美國(guó)用戶要求文件對(duì)ap1000堆芯設(shè)計(jì)的修訂

美國(guó)用戶要求文件對(duì)ap1000堆芯設(shè)計(jì)的修訂

0堆芯在ap00根據(jù)美國(guó)用戶要求文件（urd）對(duì)三級(jí)壓水壩核電廠的一些要求，比較了ap3000和ap1000核電廠的一些設(shè)計(jì)參數(shù)。分析表明,AP1000堆芯并不是一個(gè)理想的設(shè)計(jì)。在追求創(chuàng)新時(shí),降低了核電廠的熱工裕量和某些安全性。提出對(duì)AP1000堆芯設(shè)計(jì)的修改意見(jiàn),并對(duì)國(guó)內(nèi)開發(fā)自主3代1000MW級(jí)核電廠的堆芯設(shè)計(jì)提出意見(jiàn)。1urd的計(jì)算(1)要求下列限制性功率參數(shù)在正常運(yùn)行和正常瞬態(tài)(即壓水堆核電廠的I、II類工況)情況下與核安全當(dāng)局規(guī)定的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則相比至少有15%的裕量:失水事故(LOCA)限值;最小燒毀比(MDNBR);峰值燃料中心溫度;燃料棒包殼的凈平均不可恢復(fù)圓周應(yīng)變。必須指出,核電廠的設(shè)計(jì)參數(shù)只要滿足核安全當(dāng)局規(guī)定的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則就是安全的。URD提出在設(shè)計(jì)準(zhǔn)則上再增加15%的裕量稱為熱工裕量,是核電廠業(yè)主即用戶額外要求的,安全當(dāng)局并不要求這個(gè)熱工裕量。(2)核電廠壽命達(dá)到60年。(3)實(shí)現(xiàn)不調(diào)硼負(fù)荷跟隨運(yùn)行。2ap400的一般設(shè)計(jì)西屋公司AP系列第三代壓水堆堆芯設(shè)計(jì)有3種類型,20世紀(jì)80~90年代根據(jù)URD的要求設(shè)計(jì)了AP600,熱功率/凈電功率為1933/610MW,然后又設(shè)計(jì)了AP1000,熱功率/凈電功率為3400/1156MW。在2011年發(fā)布的設(shè)計(jì)控制文件文件19(DCD19)中,AP1000的初始堆芯設(shè)計(jì)是3種富集度,高泄漏布置,循環(huán)長(zhǎng)度18個(gè)月,記為AP1000(D19)。2011年又設(shè)計(jì)了一種9種富集度,低泄漏,循環(huán)長(zhǎng)度18個(gè)月的改進(jìn)型初始堆芯,以下記為AP1000(Adv)。AP1000兩種設(shè)計(jì)的后續(xù)循環(huán)都是低泄漏、18個(gè)月?lián)Q料設(shè)計(jì)。AP600基本上按照URD的要求設(shè)計(jì),并作為新一代(現(xiàn)稱第3代)壓水堆示范設(shè)計(jì)與URD同時(shí)推出,是一個(gè)有別于以前壓水堆核電廠的全新設(shè)計(jì)。而AP1000是在AP600基礎(chǔ)上進(jìn)行部分修改,為提高經(jīng)濟(jì)效益,降低功率比投資而推出的。沒(méi)有全部重新設(shè)計(jì),有某些先天不足之處,不是一個(gè)理想的設(shè)計(jì)。(1)AP序列核設(shè)計(jì)準(zhǔn)則:①負(fù)反應(yīng)性反饋,負(fù)的慢化劑溫度系數(shù)和功率系數(shù);②停堆裕量,冷停堆時(shí)次臨界度≥1%,熱停堆時(shí)次臨界度≥1.6%,更換燃料時(shí)次臨界度≥5%;③卡棒準(zhǔn)則,價(jià)值最大的一束控制棒卡住不能插入堆芯時(shí),控制系統(tǒng)仍能提供所需的停堆裕量;④功率峰因子,總功率峰因子(Fq)≤2.60,核焓升熱管因子(FΔH)≤1.65(AP600)、1.65(AP1000-D19)、1.72(AP1000-Adv);⑤燃耗深度,燃料棒最大平均燃耗深度≤62000MW·d/t(U);⑥穩(wěn)定性,氙致功率振蕩可控。