华龙一号堆芯延伸运行能力分析
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作者:谢运利 李满仓 娄磊 王星博
摘 要：出于增加经济性和运行灵活性的考虑，核电站一般要求具备延伸运行能力。延伸运行通常在堆芯寿期末进行，硼浓度过低不能再稀释引入反应性，仅依靠降低冷却剂温度或者堆芯功率来延长运行的运行模式。目前国内仅少数核电厂实施过延伸运行，缺乏对不同延伸运行方式的分析研究，另外大型三代压水堆的延伸运行能力有待研究。基于我国大型三代压水堆华龙一号堆型，本文从堆芯物理角度，首次分析了不同延伸运行方式的实现过程，并讨论了不同延伸运行方式的经济性及安全评价的影响。
关键词：华龙一号 三代压水堆型 延伸运行
中图分类号：TM623 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2020）01（b）-0028-05
Abstract： Strech out operation usually arises from a change in energy requirements or a change in planned shutdown date. Usually it happens in the end of cycle when the boron concentration is too low to induce reactivity. Several methods of cycle extension are possible， including power coastdown， temperature coastdown， and varying combinations of these. Few nuclear powered plants have operated with stretch out operation in China， research or demonstration should be done for different kinds of operations especially for the large-scale nuclear powered plants. This paper for the first time researches the coastdown operation capability of HPR1000 from the view of core physics. The results show the performances of power coastdown， temperature coastdown， and varying combinations of these of HPR1000. Economy and safety for different kinds of operations are also discussed in this paper.
Key Words： HPR1000; Generation III pressurized reactor; Stretch out operation
核电厂反应堆在循环寿期末，硼浓度已非常低，通常在10ppm左右，已不能通过调硼引入反应性。但是通过降低一回路冷却剂温度或者堆芯功率，由通过慢化剂温度、多普勒功率、平衡氙价值及轴向通量再分布等反馈引入正反应性，可以实现一段时间的堆芯延伸。堆芯延伸不仅为电厂的生产计划提供了很大的灵活性，也可以提高核燃料利用率，增加电厂经济性。
根据反应性引入方式的不同，延伸运行方式包括降功率运行（power coastdown）、降温运行（temperature coastdown）、或者降温和降功率结合的运行方式。降功率运行不改变一二回路的运行参数，仅通过降低堆芯功率引入反应性;而降温运行通常不改变堆芯功率，通过降低一回路冷却剂入口温度或者汽轮机功率来降低一回路冷却剂平均温度，进而引入反应性。
延伸运行在国际上是一种使用比较成熟和广泛的运行技术手段，目前国内大亚湾、秦山核电等二代电厂成功实施过延伸运行[1，2]，方法是先通过汽轮机降低一回路冷却剂平均温度，然后降低堆芯功率实现延伸运行。
华龙一号是我国具有自主知识产权的三代核电压水堆堆型[3]，堆芯设计吸取了国内外相关设计的先进经验，具备较好的先进性、安全性和经济性。在运行灵活性方面，堆芯采用Mode-G模式运行，可以进行负荷跟踪、负荷阶跃等机动运行，具备较好的运行机动性。华龙一号实现延伸运行，將进一步提高运行机动性，增强与国内外其他三代核电的竞争力。
本文对华龙一号堆型几种延伸运行方式进行了建模，从延伸运行时间、堆芯功率变化、冷却剂入口温度和平均温度变化、轴向功率分布控制等角度，分析了不同延伸运行方式的运行过程，同时初步讨论了不同延伸运行方式的经济性及安全评价等内容。
1 延伸运行研究
1.1 延伸运行模拟
本文以华龙一号平衡循环为研究对象进行延伸运行能力分析。华龙一号平衡循环堆芯采用177组4.45%的AFA3G组件，循环长度为17870 MWd/tU，寿期末硼浓度约为10ppm。
华龙一号堆芯控制棒组由功率补偿棒（G1、G2、N1和N2）和温度调节棒（R）构成。功率补偿棒用于补偿负荷跟踪时的反应性变化，温度调节棒用于调节堆芯平均温度，补偿反应性的细微变化和控制轴向功率偏差。在延伸运行模拟过程中，为避免产生氙振荡进而增加堆芯功率分布控制难度，R棒组棒位保持在延伸运行前位置附近，其他棒组全提出堆芯。降温运行仅考虑通过降低冷却剂入口温度来降低一回路平均温度。 1.2 降功率运行过程
