157组组件堆芯燃料管理方案设计及其经济性分析

姚 红,刘国明,高 鑫

(中国核电工程有限公司,北京100840)

157组组件堆芯燃料管理方案设计及其经济性分析

姚 红,刘国明,高 鑫

(中国核电工程有限公司,北京100840)

157组燃料组件组成堆芯的燃料管理方案有1/3堆芯年换料、1/4堆芯年换料、18个月换料等多种策略,本文给出了常见的5种燃料管理方案的平衡循环主要计算结果。然后对这5个燃料管理方案的平衡循环进行经济性分析计算,逐一介绍关系到电站收益的发电量的计算、关系到电站成本的燃料费用的计算以及由于燃料管理策略中换料周期的不一样导致的停堆维修频率不一样而产生的对电站成本的影响。通过这5个燃料管理方案设计及其经济性分析比较,推荐采用72组富集度为4.45%的长循环换料方案作为157组燃料组件堆芯燃料管理主推方案,实用性较强。

燃料管理;方案设计;经济性分析;最佳方案

157组燃料组件组成堆芯的燃料管理方案设计包括各批次燃料组件富集度和数量的选取,以满足核电站运行寿期的需求;还包括燃料组件和控制毒物在堆芯内的布置,以满足核安全限值要求。评价堆芯燃料管理方案设计主要从安全性和经济性两方面来考虑。评价安全性的指标有焓升因子、慢化剂温度系数、停堆裕量、卸料燃耗等,简单的经济性比较可以从循环长度(满功率运行天数)、卸料燃耗等方面考虑。

本文给出了1/3堆芯OUT-IN年换料、1/4堆芯OUT-IN年换料、1/4堆芯IN-OUT年换料以及2个IN-OUT 18个月换料共计5个燃料管理方案。

鉴于目前该类型电站的换料周期有从年换料过渡到18个月换料的趋势,也为了进一步综合反映设计方案的经济性,本文主要考虑了核燃料费用和燃料管理方案设计的不同对电站经济性的影响。

1 设计目标和准则

1)换料组件类型:换料组件富集度≤4.45%的AFA3 G燃料组件。

2)堆芯装载模式:长循环换料采用INOUT低泄漏模式;年换料采用OUT-IN模式。

3)燃料组件的燃耗限值:燃料组件的最大燃耗＜55 000 MWd/t U。

4)换料燃料组件的焓升因子FΔH≤1.65(其中包括11.4%的不确定性)。

5)慢化剂温度系数≤0 pcm/℃。

6)长循环换料寿期末最小停堆裕量≥2 300 pcm;年换料寿期末最小停堆裕量≥1 770 pcm。

2 计算机程序

本设计计算是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的。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计算得到,换料和堆芯特性参数的计算使用了SMART程序。

3 燃料管理方案描述

157组燃料组件堆芯核功率为2 895 MWt,电功率为1 089 MWe,堆芯冷却剂总流量为71 370 m3/h,压力为15.5 MPa,活性区高度为3.658 m,平均线功率密度为186 W/cm。

方案1采用52组富集度为3.4%的换料组件的OUT-IN年换料燃料管理模式,方案2采用40组富集度为4.2%的换料组件的OUTIN年换料燃料管理模式,方案3采用40组富集度为4.2%的换料组件的IN-OUT年换料燃料管理模式,方案4采用68组富集度为4.45%的换料组件的IN-OUT长循环换料燃料管理模式,方案5采用72组富集度为4.45%的换料组件的IN-OUT长循环换料燃料管理模式。其中方案3与参考文献[1]中的燃料管理方案因采用的程序版本不同、含钆量不同、堆芯装载不同等而导致卸料燃耗有所差别。

表1[2]给出了5个方案平衡循环的燃料管理主要计算结果。

表1 平衡循环主要计算结果比较Table 1 Fuelmanagement main result comparison of equilibrium cycle for five schemes

