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摘要：随着我国核电事业的发展，核电装机容量的增加，电网要求核电机组参与调峰的诉求不断增加。然而，作为核电机组，满功率稳定运行是其推荐的运行方式，本文作者根据多年核电机组运行经验，总结了核电机组参与电网调峰的诸多影响。
关键词：调峰 设备损坏 人因失误 风险
核电站设计为堆跟机模式，即当发电负荷变化时反应堆功率则需要随之变化，在电网要求调峰的情况下，运行人员控制反应堆功率升高或降低。持续稳定满功率运行是核电站推荐的运行方式，如果频繁的参与电网调峰，则会带来如下问题：
1)不利于提升核燃料的利用率，不利于节能减排：核电厂核燃料的设计寿命有限，超过一定期限后则需要强迫换料，例如红沿河经论证最长一个燃料循环为20个月，这种强迫换料操作不仅降低乏燃料的利用率，造成核能的浪费，还不利于这些没有完全利用的乏燃料的储存、运输、后处理安全；
2)不利于提升燃料组件的安全性：
a)对包壳的影响：机组功率的变化带来燃料芯块和堆芯冷却剂的温度变化，交变的温度使燃料组件特别是燃料包壳产生应力，比如PCI（燃料与包壳的相互作用），可能导致燃料包壳的破损，从而造成芯块中的裂变气体突破第一道屏障而进行反应堆冷却剂中；
b)对二氧化铀燃料芯块的影响：功率频繁变化时，芯块温度和温度梯度频繁发生变化，热应力积累将会使已脆化的晶界开裂，及裂变气体的释放，燃料芯块在设计时考虑对裂变产物和裂变气体有一定的包容作用（约98%），这种包容作用会因此大大降低；
3)不利于堆芯的安全稳定，存在氙震荡问题：氙震荡是大型核电机组堆芯的核物理特性，其产生的原因是当堆芯存在扰动时，堆内的氙和中子通量在分布上产生空间震荡，一般震荡周期为15至30小时，这种震荡会给堆芯安全带来极大的危害，特别是造成燃料组件局部过热风险增加；
4)不利于降低三废的产量，不利于保护环境：
a)放射性液态废物：升降功率过程中，由于冷却剂的水体积的变化，从而导致产生放射性废液。另外，硼浓度控制是控制一回路功率的升高和降低的主要手段，在功率变化时需要置换一部分冷却剂来达到调节功率的目的，这也是导致产生放射性废液的一个重要因素。
b)放射性气态废物：正因为产生了放射性废液，这些废液的收集和储存，需先除去溶解在废液中的裂变气体和惰性气体，这种操作将会产生放射性气态废物。另外，正常运行情况下反应堆冷却剂为含氢液体，因调节功率而置换冷却剂导致氢浓度变化，需要对冷却剂进行氢覆盖，这种操作也会增加放射性气态废物。
c)放射性固态废物：根据反应堆冷却剂中的裂变产物和腐蚀活化产物杂质产生机理，当主回路的温度频繁交替变化时，可能导致裂变产物和腐蚀活化产物增多，这些杂质会增加电站废旧过滤器和除盐床的产量，增加放射性固态废物。
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5)不利于降低工作人员的集体剂量：升降功率的操作、三废产量的增加，导致人员的操纵员量增加，特别是现场人员操作（比如处理这些废物的运行操作、更换过滤器的维修操作等），这些都需要人员在辐射控制区进行工作，增加了人员剂量；
6)不利于蒸汽发生器在电厂全寿期的安全，增加SGTR（蒸汽发生器传热管破口事故）的风险：
a)蒸汽发生器传热管及管板杂质的增加：蒸汽发生器是连接反应堆冷却剂和二回路给水/蒸汽系统的中间设备，二回路交替变化的功率导致二回路的腐蚀产物增加，根据腐蚀产物的迁移原理，将有较多的在蒸汽发生器中聚集，这些腐蚀产物不仅导致传热管的传热效率下降，还会导致传热管的腐蚀加剧，从而增加SGTR的风险；
b)交变的应力导致应力变化：蒸汽发生器传热管除了受到流质振动带来的外压力，还受到本身温度变化导致的内应力，如果功率频繁的变化，这种交替变化的内应力将大大应力腐蚀破损的风险；
