CANDU6整體功率異常下降后液體區(qū)域控制系統(tǒng)的響應(yīng)

吳 雙

(中核核電運行管理有限公司運行五處，浙江 海鹽314300）

1 核反應(yīng)堆功率控制原理簡介

在反應(yīng)堆中，當(dāng)作為燃料的鈾-235原子核吸收一個中子后，有一定概率裂變產(chǎn)生兩個或多個新的原子核（裂變碎片），并產(chǎn)生2~3個中子。裂變碎片和原鈾核間虧損的質(zhì)量轉(zhuǎn)變成能量，新產(chǎn)生的中子可能導(dǎo)致其他鈾-235原子核裂變，使參加反應(yīng)的鈾-235越來越多，產(chǎn)生的能量越來越多。但實際上，一個鈾-235原子核吸收一個中子后只有一定概率發(fā)生裂變反應(yīng)，這個概率稱為“微觀裂變截面”，其大小和中子的能量密切相關(guān)，高能的快中子與鈾-235核間的微觀裂變截面低于低能的熱中子。此外，新產(chǎn)生的中子在被下一個鈾核吸收前，可能因為從反應(yīng)堆泄漏，或者被堆內(nèi)其他材料吸收而損失。因此，在發(fā)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的反應(yīng)堆內(nèi)部，其中子數(shù)量并不一定一直增加。反應(yīng)堆內(nèi)新產(chǎn)生的中子數(shù)量與上一代中子數(shù)量之比稱為反應(yīng)堆的有效增殖因子Keff。

反應(yīng)堆設(shè)計者采取了各種方法，控制反應(yīng)堆內(nèi)中子的數(shù)量以及增減，確保反應(yīng)堆功率能夠按照預(yù)期升降或保持。例如，選用特定的材料（慢化劑），將裂變產(chǎn)生的快中子慢化成熱中子，提高鈾-235發(fā)生裂變反應(yīng)的概率；在堆內(nèi)布置可以控制的中子吸收體（反應(yīng)性控制機(jī)構(gòu)）吸收中子，控制堆內(nèi)中子數(shù)量。

當(dāng)Keff=1時，反應(yīng)堆內(nèi)的中子數(shù)量保持穩(wěn)定，反應(yīng)堆功率穩(wěn)定，此時反應(yīng)堆處于臨界狀態(tài)。如果Keff偏離1，稱之為引入了正反應(yīng)性或負(fù)反應(yīng)性，此時，反應(yīng)堆超臨界（Keff>1）或次臨界（Keff<1），反應(yīng)堆功率隨之上升或下降。反應(yīng)堆整體功率控制的方式，就是通過調(diào)節(jié)反應(yīng)性控制機(jī)構(gòu)所提供的反應(yīng)性的量，補(bǔ)償各種因素導(dǎo)致的反應(yīng)性變化，保證Keff=1，維持反應(yīng)堆臨界，從而控制反應(yīng)堆功率的穩(wěn)定；或者根據(jù)需要，按照規(guī)定的速率向反應(yīng)堆內(nèi)引入正或負(fù)的反應(yīng)性，從而按照選定的速率提升或降低反應(yīng)堆功率。

2 CANDU 6反應(yīng)堆功率控制的方式

CANDU6反應(yīng)堆由加拿大CE公司設(shè)計，其特點是采用重水作為慢化劑慢化中子。由于重水對中子的吸收能力低于輕水，使中子“損失”減少，故CANDU6可以使用低豐度的天然鈾作為燃料。在CANDU6中，輕水被視為中子的吸收體用作反應(yīng)性控制機(jī)構(gòu)。通過調(diào)節(jié)堆芯中輕水的量，就可控制被吸收的中子數(shù)量，達(dá)到控制反應(yīng)堆功率的目的。

3 液體區(qū)域控制系統(tǒng)

CANDU6堆芯被劃分為14個區(qū)域（見圖1），每個區(qū)域布置有一個內(nèi)含輕水的液體區(qū)域控制單元（Zone Control Unit，ZCU）。通過改變ZCU內(nèi)的輕水水位而改變中子吸收的量。CANDU6可以同時改變14個ZCU的水位來調(diào)節(jié)反應(yīng)堆總體功率，也可以單獨改變某個控制單元的水位來進(jìn)行區(qū)域功率調(diào)節(jié)。

