AP1000軸向功率偏差控制特點及優勢

董志強，宋慧斌

（三門核電有限公司，浙江 三門 317112）

1 背景概述

反應堆運行時，堆芯功率的分布往往是不均勻的，會產生局部功率和熱點，這些地方到達溫度（功率）限制值的距離就小，一旦接近或者超過限制值，就會危及堆芯的安全。為避免這種情況的發生，就必須降低總功率，以降低功率峰和熱點，這樣就限制了全堆功率的輸出。相反，通過展平全堆的中子通量密度分布來展平全堆的功率分布，就可以使反應堆的功率分布整體地與限制值保持盡可能小的距離，從而提高了反應堆的總功率輸出。

軸向功率分布受到慢化劑的溫度效應、可燃毒物效應、多普勒效應、功率水平、釤效應燃耗及控制棒的位置、燃耗壽期的影響。在負荷跟蹤降功率運行時，控制棒組下插，堆芯功率分布向下移動，在負荷跟蹤提升功率運行時，控制棒組上提，堆芯功率分布向上移動。同時功率軸向分布變化將導致氙振蕩，這又會使得軸向功率分布發生變化，并最終導致熱點的變化。在反應堆運行過程中，必須將AO和ΔI控制在合理的范圍內，以避免熱點的產生，保證堆芯運行的安全。為此必須遵定如下3個準則：（1）失水事故（LOCA）準則；（2）偏離泡核沸騰（DNB）準則；（3）堆芯熔化準則。

AP1000核電機組采用了與一般傳統核電站不同的軸向功率偏差控制方式，避免了頻繁地調硼，從而大大減少了廢液的產生量，并且提高了系統的響應速度。本文將對AP1000軸向功率偏差的控制方法進行介紹。

2 常軸向偏移控制的方法

目前壓水堆普遍采用CAOC控制策略的運行方式。所謂軸向偏移（AO）指的是堆芯上部功率和堆芯下部功率的差值除以當前的反應堆功率。CAOC控制策略即在運行過程中維持AO為恒定值。然而AO并不能反映燃料元件的熱應力情況，因為在功率不同時，相同的AO對應的堆芯上、下部功率差值是不同的，所引起的熱應力和機械應力也是不同的，這樣需引入一個能衡量功率實際偏差的量，即軸向功率偏差（ΔI），它衡量的是反應堆堆芯上部功率和下部功率的差值，如果堆芯上部功率大于堆芯下部功率，則ΔI值為正，反之則為負。

可能影響ΔI因素有許多，例如慢化劑的溫度效應、可燃毒物、多普勒效應、功率效應、控制棒的移動、氙毒效應、汽輪機負荷的變化等，一切反應性變化的軸向效應都會影響ΔI。

在反應堆運行過程中，ΔIref值隨燃耗變化而變化，因而需要通過試驗的方法對ΔIref進行定期修正。實際運行點ΔI不可能完全與ΔIref相符，一般允許在參考值的±5%目標帶變化。在額定功率水平下，ΔI通常控制在ΔI±1%的帶狀區域內。

3 傳統壓水堆核電站軸向功率偏差控制方法及存在的問題

傳統壓水堆核電站（如M310、華龍一號等）采用CAOC的控制策略。反應堆的功率調節主要是由控制棒來實現的，若出現ΔI偏離ΔIref達一定量，在超出控制帶之前即需要操縱員通過化學和容積控制系統調節反應堆系統的硼濃度，在保持反應堆功率不變的前提下，使控制棒移動至合適的高度，從而滿足軸向功率分布要求。若ΔI比ΔIref小，則應加硼，促使控制棒提升，使軸向功率偏差向正的方向移動；反之若ΔI比ΔIref大，則應稀釋，促使控制棒下插，使軸向功率偏差向負的方向移動，通過這樣的方法保證了ΔI的值回到ΔIref。

以M310為例：在Mode A負荷運行方式下ΔI控制在運行控制梯形圖允許運行范圍內，Mode A控制模式下的運行梯形圖如圖1所示。運行梯形圖的確定，既要考慮在失水事故情況下的安全性，又要考慮運行的經濟性，兩者適當地結合起來，具體來說：

圖1 Mode A控制模式下的運行梯形圖

（1）運行功率P>87%PN：維持ΔI在ΔIref＋5%地運行帶以內，否則會產生軸向功率偏差報警或汽機快速降負荷，也可能由此引起緊急停堆。

在額定功率正常運行時，通常ΔI位于ΔIref＋3%之內，這種功率不平衡現象可能是如下因素造成的。反應堆不在“氙平衡”狀態，反應性是變化的。為了維持冷卻劑平均溫度程序整定值，調節棒組件將在堆內移動，ΔI就變化。調節棒組插入，ΔI向負值方向移動；提升時，ΔI向正值方向移動。

當出現一個小的軸向氙振蕩，ΔI慢慢地變化。如果ΔI變得更負，應提升調節棒組件，再進行加硼操作；如ΔI變得更正，應下插調節棒組件，再進行硼稀釋操作，以使ΔI既保持在運行范圍內，又確保反應堆在額定功率水平下穩定運行。

