姚 红，高 鑫，孙幸光，刘国明

（1.中国核电工程有限公司，北京 100840；2.中核核电运行管理有限公司，浙江海盐 314300）

秦山二期长循环燃料管理方案研究

姚 红1，高 鑫1，孙幸光2，刘国明1

（1.中国核电工程有限公司，北京 100840；2.中核核电运行管理有限公司，浙江海盐 314300）

秦山二期目前采用的是使用36盒富集度为3.7%的换料组件的OUT－IN年换料燃料管理策略，从2号机组第11燃料循环开始第1个长循环过渡，采用的是使用44盒富集度为4.45%的换料组件的IN－OUT长循环燃料管理策略。为解决目前长循环燃料管理策略循环长度偏短、预留停堆维修时间较长、电站可利用率较低等问题，对使用48盒富集度为4.45%的换料组件的IN－OUT长循环燃料管理策略进行了研究。通过对上述3种燃料管理策略的主要计算结果进行分析和比较，推荐秦山二期长循环燃料管理采用48盒富集度为4.45%的燃料管理策略。

长循环；低泄漏；燃料管理

秦山二期电站目前有4个65万千瓦级机组，分别为1、2、3、4号机组，依次为2002、2004、2010、2011年商运，目前正在运行的依次是第11、10、4、3燃料循环。截止到目前的运行循环，采用的都是年换料的燃料管理策略，除首循环使用富集度为1.9%、2.6%、3.1%的燃料组件，过渡循环使用富集度为3.25%的燃料组件外，其他循环均使用富集度为3.7%的燃料组件，按照年换料设计来看，平衡循环亦采用36盒富集度为3.7%的换料燃料组件。

根据秦山二期业主对长循环堆芯燃料管理的要求，从2号机组第11燃料循环开始采用长循环的燃料管理策略。目前采用的是44盒富集度为4.45%的换料燃料组件的长循环燃料管理方案。由于该方案的循环长度为480 EFPD左右，长循环的停堆维修时间将达到67.5 d，可见该方案的停堆维修时间预留较多，电站的可利用率不高，约为0.877，电站的经济性能受影响。

本文针对秦山二期电站目前长循环燃料管理采用44盒换料燃料组件的方案，在不能增加换料燃料组件富集度的情况下，提出增加换料组件数到48盒的办法，旨在解决长循环燃料管理方案寿期稍短、停堆维修时间预留较多、电站利用率不高、经济性受影响等问题。

本文应用SCIENCE程序包，采用人工优化换料设计方案的方法对秦山二期反应堆堆芯进行长循环燃料管理优化设计研究，给出换料组件数为48盒的长循环、IN－OUT的燃料管理方案，并与目前设计的换料组件数为44盒的长循环燃料管理方案进行比较和分析。本文的长循环燃料管理设计都是从2号机组的第11燃料循环开始向长循环换料过渡的。

1 设计准则

1）换料组件类型：采用富集度为4.45%的AFA3GAA燃料组件。

2）堆芯装载模式：采用IN－OUT低泄漏模式［］。

3）燃料组件的燃耗限值：燃料组件的最大燃耗＜52 GW·d／t U［2］。

4）燃料组件的焓升因子FΔH≤1.60（其中包括9.2%的不确定性）。

5）慢化剂温度系数≤0 pcm／℃。

6）寿期末最小停堆裕量≥2 200 pcm。

2 计算机程序

本设计计算使用从法马通公司引进的SCIENCE核设计和燃料管理计算程序包完成。该程序包主要由先进的组件计算程序APOLLO2－F、堆芯模型化和分析程序SMART、堆芯测量数据处理和功率恢复程序SQUALE以及人机接口的界面程序COPILOTE组成。在本设计中使用了APOLLO2－F、SMART和COPILOTE程序，其中，燃料组件的参数由APOLLO2－F程序计算得到，换料和堆芯特性参数的计算使用SMART程序。