括號(hào)中注明該數(shù)據(jù)適用于AP600、AP1000(D19)或者AP1000(Adv)。(2)AP序列燃料裝載:AP600,143個(gè)長(zhǎng)度為3.6576m的17×17燃料組件;AP1000,157個(gè)長(zhǎng)度為4.2672m的17×17燃料組件。(3)AP序列平均線功率密度:AP600,134.8W/cm;AP1000,187.3W/cm。(4)AP序列反射層:AP600,鐵水反射層;AP1000,堆芯包圍層和水。(5)AP序列壓力容器直徑:AP1000和AP600的壓力容器內(nèi)徑相同(4000mm)。AP系列核電廠設(shè)計(jì)均能實(shí)現(xiàn)機(jī)械補(bǔ)償(MSHIM)不調(diào)硼負(fù)荷跟隨運(yùn)行。AP1000(Adv)增加了MSHIM基荷運(yùn)行模式。3鐵水屏蔽使用AP1000堆芯比AP600大,但壓力容器內(nèi)徑相同,AP600使用鐵水屏蔽(可降低壓力容器內(nèi)壁的中子注量)而AP1000沒(méi)有。AP1000壓力容器內(nèi)壁的中子注量肯定比AP600高,壽命肯定比AP600短。4loca下限和燃料中心溫度的供熱裕量比,ap00按照西屋公司堆芯設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)法則,堆芯熱流密度增加1%,LOCA限值熱工裕量下降1%,燃料中心溫度熱工裕量下降2%;FΔH增加1%,最小燒毀比的熱工裕量下降1%。因此,AP1000的LOCA限值和燃料中心溫度的熱工裕量明顯低于AP600。AP1000(Adv)的最小燒毀比熱工裕量低于AP600和AP1000(D19)。供貨商必須提供AP1000的熱工裕量的詳細(xì)論證及可靠數(shù)據(jù)。5堆芯的富集度AP1000(Adv)為了實(shí)現(xiàn)低泄漏及在MSHIM基荷運(yùn)行模式下盡量降低功率峰因子,初始堆芯布置極其復(fù)雜,使用了9種富集度,16種芯塊(表1)。堆芯中最復(fù)雜的燃料組件有6種燃料棒,每根燃料棒有3個(gè)軸向區(qū)段,使用了8種芯塊;通水環(huán)狀可燃毒物(WABA)有3種不同的長(zhǎng)度,等等。制造燃料組件的困難程度大,發(fā)生裝錯(cuò)料事故的幾率肯定超過(guò)AP1000(D19)。6ap3000集度AP1000(Adv)初始堆芯實(shí)現(xiàn)低泄漏裝載,其堆芯平均富集度遠(yuǎn)小于AP1000(D19)。但從第2循環(huán)開始,二者的堆芯平均富集度相差就很小(表2)。到第5循環(huán)以后就完全相同(C5以后富集度的差別是因?yàn)樵O(shè)計(jì)時(shí)使用了不同的中心組件)。7mshim基本負(fù)荷運(yùn)營(yíng)模式AP1000(Adv)的堆芯核設(shè)計(jì)采用了完全的MSHIM運(yùn)行模式,即在基荷運(yùn)行和負(fù)荷跟隨運(yùn)行時(shí)都采用MSHIM運(yùn)行模式。7.1確定硼降曲線(1)4個(gè)灰體M棒組(鎢控制棒)分成兩對(duì)(A、B對(duì)和D、C對(duì)),按照規(guī)定的對(duì)內(nèi)棒組重疊步數(shù)(83步),在整個(gè)循環(huán)長(zhǎng)度內(nèi)兩對(duì)灰棒交錯(cuò)插入堆芯。在1到2周的時(shí)間內(nèi)保持硼濃度不變,依靠灰棒組的運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償燃料燃耗引起的反應(yīng)性變化。硼降曲線是階梯狀。(2)M棒組同時(shí)控制冷卻劑溫度(維持堆芯功率在額定滿功率)。