WWER-1000反應堆APP工作棒組的選取及其氙瞬態過程

奚 坤,沈曙光,楊曉強,郭 俊

(1.核動力運行研究所,武漢 430000;2.江蘇核電有限公司,連云港 222002)

國內大部分二代核電機組都具備一定的負荷跟蹤能力,但一般不單獨設置快速降功率系統,然而WWER-1000核電機組設置有快速預保護系統 (Accelerated Previous Protect,簡稱APP)。三代堆EPR和AP1000設有快速降功率系統,AP1000的快速降功率系統可以確保汽機在大的甩負荷情況下匹配一、二回路功率,避免不必要的停堆[1-5]。華龍一號在設計時也考慮了快速降功率系統。

WWER-1000核電機組的快速降功率系統設置在反應堆降功率及限功率系統中[6-7]。反應堆降功率及限功率系統中,從兩個方向對功率進行了限制。一是根據允許功率限制反應堆功率,在此方向上,當二回路跳機或失去并網信號時,觸發APP動作;二是根據蒸汽發生器給水流量限制反應堆功率,當進入蒸汽發生器的主給水總流量大幅度減少,與當前反應堆功率不匹配時,如果不匹配程度較大 (已觸發PP1,汽水失配量小于-28%,核功率不小于73%),將觸發APP動作。

在觸發快速預保護后,APP棒組斷電,以落棒的速度插入堆芯 (0.5s-4s內),保證堆芯核功率下降到800MW—2100MW區間內,然后調整第10組控制棒,將堆芯功率穩定在40%額定功率。然而,如何選取快速預保護的工作棒組則需要通過計算來確定,本文介紹了WWER-1000機組的APP工作棒組的選取方法,并以田灣3號機組首循環為例,進行了模擬計算。

1 WWER-1000堆芯特點

WWER-1000反應堆堆芯由163個設計相同但燃料富集度不同的燃料組件組成。棒束控制組件由驅動裝置移動,安裝在一部分燃料組件中。為補償過剩反應性,在部分燃料組件中帶有可燃吸收體一體化的釓棒燃料棒。首循環堆芯布置163個新燃料組件,采用高泄露的裝載方案。

WWER-1000機組堆芯內布置有103束控制棒,用于反應堆的啟動、快速停堆、功率調節、展平軸向功率分布以及防止、抑制氙振蕩。將103束控制組分為10組,如圖1所示。第8-10組控制棒稱為調節棒組 (第10組是主調節棒組),是反應堆功率控制器的執行機構,主要用于調節、穩定反應堆功率或者主蒸汽集管壓力;另外,還是反應堆功率限制以及反應堆一類預保護的工作棒組,用于限制和降低反應堆功率。第1-7組控制棒稱為停堆棒組,用于實現緊急停堆,其中根據每循環的裝載方案,通過計算選取控制棒作為快速預保護的工作棒組。

圖1 堆芯控制棒布置Fig.1 Control rods configuration

2 APP工作棒組的選取

WWER-1000機組快速降功率系統工作包含如下步驟:

(1)觸發APP棒組斷電,落入堆芯;

(2)堆芯核功率迅速降低;

(3)調節工作棒組,使堆芯功率穩定在40%。

本節通過模擬APP的工作過程,以田灣核電站3號機首循環的壽期初 (begging of life,簡稱BOL),壽期中 (middle of life,簡稱MOL),壽期末 (end of life,簡稱EOL)三個燃耗點為例,介紹APP棒組的選取過程。

2.1 控制棒組合

APP棒組從停堆棒組中選取。12束控制棒的價值過大,落入堆芯后可能會造成堆芯功率過低或直接跳堆,3束控制棒價值過小,不能達到降功率的需求,而且考慮到WWER-1000反應堆堆芯具有1/6旋轉對稱特性,因此選擇6束控制棒作為APP棒組較為合適?；诖?對每組控制棒按照在堆芯的1/6旋轉對稱分為兩個子組對落棒后的狀態進行模擬,其中n-1組為靠近堆芯外側的控制棒,n-2組為靠近堆芯內側的控制棒 (n為停堆棒組的編號)。模擬的控制棒組合見表1。

表1 控制棒分組Table 1 Control rods group

2.2 落棒后堆芯核功率

APP棒組落棒后,快速引入負反應性,堆芯核功率迅速下降。由于落棒速度在0.5s-4s內完成,在該過程中,堆芯釤毒、氙毒、硼濃度及冷卻劑入口溫度來不及變化,因此保持和上一狀態一致;而堆芯核功率變化迅速,在該過程中很快能達到平衡,因此用功率來搜索臨界。

表2 落棒后堆芯狀態參數Table 2 Reactor parameters after rods drop

計算結果見表2,滿足落棒后核功率在800MW—2100MW要求的控制棒組合有1-1,2-1,4-1,5-1,6-1,1-2,2-2,3-2,4-2,5-2,6-2,7-2共12種。

表2中的燃料棒功率峰因子 (peaking factor of fuel rod power distribution,簡稱Kr),可以表征燃料組件中功率的分布;燃料組件功率峰因子 (peaking factor of assembly power distribution,簡稱Kq),可以表征堆芯內徑向功率分布;表3中的燃料棒局部線功率密度 (Value of local linear thermal power,簡稱Ql,單位為 W·cm-1)。APP棒組的選取,需要從三個角度進行考慮:

(1)滿足功率需求;

(2)APP插入堆芯后,會造成堆內功率分布畸變,需要確保功率分布變化在安全范圍內,即Kr和Ql滿足限制要求;