（2）運行功率在15%PN

（3）運行功率P<15%PN：由于沒有任何氙峰的危險，不限制軸向偏移值，運行區域不限制。

當機組負荷快速變化時，特別是在燃耗末期，傳統電廠反應堆軸向功率偏差的控制困難，對操縱員的及時反應性預測計算和控制要求較高。據國家核安全局統計，國內二代核電站已多次發生在機組啟停階段由于ΔI控制不當或反應性計算不準確而導致ΔI超過運行限制而進入技術規格書的事件。究其原因主要包括以下幾個方面：（1）堆芯功率分布的變化會引起堆芯內氙毒分布的變化，氙毒變化又會引起堆芯局部反應性變化進而引起功率分布發生變化而影響ΔI控制；（2）控制棒處于堆芯上部或者下部時控制棒下插或者上提對ΔI影響是不同的，以控制棒處于堆芯中平面以下為例：控制棒下插將會導致功率峰上移使ΔI往正的方向變化，控制棒上提將導致功率峰向堆芯底部偏移使ΔI往負的方向變化；（3）傳統二代核電廠依靠加硼或稀釋的方法調節控制棒在堆芯內的插入位置，從而使ΔI處于規定范圍內，需要的時間較長。

當堆芯軸向功率偏差過大，則易在堆芯內產生局部熱點，有造成堆芯燒毀的潛在風險。此外由于調節一回路硼濃度將產生大量的放射性廢液，對環境產生潛在威脅，并增加了廢液處理系統的負擔。

4 AP1000核電站ΔI的控制

AP1000核電機組在功率調節和軸向功率分布控制上提出了一種新的機械補償策略（MSHIM）：由M棒組的位置來控制反應堆功率水平；AO棒用來調整較小的反應性變化和軸向功率分布形狀；調節堆內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。

4.1 棒控簡介

AP1000核電站棒控系統由69束控制棒組成，其中53束為黑棒組件（RCCA）。每束黑棒包括24根控制棒，每根控制棒束由80% Ag（銀）+15% In（銦）+5%Cd（鎘）組成。總共有7個調節棒組和4個停堆棒組。調節棒組分為M棒組和AO棒組。M棒組的組成為MA、MB、MC、MD組均為4束灰棒、M1組4束黑棒、M2組8束黑棒。AO棒組有9束控制棒，均為黑棒棒組。停堆棒組分成SD1、SD2、SD3、SD4 4組，每組8束黑棒。

棒控系統的主要功能包括以下幾個方面：

（1）與反應堆功率控制系統協同工作，通過M棒實現在低功率模式下維持反應堆功率、高功率模式下維持一回路平均溫度，并通過AO棒來調節軸向偏移。

（2）當需要進行控制棒換棒時，在換棒過程中需進行功率控制，通過調節AO棒對反應堆功率進行控制。

（3）當核功率大于70%且出現汽機負荷在120 s內甩負荷超過40%，快速降功率系統通過釋放預選的控制棒（AO棒和SD棒），從而將功率水平降低到蒸汽旁路排放系統和棒控系統的調節能力范圍內。

4.2 軸向功率偏差控制

AO控制模式是通過調節AO棒組的棒位來調節軸向功率偏差ΔI在允許運行區內；ΔIL是ΔI的下限值，ΔIH是ΔI的上限值，ΔIref是理想的ΔI目標值，它們隨著功率變化而變化。

如果當前ΔI大于上限值ΔIH，AO棒組以設定的速度下插，直到ΔI小于上限減回差。

如果當前ΔI小于下限值ΔIL，AO棒組以設定的速度上提，直到ΔI大于下限加回差。

正常功率運行期間M棒組控制一回路平均溫度，AO棒組控制軸向功率偏差。為防止AO棒和M棒同時動作對平均溫度和ΔI產生互相干擾，AO棒組與M棒組控制邏輯中設置了聯鎖，保證在同一時間僅有1種控制棒移動。當發生功率瞬態時：

（1）如果Tavg和ΔI的控制偏差使M棒和AO棒移動方向相同，AO棒組優先移動，M棒停止移動。此時，AO棒同時調節ΔI和Tavg，既有助于ΔI的控制，也不違反Tavg控制優先的原則。

（2）如果Tavg和ΔI的控制偏差使M棒和AO棒移動方向相反，M棒組優先移動（以最大棒速72步/min）調節Tavg，AO棒停止移動。當M棒組結束移動后，AO棒組才可以移動，調節ΔI。

考慮到彈棒事故造成的影響以及停堆深度等因素，AO棒組的插入限制條件為：在模式1或2時，AO棒組插入被限制在堆芯上半部分之內。為了滿足MSHIM運行策略的功能正常，AO棒組必須處于部分插入位置，以滿足AFD的正負方向上均留有裕量。在某些瞬態下，AO棒組可能短期全部提出，但前提條件是軸向功率分配仍然足夠可控。AO棒組插入限值=ΔT功率*100+100，（ΔT功率≥50%，否則插入限值=150步）。

