反應堆控制策略研究分析

郭俊偉 陳啟卷

（1.福建寧德核電公司，福建 寧德 355200；2.武漢大學 動力與機械學院，湖北 武漢 430072）

0 引言

反應堆控制系統是核電站最核心的控制系統，反應堆控制的基本目的是使一回路所產生的功率與二回路所吸收的功率相等，而一回路功率的變化實際上是通過控制反應性的變化來實現的，同時保證一回路的各項熱工、物理參數能滿足各方面要求。反應堆控制系統的控制策略（也稱控制模式）從第一代核電站到當今正在建設的第三代核電站一直在不斷演進。本文對早期壓水堆核電站反應堆控制策略和具有典型意義的代表二代加技術的CPR1000（來源于M310）堆型，以及代表第三代核電技術的AP1000堆型的反應堆控制策略進行了研究闡述。

1 早期核電站反應堆控制策略

早期壓水堆核電機組一般都是帶基本負荷運行，即連續以可行的最大功率運行，不參與負荷調節與跟蹤，因此其控制模式一般為A模式控制策略。

壓水堆核電站在發展初期是帶基本負荷運行的，因而A模式運行的特點是采用強吸收中子的調節棒組——黑棒束，它能以較大的功率變化速度進行調節，但引起的中子通量密度畸變將是很大的，因此需要嚴格控制軸向功率偏差保證堆芯燃料組件安全。

在A模式下，用來控制功率和功率分布的手段主要包括：

（1）反應堆控制采用以冷卻劑平均溫度為主調節量的冷卻劑平均溫度控制策略，控制回路由平均溫度定值回路、溫度測量回路、功率失配前置回路構成的三通道閉環控制邏輯組成。

（2）移動控制棒（A、B、C、D 組）：該方式的特點是調節速度快，但由于A模式中控制棒均為吸收中子能力較強的黑棒，因此單純的控制棒調節會導致功率在軸向分布的畸變，長時間運行可能危及燃料組件的安全。為確保堆芯安全，實現恒定軸向功率偏移（AO）的控制目標，必須把控制棒的移動限制在一定范圍之內。

（3）調節反應堆冷卻劑中硼酸的濃度：該方式的調節速度較慢，且會導致大量廢液的產生，尤其是在壽期末接近換料時，由于硼酸濃度比較低，產生的廢液量更大。

在實際運行中，為了滿足反應性控制要求，控制棒的移動必須與硼酸濃度的調節聯合運行，即在功率變化初期通過反應性變化量預測值來增加或減小冷卻劑中硼酸的濃度，以補償功率虧損及氙毒效應引起的反應性變化，從而縮小控制棒的移動范圍。

2 CPR1000反應堆控制策略

隨著核電在電力生產中所占的比重越來越大，核電機組將不能只帶基本負荷運行，核電機組也需要參與負荷調節和頻率調節，以提高電站運行的靈活性和電網的穩定性，這對核電機組的控制提出了更高的要求。G模式控制策略隨之被提出并應用，目前國內在役的二代及二代加核電機組及法國大型核電機組（功率≥1300MW）反應堆控制一般都采用G模式控制策略。

如果機組需要進行快速負荷跟蹤或參與電網的頻率調節，就必須具備快速負荷調節能力。在目前的技術條件下，快速的負荷調節必須通過控制棒來實現。為了使控制棒對功率進行快速調節時不對功率分布產生過大的擾動，引入了灰棒。采用灰棒可以在較快調節功率的同時實現功率分布的控制目標，這種模式即為G模式。在G模式下，反應性功率效應的補償通過功率補償棒組（包括黑棒和灰棒）來完成，較慢的反應性效應（如燃耗及氙毒效應等）則由硼酸濃度的調節來完成[1]。G模式控制策略的特點是：

（1）設有功率補償棒組（棒組）和溫度調節棒組（棒組），通過調節G棒組、R棒組和調節硼濃度來協調控制反應性，使電站具有一定的參與電網調峰、負荷變化跟蹤的能力。在功率補償棒組中有一些稱為“灰棒”的棒束，這種棒束由8根Ag-In-Cd吸收棒和16根不銹鋼棒組成，而黑棒束由24根Ag-In-Cd吸收棒組成。需要指出的是，并非所有控制棒均為灰棒，從既滿足核安全設計要求又盡可能滿足功率調節需要的角度，灰棒共設有兩組，其中G1組由4個灰棒束組成，G2組由8個灰棒束組成。具體配置信息見表1。

