田灣核電站控制棒原理及運行經驗

謝佳志+劉超

摘 要 控制棒是核電廠反應堆的重要組成部分，對核電廠反應堆的反應性控制和事故工況處理都有非常重要的作用。文章從田灣核電站控制棒的作用和特點出發，討論了控制棒驅動機構，控制棒的控制與供電，并分享了田灣核電控制棒系統的部分運行經驗。

關鍵詞 核電站；控制棒；原理；運行經驗

中圖分類號：TM623 文獻標識碼：A 文章編號：1671-7597（2014）13-0188-02

1 田灣核電站控制棒的作用和特點

1.1 控制棒的作用

控制棒作用有：堆芯剩余反應性的控制、反應堆啟動、反應堆停堆、反應堆功率調節，展平堆芯軸向功率分布以及抑制氙振蕩等。與國內其他核電相比，田灣核電控制棒在正常運行時控制棒的位置基本保持不變，第1～7組停堆棒組位于反應堆的頂部，第8、9組調節棒組位于反應堆的頂部，第10組控制棒位于堆芯高度70%～90%推薦區間內。控制棒的位置可以保證在給定功率水平下的停堆深度，防止局部功率峰和展平堆芯內的中子通量密度分布。

1.2 控制棒用材料

目前，國內外控制棒采用的控制材料有：碳化硼、銀-銦-鎘、鉿。田灣核電站控制棒高度為4.215米，吸收體的總長度為3.5米。吸收體的上端3.2米采用碳化硼，吸收體下端為0.3米的鏑鈦合金。田灣核電采用碳化硼與鏑鈦合金混合體。鏑鈦合金抗輻照性能好，輻照穩定性強，延長了控制棒的使用壽命，純碳化硼控制棒使用壽命約5年，而碳化硼與鏑鈦合金混合體控制棒使用壽命可達10年。另外，鏑鈦合金中子吸收截面比碳化硼小，提高了反應堆的中子利用率。

2 控制棒的驅動機構

2.1 電磁驅動

田灣核電站控制棒驅動機構采用的是步進式電磁驅動，驅動桿的上下移動是通過電磁線圈按一定的順序傳輸脈沖電流實現的。電磁線圈與磁極間的相互作用使可動棘爪牽引驅動桿移動。驅動桿的位置信息傳給位置指示器。

2.2 步長位置指示器

田灣核電采用了俄羅斯設計的步長位置指示器。驅動桿內布置有十三個由導磁不銹鋼制成的分流器。在驅動機構內有一不隨控制棒運動的位置傳感器，傳感器上有均勻分布并由非磁隔離物相互隔離的九個線圈。每個線圈對磁是開路的。

當控制棒上下移動時，驅動桿上磁化了的不銹鋼區段將導致傳感器線圈的磁路閉合或開路，從而改變每個線圈的感應電動勢，每個線圈根據其電動勢輸出“0”或“1”的信息編碼，編碼送至控制與監測機柜進行計算。控制棒每移動一步，將使若干線圈的磁路閉合或打開，從而形成唯一的信息編碼，由位置信息編碼便可確定棒位。步長位置指示器可監測控制棒最大范圍的移動行程，提供控制棒組件在堆芯每20 mm行程的位置指示。

3 控制棒的控制與供電

3.1 控制棒的控制

每束控制棒的上端與驅動機構固定連接，隨驅動機構的驅動軸在堆芯內上下運動或者保持在堆芯內任意高度，從而實現反應堆功率的控制。反應堆控制保護系統通過對驅動機構的控制和棒位的監測，實現保護-預保護功能以及反應堆功率控制。控制棒的移動主要靠兩個信號控制—地址信號和上下運動的控制信號。

控制棒的控制部分包括4個保護命令邏輯機柜、4個電源控制機柜、4個交流斷路器機柜、4個直流斷路器機柜以及2個預保護機柜。

保護命邏輯機柜接受來自安全儀控系統的四個通道的停堆信號，經過“4取2”的邏輯處理后發送到電源控制機柜，電源控制機柜接收來自保護命令邏輯機柜和控制室的手動停堆信號后進行邏輯處理，處理后觸發斷開交流斷路器機柜內地交流斷路器；斷開直流斷路器機柜內的直流斷路器，同時關閉驅動機構電磁線圈供電的可控硅導通角，全部控制棒驅動機構的電磁鐵失電，控制棒在重力的作用下掉入堆芯底部，從而使反應堆停堆。

保護命邏輯機柜也接受來自安全儀控系統的四個通道的第一類預保護、第二類預保護和預保護信號，經過“4取2”的邏輯處理后發送到預保護機柜，在預保護機柜內進行邏輯計算后輸出至反應堆棒控棒位系統。棒控棒位系統中每一組控制棒都有對應的地址。當接收到加速預保護信號時，預定的6束控制棒組掉入堆芯底部，從而快速降低反應堆功率。當接收到第一類預保護信號時，控制棒從工作棒組開始以工作速率依次向下插入控制棒，從而降低反應堆功率。當接收到第二類預保護信號時，禁止控制棒組的提升限制反應堆功率的上升。

3.2 控制棒的供電

控制棒的驅動機構供電原理分交流和直流。交流電源來自400 V正常供電系統，田灣核電設置了兩段專用母線為控制棒供電。直流電源來自110直流不間斷供電系統，設置了專用的BUA母線。交流電源為控制棒驅動機構的主用電源，兩路交流電源可以互為備用，直流電源為交流電源的備用電源。正常運行時，由交流電源保證控制棒的提升和下插，直流電源只能用于控制棒保持。當安全儀控系統觸發反應堆停堆和快速預保護信號時驅動機構線圈喪失電源，控制棒掉棒

4 控制棒系統運行經驗

4.1 控制棒活動性試驗

控制棒由于長期保證位置不變，為了防止控制棒和套管出現粘連，定期進行控制棒活動性試驗。控制棒活動性試驗較好保證了控制棒系統的可靠運行。

4.2 控制棒執行機構的月度試驗

控制棒系統每月都要進行定期試驗以保證動作可靠性。試驗中測試交直流斷路器能否正確斷開，試驗中設備的可靠性。

4.3 試驗臺架優化

大修時需要對電源控制模件進行測試，之前都是將其從控制機柜房間取出然后運輸至專門的臺架房間進行測試，BU1模件在機組運行中故障率較高，田灣核電經過充分分析和論證后將試驗臺架改至了控制柜房間，減少了電源模件的運輸過程，同時在測試時采取輕拿輕放，故障率大大的降低。

5 結束語

田灣核電站使用的控制棒系統在廣泛吸收WWER100（B-320）型反應堆的實際運行經驗的基礎上，采用了國內外先進的最新研究成果。該系統具有控制靈活，可靠性高，控制精準，使用壽命長等特點。由于大量的使用了單片機、微處理和網絡技術，使得系統的集成化、數字化水平大大提高。從運行經驗分析，獲得了較好的運行業績。

參考文獻

[1]李偉.WWER型核電機組反應堆停堆保護系統設計優化與改造[J].核電子學與探測技術，2011（12）.

[2]李紅鷹.秦山核電二期工程反應堆控制棒驅動機構設計[J].核動力工程，2003（06）.

[3]俞高偉.核電站控制棒驅動機構電源系統[J].發電設備，2012（07）.

作者簡介

謝佳志（1982-），男，工程師，本科，研究方向：電廠

運行。

劉超（1984-），男，工程師，本科，研究方向：電廠

運行。endprint