CNP650壓水堆不調(diào)硼負(fù)荷跟蹤可行性研究

劉同先，吳 磊，陳 長(zhǎng)，李 慶

(中國(guó)核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院核反應(yīng)堆系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川成都610041)

CNP650壓水堆不調(diào)硼負(fù)荷跟蹤可行性研究

劉同先，吳 磊，陳 長(zhǎng)，李 慶

(中國(guó)核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院核反應(yīng)堆系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川成都610041)

海南昌江核電廠等CNP650壓水堆采用Mode-A控制模式，該模式采用黑體控制棒，有很好的基負(fù)荷運(yùn)行能力，但負(fù)荷跟蹤能力相對(duì)較差。而對(duì)一些具有小電網(wǎng)的國(guó)家或地區(qū)，負(fù)荷跟蹤運(yùn)行能力具有一定的市場(chǎng)需求。不調(diào)硼負(fù)荷跟蹤通過(guò)棒控系統(tǒng)自動(dòng)完成，大大減輕了操縱員負(fù)擔(dān)；負(fù)荷跟蹤過(guò)程基本不需要頻繁地調(diào)硼操作，允許簡(jiǎn)化化學(xué)和容積控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，減少了廢液處理成本。為此，在CNP650壓水堆上進(jìn)行了不調(diào)硼負(fù)荷跟蹤研究。負(fù)荷跟蹤過(guò)程主要有兩個(gè)控制任務(wù)：一是反應(yīng)性補(bǔ)償；二是功率分布控制。根據(jù)不調(diào)硼負(fù)荷跟蹤的控制任務(wù)，重新進(jìn)行了控制棒的設(shè)計(jì)、分組和布置，設(shè)置兩套獨(dú)立控制的控制棒組(功率補(bǔ)償棒組和軸向偏移控制棒組)，分別用于堆芯反應(yīng)性控制和軸向功率分布控制，以實(shí)現(xiàn)不調(diào)硼負(fù)荷跟蹤。使用SCIENCE程序包進(jìn)行典型的12h～3h～6h～3h、100%—50%—100%功率水平的日負(fù)荷循環(huán)計(jì)算來(lái)進(jìn)行不調(diào)硼負(fù)荷跟蹤分析。計(jì)算步驟為：進(jìn)行三維堆芯模型計(jì)算；根據(jù)三維堆芯模型建立一維堆芯模型；在一維模型基礎(chǔ)上，進(jìn)行模擬計(jì)算。完成了海南昌江核電廠平衡循環(huán)壽期末典型的日負(fù)荷循環(huán)不調(diào)硼運(yùn)行分析，模擬計(jì)算結(jié)果表明在CNP650壓水堆上不調(diào)硼負(fù)荷跟蹤運(yùn)行模式是可行的。

CNP650；負(fù)荷跟蹤；不調(diào)硼；軸向偏移

核電站的運(yùn)行模式是由核電站與電網(wǎng)之間的聯(lián)系方式?jīng)Q定的。如果核電機(jī)組的總?cè)萘空茧娋W(wǎng)總?cè)萘康谋壤^高，核電機(jī)組不跟隨電網(wǎng)的需求來(lái)調(diào)節(jié)發(fā)電功率，會(huì)給電網(wǎng)運(yùn)行帶來(lái)較大的困難。適當(dāng)考慮電網(wǎng)對(duì)電能總需求的變化，要求核電機(jī)組在一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)它的發(fā)電功率[1]，這種運(yùn)行模式一般稱為負(fù)荷跟蹤運(yùn)行模式。在負(fù)荷跟蹤時(shí)，反應(yīng)堆功率隨負(fù)荷變化，需要一種合適的堆芯控制模式進(jìn)行反應(yīng)堆堆芯控制。

