華龍一號負荷跟蹤策略模擬研究

王晨琳 李天涯 劉同先 王冬勇 劉 琨

（中國核動力研究設計院核反應堆系統設計技術重點實驗室，四川 成都 610041）

0 前言

華龍一號百萬千瓦級核電廠采用MODE-G運行模式，支持進行基負荷運行、日負荷跟蹤運行。

負荷跟蹤運行是壓水堆核電廠應對電網負荷變化、參與調峰的主要方式。負荷跟蹤策略可用如下形式來表達：12-3-6-3（100-50-100），即維持在100%FP的時長為12小時，維持在50%FP的時長為6小時，高低功率平臺間轉換的時長為3小時（見圖1）。核電廠實際執行的負荷跟蹤策略主要受兩方面因素共同影響而決定：（1）所在電網總用電負荷變化曲線；（2）該地區發電機組容量、能源類型、發電成本等因素。也即核電廠實際執行的負荷跟蹤策略可能根據所在地域、季節、節假日不同而顯著不同，如低功率平臺值不同、降功率或升功率的速率不同、在低功率平臺所持續的時間不同。

圖1 負荷跟蹤策略示意

不同負荷跟蹤策略下堆芯的特性也存在不同。為保證設計安全，有必要針對不同負荷跟蹤策略進行模擬分析。而實際運行過程中負荷跟蹤策略的多樣性也使得逐一進行模擬變得不現實。

針對此情況，本文基于華龍一號核電廠進行不同負荷跟蹤策略下堆芯特性模擬分析，并給出設計中的負荷跟蹤策略分析建議。

1 模擬說明

1.1 MODE-G運行模式簡述

華龍一號核電廠采用MODE-G運行模式，允許堆芯功率跟隨電網負荷的變化，快速降低或提高反應堆功率水平，但負荷變化過程中仍需要進行硼濃度調節。

具體而言，堆芯共設置兩類調節棒組：功率補償控制棒組（G1 G2 N1 N2）和溫度調節棒組（R）。功率補償控制棒組采用部分灰體控制棒，各功率補償棒組之間設置重疊步以在連續穩定引入反應性的同時減少對堆芯徑向和軸向功率分布的影響，能夠以較快的速度調節反應堆功率；溫度調節棒組均為黑體控制棒，按照控制系統內置邏輯進行移動以自動控制堆芯冷卻劑平均溫度。操縱員手動操作控制堆芯△I；調節堆芯內可溶硼濃度以補償由于燃耗、氙濃度變化等引起的較慢的反應性變化。

在MODE-G模式下進行負荷跟蹤時，通過將功率補償棒組快速插入堆芯實現以特定速率將堆芯功率降低至目標功率水平，通過調節溫度調節棒組保持堆芯平均水溫在目標范圍內。堆芯達到目標功率水平后，堆芯中氙毒物濃度的演變引入的反應性變化通過調節可溶硼濃度補償；同時，為將堆芯軸向功率分布控制在目標范圍內所需進行的溫度調節棒組調節引入的反應性變化也由可溶硼補償。

1.2 模擬程序

華龍一號的堆芯設計采用SCIENCE V2程序包，該程序包中僅有基于一維堆芯程序ESPADON的負荷跟蹤模擬模塊，而缺少三維堆芯負荷跟蹤模擬的計算程序，無法模擬MODE-G模式下三維堆芯在負荷跟蹤過程中控制棒棒位、可溶硼濃度、氙濃度的實時變化。

由中國核動力研究設計院自行開發并經過驗證的Load_Follow程序可與SCIENCE軟件聯合使用，支持對MODE-A、MODE-G、MODE-C等多種運行模式進行三維負荷跟蹤模擬計算。該程序主要功能如下：（1）在負荷跟蹤過程中根據堆芯條件的變化進行碘和氙的燃耗計算；（2）堆芯臨界搜索、軸向功率分布形狀控制、堆芯平均水溫控制均基于指定運行模式的控制邏輯開展。