(3)每次調(diào)硼時(shí)兩對(duì)棒組進(jìn)行切換。(4)用獨(dú)立的軸向功率偏移(AO)棒組控制軸向功率分布。(5)運(yùn)行過(guò)程中,棒組的運(yùn)動(dòng)、切換、調(diào)硼及AO控制等都可以自動(dòng)控制。7.2控制棒自動(dòng)控制系統(tǒng)(1)大大減少調(diào)硼系統(tǒng)的動(dòng)作次數(shù),減少運(yùn)行人員的動(dòng)作。(2)使用數(shù)字化的控制棒自動(dòng)控制系統(tǒng),簡(jiǎn)化運(yùn)行人員的操作。(3)用相互獨(dú)立的棒組分別控制反應(yīng)性和軸向功率分布。獨(dú)立的AO棒組可以精確控制軸向功率分布。(4)可以隨時(shí)提供不調(diào)硼負(fù)荷跟隨運(yùn)行。7.3升因子的限值(1)使用鎢(吸收中子后的子同位素也是強(qiáng)吸收體)做灰體控制棒,可以長(zhǎng)期插入堆內(nèi)運(yùn)行。(2)把核設(shè)計(jì)準(zhǔn)則中焓升因子的限值從1.65提高到1.72。(3)用復(fù)雜的堆芯布置盡量減少功率分布的不均勻性。7.4基荷運(yùn)行需要進(jìn)行的調(diào)硼(1)核電廠壽期初凈堆(無(wú)氙)、冷態(tài)、完成裝料扣蓋后,滿足停堆裕量的硼濃度是最大的。在整個(gè)循環(huán)中,無(wú)論采用何種運(yùn)行模式,都需要把硼濃度從壽期初的這個(gè)最大值降到壽期末停堆時(shí)的10mg/L。如果不考慮起動(dòng)物理實(shí)驗(yàn)中測(cè)量控制棒價(jià)值等需要改變硼濃度的特殊情況,在通?；矩?fù)荷運(yùn)行條件下,稀釋硼濃度所產(chǎn)生的廢水量是固定的。MSHIM基荷運(yùn)行模式可以在3000MW·d/t(U)燃耗深度左右,硼濃度接近1000mg/L時(shí),發(fā)生大約±25mg/L的加硼和減硼動(dòng)作時(shí)不需要調(diào)硼,可以適當(dāng)減少?gòu)U水量。這和整個(gè)壽期需要稀釋1000mg/L的廢水量相比,是一個(gè)很小的數(shù)量。(2)國(guó)內(nèi)運(yùn)行核電廠基荷運(yùn)行時(shí)每個(gè)循環(huán)需要調(diào)硼(主要是稀釋)一千多次。調(diào)硼的頻率和調(diào)硼量取決于循環(huán)長(zhǎng)度、是否使用可燃毒物以及運(yùn)行的控制要求等,沒(méi)有統(tǒng)一規(guī)定。平均看,1000MW級(jí)壓水堆核電廠按傳統(tǒng)模式基荷運(yùn)行時(shí)大致每天調(diào)硼3次,每次調(diào)硼1mg/L左右。壽期末由于調(diào)硼廢水量太大,改用離子交換樹脂除硼。(3)按硼降曲線,AP1000MSHIM基荷運(yùn)行時(shí)平均10天左右調(diào)硼一次,每次調(diào)硼約28mg/L,每個(gè)循環(huán)大約調(diào)硼45次左右。(4)MSHIM基荷運(yùn)行雖然調(diào)硼頻率大大降低,但每次調(diào)硼量遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)運(yùn)行模式。按M310設(shè)計(jì)參數(shù),在壽期末硼濃度為50mg/L時(shí),稀釋28mg/L需要4個(gè)多小時(shí)。單純調(diào)硼頻率的降低并不能簡(jiǎn)化硼系統(tǒng)設(shè)計(jì)或者取消某些功能。7.5燃料組件及組件布置系統(tǒng)減少了工(1)基荷運(yùn)行中灰棒一直插入,擾動(dòng)功率分布,功率峰因子增加,降低了熱工裕量。(2)復(fù)雜的燃料組件設(shè)計(jì)增加了裝錯(cuò)料事故幾率。(3)未經(jīng)過(guò)實(shí)踐檢驗(yàn),沒(méi)有運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)。