核电厂反应堆炉心设计

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1、技術及溝通 100 年 4 月 340 期 23 爐心設計精進效益顯著爐心設計精進效益顯著爐心設計精進效益顯著爐心設計精進效益顯著 鍾振榮 吳正璽 王德義 核能發電處核心營運組 一、前言 核二廠兩部機組近十年來分別發生多次的燃料受損事件，因此常需要於大修期間甚至週期中停機進行開蓋來移除及更換破損燃料，而造成公司營運上的損失。因此核發處核心組與燃料供應廠家 AREVA 公司設計小組針對如何防止燃料破損的議題持續討論，期間並收集國外相關電廠及核二廠的燃料破損資料，並與包括核一廠在內沒有發生燃料破損電廠的運轉數據進行比對分析。分析結果發現許多的燃料破損都是因燃料丸與護套作用(Pellet Cladd

2、ing Interface, PCI)所造成，而且其中多次的燃料破損都發生在週期燃耗在 3,000 MWd/MTU 前(約前 1/4 週期)，這顯示機組大修起動及第一次控制棒佈局更換似乎是造成燃料破損的重要時機。因此之前已先提出機組起動升載使用緩和升載(Soft Operation)的策略，並於核一廠及核二廠實施。經過核一、二廠各 2個週期的運轉數據評估，發現對保護燃料的完整性頗有成效。除此之外，資料分析也發現機組於起動階段，如果升載速度過快或是爐心佈局造成高功率尖峰(power peaking)都比較容易導致燃料破損，而且高功率尖峰也會造成控制棒抽出不易且須提早執行燃料封套預調節策略(Pre

3、condition Process)，而影響到達滿載的時程及機組容量因數。因此開始根據分析結果進行爐心設計精進，從爐心燃料佈局及控制棒佈局著手，以降低燃料升載時燃料護套所受應力為手段，以期達到保護燃料的目的。 經由本公司與 AREVA 公司爐心設計小組多次討論，收集兩個電廠四部機以往的升載記錄，配合最近幾個週期的 soft operation 升載策略，對於爐心設計已有最佳化設計雛型概念，並且應用於爐心設計(含爐心燃料佈局及控制棒佈局)，實施 4 個週期(核二廠 3 個週期及核一廠 1 個週期)以來成效顯著。除了有效保護燃料完整性以外，也提昇電廠的容量因數，而減少機組不必要的停機損失且增加發電

4、量，對公司整體營運而言有實質上的幫助。以核一廠 2 號機週期 24 為例，因大修後起動升載無需遞次升載(Ramping)及降載調整棒位，總計該週期初(CS2BOC24)較前週期初(CS2BOC23)起動至滿載期間多出約 7685MWHe發電量。 二、過去爐心設計的作法24 台電核能月刊 以往爐心佈局設計只需考量挪移標準、熱限值餘裕、熱過剩反應度及冷爐停機餘裕等項目，挪移標準是指前一週期末被控制棒壓制的燃料在新週期前 2 次控制棒佈局中不能放置於高功率區或手動降低其起始封套值，以避免燃料長期被控制棒壓制，而一旦出力過大可能會導致燃料因 PCI 而破損。熱限值餘裕(CPR、LHGR、APLHGR)

5、依本公司要求需保留 78%的餘裕；熱過剩反應度在週期初需大於 1%dK/K，以避免週期初反應爐無法到達臨界的問題發生；冷爐停機餘裕需大於 1%K/K，以確保停機時若發生 1 根控制棒無法插入的情形時，反應爐還是可以達到次臨界狀態；以上所述為傳統標準的爐心設計要求事項及思考模式。 三、爐心設計精進策略介紹 此次會進行爐心設計的精進微整主要目的是為降低燃料因 PCI 而破損的機率，除考量過去的要求事項外，具體做法有兩項：1.降低週期初燃料節點功率與封套值之差距(P-Pcs 值)，目的是 減少 PCI的影響。因此在爐心佈局設計時將封套值較高的燃料往爐心中央擺，以降低週期初起動時燃料節點功率與封套值之

6、差距(P-Pcs 值)，進而減少PCI的影響。而其附帶的好處就是開始 ramping的時間可在較高的功率才開始，這對升載時間的縮短有相當的助益。另外，有別於舊版的爐心監測系統無法正確計算較長燃耗的控制棒歷史效應(Control Blade History, CBH)，目前核一、二廠所使用的爐心監測系統中的分析主程式 MICROBURN-B2 可計算到燃料束中每根燃料棒的出力，也可以正確追蹤計算控制棒歷史效應，因此計算結果較舊版程式 MICROBURN-B 來得精細，對燃料預調節的計算可以得到較佳的預測結果(核一、二廠分別從 2 號機週期 22 及 2號機週期 19開始改為 MICROBURN-

7、B2程式設計)。 另外，AREVA 公司爐心設計工程師 Dang 在參考過去核一、二廠起動升載後首次達滿載時的控制棒淺棒定位結果(如 Table 1、2)，發現有多次都無法達到廠家爐心設計的目標佈局，導致電廠需要在滿載後擇機降載調整控制棒至目標佈局，不但增加升載人員負擔，對機組容量因數也造成損失。因此 Dang在與核心組討論後，於進行控制棒佈局設計時會以控制棒棒位目標去調整爐心燃料佈局及就淺棒的部份改以較容易達到的棒位(3034)做為目標棒位來進行設計。不過 Dang 表示他目前負責本公司 4 部 BWR機組的爐心設計，因此這個方法現階段只應用於本公司核一、二廠。 四、實際應用情形說明 Fig