海南昌江核電廠等CNP650壓水堆采用Mode-A控制模式，該模式中控制棒均為黑體控制棒，其吸收中子能力較強(qiáng)。控制棒主要用于堆芯軸向偏移(AO)控制，同時(shí)補(bǔ)償功率變化引起的反應(yīng)性變化；當(dāng)兩者矛盾時(shí)，反應(yīng)性變化差額由調(diào)硼系統(tǒng)承擔(dān)。Mode-A控制模式下，有很好的基負(fù)荷運(yùn)行能力，但負(fù)荷跟蹤運(yùn)行能力相對(duì)較差。該模式進(jìn)行負(fù)荷跟蹤運(yùn)行時(shí)，無(wú)法快速調(diào)節(jié)反應(yīng)堆功率，且需要調(diào)硼系統(tǒng)參與反應(yīng)性調(diào)節(jié)，對(duì)一次冷卻劑進(jìn)行頻繁的稀釋和硼化，調(diào)硼帶來(lái)下述不足之處：產(chǎn)生大量放射性廢液，增加了運(yùn)行成本；壽期末利用調(diào)硼來(lái)補(bǔ)償負(fù)荷跟蹤過(guò)程中的反應(yīng)性變化，會(huì)產(chǎn)生比壽期初多數(shù)倍的廢液，使得核電廠的廢液處理系統(tǒng)無(wú)法承擔(dān)而喪失負(fù)荷跟蹤能力；調(diào)硼操作相對(duì)頻繁而且是手動(dòng)實(shí)施的，增加了操縱員負(fù)擔(dān)。

不調(diào)硼負(fù)荷跟蹤運(yùn)行通過(guò)棒控系統(tǒng)自動(dòng)完成，大大減輕了操縱員負(fù)擔(dān)；負(fù)荷跟蹤過(guò)程基本不需要頻繁地調(diào)硼操作，允許簡(jiǎn)化化容系統(tǒng)設(shè)計(jì)，減少了廢液處理成本。美國(guó)用戶要求文件URD[2]和歐洲用戶要求文件EUR[3]都要求新一代核電站具有不調(diào)硼負(fù)荷跟蹤能力。西屋公司在90年代初開(kāi)發(fā)出了具有不調(diào)硼負(fù)荷跟蹤能力的機(jī)械補(bǔ)償控制模式(MSHIM)[4]，國(guó)內(nèi)研究人員對(duì)采用Mode-G控制模式的M310壓水堆也開(kāi)展了不調(diào)硼負(fù)荷跟蹤研究[5]，但尚未在CNP650壓水堆上開(kāi)展不調(diào)硼負(fù)荷跟蹤研究。

基于負(fù)荷跟蹤的控制任務(wù)分析，重新進(jìn)行控制模式設(shè)計(jì)，以使CNP650壓水堆上具有不調(diào)硼負(fù)荷跟蹤運(yùn)行能力，這不僅對(duì)海南昌江核電廠的運(yùn)行模式帶來(lái)重大改進(jìn)，而且對(duì)在一些具有小電網(wǎng)的國(guó)家或地區(qū)，仍有一定的市場(chǎng)需求。

1 控制任務(wù)分析

不調(diào)硼負(fù)荷跟蹤通過(guò)使用控制棒代替調(diào)節(jié)可溶硼進(jìn)行堆芯反應(yīng)性控制。負(fù)荷跟蹤過(guò)程中的反應(yīng)性和功率分布通過(guò)棒控系統(tǒng)自動(dòng)完成，大大減輕了操縱員負(fù)擔(dān)；負(fù)荷跟蹤過(guò)程基本不需要頻繁地調(diào)硼操作，允許簡(jiǎn)化化容系統(tǒng)設(shè)計(jì)，減少了廢液處理成本，并有利于環(huán)境保護(hù)。負(fù)荷跟蹤過(guò)程主要有兩個(gè)控制任務(wù)：一是反應(yīng)性補(bǔ)償；二是功率分布控制。

在模擬計(jì)算中選用標(biāo)準(zhǔn)的日負(fù)荷循環(huán)來(lái)驗(yàn)證控制系統(tǒng)的不調(diào)硼負(fù)荷跟蹤能力。即要求核反應(yīng)堆在12h滿功率運(yùn)行后在3h內(nèi)功率線性變化到50%(70%)滿功率，在50%(70%)滿功率下運(yùn)行6h后又在3h內(nèi)將功率線性增長(zhǎng)到滿功率水平，以適應(yīng)電網(wǎng)負(fù)荷變化的要求。如圖1所示。

