CAP1400機組軸向中子通量密度偏差控制

韓凱 程勇

摘 要：文章通過對CAP1400核電機組軸向功率偏差控制方式的介紹，分析了其優缺點，并通過目前國內核電機組運行經驗，從運行人員角度提出了對于軸向中子通量密度偏差控制的改善建議。

關鍵詞：軸向功率偏移；軸向中子通量密度；功率；控制

中圖分類號：TM623.4；TU758 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2016）11-0062-02

1 軸向功率偏移與軸向功率偏差

為了描述軸向功率分布情況，引入軸向中子通量密度偏差AFD、軸向功率偏差△I和軸向功率偏移AO。

軸向功率偏差△I定義為堆芯上半部功率與下半部功率之差：

△I=PT-PB

軸向中子通量密度偏差AFD定義為堆芯上半部功率與下半部功率之差與滿功率之比：

AFD=■×100%

其中，PT為堆芯上半部功率；PB為堆芯下半部功率。

軸向功率偏移AO定義為堆芯上半部功率與堆芯下半部功率之差與其之和的比：

AO=■×100%

AO反映了軸向功率分布的形狀，而不能反映幅度，也不能反映燃料棒的熱應力情況。確定了某個功率情況下的軸向功率偏差AFD后，就可以知道所有功率情況下的AFD。

2 控制AFD的目的

AFD是一個表征上下堆芯軸向功率傾斜的物理量，它受控制棒的位置、堆芯功率水平、軸向燃耗以及軸向氙分布等很多堆芯相關參數影響。限定AFD的目的是，限制軸向功率分布傾斜，降低堆芯功率峰因子。同時，把氙分布的傾斜量減至最小。對AFD的限值要求保證了發生氙再分布事件時，熱通量熱管因子FQ（Z）都不會超出限值。

3 影響AFD偏差的因素

3.1 堆內氙毒的分布

當反應堆功率達到穩定一段時間后，氙濃度也基本穩定，其大小與中子通量有關，中子通量高的地方氙毒大，中子通量低的地方氙毒小。堆內中子通量分布的不均勻使得堆內氙毒的分布也不均勻。

局部區域的中子通量密度的變化會引起局部區域135Xe濃度和局部區域反應性的變化；反過來，局部區域反應性的變化也會引起135Xe濃度的變化。此種情況下的彼此相互作用就可能使堆芯中135Xe和中子通量密度分布產生空間動蕩。

氙振蕩是導致AFD變化的重要不確定因素，給AFD的控制帶來了極大的困難。

3.2 慢化劑平均溫度變化

從零功率到滿功率，反應堆入口溫度幾乎不變，出口溫度變化較大。因此，平均溫度的變化就反映出口溫度的變化。反應堆出口溫度升高，由于慢化劑溫度系數是負值，使反應堆上部功率相對下部功率減少，AFD有向左的趨勢；反應堆出口溫度降低，反應堆上部功率相對下部功率增加，AFD有向右的趨勢。

隨著燃耗的增加，從壽期初到壽期末，慢化劑溫度系數變得越來越負。也就是說，同樣的溫度變化，壽期末比壽期初導致的功率變化更大，對AFD的影響更大。

3.3 控制棒

AO棒是黑棒，價值較大，AO棒在堆芯內的移動對AFD影響很大，AO棒插入AFD減小。M棒采用疊步方式移動，就是為了減少對軸向功率分布的影響，但實際上M棒移動時對AFD的影響還是相當大的。隨著M棒的移動，其微分價值成非線性變化。引入到堆芯上部和下部的積分價值也在發生變化。因此，同樣是插棒，某一階段AFD趨向負的方向，而另一階段又使AFD趨向正的方向。