表1 CPR1000控制棒配置

（2）控制邏輯上設有兩個獨立的調節系統，以G棒組為調節對象的反應堆功率調節系統，和以R棒組為調節對象的平均溫度調節系統。

（3）反應堆功率調節系統是開環調節系統，它使反應堆的功率迅速跟蹤二回路的功率。它根據二回路的工況、控制模式和方式在幾個代表二回路功率需求值或操縱員設定值中選擇一個作為功率整定值，在一定燃耗下，每個功率水平對應于有一個棒位。在負荷跟蹤運行時，功率調節棒組G1、G2、N1、N2依次插入堆芯并有一定的重疊，以減少對軸向功率分布的擾動。

（4）平均溫度調節系統是閉環調節系統，其作用是補償由于因灰棒組整定不準確或弱的局部氙變化而產生的小范圍的反應性變化。通過測量一回路平均溫度，與代表二回路功率的參考溫度整定值比較后，經調節器產生調節信號，驅動R棒組，改變反應堆的反應性，從而維持一、二回路功率準確匹配，即使一回路平均溫度等于其整定值。為了提高響應速度，控制邏輯中設計了功率失配前饋通道，此通道的輸入信號為核功率與汽輪機功率失配信號，這個控制信號使得控制系統能夠在功率失配時迅速反應，為控制系統提供超前調節作用，從而減小瞬態峰值。為了避免減少對軸向功率分布的不合適的影響以及產生不恰當的燃耗，R棒組只限于堆芯上部的一個很窄的調節帶內移動。

（5）R棒組除了調節平均溫度以外，還有兩個作用，在負荷瞬變期間（負荷階躍變化，切換到廠用負荷運行和負荷以大于每分鐘2-3%額定功率的速率變化）協助G棒組控制反應性，在一定范圍內配合硼化或稀釋限制軸向功率偏差。后面的這兩個功能棒組的位置可以短時間超出調節帶的范圍，但不能超出插入低-低限值，遵守這個低-低限值（插入位置的極限值）以滿足核安全分析要求的安全裕度，并且需要盡快采取措施使R棒恢復到調節帶運行區間。

（6）G模式情況下必須遵守如下運行限制[2]：在大于30%Pn低功率水平的負荷跟蹤或頻率控制運行期間，在任何24小時內，上限功率運行的持續時間至少為12小時。如果功率補償棒組插入運行的持續時間大于12小時，就會對軸向功率分布產生擾動，并且在堆芯的上部形成燃耗陰影現象，這在堆芯安全分析中是沒有考慮的。例外情況，對于極特殊的運行需要（上限功率可以迅速返回的情況），功率補償棒插入的低功率水平運行可延長到12小時以上，但無論如何不得超過24小時。在大于12小時的低功率水平運行之后，要求持續7天的上限功率水平運行，在此期間，禁止日負荷跟蹤，但允許頻率控制。這是由于持續的上限功率水平運行能夠消除堆芯上部形成的燃耗陰影，恢復正常的軸向功率分布，而且7天是必須的包絡時間。

3 AP1000反應堆控制策略

AP1000核電機組的反應堆控制模式不同于A模式及G模式，AP1000控制模式采用革新的功率水平與功率分布獨立控制思想[3]，進一步提高了機組運行的靈活性和安全性。

AP1000反應堆控制模式的特點是：

（1）最大的特點在于將功率水平的控制與功率分布的控制區分開，采用不同的控制回路分別控制各自的控制對象。AP1000反應堆功率控制系統包括功率水平控制系統和功率分布控制系統。控制棒包括M棒及AO控制棒，具體配置信息見表2。

表2 AP1000控制棒配置

（2）功率水平控制系統有閉環調節通道和前饋通道組成[4]，這一設計思路與CPR1000控制R棒組移動的反應堆溫度調節系統一致。閉環調節通道通過實測平均一回路溫度與表征二回路功率的參考平均溫度之間的偏差來進行控制。平均溫度控制系統的執行機構為M棒組，棒控系統根據溫度偏差信號的大小及極性來確定控制棒的移動速度及移動方向。同樣為了提高響應性能，設計了功率失配前饋通道，如在甩負荷工況下，負荷突然降低，核功率與電功率失配，此時，前饋通道的作用可以使系統在一回路平均溫度變化之前使控制棒提前動作。

（3）AP1000采用單獨的功率分布控制系統，通過設置軸向功率偏移控制棒（AO棒）來進行控制。軸向功率偏差控制系統的主要功能是：在負荷跟蹤及電網頻率改變的瞬態下，將軸向功率偏移控制在規定范圍內。當軸向功率偏移測量值超出預定范圍時，系統發出控制信號使AO棒移動，從而達到功率分布的控制目標。AO棒分為2組，一組包含4束控制棒，一組包含5束控制棒，這2組AO棒在上提和下插的過程中遵循交替移動原則[5]。

