一种压水反应堆衰变热分析方法

（精准反应堆芯余热计算与堆芯余热利用）

  完成单位：山东核电有限公司

  主要完成人：刘非、魏盛辉、郑正、周童、王释伟、张瑜、高海滨、郑何晔岚、张桥、郭欢、崔陈魁、张伟斌

一、研发背景

1.申报单位基本情况。

山东核电有限公司（以下简称“山东核电”）于2004年9月在烟台注册成立，全面负责海阳核电项目的开发、建造、运营和维护管理。

在确保机组安全稳定运行前提下，在国内率先开展大型压水堆热电联产研究与实践。先后建成投运“暖核一号”核能供热工程，将海阳打造成为全国首个零碳供暖城市，获评“2021年央企十大超级工程”。同时，建成世界首个“水热同传”示范工程和“水热同产同传”试验工程，积极拓展核能多元化应用场景，“开展山东海阳等核能综合利用示范”写入国家“十四五”规划。坚持创新驱动，获批筹建山东省核电技术与安全技术创新中心等科研平台，牵头成立零碳能源产业技术研究院。

多年来，山东核电获评“全国文明单位”、中国核学会科普奖先进单位、全国安全文化建设示范企业、山东省“十四五”规划实施创新试点单位等，多个集体、多名员工受到国资委、中央企业团工委等表彰。

2.项目研发背景

反应堆衰变热在反应堆运行阶段和事故处置阶段应用广泛，是关乎机组安全和提升机组运行灵活性的关键参数。机组正常运行阶段，精准的燃料组件衰变热帮助改善机组运行策略，例如应用反应堆自身余热作为动能，停堆期间保持关键系统的正常运行，从而大幅度减少停堆关键路径。发生核安全事故时，对指导事故处置，监督事故进程，缓解事故后果有着至关重要的作用。在经历国内外调研后发现，海阳核电与传统电厂使用的燃料组件相比，存在燃料组件中包含不同富集度的铀元素等诸多差异，当前没有适用于三代核电机组的反应堆衰变热分析方法。

  3.国内外调研情况

在国外，辐照后燃料组件衰变热计算分析使用物理方法和量热法。量热法是通过测量停堆后的衰变热积分实验曲线的指数多项式拟合半经验公式，计算误差达到了-9～8%范围。物理方法是根据反应堆裂变产物的种类及其产生的射线能谱，分别计算各种裂变产物中的衰变热总和，计算误差小于2.8%。衰变热计算分析数据主要用于核电厂余热排出系统的设计以及发生失去冷却事故后余热排出处置，而对于堆芯余热利用方面，未在相关文献上查询到资料。

在国内，我国国家能源局于2011年发布的NB/T 20056-2011《轻水堆核燃料衰变热功率的计算》标准，介绍了求解衰变热的典型方法，其原理是根据四种可裂变核素单次裂变的裂变产物衰变热功率及其在堆芯运行历史中的功率份额为基础进行计算的。在电厂实际应用上述行标计算过程中，难以直接获得四种核素的功率份额，难以获得燃料组件衰变热。我国已运行核电厂多采购现有的堆芯衰变热计算程序，未能掌握其核心原理，相关基础理论开发、堆芯余热利用方面属于空白阶段。

海阳核电以解决核电厂无法准确分析机组衰变热难题为契机，在国内开展燃料组件衰变热计算技术的调研，并组织国内燃料管理领域的专家，包括中国核动力研究设计院、上海核工程研究设计院、国家电力投资集团中央研究院、浙江三门核电厂、辽宁红沿河核电厂等多家科研单位、核电运营单位交流探讨，为自主化研发反应堆衰变热计算技术提供了技术支持。

2020年10月，“一种压水反应堆衰变热分析方法”技术开发完成，并在海阳核电机组中通过了实践验证。基于核能行业标准《轻水堆核燃料衰变热功率的计算》（NB/T 20056-2011）进行深度挖掘和开发，针对电厂难以直接获得四种核素的功率份额的的问题进行改进和完善，建立三代核电反应堆衰变热分析体系，解决了掌握燃料组件衰变热计算核心原理的问题。该技术已经应用于机组历次大修及临停检修过程，可为电厂相关决策提供数据支持，有效的保障了电厂安全、可靠运行，有效的提升了机组的运行经济效益，具有良好的推广意义。