(3)在滿足前兩個條件的基礎上,綜合考慮各個燃耗,選擇對堆芯擾動盡量小的控制棒組合。

表3 穩定后堆芯狀態參數Table 3 Stable reactor parameters

根據電站核設計報告中規定,落棒后穩定狀態Kr限值為1.6,Ql限值為265W·cm-1。2-1、3-1、4-1和5-1四種組合Kr超限;Ql均未超限。因此滿足前兩條要求的控制棒組合有1-1、6-1、1-2、2-2、3-2、4-2、5-2、6-2、7-2共9種。考慮到壽期末,堆芯容易由于功率分布不均勻產生振蕩,因此選取在壽期末插棒后和穩定后功率分布最均勻的棒組。由表2和表3可知,6-1棒組在落棒后和穩定后Kr和Kq值均最小。因此,最終選取6-1棒組作為APP工作棒組。

2.3 穩定核功率

觸發APP落棒后堆芯功率下降,下一步的動作是將調節工作棒組,將堆芯核功率穩定在40%。

表4 APP工作過程中堆芯參數Table 4 Reactor parameters through APP action

表4給出了以6-1控制棒組合為APP工作棒組,堆芯初始狀態,APP棒組落棒后以及穩定后堆芯狀態參數。

3 APP棒組落棒后堆芯氙瞬態過程

在APP棒組落棒后,堆芯核功率和堆芯功率分布都發生變化,將引起氙毒的變化,進而導致功率在空間分布上的振蕩[8-14]。該過程中通過調整硼濃度來保持臨界,模擬BOL、MOL和EOL三個燃耗點100 h氙瞬態來計算堆芯的功率分布。

3.1 硼濃度的變化

硼濃度的計算結果如圖2所示。壽期初和壽期中在氙瞬態初期 (0-5 h內),氙毒由于功率下降,堆芯中子通量密度減小,導致氙毒通過吸收中子衰變較少,氙毒累積,通過稀釋減少硼濃度,保證堆芯臨界;壽期末理論硼濃度已經為0,在氙毒累積的階段已經不能通過稀釋來保證臨界,并且單獨抽出APP棒組和降功率已不能補償氙毒,并且降功率還會導致更大的氙毒峰值,導致停堆。此時可以通過抽出APP棒組和調節工作棒組來提供所需反應性,以防堆芯掉入碘坑而停堆,影響后面可能需要的延伸運行。

在氙瞬態中期 (5-30 h),氙毒處于下降階段,由于堆芯裂變產生的135I減少,而且135Xe逐漸通過吸收中子衰變成136Cs,因此氙毒價值逐漸減小,引入正反應性,可以通過硼化來引入負反應性保證臨界。

在氙瞬態后期 (30h-100 h),對比BOL,MOL和EOL三個燃耗點,可以發現,在壽期初氙毒在5h峰值后逐漸減小后,就趨于穩定,后續基本不需調節硼濃度。壽期中和壽期末仍然不能達到穩定,產生了振蕩,并且壽期末的振蕩幅度更大,這與隨著燃耗加深,堆芯內裂變產物的積累有關。

圖2 硼濃度隨時間變化Fig.2 Boron concentration with time

3.2 堆芯徑向功率分布的變化

氙瞬態期間的Kq計算結果如圖3所示,可以發現氙毒對徑向功率分布較小,影響不大,這是由于堆芯徑向橫截面尺寸較小,不容易產生氙毒的振蕩。

圖3 Kq隨時間變化Fig.3 Kq with time

3.3 堆芯軸向功率分布的變化

氙瞬態期間的軸向功率偏差 (axial offset of power distribution,簡稱AO)和體積功率峰因子 (peaking factor of volume power distribution,簡稱Kv,可表征堆芯三維功率分布),計算結果如圖4和圖5所示?？梢园l現,三個燃耗點之間的差異很大,壽期初,AO和Kv經過一個振蕩后基本區域穩定,而壽期中和壽期末則在100 h內達不到穩定,并且壽期中的振蕩幅度在減弱,而壽期末在后期振蕩仍然劇烈。這與裂變產物隨燃耗而積累的原因有關。

圖4 AO隨時間變化Fig.4 AO with time

圖5 Kv隨時間變化Fig.5 Kv with time

從圖5可知,在壽期中和壽期末的氙振蕩過程中,Kv變化很大,最大值接近3.4,有可能超過限值 (Kv限值為堆芯的三維分布,在滿功率平臺下最大值為2.00,在40%功率平臺下最大值為3.98),觸發緊急保護動作,而導致停堆,因此在APP落棒后的氙瞬態期間,必須對堆芯軸向功率分布進行有效的控制。

造成APP落棒后氙毒變化引起軸向功率分布振蕩的原因有兩方面,一是控制棒的插入,二是功率的變化。在控制軸向功率時,當AO可以適當調節工作棒組,APP棒組的插入也為軸向功率的控制提供了一種額外的途徑。因此,可以通過同時調節工作棒組和APP棒組來進行有效的控制。

4 結 論

(1)針對田灣3號機組首循環的壽期初、期中和壽期末三個燃耗點,對APP棒組的篩選過程進行了計算模擬,從滿足功率需求和對堆芯功率分布擾動最小的角度挑選出6-1控制棒組合作為APP棒組。

(2)壽期末,需要提出APP棒組,來補償氙毒,防止跳堆。

(3)氙瞬態期間,徑向功率分布變化很小,但是壽期中和壽期末的軸向功率分布較為劇烈,需要進行有效的控制,以防觸發安全保護措施,導致停堆。

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