8不同模式中補(bǔ)償功率隨時(shí)間的變化規(guī)律見(jiàn)表1AP1000壓水堆采用了MSHIM負(fù)荷跟隨運(yùn)行模式。它與M310壓水堆的ModeG負(fù)荷跟隨運(yùn)行模式的主要不同點(diǎn)是:MSHIM模式使用M棒組(灰棒)控制反應(yīng)性(包括補(bǔ)償功率變化、瞬態(tài)氙變化和燃料燃耗引入的反應(yīng)性,并控制冷卻劑溫度,維持堆芯功率水平在給定值);用AO棒組控制軸向功率分布;負(fù)荷跟隨運(yùn)行時(shí)不需要調(diào)硼。ModeG運(yùn)行模式使用G棒組(灰棒)補(bǔ)償功率變化引入的反應(yīng)性;調(diào)硼補(bǔ)償瞬態(tài)氙變化和燃料燃耗引入的反應(yīng)性;用調(diào)節(jié)棒組控制冷卻劑溫度及軸向功率分布。MSHIM負(fù)荷跟隨運(yùn)行模式不需要調(diào)硼而且可以精確控制軸向功率分布,明顯優(yōu)于ModeG運(yùn)行模式。其缺點(diǎn)是未經(jīng)實(shí)踐檢驗(yàn),沒(méi)有運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)。9基荷運(yùn)行模式分類(1)AP600基本滿足URD對(duì)3代核電廠的要求,有好的安全性,但經(jīng)濟(jì)性不理想。AP1000在經(jīng)濟(jì)性上有明顯提高,但在許多重要安全指標(biāo)上比AP600后退不少。(2)AP1000核電廠已經(jīng)在建造,很多重要設(shè)計(jì)例如線功率密度、壓力容器尺寸等導(dǎo)致AP1000性能不如AP600的參數(shù)是無(wú)法更改的。(3)AP1000(D19)初始堆芯是高泄漏布置,使用燃料較多;AP1000(Adv)版初始堆芯是低泄漏布置,明顯節(jié)省燃料;二者的循環(huán)長(zhǎng)度都是18個(gè)月。后續(xù)循環(huán)都是低泄漏布置,所需燃料基本相同。(4)MSHIM負(fù)荷跟隨運(yùn)行模式是一個(gè)比較好的設(shè)計(jì),但基荷運(yùn)行模式情況不同。MSHIM基荷運(yùn)行模式的優(yōu)點(diǎn)涉及運(yùn)行方便性,對(duì)核電廠性能沒(méi)有實(shí)質(zhì)性提高。缺點(diǎn)涉及某些事故幾率上升,熱工裕量下降等實(shí)質(zhì)性問(wèn)題。MSHIM運(yùn)行模式?jīng)]有經(jīng)過(guò)實(shí)踐檢驗(yàn),也沒(méi)有任何運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)。(5)我國(guó)核電比例極低,現(xiàn)有核電廠基本上是基荷運(yùn)行,極少進(jìn)行負(fù)荷跟隨。這種狀況短期內(nèi)不會(huì)改變。目前世界上所有壓水堆核電廠在基荷運(yùn)行時(shí)的基本指導(dǎo)思想是盡可能把控制棒提出堆芯外,減少對(duì)功率分布的擾動(dòng)。MSHIM基荷運(yùn)行模式把灰棒插入堆內(nèi)進(jìn)行燃耗運(yùn)行,是對(duì)現(xiàn)有基荷運(yùn)行思想的徹底顛覆。其優(yōu)點(diǎn)不大,缺點(diǎn)明顯。據(jù)悉西屋公司內(nèi)部對(duì)MSHIM基荷運(yùn)行模式也有不同意見(jiàn)。在沒(méi)有經(jīng)過(guò)實(shí)踐檢驗(yàn)之前,我國(guó)不能做試驗(yàn)品,輕易采用。10ao棒組運(yùn)行性能(1)三門核電廠、海陽(yáng)核電廠以及后續(xù)AP1000核電廠采用MSHIM負(fù)荷跟隨運(yùn)行模式,不采用MSHIM基荷運(yùn)行模式。