壓水堆核電站軸向功率控制原理與方法

常曉露

（中核核電運(yùn)行管理有限公司，浙江 海鹽 314300）

0 引言

當(dāng)前全球近70%的核電機(jī)組為壓水堆型， 壓水堆核能的利用不僅與堆芯燃料的裝量及堆芯體積有關(guān)，堆內(nèi)功率的分布也很大情況的制約著核能的輸出， 同時(shí)堆內(nèi)功率分布的控制也是保證核安全的前提。堆內(nèi)功率分布可簡(jiǎn)單劃分為徑向功率分布與軸向功率分布，徑向功率分布可通過多種措施展平， 而軸向功率分布在運(yùn)行中受多種情況的影響較難控制，所以本文主要對(duì)壓水堆軸向功率控制進(jìn)行原理闡述同時(shí)探討其控制方法。

1 壓水堆軸向功率分布概念的引出

壓水堆內(nèi)熱點(diǎn)對(duì)確定堆芯功率的輸出量起著決定性的作用，任何一個(gè)部位的發(fā)熱量均不能超過核熱點(diǎn)，而反應(yīng)堆中熱點(diǎn)因子無(wú)法直接測(cè)量，所以引入了軸向功率偏移AO（%）與軸向功率偏差ΔI（%）的概念， 通過測(cè)量及控制軸向功率偏差ΔI 在規(guī)定的運(yùn)行范圍內(nèi)，就可以避免反應(yīng)堆內(nèi)出現(xiàn)核熱點(diǎn)，保證反應(yīng)堆在一定的功率水平穩(wěn)定的輸出。

軸向功率偏移AO， 定義為堆芯上部功率Ph（%FP）與堆芯下部功率Pb（%FP）之差除以堆功率：AO=(Ph-Pb)/(Ph+Pb）， 而在堆芯總功率水平不同以及堆芯上部與下部功率不同的情況下，堆芯的機(jī)械應(yīng)力以及熱應(yīng)力都不同， 所以只用軸向功率偏移AO 不能精確的反應(yīng)燃料元件的機(jī)械與熱應(yīng)力水平，所以我們又引入了軸向功率偏差ΔI 的概念， 它能代表反應(yīng)堆在不同的功率水平下堆芯內(nèi)功率分布的不平衡狀態(tài)：ΔI=(Ph-Pb)/Pn，其中Pn為額定堆功率。

在不同的運(yùn)行工況下通過大量的實(shí)驗(yàn)和計(jì)算可以得出AO 和ΔI 的運(yùn)行限值， 此限值為堆芯功率水平的函數(shù)，從而引出了反應(yīng)堆運(yùn)行梯形圖。 在不同的功率水平下我們要盡量使堆芯功率分布保持穩(wěn)定，以一個(gè)恒定的ΔIref作為目標(biāo)控制反應(yīng)堆運(yùn)行，這個(gè)ΔIref就是軸向功率偏差參考值。在運(yùn)行中我們通過不同手段將ΔI 控制在ΔIref±5%FP 范圍內(nèi)， 從而保證反應(yīng)堆的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

2 影響反應(yīng)堆軸向功率分布的因素

2.1 控制棒的影響

控制棒不同的位置會(huì)對(duì)堆芯軸向功率分布產(chǎn)生影響，當(dāng)控制棒上提時(shí)，ΔI 就向堆芯上部偏移，而當(dāng)下插控制棒時(shí)，ΔI 就向堆芯下部偏移，控制棒干預(yù)ΔI的效果最快。

2.2 慢化劑溫度的影響

壓水堆采用水作為慢化劑及冷卻劑， 在設(shè)計(jì)之初從安全的角度出發(fā)，將慢化劑的溫度系數(shù)設(shè)為負(fù)，而負(fù)的慢化劑溫度系數(shù)直接影響到了堆內(nèi)軸向功率的分布。 從堆芯入口至出口，溫度不斷上升，入口的水冷，出口的水熱。 僅考慮溫度分布的影響，由于慢化劑溫度系數(shù)為負(fù)，導(dǎo)致堆芯下部的功率大，上部的功率小。

