320 MWe機(jī)組主汽門試驗期間反應(yīng)性計算

周忠政

（中核核電運(yùn)行管理有限公司，浙江 嘉興314300）

0 引言

為了在緊急事故時能迅速切斷進(jìn)入汽輪機(jī)的蒸汽流量，保證機(jī)組及堆芯安全，在反應(yīng)堆功率運(yùn)行期間，應(yīng)每季進(jìn)行一次主汽門試驗以檢查閥門有無卡澀。

320 MWe機(jī)組主汽門試驗需要降功率至200 MWe功率平臺附近，穩(wěn)定運(yùn)行4~6 h后，再升至滿功率運(yùn)行，試驗過程中需要移動控制棒或調(diào)整冷卻劑可溶硼濃度來補(bǔ)償反應(yīng)性變化。一直以來，320 MWe機(jī)組主汽門試驗期間的反應(yīng)性控制方案都交由設(shè)計院計算，電廠需要支付計算費(fèi)用，影響了經(jīng)濟(jì)性；同時，文件往來時間成本高，且無法保證反應(yīng)性控制方案計算的靈活性。本文利用ORIENT軟件的計算功能，結(jié)合影響反應(yīng)性的多個因素，實(shí)現(xiàn)主汽門試驗期間的反應(yīng)性控制方案的自主計算，并對計算結(jié)果進(jìn)行分析。

1 計算過程

1.1 燃耗跟蹤計算

320 MWe機(jī)組某燃料循環(huán)期間主汽門試驗，反應(yīng)堆以2 MWe/min速率降功率至196 MWe，并在196 MWe平臺停留4 h，然后再以2 MWe/min速率升功率至滿功率。

若要得到功率變動期間每一個燃耗點(diǎn)的堆芯物理參數(shù)，需要建立本循環(huán)裝料至今的堆芯燃耗跟蹤計算表。通過上循環(huán)的歷史數(shù)據(jù)，得到所有回堆燃料組件的燃耗等信息，設(shè)置歷史跟蹤計算起點(diǎn)。從電站計算機(jī)數(shù)據(jù)中得到本循環(huán)的堆芯相對功率、燃耗和棒位等數(shù)據(jù)，如表1所示。表中P為相對功率，單位為滿功率FP；B為燃耗值，單位為兆瓦天每噸鈾MWD/tU，D為該狀態(tài)點(diǎn)運(yùn)行的時間長度，單位為天Day，與燃耗互斥，A1~T4為控制棒棒位，Export表示是否在該燃耗點(diǎn)狀態(tài)進(jìn)行庫文件輸出以作為自動化計算序列基礎(chǔ)。

表1 堆芯燃耗跟蹤計算表

將燃耗跟蹤計算表作為輸入，利用ORIENT系統(tǒng)對燃耗計算點(diǎn)進(jìn)行臨界硼濃度搜索，Keff=1.0為目標(biāo)值，并且考慮氙燃耗、釤燃耗，可得到每個燃耗點(diǎn)的堆芯徑向和軸向結(jié)果，如組件功率、軸向功率偏移、軸向功率峰因子等。

1.2 負(fù)荷跟蹤計算

堆芯負(fù)荷變動時，反應(yīng)性的計算需要考慮影響反應(yīng)性變化的諸多因素，包括氙毒反應(yīng)性、釤毒反應(yīng)性、功率虧損、溫度虧損、硼濃度變化和控制棒移動等。負(fù)荷跟蹤計算主要是通過計算堆芯當(dāng)前燃耗計算點(diǎn)與下一個燃耗計算點(diǎn)的反應(yīng)性凈變化量，考慮軸向功率偏差必須在參考值±5%FP內(nèi)變化，不斷調(diào)整控制棒棒位，使每個燃耗點(diǎn)處堆芯搜索達(dá)到新的臨界狀態(tài)，并得到臨界硼濃度等堆芯物理參數(shù)。

建立負(fù)荷跟蹤序列計算表，表格中主要包括堆芯相對功率，控制棒棒位和硼濃度變化量。為了增加計算的參考性，以每5 min一個燃耗點(diǎn)進(jìn)行制表，功率變動結(jié)束后繼續(xù)計算54 h的數(shù)據(jù)。根據(jù)電功率的升降速率和不同功率水平堆芯的效率，利用TREND函數(shù)可以得到理論的負(fù)荷變動流程（Pr列數(shù)據(jù)）。控制棒棒位和硼濃度變化量為互斥的量，因為要參考軸向功率偏差的變化，所以改變T4棒位更為直觀，以T4棒位歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)作為預(yù)輸入值。如表2所示。

導(dǎo)入序列計算輸入表到ORIENT中，并設(shè)置跟蹤計算起始點(diǎn)為2.1節(jié)燃耗跟蹤計算文件，即開始降功率時刻（0 min）的堆芯狀態(tài)參數(shù)即是表1“堆芯燃耗跟蹤計算表”最后一個計算點(diǎn)的數(shù)據(jù)。