（4）為了防止M棒與AO棒之間可能出現的干擾，當二者控制信號出現沖突時，M棒控制信號占主導地位，M棒移動時，AO棒被閉鎖移動。

4 比較分析

A模式控制策略具有如下優缺點：

優點：①在正常運行時，只需要調節硼酸濃度來補償燃耗和調節軸向功率偏差使其在運行梯形圖的運行帶之內，機組在額定功率運行，經濟性好；②棒控系統控制設計較為簡單，便于控制；③運行設備在運行過程中受到的熱應力較小，有利于安全和延長機組壽命。

缺點：①在反應堆升降功率時，都需要投入化學和容積控制系統來調節硼酸濃度，以補償反應性變化，但硼酸濃度的調節速率受到稀釋及硼化流量的限制，較為被動。而且，隨著壽期的深入，當硼酸濃度變得很小時，升功率速率變得很慢并且產生大量的廢液，不僅加重廢液處理系統的負擔，廢液量的接收能力還受到廢液處理系統設計能力的限制。②控制棒移動時，同時對功率水平及功率分布產生影響，需要對硼酸濃度進行調節，以滿足軸向功率偏差的控制要求。③在滿功率運行時，軸向功率偏差的運行范圍較窄，而軸向功率偏差不能自動控制，需要操縱員及時監視其變化趨勢，存在人因隱患。

G模式控制策略具有如下優缺點：

優點：①由灰棒進行功率反應性補償，使得機組具備快速負荷跟蹤能力，同時能夠保證機組功率分布的控制目標；②在功率下降后的功率回升過程中，不存在硼稀釋困難的問題；③機組具有較靈活的功率調節性能，在一定條件下可以參與負荷跟蹤和電網調頻運行。

缺點：①由于控制棒與硼酸濃度的調節相互獨立，在降負荷后不能使用控制棒補償由氙毒效應引起的功率效應，使得運行靈活性大為降低。在壽期末，當硼酸濃度很小時，仍然會出現稀釋量大且速率慢的問題。②雖可以進行電網負荷跟蹤和頻率控制，但必須遵守嚴格的運行限制條件，以使核安全分析所得出的結論得以保證。③R棒組對軸向功率偏差的控制有限，在滿功率運行時，軸向功率偏差的運行范圍較窄，且不能自動控制，因此需要操縱員及時監視并手動控制其變化趨勢。④功率水平與灰棒組棒位之間的關系曲線叫做有效標定曲線，此曲線參數需要每60個滿等效功率日進行一次修正，R棒組的調節帶參數也需要定期調整，這些在增加維護人員工作量的同時，也增加了人因隱患。

表3 反應堆三種控制策略比較

AP1000反應堆控制策略具有如下優缺點：

優點：①AP1000采用相互獨立的功率水平控制與功率分布控制兩個系統。功率水平控制系統采用閉環調節，相比于開環調節提高了控制的精準度，功率分布控制系統可自動控制軸向功率偏差。這些設計減少了對人的依賴，有效提高了自動化控制水平和機組安全性能。②不同于CRP1000，由于無需定期修改有效標定曲線和其他參數，避免了因頻繁修改參數引入的人因失誤風險。控制功率分布的AO棒，可實現功率分布的自動控制，無需操縱員干預，降低了運行時由于人因而發生安全事件的可能性；③由于負荷跟蹤是通過M棒來完成的，跟蹤時不需要進行硼稀釋操作，因此跟蹤速度較快。硼酸濃度的調節主要是用來補償燃耗及氙毒引起的反應性變化。AP1000采用M棒進行功率調節的方法既能發揮M棒控制靈活的特點，又能使M棒的作用與硼酸濃度的調節作用相結合，使反應堆的控制更為靈活。

缺點：①該控制模式為革新性的設計，還沒有此方面的實踐經驗。②按照西屋公司的設計，功率水平控制與功率分布控制之間不會產生干擾，但其實現方式尚有待研究，設計可靠性有待運行檢驗。

以上對A模式、G模式及AP1000反應堆控制策略的優缺點進行了分析，表3列出了三種控制策略主要不同點的比較情況。

5 結論

不同的控制策略與當時的控制技術、機組運行要求、自動化水平等相適應，這些演變體現出了控制策略更加合理、自動化水平不斷提高的過程。AP1000反應堆控制策略尚需實踐檢驗，但不可否認的是，其控制策略在適應功率控制和負荷跟蹤更高要求的同時，進一步降低了人因失誤的概率，提高了機組的自動化控制水平和反應堆的安全性，代表了新一代核電機組反應堆控制策略的發展趨勢。

［1］廣東大亞灣核電培訓中心.900WM壓水堆設備與系統[M].原子能出版社,2005.

［2］核電廠運行技術規范[S].福建寧德核電有限公司,2012.

［3］林誠格.非能動安全先進核電廠[M].原子能出版社,2008.

［4］第3代核電技術與AP1000先進核電機組[R].國家核電技術公司,2009.

［5］邢超.淺談AP1000常軸向偏移控制與監測[J].華東電力,2013,41(2).