宁德核电厂18月换料长循环堆芯装载方案分析

宁德核电厂18月换料长循环堆芯装载方案分析

田巍

（中广核集团福建宁德核电有限公司福建宁德）

摘要：宁德核电厂机组一期4台机组采用CPR1000压水堆核电站设计，为兼顾堆芯设计的先进性和燃料经济性，其核燃料管理策略为首循环年度换料模式，并采用钆作为可燃毒物，从第二循环开始快速向18个月换料过渡；平衡循环考虑特定负荷需求，采用交替式长、短循环，其中长循环使用72组新燃料组件，短循环使用68组新燃料组件；本文将针对典型的长循环燃料管理策略，分析其中新燃料组件和再入堆乏燃料组件布置特点，并通过science程序的堆芯理论计算验证其在展平堆芯功率分布、挖潜燃料经济性上的有效性。

关键词：18月换料设计；堆芯装载方案；science程序；

一、分析依据及准则简介：

本文基于已通过安全分析论证的宁德18月换料堆芯装载方案进行分析，因此分析依据和准则仅列举主要的反应堆热工水力设计及核设计参数，具体见下：

1.反应堆堆芯额定热功率为2895MW，反应堆运行压力为15.5MPa，反应堆冷却剂总流量(最佳估算)为71370m3/h。

2.燃料组件的U235富集度为4.45%，每个燃料组件包括264根燃料棒(部分燃料棒载有钆可燃毒物)，根据钆可燃毒物棒数量的差异燃料组件类型分为：不含钆棒或含8根、16根、20根、24根钆棒；

3.F△H(热通道焓升因子)不超过1.65，考虑不确定性1.03*1.04*1.04，设计计算按不超过1.481控制；

二、长循环堆芯装载方案分析：

本次分析的堆芯装载方案为72组新燃料组件(简称新组件)的长循环设计，图1为该方案的1/4对称燃料组件布置图，其中新燃料组件(简称新组件)包括24组4.45%富集度8钆组件和48组4.45%富集度20钆组件；其余85组再入堆乏燃料组件(简称乏组件)均来源于上循环堆芯装载方案，其卸料燃耗为20291兆瓦日每吨铀(MWd/tU)，乏组件正中的数值为剩余反应性keff，四角的数值为燃耗burnup。

图1

通过图1可知该堆芯装载方案由外向内，首先在最外圈布置keff小的乏组件降低堆芯中子泄漏；其次贴近最外圈布置24组可燃毒物少的8钆新组件；再向内24组20钆新组件紧贴8钆新组件，同时向内贴合keff较大的乏组件；最后在堆芯最内部24组20钆新组件呈棋盘布置，中间间隔keff较小的乏组件；

通过上述分析可发现该堆芯装载方案具备以下特点：

1.适应堆芯径向中子通量呈贝塞尔函数分布的特点，堆芯靠内中子通量高的区域新组件棋盘布置，堆芯靠外中子通量较低的区域新组件贴面布置，同时靠外布置的新组件可燃毒物少；同样为适应堆芯径向中子通量分布，在堆芯靠内位置放置keff小的乏组件，相对靠外的位置则放置keff大的乏组件。

2.在中子通量最低的堆芯最外圈布置乏燃料组件，符合低泄漏装载特点，同时基本布置keff最小的乏组件以尽可能减少中子泄漏，提升方案的经济性；

三、功率分布计算分析：

堆芯功率分布是堆芯装载方案初步设计的关键安全指标，满足安全准则的功率分布是后续安全分析评价的基础和前提。通过science程序计算得到的堆芯全寿期峰值F△H燃耗下的燃料组件F△H分布见图2，其中150MWd/tU对应寿期初燃耗，10000MWd/tU对应钆峰燃耗(随着钆可燃毒物的消耗，新组件功率逐步释放从而达到峰值的燃耗)；通过图2可知，全寿期最大F△H为1.451，满足1.481的安全准则，位于1/4对称的H12和D08位置，由于该位置附近新组件密集且面接触的乏组件keff大；对于图2中堆芯整体功率分布，寿期初径向功率峰基本集中在靠外的20钆新组件，而随着燃料及可燃毒物的燃耗加深，径向功率峰将迁移至靠内的20钆新组件，这也印证了宁德18月换料长循环堆芯装载方案径向中子通量特性以展平堆芯功率分布所采取的有效技术手段：

