美國用戶要求文件對ap1000堆芯設計的修訂

0堆芯在ap00根據(jù)美國用戶要求文件（urd）對三級壓水壩核電廠的一些要求，比較了ap3000和ap1000核電廠的一些設計參數(shù)。分析表明,AP1000堆芯并不是一個理想的設計。在追求創(chuàng)新時,降低了核電廠的熱工裕量和某些安全性。提出對AP1000堆芯設計的修改意見,并對國內(nèi)開發(fā)自主3代1000MW級核電廠的堆芯設計提出意見。1urd的計算(1)要求下列限制性功率參數(shù)在正常運行和正常瞬態(tài)(即壓水堆核電廠的I、II類工況)情況下與核安全當局規(guī)定的設計準則相比至少有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圓周應變。必須指出,核電廠的設計參數(shù)只要滿足核安全當局規(guī)定的設計準則就是安全的。URD提出在設計準則上再增加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,安全當局并不要求這個熱工裕量。(2)核電廠壽命達到60年。(3)實現(xiàn)不調(diào)硼負荷跟隨運行。2ap400的一般設計西屋公司AP系列第三代壓水堆堆芯設計有3種類型,20世紀80~90年代根據(jù)URD的要求設計了AP600,熱功率/凈電功率為1933/610MW,然后又設計了AP1000,熱功率/凈電功率為3400/1156MW。在2011年發(fā)布的設計控制文件文件19(DCD19)中,AP1000的初始堆芯設計是3種富集度,高泄漏布置,循環(huán)長度18個月,記為AP1000(D19)。2011年又設計了一種9種富集度,低泄漏,循環(huán)長度18個月的改進型初始堆芯,以下記為AP1000(Adv)。AP1000兩種設計的后續(xù)循環(huán)都是低泄漏、18個月?lián)Q料設計。AP600基本上按照URD的要求設計,并作為新一代(現(xiàn)稱第3代)壓水堆示范設計與URD同時推出,是一個有別于以前壓水堆核電廠的全新設計。而AP1000是在AP600基礎上進行部分修改,為提高經(jīng)濟效益,降低功率比投資而推出的。沒有全部重新設計,有某些先天不足之處,不是一個理想的設計。(1)AP序列核設計準則:①負反應性反饋,負的慢化劑溫度系數(shù)和功率系數(shù);②停堆裕量,冷停堆時次臨界度≥1%,熱停堆時次臨界度≥1.6%,更換燃料時次臨界度≥5%;③卡棒準則,價值最大的一束控制棒卡住不能插入堆芯時,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個長度為3.6576m的17×17燃料組件;AP1000,157個長度為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系列核電廠設計均能實現(xiàn)機械補償(MSHIM)不調(diào)硼負荷跟隨運行。AP1000(Adv)增加了MSHIM基荷運行模式。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計的經(jīng)驗法則,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的熱工裕量的詳細論證及可靠數(shù)據(jù)。5堆芯的富集度AP1000(Adv)為了實現(xiàn)低泄漏及在MSHIM基荷運行模式下盡量降低功率峰因子,初始堆芯布置極其復雜,使用了9種富集度,16種芯塊(表1)。堆芯中最復雜的燃料組件有6種燃料棒,每根燃料棒有3個軸向區(qū)段,使用了8種芯塊;通水環(huán)狀可燃毒物(WABA)有3種不同的長度,等等。制造燃料組件的困難程度大,發(fā)生裝錯料事故的幾率肯定超過AP1000(D19)。6ap3000集度AP1000(Adv)初始堆芯實現(xiàn)低泄漏裝載,其堆芯平均富集度遠小于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為設計時使用了不同的中心組件)。7mshim基本負荷運營模式AP1000(Adv)的堆芯核設計采用了完全的MSHIM運行模式,即在基荷運行和負荷跟隨運行時都采用MSHIM運行模式。