AO棒組相關聯鎖信號如下。

（1）禁止AO棒的手動和自動提升：C-1（中間量程中子通量高）、C-2（功率量程中子通量高）、P-17（核功率負變化率>15%，5S）、C-3（OTΔT裕量低）、C-4（OPΔT裕量低）、C-19（AO棒>264步）。

（2）禁止AO棒的自動提升：P-17（核功率負變化率>15%，5S）、C-17（M棒低2插入限值）、C-5（汽機功率<15%）、C-19（AO棒>264步）。

（3）禁止AO棒自動下插：P-17（核功率負變化率>15%，5S）、C-15（AO棒低2插入限值）、C-18（最后一組提升的M棒>140步）。

AP1000運行限制圖如圖2所示。AP1000核電廠對ΔI的具體控制要求如下。

圖2 AP1000運行限制圖

超過90%額定熱功率，ΔI必須在Iref（-5%，+5%）目標帶內。

在50%~90%額定熱功率，必須在梯形圖中可接受運行范圍內，當機組運行在目標帶寬外期間，每分鐘運行時間則累計懲罰時間1 min，在24 h內允許1 h的累計懲罰偏離時間限值。

低于50%功率，AFD可以超出目標帶。對于熱功率>15%RTP且<50%RTP時，AFD偏離出目標帶寬相對不嚴重，因此在目標帶外1 min運行時間以1/2 min懲罰時間來累計，以反應該嚴重性的降低。當熱功率≤15%RTP時，AFD不是一個在安全分析中采用的重要參數假定，因此不需要限值。

4.3 控制棒交換時對軸向功率偏差的影響

由于AP1000控制棒采用機械補償策略，即使是在帶基本負荷運行工況下，也有一些要求的灰棒始終位于堆芯中，以保證在無需改變RCS硼濃度就可以改變反應性。處于堆芯中的灰棒將比其他控制棒消耗更多，同時造成局部燃料屏蔽。因此定期改變灰棒的下插順序，從而保持可接受的徑向堆芯功率峰值因子。

控制棒交換邏輯有2種交換方案。第1種方案是當所有的灰棒組 處于同一高度時進行棒位交換，由于所有灰棒處于同一高度，因此只需簡單地改變控制棒的插入順序即可，不需要M棒組移動，并且AO棒組不需要由ΔI控制模式轉換成Tavg控制模式即可完成控制棒交換。

第2種方案是當M棒組不處于同一高度時進行棒位交換，一次只能交換兩組控制棒，即MA和MD交換，MB和MC進行交換。此時的M棒組用于控制棒的交換，不能進行平均溫度的控制，而依靠調硼來調節平均溫度的速度太慢，因此AO棒組此時需要承擔控制Tavg的作用。

5 AP1000核電站運行期間操縱員需要關注的問題

（1）操縱員日常運行期間需加強對堆芯監測和BEACON服務器可運行的監視：目前均采用數字化儀控系統并設置有自檢程序，發生異常會發出報警。

（2）操縱員需密切關注黑棒的動作情況：由于AO棒為黑棒，反應性價值遠大于灰棒，在AO棒動作時需關注ΔI和Tavg的變化，確保自動控制符合預期。

（3）在低功率運行且無需控制ΔI期間需保持AO棒位于插入限值之上，并按照GOP規程置于手動狀態。

（4）操縱員手動操作AO棒組時要謹慎，避免連續上提或下插AO棒。

6 AP1000軸向功率控制相對于傳統核電站的優勢

（1）AO棒組具有獨立于其他棒組的控制要求，用于調節軸向功率分布，當ΔI超出控制帶時，通過AO棒組的移動改變功率峰的軸向位置，使ΔI回到控制帶之內，這樣就不需要通過調硼來調節軸向功率分布，并且其響應速度大大快于傳統ΔI的控制方式，減少了廢液的產生量，減輕了廢液處理系統的負擔，有利于環境保護的同時也滿足了核電站快速改變負荷的要求。此外由于簡化了化學和容積控制系統、放射性廢水收集和排放系統的設計，減少了相應的系統設備數量，減少了核電站建設投資及日常運行維護的費用。

（2）依賴于BEACON強大的堆芯反應預測能力，以及AO棒控制ΔI的快速性，AP1000機組ΔI的控制帶也有能力設計得比傳統核電站的ΔI控制帶更窄，這樣能更加有效地保護燃料，確保反應堆安全運行。

（3）BEACON強大的堆芯反應預測計算，以及AO棒控制ΔI的快速性，使得AP1000核電站在電站啟動、停運及功率運行中簡化了反應性控制和AO控制的要求。在保證控制棒滿足插入限值的情況下有效減少了功率變化期間對一回路進行硼化和稀釋的相關操作，減少了對操縱員實時反應性計算的要求，有效保證ΔI在技術規格書要求的限值內，減輕了當班操縱員負擔。