寿期初钆更多可燃毒物用以压制堆芯靠内中子通量高的新组件功率，寿期中钆可燃毒物的燃耗加深，被压制的功率在寿期中有效释放；

堆芯靠内新组件与keff较小乏组件棋盘布置，降低内部功率峰；相对靠外的新组件贴面布置，同时贴合keff较大乏组件，形成功率峰以展平内部功率峰；在整个堆芯寿期内两个功率峰相互制约、空间振荡以维持均匀的功率分布，使最大F△H始终在安全限值以内并保有一定的安全裕量；

图2

四、燃耗分布计算分析：

在确保展平堆芯功率分布的基础上需要尽量提升堆芯装载方案的经济性，即在使用完全相同燃料组件的情况下，通过组件的合理布置使堆芯达到最大卸料燃耗。通过science程序计算得到的堆芯卸料燃耗为19970MWd/tU，对应495.5等效满功率天，同时堆芯卸料燃耗下各燃料组件的卸料燃耗及归一化燃耗分布见图3，通过图3可将堆芯157个径向位置再细分为3类，这3类位置中燃料组件的燃耗差异一方面取决于该位置的中子泄漏，另一方面也取决于该位置及周边位置燃料组件的keff，其中：

图3

外圈：由于中子泄漏高，使外圈中的乏组件燃耗均很低归一化燃耗基本0.7以下，不同位置的燃耗差别主要取决于周围新组件的密集程度；其中F14、B10位置周围两面接触新组件，一面接触乏组件，且朝向堆外一面的水反射层厚，所以其中子泄漏在外圈中最低，一般布置keff较大乏组件以展平堆内功率；对于其他外圈位置归一化燃耗均低于0.5，因此在布置乏燃料组件时优先考虑keff最小的乏组件，并将；

内圈B：其中新组件两两贴面摆放，靠内功率和燃耗高，摆放20钆新组件；靠外功率和燃耗低，摆放8钆新组件；内圈B中各位置的归一化燃耗差异明显，主要取决于该位置的中子泄漏，其中靠内的位置新组件燃耗高，靠外的位置燃耗低；虽然通过减少钆可燃毒物和新组件间贴面布置提高内圈B中新燃料组件燃耗，但仍与内圈A中燃耗存在一定差距；

内圈A：其中新组件归一化燃耗最高，基本在1.24以上，棋盘布置也使其燃耗最为平均，其中F△H最高的H12位置燃耗也最高；而内圈A中乏组件归一化燃耗基本在1.05~1.12，远高于外圈中乏组件燃耗，因此keff较大的乏组件基本放置在内圈A中，同时为使内圈B更多释放功率，也优先将keff最大的乏组件布置在贴合外圈B的位置；

五、结论

通过对宁德核电厂18月换料长循环堆芯装载方案的功率分布和燃耗分布分析，可发现该方案很好的适应了堆芯径向中子通量呈贝塞尔函数分布的物理特性，通过靠内新组件贴面布置，靠外新组件棋盘布置并减少钆可燃毒物，以及keff小乏组件放置外圈降低中子泄漏等一系列技术措施，对堆芯功率分布和燃耗进行了合理的平衡，在确保F△1.451与安全限值1.481间保有裕量的同时，使堆芯卸料燃耗达到了19970MWd/tU。

作者简介：

田巍（1990—）男，工程师，2010年毕业于四川大学核工程与核技术学院，工学学士，现从事核电站燃料管理工作。