基于核電站模擬機的燃料循環無繞切換過程仿真研究

李海波

摘 要 核電站全范圍模擬機，需要選定實際機組作為其參考機組。采用18個月換料方案的核電機組，隨著其投入商業運行及歷次大修的完成，燃料循環將由首循環逐步過渡到18個月換料循環。當參考機組進入18個月換料循環，模擬機即具備使用18個月換料相關數據（代替設計數據）建立18個月換料場景初態的條件。本文以18個月換料方案為背景，討論在核電站模擬機上實現不同燃料循環無繞切換的仿真方法。

關鍵詞 模擬機;燃料循環;無繞切換

引言

壓水堆（PWR）最初是美國為核潛艇設計的一種熱中子堆堆型。美國Nautilus壓水堆核潛艇于1955年4月27日下水，陸上Shippingport壓水堆核電站于1957年12月投入運行，經過幾十年的努力，這種堆型得到了很大的發展，通過一系列的重大改進，已經成為技術上成熟的一種堆型。為了兼顧堆芯設計的先進性、燃料經濟性和控制工程風險，目前商運的核電機組很多采用12個月轉18個月換料的燃料管理方案，即首循環采用年度換料模式，并采用釓作為可燃讀物，從第二循環開始快速向18個月換料過渡。

核電站全范圍模擬機，需要選定實際機組作為其參考機組;采用18個月換料方案的核電機組，隨著其投入商業運行及歷次大修的完成，燃料循環將由首循環逐步過渡到18個月換料循環。當參考機組進入18個月換料循環，模擬機即具備使用18個月換料相關數據（代替設計數據）建立18個月換料場景初態的條件。本文以18個月換料方案為背景，討論在核電站模擬機上實現不同燃料循環無繞切換的仿真方法。

1堆芯及燃料組件

假定某反應堆由眾多個燃料組件組成，堆芯額定熱功率近3000MW，反應堆運行壓力為15MPa左右，反應堆冷卻劑總流量為7萬m3/h左右。每個燃料組件包括264根燃料棒（部分燃料棒載有釓可燃讀物）、24根鋯-4材料的導向管（用以放置控制棒組件、中子源組件和阻流塞組件）和1根鋯-4材料的儀表導向管，他們按17X17方陣排列成正方形柵格，共289根棒位。冷態時相鄰燃料組件的中心距離為約為20cm。

在18個月換料管理策略中，共使用了11種類型的組件，其中首循環6種，后續循環5種，分別描述如下：

U-235富集度為1.9%的燃料組件：不含釓棒或含4根釓棒;

U-235富集度為2.5%的燃料組件：含4根或含8根釓棒;

U-235富集度為3.2%的燃料組件：不含釓棒或含12根釓棒;

U-235富集度為4.5%的燃料組件：不含釓棒或含8根、16根、20根、24根釓棒[1]。

218個月換料過程

首循環采用12個月，經過2個過渡循環后進入平衡循環（短循環和長循環交替運行），在燃料管理策略里，基于平衡循環方案，對其進行了一定程度的靈活性研究，包括在平衡循環的后續循環里考慮±4個新組件時堆芯特性的可能變化，以及平衡循環提前18EFPD（等效滿功率天）停堆或延長燃耗運行28EFPD后的堆芯變化特性等。靈活性循環詳細策略如下：

L1循環是跟在平衡循環的短循環（S0）后面，并考慮了75（ 71+4 ）組新組件長循環;

L3循環是跟在平衡循環的短循環（S0）后面，并考慮了S0（ 72+4 ）組新組件長循環;

S1循環是跟在平衡循環的長循環（L0）后面，并考慮了65（ 69-4 ）組新組件短循環;

S3循環是跟在平衡循環的長循環（L0）后面，并考慮了L0提早18 EFPD停堆的短循環。

3不同燃料壽期無繞切換過程仿真

18個月換料方案是一個從12個月換料逐漸過渡到18個月換料的過程，中間經歷了2個過渡循環，過渡循環換料后的培訓用的不是很多，且只在18個月換料的第二，三周期時有用，對于后續平衡循環后，過渡循環的初態將被廢棄，因此模擬機中無須建立過渡循環的初態，只需要建立第四循環（短循環）和第五循環（長循環）壽期初態即可。

3建立不同壽期初態，需要做以下幾個方面的工作：

（1）功率-棒位曲線切換。虛擬DCS 功率控制機柜邏輯參考實際機組DCS邏輯設計，其中只有一條功率-棒位曲線，為實現無繞切換，需要手動添加多條曲線，以便建立不同壽期初始工況;從DCS引出DI點，通過模擬機通信工具生成通訊點表，通過工況存儲即可實現功率-棒位曲線切換。不同的壽期功率-棒位曲線數據需要重新標定和下裝。

（2）堆芯平衡計算文件切換。堆芯平衡計算文件存儲在虛擬DCS服務器中，包含BOL、MOL、EOL文件夾，即對應壽期初、中、末三種壽期。將需要的壽期文件夾下面的堆芯平衡計算文件參數表選擇為使用。

（3）燃料文件切換。模擬機中反應堆燃料裝載的調整通過修改燃料文件切換參數來實現。模擬機可提供多個循環（第一循環、短循環和長循環）和多個壽期（壽期處氙平衡、壽期中和壽期末）多爐料供用戶選擇。它們通過一個十進制數來控制，十進制的十位表示燃料循環，各位表示壽期，他們的組合就得到了多爐料之一，一旦選取了某爐料，模擬機就會在運行時讀取相應的燃料相關文件。如11表示首循環壽期初，21表示短循環壽期初，以此類推。燃料文件對應的文件所在位置在服務器燃料文件夾中。

換料操作以修改為長循環壽期末為例：①加載一個穩定的滿功率工況，運行一步凍結;②將堆芯平衡計算熱工和物理控制命令控制值修改為39;③將燃料文件修改為33;④重新存儲一個工況;⑤卸載當前工況后加載這個工況，在服務器后臺命令行窗口中確認燃料切換成功。

（4）參數調整優化。由于滿功率時，各個壽期熱工參數是相同的，因此我們在換料調整過程中，可以凍結熱工計算，然后通過一次性同步堆芯硼濃度功能將反映的有效增值系數調整到1附近，待堆芯計算穩定后，再放開熱工參數計算。最后調整堆芯平衡計算電壓，使軸向功率傾斜在允許的范圍內，即完成了壽期初態建立過程。

4結束語

由于燃料消耗以及反應性控制、試驗檢查的要求，壓水堆核電站都要制定一套適應性的換料方案，常見的換料方式有年度換料、18個月換料、24個月換料等，無論哪種換料方式，模擬機都需要建立與之對應的培訓場景。本文提供的燃料循環無繞切換過程仿真，是模擬機實現不同燃耗場景切換的一般性過程和方法，值得模擬機開發設計人員及模擬機維護人員參考借鑒。

參考文獻

[1] 吳紅艷.基于IoT的核電站電源切換試驗仿真推演及風險控制研究[D].武漢：武漢大學，2018.