圖1 CANDU6的液體區(qū)域控制單元（ZCU）

圖2是一個ZCU的示意圖，虛線為輕水的流向。輕水由供水泵，經(jīng)液位控制閥 （Level Control Valve，LCV）進(jìn)入ZCU，然后返回延遲箱TK2形成循環(huán)回路。由于ZCU的氣空間與延遲箱之間的氦氣壓差恒定，因此，各個ZCU排水流量為一恒定值。當(dāng)單元內(nèi)輕水水位穩(wěn)定時，進(jìn)水量和排水量一致，此時該單元LCV的開度稱為BIAS開度。如果需要降低某個區(qū)域的功率，則需要提升該區(qū)域的輕水水位以吸收更多的中子，此時，只需使該區(qū)的LCV開度大于BIAS開度，進(jìn)水流量大于排水流量即可，反之亦然。顯然，在反應(yīng)堆功率穩(wěn)定時，液區(qū)的液位也保持穩(wěn)定，此時閥門開度保持在BIAS開度。液區(qū)液位上升或下降的速率取決于LCV實際開度偏離BIAS的程度。

圖2 液體區(qū)域控制單元控制示意圖

4 液體區(qū)域控制單元液位控制閥要求開度的算法

ZCU的液位控制閥由運行在電廠數(shù)字控制計算機(jī)（Digital Control Computer，DCC）上的反應(yīng)堆調(diào)節(jié)系統(tǒng)程序（Reactor Regulating System，RRS）控制。RRS每2 s為一個程序周期計算第i區(qū)（i=1,2,…，14）LCV閥門要求開度LIFi，將計算值轉(zhuǎn)換為電壓信號發(fā)送到現(xiàn)場，并通過IP轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成氣信號，控制閥門的實際開度。

RRS計算LCV閥門要求開度LIF i的算法如下：

LIFi=（BIASi+RLIFi）×FFACi

BIASi對應(yīng)的i區(qū)閥門的偏置開度BIAS；FFACi為i區(qū)閥門的開度限制因子；RLIFi為各閥門相對偏置開度BIAS的開度。

正常運行期間，RLIFi=BLIF+DLIFi。DLIFi為單區(qū)閥門偏置開度，用于控制各個區(qū)域功率和液位；其中BLIF即為整體功率偏置開度，同時作用于14個LCV，用于整體功率控制，BLIF=16EP。它取決于RRS得到當(dāng)前反應(yīng)堆實際對數(shù)功率PLOG與當(dāng)前程序周期的功率設(shè)定值PDLOG之差，稱為有效功率偏差EP。

RI-RD是實際功率變化率和要求變化率之差，作為EP的微分項。如果忽略微分項，對于整體功率控制，LCV要求開度公式可以簡化成：LIFi=BIASi+16EP。

當(dāng)反應(yīng)堆功率穩(wěn)定在設(shè)定值時，PLOG=PDLOG，EP=0，此時LCV保持在BIAS開度，液區(qū)液位保持穩(wěn)定。

當(dāng)反應(yīng)堆引入某種負(fù)反應(yīng)性，導(dǎo)致功率下降低于設(shè)定值時，EP為負(fù)數(shù)，此時LCV閥門開度小于BIAS開度，液區(qū)液位下降，引入的正反應(yīng)性大于先前引入的負(fù)反應(yīng)性，此時Keff>1，反應(yīng)堆超臨界，功率回升，直到達(dá)到功率設(shè)定值，LCV閥門再次回到BIAS開度，液區(qū)水位在一個較低的值恢復(fù)穩(wěn)定。此時液區(qū)水位減少引入的正反應(yīng)性等于先前引入的負(fù)反應(yīng)性（忽略期間其它反應(yīng)性的變化），兩者抵消，反應(yīng)堆重新臨界。

如果操縱員給RRS一個新的目標(biāo)功率PRA和要求功率變化的速率RA，則RRS會根據(jù)PRA和PA，按照一定的速率改變PDLOG值，使得PDLOG最終等于PRA，這樣反應(yīng)堆實際功率PLOG也會在液體區(qū)域控制系統(tǒng)的控制下，跟隨PDLOG按照規(guī)定的速率達(dá)到PRA。如果在功率變化期間，操縱員想要停止功率變化，則只需要按下HOLD按鍵，此時RRS進(jìn)行部分初始化，使得PRA=PDLOG，要求功率變化率清零，則PDLOG停止變化，PLOG也隨之停止變化。

