功率回升達(dá)到一個(gè)新的平衡。如果調(diào)節(jié)棒組有足夠的反應(yīng)性，堆芯功率將返回初始水平，并可能出現(xiàn)短時(shí)間的超調(diào)。如果棒控系統(tǒng)處于手動(dòng)模式，堆芯功率經(jīng)歷單調(diào)變化返回1個(gè)新的平衡狀態(tài)，冷卻劑溫度最終在低于初始值處穩(wěn)定。如果堆芯保護(hù)不充分，由落棒引起的功率分布畸變和較高的堆芯功率水平將會(huì)導(dǎo)致在某些工況下發(fā)生DNB。

落棒事故的分析分為2個(gè)階段：1）包括確定不引起停堆的落棒組合方式。2）對(duì)前一階段遴選出的探測(cè)不到停堆的落棒組合方式的熱工水力瞬態(tài)分析和DNB計(jì)算。落棒事故分析結(jié)果表明：1） 對(duì)于可探測(cè)的負(fù)中子注量率變化率保護(hù)系統(tǒng)觸發(fā)反應(yīng)堆停堆的落棒組合方式已檢驗(yàn)。2） 對(duì)于不可探測(cè)的落棒組合方式，瞬態(tài)中的最小DNBR為1.46（EOL）大于DNBR限值1.35。3） 最?lèi)毫拥穆浒艄r發(fā)生在EOL，DNBR裕量為8.15%。

2.5 不可控硼稀釋事故

硼稀釋事故的起因包括3個(gè)：1） 操縱員操作錯(cuò)誤。2）水補(bǔ)給系統(tǒng)（REA）或化學(xué)和容積控制系統(tǒng)（RCV）故障。3） 二回路清水通過(guò)破損的蒸汽發(fā)生器傳熱管進(jìn)入一回路或設(shè)備冷卻水系統(tǒng)（RRI）中的清水通過(guò)余熱排出系統(tǒng)（RRA）的熱交換器破損傳熱管進(jìn)入一回路。該事故是清水注入反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)導(dǎo)致的堆芯反應(yīng)性增加事故。如果發(fā)生在停堆期間，堆芯可能重返臨界；如果發(fā)生在功率運(yùn)行期間，就可能導(dǎo)致DNB風(fēng)險(xiǎn)。對(duì)于換料和蒸汽發(fā)生器維修工況來(lái)說(shuō)，須保證操縱員有足夠的時(shí)間進(jìn)行干預(yù)，以防止堆芯重返臨界。對(duì)于功率運(yùn)行工況來(lái)說(shuō)，須保證操縱員有足夠的時(shí)間進(jìn)行干預(yù)，以防止堆芯在停堆后重返臨界。對(duì)于停堆工況，須保證在換料水箱的較高濃度硼水進(jìn)入堆芯前，堆芯具有一定的次臨界度。

分析結(jié)果表明，對(duì)換料和蒸汽發(fā)生器維修工況及功率運(yùn)行工況，考慮保護(hù)系統(tǒng)動(dòng)作，操縱員有足夠的干預(yù)時(shí)間，最保守工況發(fā)生在功率運(yùn)行工況的自動(dòng)控制模式，此時(shí)留給操縱員的干預(yù)時(shí)間為18 min；對(duì)停堆工況，考慮自動(dòng)防硼稀釋系統(tǒng)的動(dòng)作，最終堆芯具有一定的次臨界度，最小堆芯次臨界度為775×10-5，發(fā)生在熱停堆向冷停堆過(guò)渡工況。

2.6 主蒸汽管道破裂事故

主蒸汽管道斷裂引起的蒸汽排放，最初將使蒸汽流量增加，然后由于壓力下降，蒸汽流量減小。蒸汽發(fā)生器二次側(cè)排熱的增加導(dǎo)致反應(yīng)堆冷卻劑溫度和壓力下降。由于負(fù)的慢化劑溫度系數(shù)，冷卻劑的降溫導(dǎo)致停堆裕量減小。如果假設(shè)在緊急停堆后具有最大負(fù)反應(yīng)性的1組RCCA卡在完全抽出的位置，那么即使其他所有控制和停堆棒全部插入，堆芯也可能重返臨界且功率上升。在事故中RCCA本該插入?yún)s卡在堆外的燃料組件中會(huì)產(chǎn)生較大的熱通道因子，燃料元件表面有可能發(fā)生DNB。該事故的限制準(zhǔn)則是DNBR須始終高于限值1.18。

經(jīng)過(guò)分析，即使假設(shè)1組具有最大負(fù)反應(yīng)性的RCCA卡在完全抽出的位置時(shí)，優(yōu)化方案最小DNBR為1.63，說(shuō)明對(duì)于任何破口都不會(huì)出現(xiàn)DNB。

3 對(duì)執(zhí)照文件的影響

3.1 FSAR

C03循環(huán)變更后的堆芯裝載方案超出原FSAR的論證范圍，需要補(bǔ)充安全分析論證。經(jīng)過(guò)對(duì)受影響的反應(yīng)性事故進(jìn)行補(bǔ)充安全分析，結(jié)果表明堆芯反應(yīng)性事故分析能夠滿(mǎn)足安全準(zhǔn)則，證明FSAR的結(jié)論仍然有效，不涉及FSAR的修改。