利用ORIENT軟件，對表2中每一點(diǎn)進(jìn)行臨界計算，算出有效增殖系數(shù)Keff=1狀態(tài)下的平衡氙濃度，然后強(qiáng)制氙濃度為0，在相同計算條件下計算新的有效增殖系數(shù)Keff〃，根據(jù)Keff和Keff〃的偏差可以計算出該狀態(tài)下的氙毒反應(yīng)性。計算出表2中每一時刻135Xe濃度，根據(jù)最初狀態(tài)點(diǎn)計算的135Xe濃度與氙毒反應(yīng)性的對應(yīng)系數(shù)，可以計算出之后每一計算點(diǎn)的氙毒反應(yīng)性。計算得到的氙毒反應(yīng)性隨功率變化的趨勢如圖1所示。

表2 負(fù)荷跟蹤序列計算輸入表

圖1 氙毒反應(yīng)性隨功率的變化

如果某計算點(diǎn)處得到的ΔI偏離軸向功率偏差參考值ΔIref（本次計算ΔIref=-1.45%FP）過多，需要對預(yù)輸棒位進(jìn)行調(diào)整，直到得到該計算點(diǎn)最佳的ΔI，如圖2所示。在這個過程中，硼濃度的變化量也隨之改變。

圖2 根據(jù)ΔI調(diào)整T4棒棒位示意圖

經(jīng)過多次調(diào)整后，可以得到ΔI滿足要求的負(fù)荷跟蹤計算結(jié)果，結(jié)果中包括控制棒棒位、硼濃度變化量、軸向功率偏差、氙毒反應(yīng)性等。

1.3 功率虧損計算

功率水平的變化將導(dǎo)致包殼和燃料芯塊的溫度和慢化劑的溫度的變化。根據(jù)核設(shè)計報告中總功率虧損與功率水平的關(guān)系表，在硼濃度確定情況下，功率虧損與功率水平成線性關(guān)系，通過差分法可以計算出主汽門試驗總功率虧損，整個升降功率期間的功率虧損如圖3所示：

圖3 總功率虧損隨功率的變化

1.4 溫度虧損

功率水平變化導(dǎo)致慢化劑溫度變化和燃料有效溫度變化，溫度變化引起的反應(yīng)性引入已經(jīng)考慮到功率虧損中，所以不做單獨(dú)考慮。

1.5 釤毒反應(yīng)性

釤毒對熱中子反應(yīng)堆的影響僅次于氙毒。降功率前釤毒達(dá)到平衡，降功率后釤毒開始積累，根據(jù)《第十七燃料循環(huán)應(yīng)急換料運(yùn)行數(shù)據(jù)計算報告》可得，從100%FP功率停堆后10 h，釤毒反應(yīng)性積累46 pcm，149Sm要達(dá)到平衡需要至少百小時以上。本次主汽門試驗中降功率33.45 %FP，升降功率約6 h，實(shí)際釤毒的積累很小，可忽略不計。

2 數(shù)據(jù)處理與比較

主汽門試驗期間的每一燃耗點(diǎn)處，將氙毒反應(yīng)性和功率虧損相加可以得到反應(yīng)性變化量ρB=ρxe+p+ρr。如果控制棒棒位變化，引入的反應(yīng)性為ρr，則調(diào)硼引入的反應(yīng)性為：

核設(shè)計報告中可得當(dāng)前燃耗下的硼微分價值為ρB′，則硼濃度變化量為ΔCB：

可得主汽門試驗期間每一計算燃耗點(diǎn)的反應(yīng)性變化量、控制棒棒位、硼濃度變化量和軸向功率偏差，為運(yùn)行人員提供了反應(yīng)性控制參考。

為了驗證計算反應(yīng)性控制方案的準(zhǔn)確性，試驗后從電站計算機(jī)中得到主汽門試驗期間相關(guān)實(shí)測數(shù)據(jù)，將軸向功率偏差、硼濃度變化量計算值與實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，如圖4、圖5所示。

圖4 計算軸向功率偏差與實(shí)際值比較圖

圖5 計算硼濃度變化與實(shí)際值比較圖

圖4中可以看出：

（1）自主計算得到的ΔI在ΔIref=-1.45%FP附近較窄的范圍內(nèi)震蕩，ΔImin=-5.34%FP，ΔImax=3.16%FP，沒有超過±5%FP運(yùn)行帶；

（2）負(fù)荷變動結(jié)束后，ΔI逐漸成收斂趨勢；

（3）計算ΔI與實(shí)測ΔI的趨勢一致，兩者最大偏差為1.19%FP，最小偏差為-0.229%FP。

圖5中因為硼濃度變化實(shí)測值取自硼表，在硼化稀釋過程中硼表示數(shù)有一定波動，所以有一些壞點(diǎn)，但偏差都維持在小的范圍內(nèi)，整個計算硼濃度變化量的趨勢與實(shí)測值趨勢是相同的。

從運(yùn)行操作上來考慮，應(yīng)避免控制棒的頻繁動作，圖6為控制棒的棒位隨時間變化圖，在負(fù)荷變動期間，控制棒基本按照固定趨勢動作，在主汽門試驗結(jié)束后，控制棒棒位并未出現(xiàn)頻繁提升或下插。

圖6 主汽門試驗期間T4棒位變化

3 結(jié)語

通過自主計算結(jié)果與實(shí)際數(shù)據(jù)的對比分析，可以看出320MWe機(jī)組主汽門試驗期反應(yīng)性計算結(jié)果準(zhǔn)確適用，對運(yùn)行操作決策起到很好的參考作用。