3.4 硼濃度變化

硼微分價值是負值，其大小（絕對值）隨著硼濃度的增加和慢化劑溫度的增加而減小。由于堆芯下部慢化劑溫度低于上部慢化劑溫度，因而堆芯下部硼的價值要大于堆芯上部硼的價值，即在相同的硼濃度變化的情況下，堆芯下部引起的反應性變化要大于堆芯上部所引起的反應性變化（絕對值），從而所引起的堆芯下部功率變化要大于堆芯上部的功率變化。

3.5 堆芯燃耗

燃耗對功率分布都存在一種“自抑制”功能。即當某處的功率高時，燃料加深的幅度也大，相對較大的燃耗將使該處的相對功率趨向降低；反過來，當某處的功率較低時，燃耗加深的幅度也小，相對較小的燃耗將使該處的相對功率趨向升高。燃耗的這種“自抑制”功能將展平堆芯功率分布，從而也會展平燃耗分布。

4 CAP1400的軸向中子通量密度偏差控制

CAP1400采用機械補償運行控制策略（MSHIM），對反應性進行機械調節。①由M棒組控制反應堆功率水平和一、二回路的平衡；②AO棒用來調整較小的反應性變化和軸向功率分布形狀；③調節堆內可溶硼濃度補償由于燃耗、氙濃度變化等引起的較慢的反應性變化。額定滿功率運行的目標軸向中子通量偏差（TAFD）作為PLS（電廠控制系統）輸入的設定值。PLS根據堆芯功率水平調整當前TAFD設定值以維持功率分布控制方式。PLS通過使用一個+/-1%的控制死區自動控制TAFD的AFD，必要時移動AO棒組。

當軸向功率偏差超出運行靶帶時，采取以下糾正方法：①調節AO棒：當軸向功率偏差偏左時，AO棒上提；當軸向功率偏差偏右時，AO棒下插。AO棒組移動速度限制在每分鐘8步；②也可以用降功率的方法使軸向功率偏差返回到運行靶帶。

M棒和AO棒二者控制信號沖突時，M棒移動時AO棒被閉鎖，在瞬態下的調節過程中，則可能出現兩者相互干擾而引起控制的混亂，使得功率分布出現較大的變化。

假設某一時刻M棒組處于堆芯上半部分，并且開始提升功率，M棒提升，導致上半部分功率增加，AFD增加，可能導致AO棒下插，AO棒下插對功率的增加是削弱的作用，M棒和AO棒互相干擾，如果機組狀態沒有控制好，進入這種比較困難的境地，機組運行就會相當被動。

5 AFD控制的補充手段

由上述分析可見，控制AFD的有效手段還有以下幾種：①改變慢化劑平均溫度（過熱、過冷）；②改變硼濃度（稀釋、硼化）；③改變控制棒棒位；④選擇并利用合適的氙振蕩時機等。

正常運行時，力求減少軸向氙振蕩出現的可能性，基于軸向功率偏差參考值（△Iref）來控制反應堆。

負荷改變過程中，AFD控制可以主動選擇各種手段，但要有預期。穩定在目標負荷后的控制很大程度上取決于第一階段的結果。變負荷工況AFD控制的關鍵點在于：第一階段將AFD控制在沿參考線直線變化以盡可能減弱氙振蕩；第二階段要利用第一階段信息（降負荷幅度、速率、降負荷手段、初始AFD、初始氙毒等）以及目前變化趨勢預測氙振蕩周期與幅度，以便在合適時機采取有效干預手段。

6 結 語

AFD控制的時機是最重要的，這需要在實踐中不斷總結。一般最好是小幅度多干預。改變負荷前不僅要制定升降負荷策略，進行反應性平衡計算，還要制定AFD控制策略，綜合評價各種反應性變化對功率分布的影響。負荷變動結束以后，Xe毒的變化相對很慢，需要多個運行值連續跟蹤，考慮到運行人員采取倒班輪換制度，需要制定統一策略，控制Xe毒的震蕩幅度才更有效。

參考文獻：

[1] 魏永斌.AP1000反應堆功率控制系統棒連鎖邏輯分析[J].中國高新技 術企業，2014，（8）.