8、 1 至 4 為核一、二廠在實施新舊爐心佈局設計方法之起動升載過程比較，舊爐心佈局設計方法僅考量是否滿足挪移標準，並未在起動時的封套值下功夫，故機組在升載至滿載後，通常會因為淺棒尚未達到目標佈局，故仍需待爐心氙毒達到穩定後降100 年 4 月 340 期 25 載 20%40%來進行控制棒棒位調整，且升載過程仍需進行 ramping ，而新爐心佈局設計方法在升載至滿載後待氙毒穩定，雖有時仍需降載進行控制棒位調整，但只需調整深棒的棒位，功率僅需略降至 90%以上即可，此時也不需因頂到封套而進行ramping，棒位調整的時間不到 1 個小時。Fig 2 中核二廠 2 號機週期 20 起動滿載後雖有

9、降載運轉，其目的是為了清洗水箱、冷凝器真空系統查漏等工作而降載，並不是為了調整控制棒棒位所進行的降載。Fig 4 顯示核一廠 2 號機週期 24 在起動升載過程燃料出力並無頂到封套值，這使得電廠在升載過程不需要經過 ramping，可較快達到滿載。 Table 3 說明本公司在實施 Soft Operation 前後各參數之比較，在實施 Soft Operation 後爐心內最大尖峰功率降低、控制棒起動升載後不需再大幅降載調整淺棒、起動後控制棒淺棒位置保持固定、升載速率較緩和以降低燃料護套應力，以及 ramping時功率變化較緩和，但需要進行 ramping的功率與之前週期相比較高。 五、結語

10、 燃料營運的本質是要從安全、工程、運轉和經濟等各層面將各種相關參數做最好的管理和運用，而設計本身即是一種藝術，需要用心投入，努力愈多通常收穫也較大。本次爐心佈局設計精進雖原先是為了降低燃料 PCI 破損機率，但延伸的好處是：起動升載過程中不僅開始需要 ramping 的時間延後，而且可讓升載的時間縮短；另外，參考電廠實際運轉經驗，在爐心設計階段即修改淺棒定位的位置，可避免機組實際運轉時需進行第 2 次降載調整棒位。不過這設計精進將要求爐心設計者投入更多的心力。此次蒙 AREVA 公司爐心設計小組鼎力協助始能獲得這些成果，未來本公司將協同 AREVA公司爐心設計小組持續朝此設計方法努力。 另外，

11、AREVA 公司也建議起動升載過程中有機會就執行 LPRM 校正，因為在停機大修期間，LPRM 屬於停止使用狀態，一旦機組重新起動應儘早執行校正以期得到正確的節點功率，如此可以讓爐心監測系統更加準確計算燃料棒功率，避免功率超過封套值，甚而造成燃料破損。 26 台電核能月刊 電廠/週期 目標佈局淺棒位置 實際達到的淺棒位置 一號機 KS1 C11 36 34 KS1 C12 20 20 KS1 C13 32 20, 28 KS1 C14 48 42 KS1 C15 36, 40 34, 38 KS1 C16 30, 32 28, 32 KS1 C17 32, 36 20, 30 KS1 C18

12、48 34 KS1 C19 48 22 KS1 C20 30, 34 30, 34 KS1C21 30, 34 30, 34 二號機 KS2 C11 n/a n/a KS2 C12 n/a n/a KS2 C13 20, 40, 48 10, 34, 40 KS2 C14 38, 42 26, 32 KS2C15 34, 34 34, 34 KS2 C16 30, 36 20, 36 KS2 C17 38, 48 24, 28, 38 KS2 C18 48, 48 34, 34 KS2 C19 34 30 KS2 C20 32 32 KS2 C21 Table 1 核二廠週期初目標佈局淺棒位置

13、與第一次達滿載時位置比較 100 年 4 月 340 期 27 電廠/週期 目標佈局淺棒位置 實際達到的淺棒位置 一號機 CS1 C20 28, 40 28, 40 CS1 C21 28 28 CS1 C22 40 30 CS1 C23 38, 48 38, 28 CS1 C24 48, 48 22, 38 CS2C19 28, 36 28, 34 二號機 CS2 C20 30 30 CS2 C21 22 22 CS2 C22 42 36 CS2C23 24, 48 24, 32 CS2C24 32 32 Table 2 核一廠週期初目標佈局淺棒位置與第一次達滿載時位置比較 28 台電核能月刊

14、 主要參數 實施 和緩起動策略前 實施 和緩起動策略後 爐心最大尖峰因數 (Core Max. peaking Factor) 高 低 功率升載速率 較快 適度/謹慎 功率預調節速率 (Ramping Rate) 符合原來的功率預調節準則 但較快 較新版功率預調節準 則稍慢 第一次達滿載後 是否再降載調棒 經常需要再降載調棒 直接達目標佈局 不需要再降載調棒 週期初控制棒佈局 每週期不同 目標佈局的淺棒 位置固定 Table 3 實施新爐心佈局設計前後各項參數比較 100 年 4 月 340 期 29 Fig 1 核二廠 1號機週期 19(橘)和週期 20(藍)起動升載過程比較 Fig 2 核二廠 2號機週期 19(綠)和週期 20(紫)起動升載過程 30 台電核能月刊 Fig 3 核二廠 1號機週期 19(橘)至週期 21(綠)起動升載過程 Fig 4 核一廠 2號機週期 23和週期 24起動升載過程