3.2 運(yùn)行技術(shù)規(guī)范

運(yùn)行技術(shù)規(guī)范是FSAR的直接延伸，運(yùn)行技術(shù)規(guī)范依然適用于該循環(huán)，該文件不需要升版。

3.3 安全相關(guān)系統(tǒng)和設(shè)備定期試驗(yàn)監(jiān)督要求

C03循環(huán)長(zhǎng)度變更為435.9EFPD，小于18個(gè)月?lián)Q料燃料管理策略最長(zhǎng)循環(huán)長(zhǎng)度530EFPD。該核電廠18個(gè)月?lián)Q料周期性論證考慮的設(shè)備試驗(yàn)周期最長(zhǎng)為20個(gè)月。C03循環(huán)長(zhǎng)度變更后的燃料管理策略不影響定期試驗(yàn)的開(kāi)展，該文件不需要升版。

3.4 核電廠換料大綱

C03循環(huán)長(zhǎng)度變更僅僅針對(duì)該循環(huán)本身，并未改變?cè)摵穗姀S18個(gè)月?lián)Q料整體的燃料管理策略，且C03循環(huán)后續(xù)的堆芯裝載方案都在該核電廠換料大綱規(guī)定的堆內(nèi)燃料管理政策的范圍內(nèi)。因此，該文件不需要升版。

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用及結(jié)果

C03循環(huán)進(jìn)行達(dá)臨界及零功率物理試驗(yàn)、升功率平臺(tái)物理試驗(yàn)。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，堆芯臨界硼濃度、零功率控制棒價(jià)值和等溫溫度系數(shù)、各功率平臺(tái)堆芯安全參數(shù)均滿(mǎn)足設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)準(zhǔn)則，證明了該論證結(jié)果是可行的[3]。

4.1 控制棒積分價(jià)值

控制棒積分價(jià)值的測(cè)量可以驗(yàn)證控制棒反應(yīng)性控制功能和停堆裕量等。在C03循環(huán)啟動(dòng)物理試驗(yàn)中，HZP狀態(tài)下控制棒積分價(jià)值測(cè)量值與計(jì)算值的相對(duì)偏差如圖1所示，驗(yàn)收準(zhǔn)則為±10%。全部控制棒中功率控制棒（G2）的積分價(jià)值測(cè)量值與計(jì)算值相對(duì)偏差最大（4.4%），但是仍在驗(yàn)收準(zhǔn)則要求以?xún)?nèi)。

圖1 控制棒積分價(jià)值測(cè)量值與計(jì)算值的相對(duì)偏差

4.2 臨界硼濃度

啟動(dòng)物理試驗(yàn)需要驗(yàn)證ARO的臨界硼質(zhì)量分?jǐn)?shù)，本次試驗(yàn)得到的實(shí)測(cè)值為1 907 mg/kg，理論值為1 922 mg/kg，偏差為-15 mg/kg，遠(yuǎn)小于±50 mg/kg的驗(yàn)收準(zhǔn)則。

4.3 等溫溫度系數(shù)

慢化劑溫度系數(shù)表征慢化劑溫度變化1 ℃引起的堆芯反應(yīng)性變化量，直接影響了反應(yīng)堆的自穩(wěn)特性。慢化劑溫度系數(shù)的測(cè)量可以通過(guò)等溫溫度系數(shù)測(cè)量來(lái)獲得。該次試驗(yàn)得到ARO狀態(tài)下等溫溫度系數(shù)實(shí)測(cè)值為-6.411×10-5℃-1，與理論值-6.29×10-5℃-1的偏差為-0.121×10-5℃-1，滿(mǎn)足驗(yàn)收準(zhǔn)則±3.6×10-5℃-1。

4.4 堆芯功率分布

為了檢驗(yàn)堆芯燃料組件裝載以及堆芯核設(shè)計(jì)的正確性，在啟動(dòng)物理試驗(yàn)期間，需要通過(guò)全堆芯通量圖測(cè)量得到各種堆芯狀態(tài)下的三維堆芯功率分布，包括30%、75%和滿(mǎn)功率平臺(tái)。驗(yàn)證結(jié)果表明：在反應(yīng)堆功率運(yùn)行狀態(tài)下，最大計(jì)算偏差為4.4%，出現(xiàn)在75%功率平臺(tái)（相對(duì)功率P＜0.9的邊緣組件），滿(mǎn)足驗(yàn)收準(zhǔn)則（15%）。由此可見(jiàn)，反應(yīng)堆功率分布理論計(jì)算值與實(shí)測(cè)值相符。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)C03循環(huán)特定反應(yīng)性事故進(jìn)行補(bǔ)充安全分析，論證結(jié)果滿(mǎn)足安全驗(yàn)收準(zhǔn)則且通過(guò)了堆芯啟動(dòng)物理試驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果表明，18個(gè)月?lián)Q料過(guò)渡循環(huán)依然具備靈活性運(yùn)行能力。過(guò)渡循環(huán)靈活性論證及現(xiàn)場(chǎng)的成功實(shí)施有利于電廠根據(jù)實(shí)際電力需求決定合理的燃料管理方案，將大修窗口調(diào)整到電網(wǎng)負(fù)荷低估期間，減少了燃料組件的費(fèi)用，增加了燃料組件的卸料燃耗，提高了燃料循環(huán)的經(jīng)濟(jì)性。