王晨琳 李天涯 刘同先 王冬勇 刘 琨

（中国核动力研究设计院核反应堆系统设计技术重点实验室，四川 成都 610041）

0 前言

华龙一号百万千瓦级核电厂采用MODE-G运行模式，支持进行基负荷运行、日负荷跟踪运行。

负荷跟踪运行是压水堆核电厂应对电网负荷变化、参与调峰的主要方式。负荷跟踪策略可用如下形式来表达：12-3-6-3（100-50-100），即维持在100%FP的时长为12小时，维持在50%FP的时长为6小时，高低功率平台间转换的时长为3小时（见图1）。核电厂实际执行的负荷跟踪策略主要受两方面因素共同影响而决定：（1）所在电网总用电负荷变化曲线；（2）该地区发电机组容量、能源类型、发电成本等因素。也即核电厂实际执行的负荷跟踪策略可能根据所在地域、季节、节假日不同而显著不同，如低功率平台值不同、降功率或升功率的速率不同、在低功率平台所持续的时间不同。

图1 负荷跟踪策略示意

不同负荷跟踪策略下堆芯的特性也存在不同。为保证设计安全，有必要针对不同负荷跟踪策略进行模拟分析。而实际运行过程中负荷跟踪策略的多样性也使得逐一进行模拟变得不现实。

针对此情况，本文基于华龙一号核电厂进行不同负荷跟踪策略下堆芯特性模拟分析，并给出设计中的负荷跟踪策略分析建议。

1 模拟说明

1.1 MODE-G运行模式简述

华龙一号核电厂采用MODE-G运行模式，允许堆芯功率跟随电网负荷的变化，快速降低或提高反应堆功率水平，但负荷变化过程中仍需要进行硼浓度调节。

具体而言，堆芯共设置两类调节棒组：功率补偿控制棒组（G1 G2 N1 N2）和温度调节棒组（R）。功率补偿控制棒组采用部分灰体控制棒，各功率补偿棒组之间设置重叠步以在连续稳定引入反应性的同时减少对堆芯径向和轴向功率分布的影响，能够以较快的速度调节反应堆功率；温度调节棒组均为黑体控制棒，按照控制系统内置逻辑进行移动以自动控制堆芯冷却剂平均温度。操纵员手动操作控制堆芯△I；调节堆芯内可溶硼浓度以补偿由于燃耗、氙浓度变化等引起的较慢的反应性变化。

在MODE-G模式下进行负荷跟踪时，通过将功率补偿棒组快速插入堆芯实现以特定速率将堆芯功率降低至目标功率水平，通过调节温度调节棒组保持堆芯平均水温在目标范围内。堆芯达到目标功率水平后，堆芯中氙毒物浓度的演变引入的反应性变化通过调节可溶硼浓度补偿；同时，为将堆芯轴向功率分布控制在目标范围内所需进行的温度调节棒组调节引入的反应性变化也由可溶硼补偿。

1.2 模拟程序

华龙一号的堆芯设计采用SCIENCE V2程序包，该程序包中仅有基于一维堆芯程序ESPADON的负荷跟踪模拟模块，而缺少三维堆芯负荷跟踪模拟的计算程序，无法模拟MODE-G模式下三维堆芯在负荷跟踪过程中控制棒棒位、可溶硼浓度、氙浓度的实时变化。

由中国核动力研究设计院自行开发并经过验证的Load_Follow程序可与SCIENCE软件联合使用，支持对MODE-A、MODE-G、MODE-C等多种运行模式进行三维负荷跟踪模拟计算。该程序主要功能如下：（1）在负荷跟踪过程中根据堆芯条件的变化进行碘和氙的燃耗计算；（2）堆芯临界搜索、轴向功率分布形状控制、堆芯平均水温控制均基于指定运行模式的控制逻辑开展。