2.3 燃耗的影響

由于堆芯內(nèi)功率分布是不均勻的，所以燃耗也是不均勻的，功率高的區(qū)域燃耗大，功率低的區(qū)域反之。 壽期初整個(gè)堆芯軸向的燃耗是相同的，而由于堆芯下部功率高于上部，所以軸向功率分布偏向下部；到了壽期中，下部燃料消耗更多，下部功率下降，堆芯功率分布呈現(xiàn)出中間峰的特點(diǎn)；到壽期末堆芯上部燃耗相對(duì)較小，堆芯出現(xiàn)一個(gè)上部峰，而由于堆芯下部溫度低，堆芯同時(shí)存在一個(gè)下部峰，整個(gè)堆芯功率分布呈現(xiàn)出一種雙駝峰形狀[1]。

3 反應(yīng)堆軸向功率偏差控制方法的探討

3.1 通過控制棒控制軸向功率偏差

以M310 壓水堆核電機(jī)組為例，可以利用功率控制棒組（G 棒）與平均溫度控制棒組（R 棒）來(lái)控制ΔI。G 棒組設(shè)計(jì)為迭步運(yùn)行，G1、G2、N1、N2 棒組交替提升或下插以實(shí)現(xiàn)升降功率， 這就使ΔI 不至于產(chǎn)生過度的畸變。 R 棒一般控制在堆頂?shù)恼{(diào)節(jié)帶內(nèi)運(yùn)行。 在平時(shí)運(yùn)行中或者是功率升降過程中， 當(dāng)ΔI 相對(duì)于ΔIref 線偏正時(shí)，可以通過下插G 棒或R 棒使ΔI 向負(fù)的方向變化；同理，如果ΔI 相對(duì)于ΔIref 線偏負(fù)時(shí)，可以通過提升G 棒或R 棒使ΔI 向正的方向變化。

通過G 棒來(lái)控制ΔI 的方法需要考慮的是， 只有在通過G 棒跟隨方式升降功率期間可以使用，因技術(shù)規(guī)范明確規(guī)定G 棒在24 小時(shí)內(nèi)插入堆芯的時(shí)間限值為12 個(gè)小時(shí)， 當(dāng)需要長(zhǎng)時(shí)間低功率運(yùn)行或機(jī)組通過稀釋或硼化升降功率時(shí)不能使用G 棒進(jìn)行ΔI 控制。同時(shí)G 棒在下插或上提過程中我們還需要考慮G 棒是在堆芯中平面以上還是中平面以下，以下插為例，G 棒在堆芯上半部分時(shí)， 棒下插軸向功率分布向堆芯下部偏移，G 棒在堆芯下半部分時(shí)，棒下插軸向功率分布向堆芯上部偏移，同樣是下插，對(duì)ΔI 的作用是相反的。

通過R 棒來(lái)控制ΔI 需要考慮的問題是，R 棒的反應(yīng)性價(jià)值更大，對(duì)ΔI 的影響也更大。同時(shí)R 棒在運(yùn)行中需避免其下插到低限、低低限。 由于R 棒的調(diào)節(jié)帶并不寬，同時(shí)R 棒還承擔(dān)著一、二回路間平均溫度偏差的調(diào)節(jié)功能，所以R 棒的調(diào)節(jié)裕度較小。

3.2 通過升降功率控制軸向功率偏差

反應(yīng)堆功率的升降會(huì)使軸向功率分布發(fā)生變化，功率上升， 堆芯出口溫度升高，ΔI 向負(fù)的方向發(fā)展。功率下降時(shí)反之。

4 反應(yīng)堆軸向功率偏差控制的難點(diǎn)及改進(jìn)

4.1 壽期末ΔI 控制的難點(diǎn)與優(yōu)化策略

壽期末，ΔI 本身偏正， 如果進(jìn)行降功率，ΔI 也產(chǎn)生向正向偏移的趨勢(shì)，氙毒效應(yīng)同樣會(huì)加劇這種正向趨勢(shì)，幾種因素疊加，壽期末ΔI 的控制一直是壓水堆核電站的控制難點(diǎn)。

壽期末降功率，在條件允許的情況下優(yōu)先考慮G棒跟隨方式，G 棒插入堆內(nèi)總體上會(huì)使堆內(nèi)功率向下偏移，同時(shí)使我們多了一種干預(yù)ΔI 的手段。