从表1可以看出,方案1即采用52组富集度为3.4%的换料组件的OUT-IN年换料的燃料管理策略的安全性能表现优越,该方案的焓升因子、最大组件燃耗等方面安全裕量最大。方案2即采用40组富集度为4.2%的换料组件的OUT-IN年换料的燃料管理策略的组件燃耗性能表现优越,该方案的组件平均卸料燃耗最大,且与组件最大燃耗的差值最小,说明该方案的组件燃耗充分和均匀,组件的利用率高。方案3即采用40组富集度为4.2%的换料组件的IN-OUT年换料的燃料管理策略的卸料组件燃耗最大,循环长度较方案2增加约3EFPD。方案4即采用68组富集度为4.45%的换料组件的IN-OUT 18个月换料的燃料管理策略的经济性能较好,该方案的电站可利用率高于年换料的相应值,仅次于方案5的相应值;该方案的组件燃耗性能仅次于方案2。方案5即采用72组富集度为4.45%的换料组件的IN-OUT 18个月换料的燃料管理策略的经济性能表现优越,该方案的电站可利用率最大。

4 经济性分析

在电价已定的情况下,发电量越多,核电站的收益越多;在电站额定功率运行的情况下,电站的发电量又取决于燃料管理策略中的循环长度。由于电站的一个换料周期分为运行期和停堆维修期,所以电站的可利用率(循环长度与换料周期的比值)越大,则电站的经济效益越好。

核电站总费用包括投资费用、运行维护费用、燃料费。运行维护费用又分为工资、材料费用和停堆维修费用。燃料费用包括采购天然铀的费用、天然铀提纯转化费用、铀浓缩费用、燃料元件加工费用、运输费用、中间贮存费用和废物处置费用等。图1[3]给出了发电成本的基本构成因素。

图1 发电成本的基本构成因素图Fig．1 basic cause factor of electricity generation cost

下面逐一介绍关系到电站收益的发电量的计算、关系到电站成本的燃料费用的计算以及由于燃料管理策略中换料周期的不一样导致的停堆维修频率不一样而产生的对电站成本的影响。

4.1 发电量的计算

根据参考文献[3]中提供的发电量的计算为:

式中,L′为反应堆负荷因子(%),电站在一个运行期内实际生产的电与电站在该期内以设计额定负荷能力连续运行生产的电之比,国内电站的负荷因子基本为100%;K为电功率(MWe);T′为循环长度(a)。

如图2所示,此发电量E是这批核燃料元件U/n在三次燃料循环(图中示意n＝3)中发出电量的总和,即E＝e1＋e2＋e3。核燃料费用在发电中分摊的份额应为e1/E、e2/E和e3/E。发电所需时间为(t1－t′1)、(t″2－t′2)和(t″3－t′3)之和,且中间有两次停堆换料的时间为(t′2－t″1)、(t′3－t″2)。根据货币的时间价值观念,因而引出不同时间发出的电量,由于核燃料费用货币化之后不同时间的单位核燃料价格相应作不同的价格计算,因此要对所发出的电力进行贴现。贴现因子PWE为:

式中:d′＝ln(1＋d),d为贴现率。

表2给出了5个燃料管理策略平衡循环一批料的发电量。

表2 5个方案平衡循环一批料的发电量Table 2 electricity generation of each batch of equilibrium cycle fuel for five schemes

可见,5个方案中折合到一个自然年的发电量的贴现量最多是方案5,比方案1、2、3、4的相应值依次高出12.7%、10.7%、9.8%、4.1%。

4.2 燃料费用的计算

如图2[3]所示,核燃料的整个流程为:a为购买天然铀,需支付天然铀的费用F1;b为转化成UF6,需支付天然铀的转化成本F2;c为235U的浓缩,需支付铀的浓缩成本F3;d为元件加工,需支付燃料元件加工费F4;e为元件在堆芯中“燃烧”发电,售电得到收入;f为乏燃料在核电厂贮存;g为化工后处理,需支付乏燃料元件的运输费用F5和后处理或中间贮存费用F6;h为废物处置,需支付玻璃固化高放废物处置或乏燃料封装/处置的费用F7。a～d这四部分为核燃料循环前段(亦称前端)。g～h这两部分为核燃料循环后端。

图2 核燃料循环费用和预购时间Fig．2 fuel cycle expense and purchase time in advance

核燃料循环各个环节所需费用支付时间如图2所示。由于发电量的贴现时间坐标在t′1,因而核燃料循环各个环节费用支付的贴现时间标准统一到时间t′1。

本文根据参考文献[3]中提供的关于燃料费用的计算项及计算公式,并依据参考文献[4]中提供的相关燃料费用信息,完成了燃料费用的计算。表3列出了这些燃料费用计算项的单位价格。