圖1 典型的日負(fù)荷跟蹤Fig.1 Typical load follow transient

選用中國(guó)核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院完成的長(zhǎng)循環(huán)堆芯燃料管理方案進(jìn)行負(fù)荷跟蹤的控制任務(wù)分析。完成了平衡循環(huán)的接近壽期末、100%—50%—100%形式負(fù)荷跟蹤的反應(yīng)性變化計(jì)算。使用了SCIENCE程序包進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算步驟為：用SMART程序進(jìn)行三維堆芯模型計(jì)算；根據(jù)三維堆芯模型建立一維堆芯模型；在一維模型基礎(chǔ)上，采用ESPADON程序進(jìn)行模擬計(jì)算。假定負(fù)荷跟蹤過(guò)程中控制棒位置和硼濃度都保持不變時(shí)，圖2給出48h的反應(yīng)性變化，圖3給出了48h堆芯AO的變化。

圖2 負(fù)荷跟蹤中的反應(yīng)性變化Fig.2 Various reactivity during load follow

圖3 控制棒組固定時(shí)負(fù)荷跟蹤中的AO變化Fig.3 Axial offset during load follow with fixed control banks

由圖2可以看到，功率虧損對(duì)應(yīng)的反應(yīng)性約為1200pcm，而上述條件下的負(fù)荷跟蹤，功率變化引入的反應(yīng)性虧損與瞬態(tài)氙變化引入的反應(yīng)性大部分時(shí)間是互相抵消的，這在一定程度上減輕了反應(yīng)性控制負(fù)擔(dān)。由圖3可以看到，如果不加任何調(diào)控措施，負(fù)荷跟蹤過(guò)程中，堆芯AO的變化范圍非常大(-35%～70%)，這在核電廠的實(shí)際運(yùn)行中是絕對(duì)不允許的。不調(diào)硼負(fù)荷跟蹤設(shè)計(jì)的目的正是通過(guò)控制棒對(duì)上述兩個(gè)參數(shù)進(jìn)行合理的控制。

2 控制模式設(shè)計(jì)

2.1 控制棒分組

負(fù)荷跟蹤開(kāi)始時(shí)，汽輪機(jī)負(fù)荷降低，反應(yīng)堆冷卻劑平均溫度升高；控制棒組插入堆芯、降低反應(yīng)堆功率，以維持冷卻劑平均溫度在設(shè)定的運(yùn)行帶內(nèi)；功率降低將觸發(fā)氙瞬態(tài)，當(dāng)達(dá)到低功率運(yùn)行平臺(tái)后，氙的累積引入負(fù)反應(yīng)性，導(dǎo)致控制棒組緩慢提出；經(jīng)過(guò)氙峰后，控制棒組將再次緩慢插入。反之，當(dāng)汽輪機(jī)負(fù)荷升高時(shí)，反應(yīng)堆冷卻劑平均溫度降低；控制棒組提出、提高反應(yīng)堆功率，以維持冷卻劑平均溫度在設(shè)定的運(yùn)行帶內(nèi)；當(dāng)達(dá)到高功率運(yùn)行平臺(tái)后，氙的消耗引入正反應(yīng)性，導(dǎo)致控制棒組緩慢插入堆芯。一個(gè)控制棒組無(wú)法同時(shí)承擔(dān)兩項(xiàng)控制任務(wù)，整個(gè)瞬態(tài)過(guò)程中，還需要一個(gè)額外的控制棒組將堆芯AO維持在設(shè)定的運(yùn)行帶內(nèi)。通過(guò)階段性調(diào)節(jié)可溶性硼，將控制棒組恢復(fù)到運(yùn)行范圍內(nèi)。

從上述分析過(guò)程可以看出，要實(shí)現(xiàn)不調(diào)硼負(fù)荷跟蹤，需要設(shè)置兩套獨(dú)立控制的控制棒組：功率補(bǔ)償棒組(T棒組)和軸向偏移控制棒組(AO棒組)。T棒組用于堆芯反應(yīng)性控制，為減小對(duì)堆芯功率分布的擾動(dòng)，T棒組采用部分灰體控制棒，移動(dòng)時(shí)滿足規(guī)定的重疊步數(shù)以及順序。進(jìn)行負(fù)荷跟蹤時(shí)，T棒組插入堆芯的深度由堆芯各種反應(yīng)性總量決定，用于維持堆芯反應(yīng)性平衡或按一定規(guī)律維持反應(yīng)堆的平均溫度與功率的關(guān)系。AO棒組主要用于軸向功率分布控制，控制堆芯AO值在目標(biāo)值范圍內(nèi)。AO棒組為黑體控制棒，一般插入堆芯較少，只在堆芯上部的一個(gè)運(yùn)行帶內(nèi)運(yùn)行。