7.1確定硼降曲線(1)4個灰體M棒組(鎢控制棒)分成兩對(A、B對和D、C對),按照規(guī)定的對內(nèi)棒組重疊步數(shù)(83步),在整個循環(huán)長度內(nèi)兩對灰棒交錯插入堆芯。在1到2周的時間內(nèi)保持硼濃度不變,依靠灰棒組的運動補償燃料燃耗引起的反應性變化。硼降曲線是階梯狀。(2)M棒組同時控制冷卻劑溫度(維持堆芯功率在額定滿功率)。(3)每次調(diào)硼時兩對棒組進行切換。(4)用獨立的軸向功率偏移(AO)棒組控制軸向功率分布。(5)運行過程中,棒組的運動、切換、調(diào)硼及AO控制等都可以自動控制。7.2控制棒自動控制系統(tǒng)(1)大大減少調(diào)硼系統(tǒng)的動作次數(shù),減少運行人員的動作。(2)使用數(shù)字化的控制棒自動控制系統(tǒng),簡化運行人員的操作。(3)用相互獨立的棒組分別控制反應性和軸向功率分布。獨立的AO棒組可以精確控制軸向功率分布。(4)可以隨時提供不調(diào)硼負荷跟隨運行。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吸收體)做灰體控制棒,可以長期插入堆內(nèi)運行。(2)把核設計準則中焓升因子的限值從1.65提高到1.72。(3)用復雜的堆芯布置盡量減少功率分布的不均勻性。7.4基荷運行需要進行的調(diào)硼(1)核電廠壽期初凈堆(無氙)、冷態(tài)、完成裝料扣蓋后,滿足停堆裕量的硼濃度是最大的。在整個循環(huán)中,無論采用何種運行模式,都需要把硼濃度從壽期初的這個最大值降到壽期末停堆時的10mg/L。如果不考慮起動物理實驗中測量控制棒價值等需要改變硼濃度的特殊情況,在通?；矩摵蛇\行條件下,稀釋硼濃度所產(chǎn)生的廢水量是固定的。MSHIM基荷運行模式可以在3000MW·d/t(U)燃耗深度左右,硼濃度接近1000mg/L時,發(fā)生大約±25mg/L的加硼和減硼動作時不需要調(diào)硼,可以適當減少廢水量。這和整個壽期需要稀釋1000mg/L的廢水量相比,是一個很小的數(shù)量。(2)國內(nèi)運行核電廠基荷運行時每個循環(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)長度、是否使用可燃毒物以及運行的控制要求等,沒有統(tǒng)一規(guī)定。平均看,1000MW級壓水堆核電廠按傳統(tǒng)模式基荷運行時大致每天調(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基荷運行時平均10天左右調(diào)硼一次,每次調(diào)硼約28mg/L,每個循環(huán)大約調(diào)硼45次左右。(4)MSHIM基荷運行雖然調(diào)硼頻率大大降低,但每次調(diào)硼量遠大于傳統(tǒng)運行模式。按M310設計參數(shù),在壽期末硼濃度為50mg/L時,稀釋28mg/L需要4個多小時。單純調(diào)硼頻率的降低并不能簡化硼系統(tǒng)設計或者取消某些功能。7.5燃料組件及組件布置系統(tǒng)減少了工(1)基荷運行中灰棒一直插入,擾動功率分布,功率峰因子增加,降低了熱工裕量。(2)復雜的燃料組件設計增加了裝錯料事故幾率。(3)未經(jīng)過實踐檢驗,沒有運行經(jīng)驗。8不同模式中補償功率隨時間的變化規(guī)律見表1AP1000壓水堆采用了MSHIM負荷跟隨運行模式。它與M310壓水堆的ModeG負荷跟隨運行模式的主要不同點是:MSHIM模式使用M棒組(灰棒)控制反應性(包括補償功率變化、瞬態(tài)氙變化和燃料燃耗引入的反應性,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;負荷跟隨運行時不需要調(diào)硼。ModeG運行模式使用G棒組(灰棒)補償功率變化引入的反應性;調(diào)硼補償瞬態(tài)氙變化和燃料燃耗引入的反應性;用調(diào)節(jié)棒組控制冷卻劑溫度及軸向功率分布。MSHIM負荷跟隨運行模式不需要調(diào)硼而且可以精確控制軸向功率分布,明顯優(yōu)于ModeG運行模式。其缺點是未經(jīng)實踐檢驗,沒有運行經(jīng)驗。9基荷運行模式分類(1)AP600基本滿足URD對3代核電廠的要求,有好的安全性,但經(jīng)濟性不理想。AP1000在經(jīng)濟性上有明顯提高,但在許多重要安全指標上比AP600后退不少。