3 堆芯描述

秦山二期反应堆堆芯由121盒燃料组件组成，堆芯核功率1 930 MW，电功率650 MW，堆芯冷却剂总流量48 580 m3／h，压力15.5 MPa，活性区高度3.658 m，平均线功率密度16.09 kW／m［3］。

2号机组第10循环采用的是36盒富集度为3.7%的换料燃料组件、OUT－IN［4］高泄漏装载模式，即新燃料组件布置在堆芯外圈。从第11循环开始采用48盒富集度为4.45%的换料燃料组件向长循环换料设计过渡，并采用INOUT低泄漏装载模式，即大部分新燃料组件布置在堆芯内区［5］。由于新燃料组件如果全部布置在堆芯内区，引起的功率峰难以展平到安全限值内，因此在堆芯最外圈离压力容器最远位置布置了新燃料组件，既展平了功率峰、保证了安全性，又较大程度地维护了燃料的利用率。由于堆芯内区布置了较高富集度的新燃料组件，引起较大的功率峰，为了展平堆芯径向功率峰，采用含钆燃料棒，其中的钆毒物可降低寿期初的功率峰。适量配置可燃毒物，在降低功率峰的同时，也不至于更多影响燃料的利用率；同时考虑到生产、组装燃料的复杂性，采用了较少种类的含钆组件。含钆燃料棒中的Gd2O3与UO2均匀弥散在芯块中，Gd2O3的质量分数为8%，235U富集度为2.5%。根据含钆燃料棒在组件中的数量又分为含有4、8、12根等。

4 燃料管理方案描述

秦山二期从2号机组第11循环开始采用长循环燃料管理方案，堆芯采用IN－OUT装载模式，每次换料装入48盒235U 富集度为4.45%的新燃料组件，经过3次换料，第14循环达到平衡。运行过两个循环的燃料组件再入堆的选取原则是挑选燃耗浅、反应性大的已辐照燃料组件。表1列出该方案第11循环到第15循环的燃料管理主要计算结果。图1示出该方案平衡循环堆芯装载图。

表1 燃料管理主要计算结果Table 1 Fuel management main result

图1 平衡循环堆芯装载图Fig.1 Equilibrium cycle core reloading pattern

从表1可知，该方案FΔH的最大值为1.570，慢化剂温度系数最大值为－0.568 pcm／℃，停堆裕量最小值为2 302 pcm，组件的最大燃耗为50 934 MW·d／t U。该方案平衡循环的循环长度为508 EFPD。该方案的主要参数计算结果均满足设计准则的要求。

因此，堆芯每次换料48盒富集度为4.45%的AFA－3GAA燃料组件，采用IN－OUT的长循环换料方式的燃料管理方案设计是可行的。

5 方案比较

秦山二期目前采用的长循环燃料管理方案是采用44盒新组件的换料方案，该方案堆芯采用完全低泄漏装载，即堆芯最外圈不布置新组件。为比较目前采用44盒换料燃料组件的长循环燃料管理方案，本文计算并给出采用44盒换料燃料组件的长循环燃料管理方案的计算结果，另外，本文也计算并给出采用36盒富集度为3.7%的换料燃料组件的年换料燃料管理方案的计算结果。表2列出了这3个方案平衡循环的主要计算结果。

表2 平衡循环主要计算结果比较Table 2 Fuel management main result comparison of equilibrium cycle of three schemes

电站堆芯燃料管理方案的评价主要从电站安全性和经济性两方面来考虑［6］。评价安全性的指标有焓升因子、最大燃耗、停堆裕量等。评价经济性的指标有循环长度、卸料燃耗等。

从表2可见：电站可利用率最大的是方案2，为0.93；方案1的电站可利用率最小。方案3的焓升因子最小，为1.450；方案1、2的焓升因子均较大；各方案的焓升因子均满足设计准则的要求。表明方案3的安全裕量最充足，主要是因为该方案采用OUT－IN装载且富集度较低，功率峰较易展平；而方案1、2采用INOUT装载且富集度较高，新燃料组件基本布置在堆芯内区，引起较大的功率峰，并使用含钆燃料棒中的钆毒物来抑制寿期初的功率峰值。