2.2 控制棒布置

根據(jù)第2節(jié)的控制任務(wù)分析，完成了功率補(bǔ)償棒組(包括T1～T4四組控制棒)的結(jié)構(gòu)和分組設(shè)計(jì)。灰棒在提供反應(yīng)性的同時(shí)對(duì)軸向功率分布的影響應(yīng)當(dāng)較小，同時(shí)還要顧及總停堆裕量的要求。控制棒分組及布置見(jiàn)圖4。功率控制棒組包括T棒組和AO棒組，停堆棒組為S棒組，用于確保反應(yīng)堆在任何功率水平下都有足夠的停堆裕量。

圖4 控制棒布置圖Fig.4 Control rods layout

海南昌江核電廠等CNP650壓水堆堆芯共布置33束黑體控制棒，參考秦山第二核電廠長(zhǎng)循環(huán)燃料管理論證的計(jì)算結(jié)果，停堆裕量雖然滿足事故分析要求，但相應(yīng)的安全裕量較小；又鑒于T棒組需要使用部分灰體控制棒，因此必須增加堆芯的控制棒束數(shù)量。值得說(shuō)明的是，上述控制棒布置共使用了41束控制棒，其中33束為黑體控制棒，8束為灰體控制棒，預(yù)計(jì)停堆裕量滿足要求。

基于功率水平和瞬態(tài)氙引入的反應(yīng)性隨時(shí)間的變化規(guī)律，為了實(shí)現(xiàn)不調(diào)硼負(fù)荷跟蹤，控制棒必須在需要的時(shí)候能夠提供足夠大的正/負(fù)反應(yīng)性以維持反應(yīng)堆處在臨界狀態(tài)。表1給出了上述控制棒布置下、平衡循環(huán)的控制棒組的積分價(jià)值。從表中數(shù)據(jù)可以看出：對(duì)于低功率平臺(tái)為50%Pn的負(fù)荷跟蹤運(yùn)行，T棒組足以補(bǔ)償負(fù)荷跟蹤過(guò)程中的反應(yīng)性變化；AO棒組價(jià)值足夠大，稍微移動(dòng)就能實(shí)質(zhì)上影響軸向功率分布。

2.3 棒控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在自動(dòng)控制方式運(yùn)行時(shí)，控制棒的速度和方向信號(hào)是由三個(gè)參數(shù)決定的。根據(jù)反應(yīng)堆冷卻劑平均溫度與參考溫度的偏差，以及中子注量率與汽輪機(jī)功率的失配信號(hào)的組合，組成一個(gè)溫度誤差信號(hào)。由此溫度誤差信號(hào)產(chǎn)生一個(gè)模擬信號(hào)和兩個(gè)邏輯信號(hào)，它們分別是：控制棒運(yùn)動(dòng)速度信號(hào)和它的提升或插入的方向信號(hào)，用于驅(qū)動(dòng)T棒組。根據(jù)反應(yīng)堆AO與參考AO的偏差，確定一個(gè)堆芯軸向偏移誤差信號(hào)。由此誤差信號(hào)產(chǎn)生一個(gè)模擬信號(hào)和兩個(gè)邏輯信號(hào)，它們分別是：控制棒運(yùn)動(dòng)速度信號(hào)和它的提升或插入的方向信號(hào)，用于驅(qū)動(dòng)AO棒組。實(shí)現(xiàn)了負(fù)荷過(guò)程中控制棒組自動(dòng)動(dòng)作，大大減輕了人員操作負(fù)擔(dān)。