(2)AP1000核電廠已經(jīng)在建造,很多重要設計例如線功率密度、壓力容器尺寸等導致AP1000性能不如AP600的參數(shù)是無法更改的。(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)長度都是18個月。后續(xù)循環(huán)都是低泄漏布置,所需燃料基本相同。(4)MSHIM負荷跟隨運行模式是一個比較好的設計,但基荷運行模式情況不同。MSHIM基荷運行模式的優(yōu)點涉及運行方便性,對核電廠性能沒有實質(zhì)性提高。缺點涉及某些事故幾率上升,熱工裕量下降等實質(zhì)性問題。MSHIM運行模式?jīng)]有經(jīng)過實踐檢驗,也沒有任何運行經(jīng)驗。(5)我國核電比例極低,現(xiàn)有核電廠基本上是基荷運行,極少進行負荷跟隨。這種狀況短期內(nèi)不會改變。目前世界上所有壓水堆核電廠在基荷運行時的基本指導思想是盡可能把控制棒提出堆芯外,減少對功率分布的擾動。MSHIM基荷運行模式把灰棒插入堆內(nèi)進行燃耗運行,是對現(xiàn)有基荷運行思想的徹底顛覆。其優(yōu)點不大,缺點明顯。據(jù)悉西屋公司內(nèi)部對MSHIM基荷運行模式也有不同意見。在沒有經(jīng)過實踐檢驗之前,我國不能做試驗品,輕易采用。10ao棒組運行性能(1)三門核電廠、海陽核電廠以及后續(xù)AP1000核電廠采用MSHIM負荷跟隨運行模式,不采用MSHIM基荷運行模式。(2)建議基荷運行模式如下:調(diào)硼補償燃料燃耗引入的反應性,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)有運行模式ModeG用調(diào)節(jié)棒組同時控制冷卻劑溫度和軸向功率分布時顧此失彼的缺點,減少調(diào)硼次數(shù);又沒有MSHIM基荷運行模式M棒組深插入堆內(nèi)燃耗對功率分布的擾動。通過分析計算,確定棒組運行帶、插入極限以及AO控制目標值等參數(shù),形成我國特有的基荷運行模式。(3)核設計準則恢復到FΔH≤1.65。(4)初始堆芯設計采用低泄漏布置,但摒棄AP1000(Adv)的復雜繁瑣設計。重新設計堆芯,滿足設計準則、降低平均富集度。如果三門核電廠和海陽核電廠的燃料已經(jīng)開始生產(chǎn),則仍然采用AP1000(Adv)的堆芯設計,但后續(xù)核電廠不用此設計。11功率傾斜比之影響(1)FΔH設計限值從1.72降到1.65,增大了最小燒毀比熱工裕量(大約增加4%)。這個裕量掌握在核電廠業(yè)主手中,可以應付各種不測事件。例如,大亞灣核電站一號機第二循環(huán)象限功率傾斜比(QPTR)超限達3.4%,二號機第三循環(huán)方位角功率傾斜比(APTR)超限達3.92%。大亞灣核電站兩次QPTR超限導致限制提升功率,被迫在97%功率下運行合計約30天,造成一百多萬美元的經(jīng)濟損失。后來經(jīng)過法國人利用功率傾斜的堆芯模型重新進行安全分析,證明反應堆在這樣的情況下仍然是安全的,才恢復到滿功率運行。這是超出運行限值的突發(fā)不測事件。功率傾斜比超限主要影響FΔH,可以近似地認為在這樣的超限情況下FΔH增大了相應的百分比,這是一個保守的估計。如果將來AP1000核電廠運行時也發(fā)生類似情況,按照FΔH限值為1.65設計的堆芯由于有4%的額外熱工裕量,將可以從容應對這一突發(fā)事件。而按照1.72設計的堆芯難免要經(jīng)過一番折騰。如果三門核電廠和海陽核電廠的燃料已經(jīng)開始生產(chǎn),則只能采用AP1000(Adv)的復雜堆芯設計。萬一發(fā)生裝錯料事故,通常只有機組啟動達到高功率后,通過堆內(nèi)測量才能發(fā)現(xiàn)。目前堆內(nèi)測量分辨率只達到組件平均功率的水平,要得到功率峰因子的測量值還需要借助理論數(shù)據(jù)庫。后者是在正確裝料的基礎上計算得到的。如果裝錯料事故不嚴重[例如某個組件內(nèi)燃料棒放錯位置或者燃料棒內(nèi)芯塊放錯位置,由于AP1000(Adv)的堆芯設計復雜,發(fā)生這種事故的幾率會比較大],功率峰因子已經(jīng)改變但堆內(nèi)測量沒有發(fā)現(xiàn)裝錯料,盲目帶病運行。即使堆內(nèi)測量已經(jīng)發(fā)現(xiàn)組件裝錯料,如果不嚴重,為了經(jīng)濟利益(停堆、開蓋、重新布