从表2还可见，方案1的平均卸料燃耗最大，超过45 GW·d／t U，说明该方案的组件燃烧得最充分、利用率最高［7］。方案3的组件最大燃耗最小，方案1、2的组件最大燃耗较大，但都在限值以内。

从表2可推算出这3个设计方案中组件最大卸料燃耗与平均卸料燃耗的差依次为4 802、6 419、5 386 MW·d／t U。组件最大卸料燃耗与平均卸料燃耗的差最小的是方案1，最大的是方案2。表明方案1的卸料组件的燃耗值离散度较小［8］。

6 结论

1）秦山二期电站无论采用36盒富集度为3.7%的年换料燃料管理策略，还是采用44盒富集度为4.45%的长循环燃料管理策略，还是采用48盒富集度为4.45%的长循环燃料管理策略，都满足安全限值和设计目标的要求，都是优化和可行的。

2）秦山二期目前采用36盒富集度为3.7%的换料燃料组件的年换料OUT－IN燃料管理策略的安全性能表现优越，该方案的焓升因子、最大燃耗等方面较长循环燃料管理策略的相应值降低7%～8%、12%～13%。这也是OUT－IN装载模式的燃料管理方案的共性，因为富集度高或反应性大的燃料组件布置在紧靠反射层的堆芯外圈，可达到展平堆芯中子通量密度的作用而使功率峰因子下降。由于是年换料，循环燃耗较短，即使经历3或4个循环，在合理的堆芯优化布置下，组件最大燃耗也离限值较远。另外，由于新燃料组件布置在堆芯外圈，造成中子泄漏损失较大，使循环长度减少。

3）秦山二期目前采用44盒富集度为4.45%的换料燃料组件的长循环IN－OUT燃料管理策略的组件燃耗性能表现优越，该方案的平均卸料燃耗较同样采用长循环燃料管理策略的方案2的相应值增加3%，而组件最大燃耗却较方案2的相应值降低0.5%。组件的最大燃耗与平均卸料燃耗的差值最小，较方案2、3的相应差值减少25%、11%，说明该方案的组件燃耗较充分和均匀，组件的利用率较高。这是因为该方案的堆芯装载采用的是完全低泄漏模式，即堆芯最外圈布置的都是已辐照燃料组件，新燃料组件布置在堆芯内区，这样可使燃料组件燃耗比较均匀，而相对均匀的装载可取得较高的平均卸料燃耗。同时，因为反应性大的新燃料组件布置在堆芯内区，反应堆中子泄漏损失较小，使循环长度增加。另外，由于堆芯内区布置反应性大的新燃料组件，引起寿期初的堆芯内区中子通量密度高，加大了堆芯的功率不均匀系数，引起较大的功率峰因子，所以使用了含钆燃料棒中钆毒物来降低功率峰。尽管如此，该方案的焓升因子仍最大，但在安全限值以内。

4）秦山二期采用48盒富集度为4.45%的换料燃料组件的长循环IN－OUT燃料管理策略的经济性能表现优越，该方案的循环长度最长，达到508 EFPD；该方案的电站可利用率最大，达到0.93，较方案1提高了6.1%，较目前年换料的可利用率也有所提高。该方案预留的停堆维修时间为39.5 d，与目前秦山二期电站停堆维修时间较为吻合，增加了实用性。该方案作为长循环燃料管理的补充能解决目前长循环燃料管理方案寿期偏短、停堆维修时间预留较多、电站利用率不高、经济性受影响等问题。由于该方案采用的类似方案1的IN－OUT低泄漏装载模式，因此在组件燃耗性能方面的表现接近方案1，同样具有组件燃耗充分和均匀、中子泄漏损失较小、功率峰较大等特点。卸料燃耗在功率一定的情况下与循环长度呈正比，与组件铀重量呈反比，虽然循环长度较方案1的增加了6.1%，但增加了4盒组件，铀重量相对增加了9.1%，因而卸料燃耗较方案1的相应值有所下降［9］。

综上所述，推荐方案2作为秦山二期长循环燃料管理策略的补充方案，实用性较强。

［1］谢仲生.压水堆核电厂堆芯燃料管理计算及优化［M］.北京：原子能出版社，2001.