(2)建議基荷運(yùn)行模式如下:調(diào)硼補(bǔ)償燃料燃耗引入的反應(yīng)性,使用M棒組(定期切換)控制冷卻劑溫度及控制調(diào)硼頻率(例如控制在每天一次),AO棒組控制軸向功率分布。這樣既避免了現(xiàn)有運(yùn)行模式ModeG用調(diào)節(jié)棒組同時(shí)控制冷卻劑溫度和軸向功率分布時(shí)顧此失彼的缺點(diǎn),減少調(diào)硼次數(shù);又沒(méi)有MSHIM基荷運(yùn)行模式M棒組深插入堆內(nèi)燃耗對(duì)功率分布的擾動(dòng)。通過(guò)分析計(jì)算,確定棒組運(yùn)行帶、插入極限以及AO控制目標(biāo)值等參數(shù),形成我國(guó)特有的基荷運(yùn)行模式。(3)核設(shè)計(jì)準(zhǔn)則恢復(fù)到FΔH≤1.65。(4)初始堆芯設(shè)計(jì)采用低泄漏布置,但摒棄AP1000(Adv)的復(fù)雜繁瑣設(shè)計(jì)。重新設(shè)計(jì)堆芯,滿足設(shè)計(jì)準(zhǔn)則、降低平均富集度。如果三門核電廠和海陽(yáng)核電廠的燃料已經(jīng)開始生產(chǎn),則仍然采用AP1000(Adv)的堆芯設(shè)計(jì),但后續(xù)核電廠不用此設(shè)計(jì)。11功率傾斜比之影響(1)FΔH設(shè)計(jì)限值從1.72降到1.65,增大了最小燒毀比熱工裕量(大約增加4%)。這個(gè)裕量掌握在核電廠業(yè)主手中,可以應(yīng)付各種不測(cè)事件。例如,大亞灣核電站一號(hào)機(jī)第二循環(huán)象限功率傾斜比(QPTR)超限達(dá)3.4%,二號(hào)機(jī)第三循環(huán)方位角功率傾斜比(APTR)超限達(dá)3.92%。大亞灣核電站兩次QPTR超限導(dǎo)致限制提升功率,被迫在97%功率下運(yùn)行合計(jì)約30天,造成一百多萬(wàn)美元的經(jīng)濟(jì)損失。后來(lái)經(jīng)過(guò)法國(guó)人利用功率傾斜的堆芯模型重新進(jìn)行安全分析,證明反應(yīng)堆在這樣的情況下仍然是安全的,才恢復(fù)到滿功率運(yùn)行。這是超出運(yùn)行限值的突發(fā)不測(cè)事件。功率傾斜比超限主要影響FΔH,可以近似地認(rèn)為在這樣的超限情況下FΔH增大了相應(yīng)的百分比,這是一個(gè)保守的估計(jì)。如果將來(lái)AP1000核電廠運(yùn)行時(shí)也發(fā)生類似情況,按照FΔH限值為1.65設(shè)計(jì)的堆芯由于有4%的額外熱工裕量,將可以從容應(yīng)對(duì)這一突發(fā)事件。而按照1.72設(shè)計(jì)的堆芯難免要經(jīng)過(guò)一番折騰。如果三門核電廠和海陽(yáng)核電廠的燃料已經(jīng)開始生產(chǎn),則只能采用AP1000(Adv)的復(fù)雜堆芯設(shè)計(jì)。萬(wàn)一發(fā)生裝錯(cuò)料事故,通常只有機(jī)組啟動(dòng)達(dá)到高功率后,通過(guò)堆內(nèi)測(cè)量才能發(fā)現(xiàn)。目前堆內(nèi)測(cè)量分辨率只達(dá)到組件平均功率的水平,要得到功率峰因子的測(cè)量值還需要借助理論數(shù)據(jù)庫(kù)。后者是在正確裝料的基礎(chǔ)上計(jì)算得到的。如果裝錯(cuò)料事故不嚴(yán)重[例如某個(gè)組件內(nèi)燃料棒放錯(cuò)位置或者燃料棒內(nèi)芯塊放錯(cuò)位置,由于AP1000(Adv)的堆芯設(shè)計(jì)復(fù)雜,發(fā)生這種事故的幾率會(huì)比較大],功率峰因子已經(jīng)改變但堆內(nèi)測(cè)量沒(méi)有發(fā)現(xiàn)裝錯(cuò)料,盲目帶病運(yùn)行。即使堆內(nèi)測(cè)量已經(jīng)發(fā)現(xiàn)組件裝錯(cuò)料,如果不嚴(yán)重,為了經(jīng)濟(jì)利益(停堆、開蓋、重新布