堆芯出口溫差報警定值優(yōu)化設(shè)計

任春明 徐良劍 李沛穎

（1.中國核動力研究設(shè)計院，四川 成都 610213；2.中國核動力研究設(shè)計院<核反應(yīng)堆系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)國家級重點實驗室>，四川 成都 610213）

0 引言

核電廠堆芯測量系統(tǒng)（RIC）的功能是提供反應(yīng)堆堆芯中子注量率分布、堆芯出口以及反應(yīng)堆壓力容器上封頭腔室內(nèi)反應(yīng)堆冷卻劑溫度和反應(yīng)堆壓力容器水位的測量數(shù)據(jù)。 作為RIC 組成部分的溫度測量系統(tǒng)，其主要功能是提供堆芯出口溫度分布、最高溫度以及過冷裕度；輔助功能是探測徑向功率傾斜以及控制棒失步；在事故工況下，運行人員和安全工程師使用該系統(tǒng)提供的最大堆芯出口溫度（Tric，max）和飽和溫差（ΔTsat）為依據(jù)進行判斷、決策和控制，所以要求該系統(tǒng)所提供的溫度能夠反映堆芯出口的實際溫度。堆芯出口溫差報警的主要目的是提醒操縱員堆芯功率和/或流量分布出現(xiàn)異常， 或者堆芯出口溫度測量系統(tǒng)出現(xiàn)故障，需要操縱員采取相應(yīng)的糾正行動。 國家環(huán)境保護總局核與輻射安全中心評審者認為：堆芯出口溫差報警定值應(yīng)該是一個優(yōu)化值，既要盡快對出現(xiàn)的堆芯異常情況和堆芯出口溫度測量系統(tǒng)故障情況提供報警，又要盡量避免出現(xiàn)誤報警[1]。 響應(yīng)此觀點，本文以海南昌江核電廠1&2 號機組長循環(huán)換料堆芯燃料管理論證階段（HNLCS）堆芯出口溫差報警定值為例，闡述了定值優(yōu)化設(shè)計的方法和過程。

1 RIC 溫度測量系統(tǒng)

海南昌江核電廠1&2 號機組堆芯出口溫度測量由30 支布置在燃料組件出口處和2 支布置在反應(yīng)堆壓力容器上封頭腔室內(nèi)的熱電偶來實現(xiàn)。所有熱電偶通過反應(yīng)堆壓力容器頂蓋上的四個貫穿管座引出。溫度測量系統(tǒng)是冗余的，所有測量通道上的設(shè)備分為A系列和B 系列。 所屬的熱電偶布置圖如圖1 所示。

布置的堆芯出口熱電偶被分為3 個區(qū)域 （見圖1），每個區(qū)域內(nèi)的溫度測量最大值和最小值的差值即為該區(qū)域的堆芯出口溫差，進而分別與堆芯出口溫差報警定值比較，判斷是否發(fā)出報警。

圖1 RIC 熱電偶布置圖

2 H N LC S 堆芯出口溫差報警定值

HNLCS 堆芯出口溫差報警定值為34.6℃，該定值在以下兩項求和之后保留一位小數(shù)確定：

各燃料循環(huán)全堆芯出口（燃料組件出口）溫差的包絡(luò)值：28.4℃。

溫差測量偏差：6.16℃。

首先， 采用SMART 程序進行的燃料管理理論計算給出了第5 至第10 循環(huán)壽期初氙不變 （BOL）、壽期初氙平衡（BLX）和壽期中（MOL）三種燃耗下的堆芯出口溫度分布。 SMART 程序是采用閉式通道熱工水力模型的三維程序，不考慮通道之間的交混效應(yīng)。

之后，儀控專業(yè)確定堆芯出口溫度測量不確定為3.08℃。 堆芯出口溫度最大值考慮+3.08 的測量偏差，最小值考慮-3.08 的測量偏差，因此，溫差測量偏差考慮為6.16℃（=3.08℃×2）。