［2］潘泽飞，叶国栋，项骏军，等.秦山第二核电厂堆芯燃料管理方案的选择与优化［J］.核动力工程，2011，32（1）：22－26.PAN Zefei，YE Guodong，XIANG Junjun，et al.Optimization and selection of long fuel cycle reloading pattern for Qinshan ProjectⅡ［J］.Nuclear Power Engineering，2011，32（1）：22－26（in Chinese）.

［3］杨兰和，戚屯锋.CP600压水堆核电厂核燃料管理［M］.北京：中国原子能出版传媒有限公司，2011.

［4］谢仲生.核反应堆物理分析［M］.北京：原子能出版社，2000.

［5］蔡光明.秦山第二核电厂燃料管理策略改进的经济性分析［J］.核科学与工程，2006，26（4）：80－84. CAI Guangming.Economic analysis of fuel management philosophy amendment in the Second Qinshan Nuclear Power Plant［J］.Chinese Journal of Nuclear Science and Engineering，2006，26（4）：80－84（in Chinese）.

［6］孔德萍，廖泽军，吴锡锋，等.秦山核电厂堆芯燃料管理改进［J］.核动力工程，2006，27（2）：5－8.KONG Deping，LIAO Zejun，WU Xifeng，et al.Qinshan NPP in－core fuel management improvement［J］.Nuclear Power Engineering，2006，27（2）：5－8（in Chinese）.

［7］姚红.157组燃料组件组成的堆芯燃料管理研究［J］.原子能科学技术，2013，47（10）：1 845－1 851.YAO Hong.Fuel management study on PWR core included of 157 fuel assemblies［J］.Atomic Energy Science and Technology，2013，47（10）：1 845－1 851（in Chinese）.

［8］姚红.换料组件数为64组的堆芯燃料管理方案研究［J］.核科学与工程，2014，34（1）：51－58.YAO Hong.Study on fuel management for 64 refueling assemblies［J］.Nuclear Science and Engineering，2014，34（1）：51－58（in Chinese）.

［9］王成孝.核电站经济［M］.北京：原子能出版社，1997.

Long－cycle Fuel Management Strategy Research of QinshanⅡNPP

YAO Hong1，GAO Xin1，SUN Xing－guang2，LIU Guo－ming1
（1.China Nuclear Power Engineering Co.，Ltd.，Beijing 100840，China；2.CNNP Nuclear Power Operations Management Co.，Ltd.，Haiyan 314300，China）

Currently，the annual and OUT－IN reloading strategy is used in QinshanⅡNPP，which employs 36 new assemblies with 3.7%enrichment.The long－cycle fuel management strategy which uses IN－OUT reloading method and employs 44 fresh assemblies with 4.45%enrichment，is adopted in unit 2 cycle 11（U2C11）.A long－cycle fuel management strategy，adopting IN－OUT reloading method and 48 fresh assemblies with 4.45%enrichment，was presented.The purpose of presented strategy is to extend the cycle length，shorten shutdown time and exalt the utilization rate of power plant.The main attributes of these three fuel management strategies were analyzed and compared.As a result，the presented long－cycle fuel management strategy is the optimized strategy.

long－cycle；low－leakage；fuel management

TL384

：A

：1000－6931（2015）12－2217－05

10.7538／yzk.2015.49.12.2217

2014－09－14；

：2014－10－17

姚 红（1977—），女，湖南岳阳人，高级工程师，核科学与技术专业