田湾核电站TVS-2M先导组件堆芯热工水力分析

姚进国，李旭东，杨晓强，李载鹏，杨高升

(中国核电江苏核电有限公司，江苏 连云港 222042)

中国核电有限公司旗下的田湾核电站一期工程两台机组采用俄罗斯的WWER-1000/428型反应堆装置，并于2007年5月和8月两台机组相继投入商业运行，设计循环长度7 000 h，换料周期为年度换料，负荷因子80%，与国内外核电机组相比，其运行经济性偏低。为了提高田湾核电站机组运行的负荷因子及核电站经济性，田湾核电站通过引进高性能TVS-2M燃料组件，采用18个月燃料循环换料策略，并确定在一、二号机组第8燃料循环逐步开始向18个月燃料循环过渡。

2010年12月，TVS-2M先导组件的方案设计及堆芯论证工作完成，并获得国家核安全局的批准。一号机组第5燃料循环反应堆堆芯由157个AFA燃料组件和6个TVS-2M先导燃料组件组成，目前6个先导组件正运行在第7燃料循环，运行考验情况良好，为田湾核电站一、二号机组实施长周期换料策略奠定了基础。鉴于TVS-2M燃料组件与目前田湾核电站使用的AFA组件在结构上存在较大差异，为了确保过渡堆芯的安全和可靠运行，通过在机组上的试验测量来验证TVS-2M燃料组件的性能及与AFA燃料组件的相容性，同时验证热工水力设计程序计算模型的合理性以及计算结果与试验结果的符合性。

1 TVS-2M先导组件特点

与AFA组件相比，TVS-2M组件在设计上的改进主要包括：1) 定位格架与导向管采用焊接方式；2) 定位格架数量减少，格架外条带的厚度和宽度增加；3) 燃料棒活性段两端长度增加；4) 燃料芯块外径增加，芯块中心孔减小等。通过上述改进，提高了TVS-2M组件的结构稳定性，并增加了燃料装载量。燃料最大运行时间延长到40 000 h，设计的最大燃耗为60 MW·d/kgU[1-2]。TVS-2M燃料组件与AFA燃料组件参数对比列于表1。

表1 TVS-2M与AFA燃料组件主要参数对比

2 稳态热工水力分析

热工水力分析的目的是验证反应堆稳态工况下的参数是否满足热工水力设计准则，即在满足“双95%”条件下，燃料棒外表面不发生DNB；燃料包壳外表面最大温度不超过352 ℃；燃料芯块最高温度应低于熔化温度。稳态热工分析的主要参数包括通过反应堆和燃料组件的流量、燃料组件的冷却剂温升、堆芯压降、燃料棒包壳外表面最大温度、堆芯出口冷却剂过冷度以及最小DNBR等。

2.1 计算程序简介

稳态热工水力分析采用STAR-1和PUCHOK-1000稳态计算程序。STAR-1用于计算一回路冷却剂温度、流量、压降、燃料组件冷却剂流量及比焓分布等总体参数。STAR-1将反应堆和一回路视作1个水力网络，网络每段范围内冷却剂都是一维流动，在堆芯段和蒸汽发生器管束段内都是一维热交换[3]。

PUCHOK-1000计算程序是计算燃料棒束的稳态子通道热工水力分析程序，根据沿棒束截面和高度的冷却剂局部参数(比焓、质量流密度)，计算临界热流密度和表面传热危机裕度及棒束内表面传热危机裕度因子的最小值，并确定其所在的计算坐标(网格序号和沿高度的段序号)[4]。

PUCHOK-1000程序考虑堆芯燃料组件的径向、轴向功率分布，非均匀几何，子通道的湍流搅混以及燃料棒与冷却剂之间的传热。在求解计算棒束内局部热工水力参数的方程组时，采用了平分间隔法以及利用松弛因子的简单迭代法，以保证求解能量方程所需的稳定性。

采用的临界热流密度关系式是根据带格架的棒束实验数据归纳得出的Gidropress关系表达式：

qDNB=0.95(1-x)-0.95+0.105p·

式中：qDNB为均匀功率分布条件下用Gidropress关系式计算的均匀临界热流密度，MW/m2；x为发生DNB点的相对含汽率，范围为-0.07～0.4；p为压力，范围为7.45～16.7 MPa；ρw为质量流速，范围为700～3 800 kg/(m2·s)。