3 H N LC S 堆芯出口溫差報警定值優(yōu)化

根據(jù)對HNLCS 堆芯出口溫差報警定值確定過程的分析，可從3 方面對定值進行優(yōu)化：

（1）堆芯出口溫差計算優(yōu)化：采用開式通道熱工水力模型程序計算堆芯出口溫度分布；分區(qū)域且只考慮熱電偶位置處的堆芯出口溫度；

（2）溫差測量偏差優(yōu)化：采用概率論方法處理；

（3）分區(qū)域設(shè)置報警定值：各熱電偶分區(qū)采用不同的報警定值。

3.1 堆芯出口溫差計算優(yōu)化

HNLCS 堆芯出口溫差報警定值確定過程中，采用閉式通道模型（未考慮通道間交混）計算的堆芯出口溫度分布， 而海南昌江核電廠1&2 號機組采用AFA 3G 燃料組件，為平行開式通道堆芯，相鄰?fù)ǖ乐g存在著能量和質(zhì)量傳遞。 因此，可以根據(jù)壽期初氙不變（BOL）、壽期初氙平衡（BLX）和壽期中（MOL）三種燃耗下的堆芯徑向功率分布，采用開式通道熱工水力模型程序FLICA III-F 計算堆芯出口溫度分布。FLICA III-F 程序能夠計算在分離通道內(nèi)或相連通道內(nèi)流體的穩(wěn)態(tài)流動和瞬態(tài)流動，確定相鄰子通道間的質(zhì)量和能量交換。

另一方面，HNLCS 堆芯出口溫差報警定值確定過程中，采用了全堆芯出口溫差包絡(luò)值，而海南昌江核電廠1&2 號機組在30 個燃料組件出口布置了熱電偶測量溫度，且被分為3 個區(qū)域。因此，堆芯出口溫差包絡(luò)值可分別計算各區(qū)域內(nèi)熱電偶布置處的燃料組件出口溫度差值。

表1 中，“閉式通道全堆芯” 為HNLCS 各燃料循環(huán)全堆芯燃料組件出口溫度計算結(jié)果；“開式通道全堆芯”“開式通道熱電偶處燃料組件（邊緣區(qū)）”和“開式通道熱電偶處燃料組件（中心區(qū)）”為采用開式通道熱工水力模型程序計算的堆芯出口溫度分布，分別給出了各燃料循環(huán)全堆芯、邊緣區(qū)域熱電偶處和中心區(qū)域熱電偶處燃料組件出口溫度計算結(jié)果。

表1 堆芯出口溫差理論計算值

從表1 可知，采用開式通道熱工水力模型程序計算的各燃料循環(huán)全堆芯燃料組件出口溫差包絡(luò)值相對采用閉式通道的減小3.3℃， 而僅考慮熱電偶布置處的燃料組件時，中心區(qū)域和邊緣區(qū)域的燃料組件出口溫差包絡(luò)值進一步減小為23.3℃和11.1℃。

3.2 溫差測量偏差優(yōu)化

溫度測量偏差為±3.08℃，堆芯出口溫度最大值考慮+3.08 的測量偏差， 最小值考慮-3.08 的測量偏差，得到溫差測量偏差為6.16℃的方法是相當保守的。

假設(shè)溫度測量不確定性為均勻分布，而兩個獨立的，均勻分布的總和產(chǎn)生對稱的三角分布。

根據(jù)如下三角形分布的概率密度函數(shù)，容易得到溫差測量偏差在±4.814℃范圍內(nèi)的概率是95%。

在確定堆芯出口溫差報警定值時，可采用概率論方法確定的4.814℃作為溫差測量偏差。

結(jié)合采用開式通道熱工水力模型程序計算的各燃料循環(huán)全堆芯燃料組件出口溫差包絡(luò)值25.1℃，可采用30.0℃（≈25.1+4.814℃）作為堆芯出口溫差報警定值。

3.3 分區(qū)域設(shè)置報警定值

如圖1 所示，布置的堆芯出口熱電偶被分為3 個區(qū)域，每個區(qū)域內(nèi)的溫度測量最大值和最小值的差值即為該區(qū)域的堆芯出口溫差，與堆芯出口溫差報警定值比較，判斷是否發(fā)出報警。目前設(shè)計中，不同區(qū)域的堆芯出口溫差報警定值是同一數(shù)值。

而根據(jù)表1 可知， 對于中心區(qū)域和邊緣區(qū)域，區(qū)域的堆芯出口溫差是相當大的，可以通過控制邏輯修改，不同區(qū)域設(shè)置不同的報警定值，以判斷堆芯出口溫差是否超出預(yù)期。

4 結(jié)論

采用閉式通道熱工水力程序計算的各燃料循環(huán)全堆芯燃料組件出口溫度偏差包絡(luò)值與兩倍的溫差測量偏差之和確定堆芯出口溫差報警定值的方法較為保守。 本文以海南昌江核電廠1&2 號機組為例，提出了采用開式通道熱工水力模型程序計算的各燃料循環(huán)全堆芯燃料組件出口溫差包絡(luò)值與概率論方法確定溫差測量偏差確定堆芯出口溫差報警定值，以及通過控制邏輯修改對不同熱電偶分布區(qū)域設(shè)置不同的報警定值的方法，更好達到報警設(shè)置的目的，即盡快對出現(xiàn)的堆芯異常情況和堆芯出口溫度測量系統(tǒng)故障情況提供報警，又盡量避免出現(xiàn)誤報警。