二、发明团队介绍

山东核电全面贯彻落实创新驱动发展战略，构建以核能发电为中心，核能综合利用同步实施、多元多路径的创新布局；建立了山东省核电技术与安全技术创新中心、山东省叶奇蓁院士工作站海阳核电分站、烟台市核能综合利用创新创业共同体、烟台市核能与核能综合利用技术创新中心等科创平台；成立了零碳能源产业技术研究院（烟台）有限公司，以科技创新赋能企业高质量发展。

反应堆衰变热分析作为三代核电自主化依托项目的一项核心业务，受到了公司各级领导和各专业的高度关注。依托山东省核电技术与安全技术创新中心科研平台，成立反应堆衰变热分析攻关项目组，组长由公司副总经理担任，副组长由处室负责人担任，成员由各专业人员担任。

作为具备完全自主知识产权的专利技术，“一种压水反应堆衰变热分析方法”研发团队全部由山东核电成员组成，其中包括高级工程师9名，经济师1名，以及中级工程师4名。具体成员如下表1所示：

表 1 项目组成员及职务

三、成果（专利）简介

1.专利技术研制重大意义

建立完整的衰变热计算理论体系，填补三代核电在该领域的空白，实现了核电厂实时全方位监督堆芯、乏燃料池衰变热，防止可能出现的余热无法导出问题；在发生失去冷却事故后，帮助堆芯、乏燃料池的余热导出，为人员的紧急撤离，安全系统的投用等事故处置措施提高关键可靠参数，保护人员安全、防止事故的进一步恶化，促进事故的处理，在保护公众和保护环境方面有着重要意义。

核反应堆临时停堆检修期间使用堆芯余热利用创新技术，缩短临时停堆时长以提升核电机组临时停堆检修效率和运行经济效益，目前在国内尚属首例。

该项目技术实现了对现有核能行业标准《轻水堆核燃料衰变热功率的计算》（NB/T 20056-2011）的改进和完善。解决了核电厂难以直接获得四种核素的功率份额问题，进一步细化燃料组件衰变热计算的计算理论，实现了燃料组件衰变热的精细化求解。

2.专利技术研制情况

海阳核电机组自2018年投入商运，机组运行以后，对于堆芯衰变热计算显得尤为重要：一方面堆芯衰变热大小是机组重要安全系统运行的关键参数，直接影响重要安全系统设备停运检修，影响机组停堆检修关键路径时间；另一方面，当发生堆芯失去冷却等严重事故时，堆芯衰变热数值将作为制定事故缓解策略的关键依据。面对海阳核电没有准确计算堆芯衰变热的困境，项目组从2014年开始，在经历国内外技术调研、理论学习、自主研发、实践验证等多个环节，最终在2020年完成技术理论的开发，并成功在海阳核电机组中应用。

一种恰当的反应堆衰变热简化分析方法，简化单一燃料组件计算复杂度以及多循环使用的堆芯燃料组件衰变热分析，确保分析结果保守性的同时降低分析不确定度，根据计算结果合理安排反应堆余热排出系统的投运，或事故后的补水策略。

通过跟踪机组运行运行时间，将其转化为等效满功率运行时间作为计算的起始参数，这是对核能行业标准模型的改进，有效的减少了功率波动引起计算误差。

引入起始参数后，分别计算不确定度、单位衰变热功率以及中子俘获校正因子。

在计算堆芯衰变热系数时，对标准模型堆芯衰变热系数计算模型的进行简化，简化后的第N循环衰变热系数计算模型为：

其中，F(t,T0)是使用直方图不考虑中子俘获情况下的核素U-235单位衰变热功率，可通过查表获取。T0是反应堆功率运行时间。G(t)是中子俘获修正因子。Q是一次裂变平均释放能量；σ是衰变热计算不确定度系数。