在降功率時(shí)提前做好準(zhǔn)備，將R 棒提至調(diào)節(jié)帶較高的位置，當(dāng)降功率過程中ΔI 向正向發(fā)展時(shí)，我們能有充足的調(diào)節(jié)裕量。

在ΔI 向正向發(fā)展并逼近梯形圖右限線時(shí)， 如果R 棒已無(wú)調(diào)節(jié)裕量時(shí)， 向電網(wǎng)申請(qǐng)?zhí)嵘恍┕β?，改變?chǔ) 的走勢(shì)。

4.2 通過G 棒調(diào)節(jié)ΔI 時(shí)需注意的問題及改進(jìn)措施

G 棒迭步的動(dòng)作方式使其在ΔI 的控制過程中展現(xiàn)出兩面性，尤其在壽期末，整個(gè)堆芯功率分布展現(xiàn)出了上下駝峰的形態(tài)， 這就使G 棒動(dòng)作時(shí)給ΔI 的影響帶來(lái)不確定性。比如，在駝峰以上插棒會(huì)使ΔI 產(chǎn)生負(fù)向發(fā)展趨勢(shì)， 而駝峰以下插棒卻會(huì)使ΔI 產(chǎn)生向正向發(fā)展的趨勢(shì)。 所以在具體的用G 棒調(diào)節(jié)ΔI 的過程中容易使操作人員產(chǎn)生誤判。

針對(duì)這種不確定性，我們可以通過LOCA 計(jì)算機(jī)觀察堆芯軸向功率分布情況，結(jié)合當(dāng)時(shí)的G 棒棒位判斷此時(shí)G 棒動(dòng)作時(shí)對(duì)ΔI 產(chǎn)生的影響， 或通過堆芯物理人員給出更具體的分析數(shù)據(jù)做出G 棒動(dòng)作策略。

4.3 控制棒調(diào)節(jié)時(shí)機(jī)對(duì)ΔI 控制的影響及選擇

ΔI 在運(yùn)行中不僅會(huì)出現(xiàn)正負(fù)方向性的變化，而且其趨勢(shì)發(fā)展也存在不同的速率。 在運(yùn)行中ΔI 正負(fù)轉(zhuǎn)換的時(shí)機(jī)以及變化速率的節(jié)點(diǎn)都是需要重點(diǎn)關(guān)注的。

實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)在ΔI 正負(fù)轉(zhuǎn)換或速率變化時(shí)提前進(jìn)行調(diào)節(jié)更有效，以降功率為例，如果ΔI 開始向正向發(fā)展，因?yàn)榻倒β蔬^程中ΔI 勢(shì)必是向正向發(fā)展，此時(shí)可以提前插棒， 這樣會(huì)比ΔI 已正向發(fā)展一段時(shí)間后去干預(yù)更有效。同樣，如ΔI 正向發(fā)展的過程中速率開始加快，我們可以提前進(jìn)行插棒，這樣做會(huì)比后期干預(yù)更有效。

同時(shí)我們還需要關(guān)注的一點(diǎn)是，無(wú)論是G 棒還是R 棒調(diào)節(jié)，連續(xù)動(dòng)作兩步或多步比一步一步的動(dòng)作對(duì)于ΔI 的影響更明顯。

5 結(jié)論

反應(yīng)堆軸向功率偏差ΔI 的控制是反應(yīng)堆運(yùn)行人員的一個(gè)操作難點(diǎn)， 對(duì)ΔI 良好的控制可以保證堆芯燃料組件的熱應(yīng)力及機(jī)械應(yīng)力在允許的范圍內(nèi)，如若失去控制就會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的核安全風(fēng)險(xiǎn)。ΔI 的控制很復(fù)雜，與當(dāng)時(shí)的功率水平，燃耗水平等各種因素相關(guān)，不同的工況下調(diào)節(jié)的方式都是不同的，但是我們從平時(shí)的操作中總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，不斷探討、不斷挖掘，這樣我們?cè)诰唧w的運(yùn)行操作中就能做出更加合理、有效、安全的選擇。