2.2 稳态计算输入

计算中考虑了最保守的参数偏差组合，4台冷却剂泵运行工况下，考虑参数偏差的反应堆热工水力主要输入参数列于表2。

表2 反应堆热工水力设计主要输入参数

3 计算结果

3.1 AFA燃料组件与TVS-2M先导燃料组件堆芯热工参数对比

AFA燃料组件堆芯和装入6组先导燃料组件堆芯的计算结果表明：装入6组TVS-2M先导燃料组件堆芯较全AFA燃料组件堆芯的反应堆流量减少0.06%；通过TVS-2M燃料组件的冷却剂流量较AFA燃料组件减少7%左右[5]。考虑保守的参数偏差组合，第5～8燃料循环装有6组TVS-2M先导组件堆芯的热工水力参数计算结果列于表3。

3.2 试验测量结果

为验证从第5燃料循环装入6组TVS-2M先导燃料组件堆芯设计和运行安全准则的满足性，跟踪测量第5～7燃料循环的堆芯热工水力参数，在换料大修后反应堆达到满功率运行状态下完成了热工水力参数的试验测量。测量的参数包括反应堆功率，冷却剂温度，冷却剂流量，以及反应堆、一回路、蒸汽发生器压力损失等热工水力参数，热工水力测量结果[6]表明，各项参数均满足验收准则，详细试验结果列于表4。

表3 计算结果

表4 热工水力测量试验结果

续表4

另外，在机组大修卸料期间完成对燃料组件的变形检查测量，测量结果表明，燃料组件变形的形式主要有S形和C形两种，不同燃料循环下组件的最大变形量均小于参考限值，TVS-2M组件在同等条件下较AFA组件的变形量小[7]，该测量结果与俄罗斯核电站TVS-2M组件应用实践基本相符[8-9]。测量结果列于表5。

表5 燃料组件最大变形量测量结果

4 结论

田湾核电站一号机组从第5燃料循环装入6组TVS-2M先导燃料组件，反应堆稳态热工水力分析结果表明，堆芯热工水力设计参数满足稳态设计准则要求；机组运行中堆芯热工水力参数实测结果以及燃料组件变形检查表明，堆芯各热工水力参数满足试验验收准则要求，TVS-2M燃料组件在同等条件下较AFA燃料组件的变形量小，燃料组件变形量远低于参考限值。通过对装入先导燃料组件堆芯的热工水力分析及试验测量，验证了TVS-2M燃料组件的运行性能及与AFA燃料组件的相容性，保证堆芯在过渡循环下的运行可靠性和安全性，同时验证了热工水力设计程序计算模型的合理性以及计算结果与试验结果的符合性。

参考文献：

[1]MEDVEDEV V S. Justification of operation of six pilot TVS-2M starting from the fifth fuel cycles at TNPP, Unit 1[R]. Moscow: OKB Gridropress, 2009.

[2]VOLKOV E, PAVLOVICHEV A, PAVLOV V, et al. Calculation of neutron physics characteristics of transient fuel cycles, beginning from the 8th fuel cycle, with reaching the equilibrium fuel cycle of TNPS, Units 1&2[R]. Moscow: NRC Kurchatov Institute, 2011.

[3]Tianwan NPP. Stationary thermo-hydraulic calculation of the reactor and primary circuit “STAR-1”: Description of computer code, 428-Pr-281[R]. Moscow: OKB Gidropress, 1998.

[4]Tianwan NPP. Calculation of DNBR in fuel rod bundles “PUCHOK-1000”: Description of computer code, 428-Pr-289[R]. Moscow: OKB Gidropress, 1998.

[5]Tianwan NPP. Topical report: Steady state conditions with operation of four, three and two RCP sets 428-Pr-743[R]. Moscow: OKB Gidropress, 2011.

[6]姚进国，冷金珍. 田湾核电厂反应堆热工水力设计[J]. 核动力运行研究，2005，18(4)：10-13.

YAO Jinguo, LENG Jinzhen. The reactor thermohydraulic design of Tianwan Nuclear Power Station[J]. Nuclear Power Operation Research, 2005, 18(4): 10-13(in Chinese).

[7]姚进国. WWER-1000燃料组件特点及棒弯曲分析[J]. 核动力工程，2006，27(1)：43-46.

YAO Jinguo. Characteristic of fuel assemblies and analysis of fuel rod bowing of WWER-1000[J]. Nuclear Power Engineering, 2006, 27(1): 43-46(in Chinese).

[8]Tianwan NPP. Topical report: Experimental study of TVS-2M, 428-Pr-736[R]. Moscow: OKB Gidropress, 2009.

[9]Tianwan NPP. Topical report: Operational experience of TVS-2M at Russian NPPs, 428-Pr-747[R]. Moscow: OKB Gidropress, 2011.