一个第N循环堆芯模型，其中包含nN个第N循环新加入燃料组件；nN-1个第N-1循环新加入燃料组件，并在第N循环继续使用；nN-2个第N-2循环新加入燃料组件，并在第N-1和第N循环继续使用。

对于仅在第N循环使用的燃料组件，其衰变热系数一致，仅在第N循环使用的所有燃料组件衰变热PN应为：

其中，是第i燃料组件的额定运行功率。

所有在第N-1循环新加入堆芯使用的所有燃料组件衰变热：

所有在第N-2循环新加入堆芯使用的所有燃料组件衰变热：

堆芯燃料组件的运行历史以及停堆时间，计算出燃料组件衰变热系数，乘以组件等效满功率数值，即可得到单个组件的衰变热数值。堆芯燃料总的衰变热是所有燃料组件衰变热之和：

该方法简化反应堆停堆后衰变热分析复杂度，所确定的不确定度在合理范围内，不至于计算结果偏于保守，根据计算结果合理安排反应堆余热排出系统的投运，或事故后的补水策略。

四、成果（专利）转化情况介绍

1.市场化转化情况

本项目及其发明专利“一种压水反应堆衰变热分析方法”已获得市场认可。该专利已同合作方签订技术许可协议，实现市场化转化价值约170万。

本专利技术许可用于三代核电自主化燃料组件先导棒入堆考验研究项目，精准分析衰变热是保障堆芯、乏燃料池安全的前提，在先导棒入堆考验期间分析先导棒衰变热，以确保辐照后的先导棒能够安全的实施贮存和移动。

2.数字化转化情况

专利技术应用层面，海阳核电以一种反应堆衰变热简化分析方法作为核心技术实施了数字化转化开发，实现了堆芯、乏燃料池沸腾时间分析，堆芯余热利用分析，装、卸料燃料组件衰变热分析以及实时衰变热分析等功能。通过数字化、图形化的显示，方便使用者能够更好的理解所计算的参数；而对衰变热的实时跟踪，能够帮助提升如发生失去冷却事故后的事故处理响应速度。

基于核心理论的数字化实时衰变热跟踪系统，在堆芯装卸料期间实时跟踪堆芯、乏燃料池衰变热，时刻保障堆芯、乏燃料池安全，保障核电机组安全稳定运行。

该技术在精准计算分析燃料组件衰变热以及堆芯余热利用方面有着显著的效果，具有良好的推广意义。

五、经济效益和社会效益

1.经济效益

2021年至2022年海阳核电厂1、2号机组核反应堆4次临时停堆检修期间，使用堆芯余热利用创新技术，使机组反应堆系统状态维持“热备用”，避免反应堆状态下行至“冷停堆”，明显缩短临时停堆时长，显著提升核电机组临时停堆检修效率和运行经济效益。在该技术的加持下，单次停堆可节省停堆时间29小时，海阳核电厂已累计实现了约6000余万元的经济效益提升，以及最大累计节约6MKW﹒H的反应堆主泵用电。

此外，2021年海阳核电机组大修期间，使用堆芯余热利用创新技术，将机组由“冷停堆”状态提升至“热备用”状态，为海阳核电机组大修后的启动节约约18小时时长，显著提升机组运行效率。

2.社会效益

基于发明专利“一种压水反应堆衰变热分析方法”的精准反应堆芯余热计算与堆芯余热利用创新技术，在海阳核电厂核反应堆临时停堆期间、机组启动期间的应用实践，是国内首次实现堆芯余热利用。以海阳核电厂应用实践为基础，推广到后续CAP1000以及CAP1400等三代核电项目，降低临时停堆时长，节约设备用电，在提升机组运行效益和节能减排方面都有着显著的作用。

以该核心技术为前提的计算机软件系统可实现实时的堆芯衰变热分析和余热利用分析。以核心技术为根本，数字化的统计分析为手段，切实提升机组安全性和经济性，致使该项目具备较强的推广价值。

在发生失去冷却事故后，帮助堆芯、乏燃料池的余热导出，为人员的紧急撤离，安全系统的投用等事故处置措施提高关键可靠参数，保护人员安全、防止事故的进一步恶化，促进事故的处理，在保护公众和保护环境方面有着重要意义。