三代核電廠控制棒控制策略淺析

嚴肅　李國寶　張景偉

【摘 要】本文闡述了三代核電廠反應性控制模式，包括控制棒組和停堆棒組；反應堆功率控制策略，包括自動調節反應堆功率和自動控制功率分布；基于當前棒位和功率計算而來的控制棒插入限值；為克服灰棒非均勻消耗和燃耗屏蔽而引入了控制棒交換邏輯四個方面。對控制棒控制策略進行深入剖析，突出了三代核電廠控制棒控制的特點及優勢。

【關鍵詞】M棒組；功率控制；插入限值；控制棒換棒邏輯

【Abstract】This paper analyzes the third generation nuclear power plant control strategy of control rod in four sides， including the mode of reactivity control， which includes Control Bank and Shutdown Bank， reactor power control strategy， which includes automatic reactor power and power distribution control， Control rod insertion limits， we calculate it basing on current bank position and hot power， control rod exchange logic for defending no uniform expending of grey rod and burn up shield， explaining the feature and dominance of control rod controlling.

【Key words】M control Bank； Power control； Insertion limits； Control rod exchange logic

1 反應性控制模式簡介

三代核電廠的負荷跟蹤，根據需要利用控制棒運動來完成功率的改變，一回路不調節硼濃度，相對于二代加電廠取消了硼回收系統，只在控制棒組因為補償燃耗提升到堆芯頂部時，定期稀釋硼而將控制棒組位置降低，以進行后續的機械補償反應性動作。通過控制棒插入的限度來維持功率分布在允許極限內。由于氙濃度改變引起的反應性變化通過棒運動來控制。

棒束控制組件在功能上設計成控制棒組和停堆棒組，控制棒組包括M棒組和AO棒組。M棒組是指冷卻劑溫度控制棒組，用于冷卻劑平均溫度的控制，標記為MA、MB、MC、MD、M1、M2棒組，其中MA、MB、MC和MD由灰棒控制組件構成，M1、M2由棒束控制組件組成。AO棒組是指軸向偏移控制棒組，用于控制軸向功率分布。停堆棒組標記為SD1、SD2、SD3和SD4。[1]控制棒組和停堆棒組的每個棒組至少有四個控制棒。控制棒組在堆芯的軸向位置可以由手動或自動控制。反應堆停堆信號觸發后，所有控制棒組件均插入堆芯。

2 反應堆功率控制

自動調節反應堆功率和自動控制功率分布是反應堆功率控制系統最基本的功能。這些功能是通過改變控制棒的位置來實現的。設置多組控制棒棒束來調節反應堆功率和功率分布。

反應堆功率控制系統使得電廠能夠響應以下負荷變化瞬態[2]：

1）在核電廠功率為15%～90%額定功率范圍內，核電廠電功率最大+10%的階躍變化或最大+5%/分鐘的線性負荷變化；在核電廠功率為25%～100%額定功率范圍內，核電廠電功率最大-10%的階躍變化或最大-5%/分鐘的線性負荷變化。

2）日負荷跟蹤運行情況如下：

（1）核電廠在2小時內，從100%額定電功率線性降至50%額定電功率；

（2）核電廠維持在50%額定電功率2～10小時；

（3）核電廠在2小時內線性升負荷至100%額定電功率；

（4）24小時循環的剩余時間，核電廠維持在100%額定電功率。

3）頻率控制目標：電網頻率波動導致的以2%/分鐘的變化速率且總幅值不超過10%的功率變化[3]。

完成這些功能不會觸發反應堆停堆或 者引起蒸汽排放。在日負荷跟蹤運行和負荷瞬態調節過程中，反應堆功率控制系統提供軸向功率偏差自動控制。當負荷發生變化后，系統能夠將冷卻劑平均溫度恢復到程序值范圍內。可以在限定的控制棒插入范圍內手動控制功率控制棒（M棒組）或者軸向功率偏差控制棒（AO棒組）。