表1 平衡循環(huán)控制棒積分價(jià)值計(jì)算結(jié)果Table 1 Integral worth of control banks

3 計(jì)算實(shí)例

為降低T棒組在移動(dòng)過(guò)程中對(duì)堆芯AO的影響，并減輕AO棒組的負(fù)擔(dān)，需要考慮T棒組的重疊步數(shù)。堆芯出口慢化劑溫度隨著功率降低而降低，堆芯AO變正；而降低反應(yīng)堆功率，需要控制棒組插入堆芯以補(bǔ)償相應(yīng)的功率虧損，控制棒初期插入導(dǎo)致堆芯AO變負(fù)；設(shè)置合理的重疊步，在堆芯功率變化過(guò)程中，T棒組就能夠把堆芯AO維持一個(gè)較小的范圍內(nèi)，減少AO棒組移動(dòng)。

采用第2節(jié)描述的一維計(jì)算模型，圖5給出了一個(gè)優(yōu)化重疊步下、T棒組補(bǔ)償功率虧損時(shí)的堆芯AO隨時(shí)間的變化，變化范圍和圖3相比大大減小(-1%～13%)；圖5還給出負(fù)荷跟蹤過(guò)程中的氙反應(yīng)性變化(-400～400pcm)，和圖2相比更接近現(xiàn)實(shí)情況。比如負(fù)荷跟蹤的第27～30h，反應(yīng)堆降到低功率平臺(tái)運(yùn)行，氙毒累積引入負(fù)反應(yīng)性；而圖2中該時(shí)間段的反應(yīng)性變化趨勢(shì)“異常”，正是因?yàn)榭刂瓢艚M固定不動(dòng)時(shí)，AO表征的堆芯軸向功率分布波動(dòng)過(guò)大，導(dǎo)致氙反應(yīng)性的軸向積分值偏離現(xiàn)實(shí)工況較遠(yuǎn)。

圖5 T棒組補(bǔ)償功率虧損時(shí)堆芯AO變化Fig.5 Axial offset during load follow when using T banks to control power defect

采用優(yōu)化的T棒組重疊步數(shù)和第2節(jié)中描述的一維堆芯模型，進(jìn)行不調(diào)硼負(fù)荷跟蹤模擬計(jì)算。模擬計(jì)算仍采用一維ESPADON程序，程序中內(nèi)置的“Mode A”和“Mode G”計(jì)算模式，對(duì)于采用Mode-A和Mode-G控制模式的反應(yīng)堆，可以方便地進(jìn)行負(fù)荷跟蹤模擬計(jì)算，但無(wú)法直接應(yīng)用于不調(diào)硼負(fù)荷跟蹤運(yùn)行。本文采用ESPADON程序中的“Mode U”計(jì)算模式，通過(guò)自行定義負(fù)荷過(guò)程中搜索策略，實(shí)現(xiàn)了不調(diào)硼負(fù)荷跟蹤模擬計(jì)算。計(jì)算結(jié)果詳見(jiàn)圖6，從圖上數(shù)據(jù)可以看出，對(duì)于平衡循環(huán)接近壽期末的燃耗步，負(fù)荷跟蹤過(guò)程中，僅通過(guò)T棒組的前三個(gè)棒組(T1-T3)就能完成反應(yīng)性控制任務(wù)，實(shí)現(xiàn)硼濃度保持不變；AO棒組插入堆芯的深度小于40步，將堆芯軸向功率偏差(ΔI=AO×P)維持在目標(biāo)值±5%的運(yùn)行帶內(nèi)；軸向功率分布得到了良好的控制，相應(yīng)的軸向功率峰因子Fz的計(jì)算值均小于1.30。

圖6 不調(diào)硼負(fù)荷跟蹤的計(jì)算結(jié)果Fig.6 Calculation results of load follow with fixed boron

4 小結(jié)

綜上，可以得到如下結(jié)論：

(1) 海南昌江核電廠等CNP650壓水堆采用Mode-A控制模式，該模式采用黑體控制棒，控制棒組沒(méi)有分組，負(fù)荷跟蹤能力相對(duì)較差。

(2) 根據(jù)不調(diào)硼負(fù)荷跟蹤的控制任務(wù)，重新進(jìn)行了控制棒的設(shè)計(jì)、分組和布置；為了滿足停堆裕量的要求，需要增加堆芯的控制棒束數(shù)量。新的控制模式使CNP650壓水堆實(shí)現(xiàn)了控制棒進(jìn)行反應(yīng)性補(bǔ)償和功率分布控制的目的；負(fù)荷過(guò)程中控制棒組自動(dòng)動(dòng)作，減輕了人員操作負(fù)擔(dān)。