本文采用Load_Follow程序进行华龙一号三维堆芯负荷跟踪模拟计算。

1.3 负荷跟踪策略

负荷跟踪策略中主要明确降功率所要达到的低功率平台、在该低功率平台所要持续运行的时间、降功率及返回功率的速率，并默认初始功率水平及返回功率水平均为满功率。

为研究负荷跟踪策略中不同策略参数对堆芯特性的影响情况，本文构造了几种典型的负荷跟踪策略，见表1。

表1 负荷跟踪策略

在表1所列出的负荷跟踪策略中，通过对策略1和策略2的模拟结果进行对比，以评价降功率至不同功率平台的影响；通过对策略1和策略3、策略2和策略4的模拟结果进行对比，以评价不同降功率速率的影响；通过对策略1、策略5、策略6的模拟结果进行对比，以评价不同低功率平台时长的影响。

1.4 负荷跟踪特性参数

在单次负荷跟踪模拟中，堆芯的硼浓度、轴向功率偏差、功率峰因子等多项参数均处于持续变化中。图2给出了基于华龙一号堆芯、采用Load_Follow程序进行的为期96小时的12-3-6-3（100-50-100）负荷跟踪下堆芯典型参数的变化。

图2 典型负荷跟踪时堆芯参数变化

可以看出，在负荷跟踪过程中，由于堆芯功率、氙浓度等因素的持续变化，堆芯临界硼浓度和功率分布参数也处在持续变化中。为了对比不同负荷跟踪策略对堆芯特性的影响，本文以硼浓度、轴向功率分布偏差、热点因子FQ、核焓升因子FΔH作为堆芯特性典型参数，对这些参数在负荷跟踪过程中的最大值、最小值进行对比评价。

2 负荷跟踪策略模拟与分析

根据前述负荷跟踪说明，对华龙一号堆芯不同燃耗深度分别进行典型负荷跟踪策略模拟。寿期初平衡氙（BLX）、寿期中（MOL）时的堆芯典型参数变化情况见表2、表3所示。表4、表5中给出单变量变化的策略结果对比。

表2 BLX各负荷跟踪策略堆芯参数

表3 MOL各负荷跟踪策略堆芯参数

表4 BLX各负荷跟踪策略堆芯参数差异

表5 MOL各负荷跟踪策略堆芯参数差异

策略1、策略2的主要区别在于降功率的幅度。可见降功率幅度减小时，硼浓度的峰值和峰谷差总体减小；轴向功率偏差的峰值差异在±3%以内；FQ的峰值及峰谷差的差异总体在±0.25以内；FΔH的峰值及峰谷差的差异总体在±0.15以内。

策略1、策略3的主要区别在于降功率速率。降功率速率较快时，硼浓度的峰值与峰谷差的差异在±15ppm以内，且较高功率平台下差异相对较小；轴向功率偏差的峰值与峰谷差的差异总体在±2%以内；FQ的峰值及峰谷差的差异总体在±0.05以内；FΔH的峰值及峰谷差的差异总体在±0.01以内。策略2、策略4的数据也支撑这一结论。

策略1、策略5、策略6的主要区别在于低功率平台的持续时间（及相应的满功率平台持续时间）。低功率平台持续时间变化后，硼浓度峰值及峰谷差的差异总体减小，幅度在±20ppm以内；轴向功率偏差的峰值与峰谷差的差异总体在±3%以内；FQ的峰值及峰谷差的差异总体在±0.05以内；FΔH的峰值及峰谷差的差异总体在±0.01以内。

上述结果表明，在指定低功率平台时，降功率速率和低功率平台持续时长对于堆芯参数的影响相对有限；而降功率幅度对堆芯参数的影响相对显著。

在实际设计过程中可着重进行不同降功率幅度的策略模拟，并针对未能一一模拟的其他类型策略对堆芯参数叠加相应惩罚系数，即可得到包络性的堆芯参数，从而确保分析结论的可靠性。

3 结语

本文采用三维负荷跟踪模拟程序对华龙一号进行了MODE-G运行模式下的典型负荷跟踪策略模拟。模拟结果表明，降功率幅度对于堆芯参数的影响较为显著。在设计过程中可以通过对此策略参数着重模拟，同时针对其他策略参数对堆芯参数辅以惩罚系数，从而保证分析结论的可靠性。