本文采用Load_Follow程序進行華龍一號三維堆芯負荷跟蹤模擬計算。

1.3 負荷跟蹤策略

負荷跟蹤策略中主要明確降功率所要達到的低功率平臺、在該低功率平臺所要持續運行的時間、降功率及返回功率的速率，并默認初始功率水平及返回功率水平均為滿功率。

為研究負荷跟蹤策略中不同策略參數對堆芯特性的影響情況，本文構造了幾種典型的負荷跟蹤策略，見表1。

表1 負荷跟蹤策略

在表1所列出的負荷跟蹤策略中，通過對策略1和策略2的模擬結果進行對比，以評價降功率至不同功率平臺的影響；通過對策略1和策略3、策略2和策略4的模擬結果進行對比，以評價不同降功率速率的影響；通過對策略1、策略5、策略6的模擬結果進行對比，以評價不同低功率平臺時長的影響。

1.4 負荷跟蹤特性參數

在單次負荷跟蹤模擬中，堆芯的硼濃度、軸向功率偏差、功率峰因子等多項參數均處于持續變化中。圖2給出了基于華龍一號堆芯、采用Load_Follow程序進行的為期96小時的12-3-6-3（100-50-100）負荷跟蹤下堆芯典型參數的變化。

圖2 典型負荷跟蹤時堆芯參數變化

可以看出，在負荷跟蹤過程中，由于堆芯功率、氙濃度等因素的持續變化，堆芯臨界硼濃度和功率分布參數也處在持續變化中。為了對比不同負荷跟蹤策略對堆芯特性的影響，本文以硼濃度、軸向功率分布偏差、熱點因子FQ、核焓升因子FΔH作為堆芯特性典型參數，對這些參數在負荷跟蹤過程中的最大值、最小值進行對比評價。

2 負荷跟蹤策略模擬與分析

根據前述負荷跟蹤說明，對華龍一號堆芯不同燃耗深度分別進行典型負荷跟蹤策略模擬。壽期初平衡氙（BLX）、壽期中（MOL）時的堆芯典型參數變化情況見表2、表3所示。表4、表5中給出單變量變化的策略結果對比。

表2 BLX各負荷跟蹤策略堆芯參數

表3 MOL各負荷跟蹤策略堆芯參數

表4 BLX各負荷跟蹤策略堆芯參數差異

表5 MOL各負荷跟蹤策略堆芯參數差異

策略1、策略2的主要區別在于降功率的幅度。可見降功率幅度減小時，硼濃度的峰值和峰谷差總體減小；軸向功率偏差的峰值差異在±3%以內；FQ的峰值及峰谷差的差異總體在±0.25以內；FΔH的峰值及峰谷差的差異總體在±0.15以內。

策略1、策略3的主要區別在于降功率速率。降功率速率較快時，硼濃度的峰值與峰谷差的差異在±15ppm以內，且較高功率平臺下差異相對較小；軸向功率偏差的峰值與峰谷差的差異總體在±2%以內；FQ的峰值及峰谷差的差異總體在±0.05以內；FΔH的峰值及峰谷差的差異總體在±0.01以內。策略2、策略4的數據也支撐這一結論。

策略1、策略5、策略6的主要區別在于低功率平臺的持續時間（及相應的滿功率平臺持續時間）。低功率平臺持續時間變化后，硼濃度峰值及峰谷差的差異總體減小，幅度在±20ppm以內；軸向功率偏差的峰值與峰谷差的差異總體在±3%以內；FQ的峰值及峰谷差的差異總體在±0.05以內；FΔH的峰值及峰谷差的差異總體在±0.01以內。

上述結果表明，在指定低功率平臺時，降功率速率和低功率平臺持續時長對于堆芯參數的影響相對有限；而降功率幅度對堆芯參數的影響相對顯著。

在實際設計過程中可著重進行不同降功率幅度的策略模擬，并針對未能一一模擬的其他類型策略對堆芯參數疊加相應懲罰系數，即可得到包絡性的堆芯參數，從而確保分析結論的可靠性。

3 結語

本文采用三維負荷跟蹤模擬程序對華龍一號進行了MODE-G運行模式下的典型負荷跟蹤策略模擬。模擬結果表明，降功率幅度對于堆芯參數的影響較為顯著。在設計過程中可以通過對此策略參數著重模擬，同時針對其他策略參數對堆芯參數輔以懲罰系數，從而保證分析結論的可靠性。