(3) 完成了新的控制模式下特定燃耗步、12 h～3 h～6 h～3 h、100%—50%—100%功率水平的日負(fù)荷循環(huán)負(fù)荷跟蹤計(jì)算，模擬計(jì)算結(jié)果表明負(fù)荷跟蹤過(guò)程中堆芯硼濃度可以保持不變，證明CNP650壓水堆上不調(diào)硼負(fù)荷跟蹤運(yùn)行模式是可行的。

(4) 不調(diào)硼負(fù)荷跟蹤中軸向功率分布能夠得到良好的控制，但灰體控制棒設(shè)計(jì)、現(xiàn)場(chǎng)軟硬件修改、反應(yīng)堆的操作運(yùn)行方式還需要進(jìn)一步開(kāi)展工作、反應(yīng)堆堆芯的安全性還需要詳細(xì)的安全分析進(jìn)一步論證。

[1] 陳濟(jì)東.大亞灣核電站系統(tǒng)及運(yùn)行[M].北京：原子能出版社, 1994.

[2] ADVANCED LIGHT WATER REACTOR UTILITY REQUIEMENTS DOCUMENT, Prepared For Electric Power Research Institute, Palo Alto, California, Revision 6, Issued 12/93.

[3] EUROPEAN UTILITY REQUIREMENTS FOR LWR NUCLEAR POWER PLANTS, Revision B, Nov. 1995.[4] T. Morita, B. W. Carlsen, J. P. Kutz, “Load Follow Operation with the MSHIM Control System”, ANS Topical Meeting Transaction, No.2, Vol.56, P.73, April, 1988.

[5] 馬茲容, 姚增華. M310壓水堆的改進(jìn)——不調(diào)硼負(fù)荷跟隨研究[J].核科學(xué)與工程, 2004, 4:294-300.

Investigations in Feasibility of load Follow withConstant Boron in CNP650 PWR

LIU Tong-xian,WU Lei, CHEN Zhang, LI Qing

(Science and Technology on Reactor Design Technology Laboratory，Nuclear Power Institute of China，Chengdu, 610041，China)

The CNP650 PWR such as HNCJ NPP implements Mode-A strategy, which uses black control rods. The Mode-A strategy has fine capability of base load operation and bad capability of load follow operation. The capability of load follow operation is needed in some countries or regions with small grid. The automation of control is accomplished through manipulating control rod bank positions as opposed to frequently changing the core boron concentration of load follow in Mode-A, which eases operator burden. An additional purpose is to minimize and in many cases completely eliminate the need for soluble boron changes during load change transients, thus allowing a simplified Chemical and Volume Control System and minimizing waste water processing. A study of the load follow without boron adjustment was performed for CNP650 PWR. Two unique reactor control requirements that are reactivity control and power distribution control are needed to settle during load follow. On the base of control requirements, the control rods worth, sets and layout were redesigned. Two separate sets of control rods which are power compensation banks and axial offset control bank are dedicated to coolant temperature (reactivity) control and to control of axial offset to target value respectively in order to perform load follow with constant boron. The SCIENCE package is used to perform the analysis of load follow with constant boron referred to as 12h～3h～6h～3h (100%—50%—100%) load cycle. Three calculation steps which are setting the three-dimension core model, collapsing three-dimension core model into one-dimension core model, performing simulation on the base of one-dimension core model are carried out in sequence. At the burnup near the end of the 18-month refueling equilibrium cycle, the analysis of load follow with constant boron referred to typical daily load cycle are performed successfully. The calculation results confirm that load follow with constant boron in CNP650 PWR is feasible.

CNP650; Load follow; Constant boron; Axial offset

2016-05-29

劉同先(1982—)，男，高級(jí)工程師。2007年畢業(yè)于哈爾濱工程大學(xué)核能科學(xué)與工程專業(yè)，獲碩士學(xué)位。現(xiàn)從事反應(yīng)堆物理方向的工作

TL329+.2

A

0258-0918(2016)05-0595-06