7)不利于G棒的安全运行：
a)增加控制棒插入堆内时间，降低G棒使用寿命：正常基荷运行情况下，要求除了温度调节棒（R棒）部分插入，其余控制棒全部在堆顶，频繁的调峰则需要频繁的提插功率调节棒（G棒）使反应堆功率与汽轮机功率匹配，G棒插入堆内暴露在中子辐照环境中，将会增加G棒组件的辐照肿胀的降低G棒的使用寿命；
b)增加控制棒包壳破损和卡棒的风险：正如上文所述，G棒插入会导致肿胀问题，如果肿胀严重可能导致G棒包壳破损。另外，G棒除了正常运行时控制反应堆功率的作用，在事故情况下也可以起到紧急落棒使反应堆停闭的安全功能，G棒肿胀而引起的卡棒可能降低紧急停堆时的安全裕度；
8)不利于二回路汽轮机、冷凝器等重大设备安全运行：
a)对汽轮机的影响：核电厂二回路汽轮机使用的时饱和蒸汽，蒸汽含液率高，在汽轮机运行期间疏水量大，汽轮机的振动问题是饱和蒸汽汽轮机的主要特性。频繁的调峰使汽轮机负荷变化，蒸汽含液率增加、疏水量增加，这会导致汽轮机的振动大大增加，危害汽轮机的安全运行；
b)对冷凝器的影响，且造成核能的浪费：在深度降负荷的情况下，为了使反应堆能够跟上电网负荷的变化，一般需要维持反应堆高功率运行，这部分能量通过旁排系统（GCTc）直接排向冷凝器，造成核能的浪费。另外，如果频繁使用GCTc，排放的蒸汽还可能造成冷凝器及其附属设备的冲刷腐蚀和设备振动问题（如冷凝器钛管破损），威胁冷凝器的安全运行。需要注意的是，冷凝器一旦出现钛管破损，需要立即停闭反应堆处理，防止海水泄漏导致蒸汽发生器内杂质增加，造成蒸汽发生器传热管的腐蚀；
9)不利于机组的控制，并降低人为误操作风险，整体提升核电机组的安全水平。结合上文所述，核电机组参与调峰，需要人为频繁的操作来匹配功率变化和维持反应堆的安全裕度：
a)安全相关系统和设备定期试验执行困难：调峰操作可能导致很多核电厂安全相关系统和设备的定期试验无法按照既定的时间点来执行，但是这些定期试验执行的频度有不能降低，核电厂只能增加某些试验的执行频度或者在人因易发状态下执行（比如夜班），这样可能降低安全相关系统和设备的安全裕度，同时还会导致人因事件发生；
b)抑制氙震荡，控制R棒，降低ATWT事故时的机组响应能力：为了抑制氙震荡问题，操纵员需要持续监控堆芯轴向功率偏差和R棒在堆芯的状态，有时需要手动调节R棒来抑制氙震荡，R棒在自动位置是ATWT（没有紧急停堆的预期瞬态）重要设计假设，R棒的手动操作降低了ATWT事故时的机组响应能力。这种以损害ATWT保护能力来降低氙震荡风险的操作方式，也是不得已而为之的，如果不参与调峰则无问题；
c)调峰带来硼化、稀释的反应性操作频繁：在核电机组调峰时，需要通过硼化、稀释来调节反应堆功率的变化，这是非常精细化的操作，任何微小的反应性计算错误或误操作，将会导致反应堆功率的不匹配，从而带来严重问题，整个升降功率过程往往维持两三个小时，甚至数小时。另外，氙度的变化滞后于反应堆功率变化约9~72小时，此期间为了补偿氙度变化引起的反应性变化，操纵员还需要继续进行硼化、稀释操作来维持反应堆处于临界状态；
d)三废操作、化学加药操作大量增加：如前文所述，三废产量的增加都需要现场人员执行，为了维持负荷变化期间反应堆冷却剂和二回路给水系统的水质，需要增加化学化验和加药的工作，这些工作除了增加操作人员的放射性剂量，工作量的增加也会增加人因失误的风险；
综上所述，作为清洁能源的核电机组，保持其持续满功率运行，能够起到节能减排，保护工作人员、公众、环境的积极作用，还可以避免因频繁的操作机组功率变化而带来的设备故障问题和人因失误问题。
论文作者:武方杰
论文发表刊物:《当代电力文化》2019年第05期
论文发表时间:2019/7/15
标签：反应堆论文; 功率论文; 冷却剂论文; 核电论文; 操作论文; 机组论文; 蒸汽论文; 《当代电力文化》2019年第05期论文;