表3 燃料费用计算项和单位价格Table 3 Calculation items and unit price of fuel expense

根据上表给出的价格计算了上述5个燃料 管理方案的核燃料组件费用如表4。

表4 5个方案的核燃料组件费用和发电收入Table 4 Fuel assembly costs and generate electricity incomes for five schemes

可见,单组组件的费用随富集度的增加而递增,富集度4.45%的单组燃料组件费用比富集度3.4%、4.2%的单组组件费用依次高出25.4%、5.6%。折合到一个自然年的换料燃料组件费用最高的是方案5,最低的是方案3。

从表4可见,年换料的方案1、2、3中方案3的经济性最好;同为18个月换料的方案4、5中方案5的经济性最好。不同换料周期的方案的经济性比较还需考虑电站的停堆维修费用,而年换料为一年停堆一次,18个月换料为一年半停堆一次,则三年内18个月换料相对年换料节省了一次停堆维修费用,折合到一个自然年内则节省了1/3的停堆维修费用。因此,方案5的经济性最好,不仅去除燃料年费用的电站年收入最高,比同为18个月换料的方案4的经济效益高3.8%,而且比年换料的方案1、2、3每年节省了1/3的停堆维修费用;方案4的经济性仅次于方案5,亦比年换料每年节省了1/3的停堆维修费用。

5 结论

从上面的燃料管理方案计算结果及其经济性分析结果来看,有如下几点结论:

1)157组燃料组件堆芯无论采用52组富集度为3.4%、40组富集度为4.2%的年换料燃料管理策略还是采用68组或72组富集度为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)从换料组件在堆芯中的布置来看,采用OUT-IN模式的安全裕量较大,采用IN-OUT模式的安全裕量稍小但也满足限值要求。

3)方案1、2、3均为年换料,从费用方面考虑,虽然随富集度提高单组组件费用增加(约18.7%),但是减少组件数目大于5组(1/18.7%＝5.3),则总的组件费用减少;从发电收入方面考虑,尽可能增加循环长度,能获得较高的发电收入。因此选取较高的换料组件富集度和较少的换料组件数目,在满足目前组件燃耗性能限值的要求下,尽可能地提高组件的利用率。

4)方案4、5均为18个月换料,所使用的换料组件富集度均为4.45%,只是换料组件数目不同,方案5比方案4每次换料多了4组组件。这两个方案在燃料管理方面的计算结果较为接近,尤其是组件燃耗性能方面,方案5的平均卸料燃耗和最大燃耗比方案4的相应值略小些;而方案5的循环长度比方案4的长3.8%,发电年收入多出13 702万元,燃料年费用多出3 336万元,去除燃料年费用的电站年收入多出10 366万元。

5)比较而言,18个月换料的方案4、5的经济效益好于年换料的方案1、2、3,虽然年换料的组件费用偏低,但是组件费用只占发电年收入的14%～16%,电站的经济效益主要还是取决于发电量多少,取决于电站可利用率因子的大小,去除燃料年费用的电站年收入前者比后者高出4%～12%,约1.2～3.3亿元;而且,前者比后者每年还节省1/3停堆维修费用,这也是一笔可观的费用。

综上所述,推荐方案5作为157组件堆芯燃料管理策略的优化方案,实用性较强。

[1] 张洪,厉井钢．岭澳核电站1/4换料燃料管理方案研究[J]．核科学与工程,2012,32(1)．

[2] 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):45-51．

[3] 王成孝．核电站经济[M]．北京:原子能出版社,1997.8．

[4] 任德曦,胡泊．全球核燃料产业与市场发展导向[M]．南华大学学报,2012.2．

Scheme Design and Economy Accounting of Fuel management of 157 Fuel Assemblies

YAO Hong,LIU Guo Ming,GAO Xin
(China Nuclear Power Engineering Co．,Ltd．,Beijing 100840)

There are several schemes including 1/3 core yearly reload,1/4 core yearly reload and 18-month reload for fuel management of 157 fuel assemblies'core．Results of the equilibrium cycles of five schemes are showed．Economic analysis of the five schemes is introduced one by one for electricity generation which related with income,for fuel expense and for different maintenance frequency due to different reload period which related with cost．Among the others,the fifth scheme of reloaded 72 fuel assemblies of 4.45%enrichment is the most optimized scheme．

fuel management;scheme design;economic analysis;the most optimized scheme

TL38＋4

A

0258-0918(2016)01-0273-06

2014-10-30

姚红(1977—),女,湖南岳阳人,高级工程师,本科,核科学与技术