5 CANDU 6整體功率下降后液體區(qū)域控制系統(tǒng)的響應(yīng)

功率運行期間，LZC會自動控制堆內(nèi)各ZCU的液位，補(bǔ)償由于各種原因引入的正負(fù)反應(yīng)性，維持反應(yīng)性平衡，確保反應(yīng)堆臨界。但是，一旦引入的負(fù)反應(yīng)性的總量或者速率超過LZC的補(bǔ)償能力，例如，中子毒物（硼或釓）大量進(jìn)入慢化劑，而后續(xù)的其他反應(yīng)性補(bǔ)償方式又沒有及時投入，則反應(yīng)堆次臨界，堆功率不受控下降。分析這類工況下液體區(qū)域控制系統(tǒng)的行為以及反應(yīng)堆的響應(yīng)，對判斷CANDU6反應(yīng)堆在異常工況下是否安全和穩(wěn)定有著重要的意義。

為方便分析和描述，我們先將LCV開度的算法進(jìn)行簡化，忽略RRS的其他保護(hù)和限制，假設(shè)EP=PLOGPDLOG，此時，LIFi=BIASi+16（PLOG-PDLOG）。

我們先設(shè)想一種極端情況：反應(yīng)堆先前穩(wěn)定運行于100%FP，PLOG=0 Decade，PDLOG=0 Decade，RI=0 Decade/s，RD=0 Decade/s。此時反應(yīng)堆快速引入一個異常的負(fù)反應(yīng)性，導(dǎo)致反應(yīng)堆功率迅速階躍下降至PLOG=-2 Decade，然后隨著LZC系統(tǒng)的調(diào)節(jié)補(bǔ)償，整體功率停止下降。在下一個程序周期，PDLOG由于沒有輸入降功率的目標(biāo)功率、速率，仍然等于0 Decade，則此時有效功率偏差：EP=（PLOG-PDLOG）=（-2-0）=-2（Decade），LZC閥門相對于偏置開度的開度BLIF=16×EP=16（-2）=-32，LCV的最終開度LIFi為0.5-32，即全關(guān)（LIFi取值范圍為0~1），液區(qū)單元液位迅速下降，從而引入正反應(yīng)性，使得反應(yīng)堆超臨界，反應(yīng)堆功率開始回升， 直至PLOG=PDLOG=0 Decade，EP=0，LCV開度重返BIAS，液區(qū)水位穩(wěn)定。很顯然，這種響應(yīng)是不合適的，因為：（1）正常情況下RRS通過控制PDLOG的增長速率，限制EP，以控制實際功率PLOG的上升速率。但在上述例子中，PLOG的異常下降而PDLOG不變，直接使得EP急劇減小，RRS升功率的速率完全取決于EP。當(dāng)PLOG下降很多，導(dǎo)致EP負(fù)的程度過多，LCV閥保持全關(guān)，各ZCU區(qū)域可能長期處于排空或最低液位狀態(tài)，從而失去了對堆功率的控制，反應(yīng)堆升功率的速率遠(yuǎn)超過正常情況下的最大速率。更重要的是，在反應(yīng)堆功率PLOG自動回升期間，操縱員即使按下HOLD鍵，只能進(jìn)行部分初始化，即令PRA=PDLOG，RD=0，但是不能改變PLOG和PDLOG，也就是不能改變EP，因此，無法阻止反應(yīng)堆功率的上升。

（2）當(dāng)整體功率異常下降至-2Decade后，反應(yīng)堆功率自行返回至100%FP（0Decade）。反應(yīng)堆如此高速率、高幅度的功率波動顯然不安全。尤其是在反應(yīng)堆存在異常的情況下迅速重返滿功率。

由此可見，為了防止LCV開度過小而在短期內(nèi)引入太多的正反應(yīng)性，EP的負(fù)值大小必須限制，即PDLOG與PLOG之差不能太大。因此，RRS中加入了限制邏輯，PDLOG僅能在PLOG上方的一個限制值：PDLOG限制值=PLOG+0.0212/KB，其中，KB=1.68+1.14PLOG，并限制在0.2和1之間。