3 控制棒插入極限

當反應堆到達臨界時，堆芯內的反應性狀態是通過與反應堆功率相對應的控制棒位置來指示的。采用ΔT功率信號來計算棒組的插入極限。每個棒組都設有下述兩個報警信號：

1）棒位“低”報警提醒操縱員控制棒將趨近插入極限，應采取動作終止AO棒或M棒的移動。

2）棒位“低-低”報警閉鎖AO棒或M棒的移動。如M棒組“低-低”報警時，閉鎖M棒插入或AO棒的提升；AO棒組“低-低”報警時，閉鎖AO棒組插入。同時，提醒操縱員立即采取相關動作以恢復M棒組和AO棒組在合適的限值范圍內[4]。

控制棒插入報警和聯鎖的目的是提醒操縱員控制棒出現過度插入的情況，并終止AO 棒組的意外移動。控制棒插入極限確保反應堆停堆后能保持足夠的停堆裕度，限制假想控制棒彈棒事故中引入的最大價值，同時限制控制棒插入位置以將核功率峰因子維持在可接受的范圍內。由于停堆裕度所要求的停堆反應性隨著反應堆功率的增加而增加，因此，允許控制棒插入限值也會減少（即控制棒必須更多地提出堆芯）[5]。

由于核功率峰值因子可能會因M棒組和AO棒組的控制棒反向移動而加劇，因此AO棒組控制棒的聯鎖方式有些不同，主要取決于M棒組或AO棒組的控制棒插入是否超過限值。如果達到M 棒組插入限值，為了減少堆芯峰值因子的增加，停止AO棒組的自動提升：如果達到了AO棒組插入限值，停止AO棒組的自動插入。

4 控制棒換棒

機械補償（MSHIM）策略要求某些灰棒棒組即使在基準負荷模式下也位于堆芯內。這樣的策略使反應堆功率調節無需調硼就能提供一定的正反應性變化和負反應性變化。

在堆芯內的控制棒組比其他棒組消耗更快，并對局部的燃耗屏蔽效應有影響。如果不加干預，這種灰棒非均勻消耗和燃耗屏蔽將導致徑向峰因子超過去全分析假定。為避免這種情況，必須周期性交換位于堆芯內和位于堆芯外（或幾乎位于堆芯外）的控制棒組，并交換它們的插入順序。

有且僅有兩種允許的插入順序，其中之一是MA、MB、MC、MD、M1、M2，另一種是MD、MC、MB、MA、M1、M2。進行換棒時，MA和MD交換位置，MB和MC交換位置，相應的插入順序也將改變。

需要以下兩種交換方式以適應所有的運行工況：

1）方式1：當所有灰棒棒組在同一水平位置上時（全插入或全提出），因為所有棒組在同一水平位置，方式1換棒只需改變M棒組的插入順序即可；

2）方式2：當灰棒棒組不在同一水平位置上時，采用方式2進行換棒。方式2換棒時既要調整控制棒的位置又要改變插入順序。換棒時一次對換兩個棒組，AO棒組用于TAVG控制以保證盡可能小的TAVG瞬態。

5 結論

三代核電廠的一大特色是采取控制棒進行自動調節反應堆功率和自動控制功率分布，一回路不需要通過調節硼濃度來調節功率，相對于二代加電廠取消了硼回收系統，減少了一回路冷卻劑泄漏的可能性。通過當前棒位和熱功率計算而得到控制棒插入限值，并且引用了控制棒換棒邏輯，設定插入順序，交換是三代核電機組特有的一種控制棒運行方式，是三代核電機組正常運行時反應堆的控制策略所帶來的結果，控制棒在堆芯中的工作方式體現三代核電在堆芯控制方面的優點，但是因為控制棒控制方式還沒有在現實機組中得到驗證，具體該系統的工作效果如何還有待調試中檢驗。

【參考文獻】

[1]三門核電有限公司.AP1000 核電廠基礎培訓教材系統與機械設備[Z].2009，7.

[2]三門核電有限公司.AP1000 核電站基礎培訓教材電站系統與通用設備（試用版）[Z].2008，7.

[3]劉洋，王照，匡紅波，卜江濤，趙福宇.AP1000堆芯動態仿真程序開發[J].核動力工程，2014，6，35（3）.

[4]張小冬，劉琳.AP1000 反應堆控制系統特點分析[J].核動力工程，2011，8，32（4）.

[5]姚增華.評AP1000 堆芯設計[J].核動力工程：增刊1，2014，4，35.

[責任編輯：湯靜]