降功率运行不改变慢化剂入口温度，不需要改变整定值和改动设备，是最简单的延伸运行方法。由于功率下降，多普勒反馈降低，并且氙密度减少，得以补偿燃耗增加引入的反应性。
在堆芯寿期末进行降功率运行，运行时间为一个月，循环燃耗增加1128 MWd/tU。硼浓度恒定为10ppm，入口温度为292℃，考虑瞬态氙和钐浓度变化。图1给出了堆芯相对功率和冷却剂平均温度随堆芯燃耗的变化。经过30d延伸运行，相对功率缓慢降至80%，冷却剂平均温度由312℃缓慢降至308℃。
图2给出降功率运行期间堆芯轴向功率偏差ΔI与随时间变化的过程。由于堆芯进水口与堆芯出水口温差相对较小，导致功率分布趋向于堆顶，ΔI将向更正的方向偏移，由-3%升至6%。由于硼浓度很低，负荷跟踪能力有限，延伸运行过程中极端的轴向功率分布很难产生，并且降功率过程中功率峰因子限值增大，因此延伸过程中允许更大的ΔI是合理的，不会影响安全性。延伸运行过程中应定期调整参考軸向功率偏差ΔIref，从图2可见，整个运行期间ΔI由-4%变为6%，ΔIref约需标定5次，约每星期一次，可保证ΔI在参考值运行带以内。
1.3 降温运行
对于降温运行，正反应性通过降低慢化剂平均温度引入。降温过程中功率水平维持在恒定水平，通常接近100%。降温运行时间由安全分析允许的最低入口温度决定，图3为降温运行时间随最低入口温度的变化关系，可见最低入口温度为282℃时，入口温度由292℃降低10℃，可实施30d的降温延伸运行。
100%功率水平下降温运行期间堆芯ΔI随时间变化的过程见图4。可见，相同延伸运行时间时降温运行的堆芯ΔI要低于降功率运行，在30d运行时间内，ΔIref在整个运行期间约需标定4次，比降功率运行少一次。
1.4 降温后的降功率运行
由于堆芯入口温度允许下降的幅度不大，不同实施较长时间的降温运行。为保证运行时间，降温运行期间冷却剂入口温度达到最低入口温度后，保持入口温度不变，可继续实施降功率运行。假设堆芯最低入口温度为289℃，在堆芯寿期末进行先降温再降功率运行，运行时间为一个月，循环燃耗增加1128 MWd/tU。硼浓度恒定为10ppm。
图5给出了堆芯相对功率和冷却剂入口温度随堆芯燃耗的变化。经过11d降温运行后，入口温度降到最低入口温度289℃，随后开始降功率运行，相对功率缓慢降至87%。整个运行期间堆芯平均温度由312℃缓慢降至306℃。
图6给出降温和降功率运行期间堆芯ΔI与随时间变化的过程。由图可见，降温和降功率运行期间堆芯ΔI变化与完全降功率运行ΔI变化接近，ΔIref仍需每星期标定一次。
1.5 控制棒插入对延伸运行的影响
理论上来说，延伸运行过程中控制棒组部分插入堆芯，可以降低堆芯AO，有利于ΔI目标值的控制。图7给出了降功率运行期间，控制棒全提和G棒组按重叠步逐渐插入120步过程中，堆芯ΔI的变化比较。延伸运行后期ΔI由6%降至4%，可见，虽然插入控制棒后可降低ΔI，插棒对降低ΔI的效果并不明显，仍需要标定4次ΔIref。另外，控制棒阴影效应会影响到下一堆芯循环，因此不建议华龙一号堆芯进行插棒的延伸运行。
2 延伸运行影响分析
2.1 功率能力分析
对于堆芯运行前有计划地延伸运行的功率能力分析，可在换料安全检查表（RSAC）出版前采用全提棒及热态满功率模型进行分析，该模型产生的轴向功率形状比RSAC中所有低功率燃耗的形状都保守，因为相比热态满功率模型，低功率燃耗堆芯AO趋向正值移动，轴向功率形状相对不恶劣，DNB更加保守。
对于堆芯运行后的非计划延伸运行的功率能力分析，为验证是否满足RSAC的要求，应对实际的延伸运行进行模拟。降功率运行中，堆芯参数大多只需要经过少量计算评价，而降温运行需要更全面的计算分析工作，非计划延伸运行需要进行分析或评价的堆芯参数列表见表1。
延伸运行达到的停堆燃耗不应超过下一循环规定的停堆燃耗窗口，否则需要对本循环的燃料管理进行重新评价。另外，如果延伸时间较长，延伸运行过程可能需要进行计算以保证下一循环LOCA事故分析堆芯功率峰因子是否满足限值。
2.2 延伸运行的经济性
降温运行过程相对复杂，需要全面、详尽地分析对设备、系统正常运行以及所有设计基准事故的影响，但相同的堆芯燃耗下，降温运行比降功率运行有更好的经济性，可显著提高能量利用率。图8给出了降功率运行、降温和降功率运行期间电厂热功率和电功率的变化比较。综合考虑延伸运行的实施的操作性及能量需求，电厂可先确定降温运行时间，再进行降功率运行。
3 结语
延伸运行可提高电厂燃料利用率，增加电厂运行灵活性，已成为国际上常见的电厂运行方式。
本文对华龙一号反应堆的延伸运行能力进行了初步论证，结果表明华龙一号可在较长时间内实现降功率、降温或者降温和降功率运行。延伸运行建议将控制棒组全提出堆芯，ΔIref约一个星期标定一次。降温运行经济性好于降功率运行，但运行操作更复杂，需要更全面、详尽地论证分析。电厂可根据不同需求选择不同的运行方式。
功率能力分析方面，对于堆芯运行前有计划的延伸运行的功率能力分析，可采用全提棒及热态满功率模型进行分析;对于堆芯运行后的非计划延伸运行的功率能力分析，需要对实际的延伸运行史进行模拟以验证是否满足RSAC的要求。本文仅对华龙一号延伸运行功率能力分析的方法和内容进行了初步分析，具体研究有待进一步开展。
参考文献
[1] 肖岷，朱闽宏.大亚湾核电站延伸运行技术的研究与实施[J].核动力工程，2006，27（1）：1-5.
[2] 厉井钢，张洪.岭澳核电站延伸运行工况下的功率能力分析[J].核动力工程，2005（S1）：67-69.
[3] 李向阳，刘启伟.华龙一号反应堆177堆芯核设计[J].核动力工程，2019（1）：8-15.
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