如果PDLOG不超過上面計算的目標(biāo)值，則保持PDLOG不變，否則把計算的目標(biāo)值作為PDLOG。如果PDLOG超過0.00647，即101.5%FP，也把PDLOG限制在0.00647。

此外，在EP計算時，加入了KB以及微分環(huán)節(jié)KR（RI-RD）。其中，微分增益KR=0.5，目標(biāo)對數(shù)功率RD=ΔPR/0.5。當(dāng)反應(yīng)堆功率出現(xiàn)控制之外的增長率時，微分環(huán)節(jié)將限制EP減小的程度。

在加入此邏輯后，如果PLOG下降過多，PDLOG將限制在PLOG+0.0212/KB，忽略微分環(huán)節(jié)，則

EP=KB×[PLOG-PLOG-0.0212/KB]=-0.0212（Decade），即EP的最小值限制為-0.0212Decade，LCV整體功率偏置開度為16×（-0.0212）=-0.3392， 總開度LIFi約為0.5-0.339 2=0.1608。在升功率過程中，EP正的微分環(huán)節(jié)可以進(jìn)一步限制EP過負(fù)，實際的整體功率偏置開度負(fù)的程度還將進(jìn)一步減小。

由此可見，當(dāng)EP和PDLOG的值受到當(dāng)前PLOG的限制時，一方面，防止在PLOG意外大幅瞬降時EP過負(fù)，從而引入過多的正反應(yīng)性導(dǎo)致反應(yīng)堆功率過快上升；另一方面，當(dāng)PLOG下降后，RRS只允許堆功率回升至當(dāng)前PLOG上方的一個限制值，這對于異常情況下的反應(yīng)堆安全有著重要的意義。

6 操縱員的響應(yīng)

反應(yīng)堆整體功率異常下降后RRS自動提升反應(yīng)堆功率屬于正常響應(yīng)，設(shè)計上已經(jīng)限制該工況下功率回升的幅度和速率。此時，操縱員無法通過常規(guī)地按下HOLD鍵阻止功率上升，因此，需要加強(qiáng)在功率回升期間機(jī)組狀態(tài)的監(jiān)視。如果當(dāng)時的工況不適合功率回升，操縱員需要穩(wěn)定或降低反應(yīng)堆功率，可以立即降低反應(yīng)堆功率設(shè)定值，或者直接手動觸發(fā)快速降功率（SETBACK）。這兩種方式都可以降低PDLOG。當(dāng)PLOG上升至新的PDLOG時，EP為0，功率將不再上升。

7 結(jié)論

如果CANDU6反應(yīng)堆功率運行期間因異常原因快速引入總量在LZC補(bǔ)償能力內(nèi)的負(fù)反應(yīng)性，反應(yīng)堆功率將降低。隨著LZC調(diào)節(jié)引入正反應(yīng)性，反應(yīng)堆重返臨界，功率將停止下降。隨后，RRS將自動提升反應(yīng)堆功率至當(dāng)前設(shè)定值PDLOG。這屬于RRS正常的調(diào)節(jié)作用，是維持反應(yīng)堆穩(wěn)定功率運行的保證。為了防止高功率運行的反應(yīng)堆功率突降時RRS以很快的速率自動提升反應(yīng)堆功率以重返設(shè)定值，RRS將PDLOG限制在實際功率與上方的一個固定值，限制有效功率偏差EP，防止反應(yīng)堆功率自行快速回升至初始的高功率。限制后PDLOG與PLOG的差值的最負(fù)值為-0.0212 Decade，即反應(yīng)堆功率下降后RRS控制其自動回升的功率幅度最大不超過0.05倍當(dāng)前功率，這種限制對于反應(yīng)堆安全十分重要。功率回升期間，操縱員無法通過HOLD按鍵停止升功率，需要加強(qiáng)對機(jī)組狀態(tài)的監(jiān)視。如果必要，操縱員可以通過降低功率設(shè)定值，或者手動觸發(fā)SETBACK等方式穩(wěn)定或降低反應(yīng)堆功率。