小型模塊化反應堆臨界溫度控制研究

摘 要：目前針對國內某核電廠小型模塊化反應堆臨界缺少一套成熟可靠的溫度控制手段，本文首先介紹了該核電廠小堆散熱熱阱設計，通過理論計算和仿真開展熱平衡分析。其次，討論了反應堆臨界溫度控制難點，并根據數據分析和運行經驗提出臨界溫度控制思路。最后，結合相關設備性能，制定了具體可行的首次臨界溫度手動控制方案，并分析后續自動控制方案的可行性。本文的研究可為小型模塊化反應堆的安全運行提供指導。

關鍵詞：小型模塊化反應堆；反應堆臨界；溫度控制；熱源；熱阱

中圖分類號：TL 38" " 文獻標志碼：A

小型模塊化反應堆因其建造體積小、工期短、模塊化、安全性能高、多應用場景等優點，日益成為國際核領域研究熱點[1-3]。國內某核電廠小型模塊化反應堆（以下簡稱小堆）達臨界時，二回路為水-水循環，無蒸汽產生，不能通過控制小流量蒸汽來穩定一回路平均溫度。由于首次達臨界堆芯無衰變熱，整體熱量過低，給水需求量低，單獨通過控制給水流量維持一回路溫度，需要閥門在較小開度下頻繁動作，調節性能差，容易造成溫度頻繁波動和閥門磨損。因此，有必要對該核電廠小堆臨界溫度控制進行研究，確保反應堆安全、穩定運行。

1 散熱熱阱和熱平衡分析

小堆采用一體化堆型，由于未設計蒸汽排大氣系統且在小流量情況下產生了管間脈動效應，因此導致無法通過常規方式（即調節二回路蒸汽流量的方式）來控制溫度。而其主泵的軸功率較低，啟堆時熱源較小，余排系統退出運行后，升溫過程不需要額外熱阱，就可以控制溫度變化率在28℃/h以內。如果需要在某一溫度穩定，就必須提供適量可調節的熱阱，才能將一回路溫度穩定在某一整定值[4]。而且，該小堆蒸汽發生器等一回路主要設備均集成在反應堆壓力容器中，結構布置較緊湊，管道散熱量小。正常工況下一般通過輔助系統和蒸汽發生器2種方式實現有效散熱。因此，根據小堆系統設備的特性，在機組一、二回路優化以下2個散熱熱阱，提高控制靈活性。

1.1 化容系統再生熱交換器旁路管線

化學與容積控制系統（RVC）的一個主要功能是容積控制，即利用上充和下泄保持反應堆冷卻劑系統（RCS）水裝量和穩壓器的水位在容許范圍內。利用該系統作為可調節的熱阱，在RVC再生熱交換器處增加一路旁路管線及旁路調節閥RVC047VP，調節其開度，從而調節上充下泄流的溫差[5]，如圖1所示。

正常功率運行及電站啟停期間，反應堆冷卻劑從反應堆壓力容器下泄管線流入RVC系統。首先，通過再生式熱交換器的殼側，在此它被上充流冷卻，接著通過其中一個下泄孔板進行減壓。其次，通過非再生式熱交換器的管側，在此被設備冷卻水系統（WCC）降溫，再通過背壓調節閥進行第二次降壓。經過2次降溫降壓后，反應堆冷卻劑被過濾、除鹽后進入容積控制箱。當穩壓器液位低時，容積控制箱的低溫含硼水被1臺上充泵加壓抽出，經過RVC再生式熱交換器的管側被下泄流加熱。最后，通過上充管道以高于反應堆冷卻劑系統的壓力進入反應堆壓力容器。

正常上充下泄溫度差值為30℃左右，通過調節RVC047VP，旁通部分流過再生熱交換器的流體，從而降低上充流的溫度，使上充下泄可調節溫度差值可以達到30℃～50℃，從而進一步影響一回路平均溫度。

1.2 主給水小流量管線

給水流量控制系統（TFM）用于調節進入蒸汽發生器的給水流量，從而導出堆芯散熱。該系統由給水調節閥組和給水流量測量裝置等設備組成。

在TFM旁路管線增加1路小流量管線及調節閥TFM030VL，該閥采用與主給水調節閥和旁路調節閥相同的設計壓力和溫度，其最大可調節流量為4%額定給水流量，進一步提高二回路水-水循環下的可調節性[6]，如圖2所示。可見，該給水調節站的主要閥門是給水主調節閥、給水旁路調節閥和小流量給水調節閥，可以適應不同給水流量需求。小堆的主給水泵將除氧器中的水加壓抽出，通過給水調節站調節閥門開度，控制前往蒸汽發生器的給水量，從而帶走反應堆一回路核反應產生的熱量。

反應堆達臨界期間，由于蒸汽發生器出口工質溫度低于其飽和溫度，二回路為水實體工況。此時投入給水，主給水調節閥和旁路調節閥保持關閉，通過TFM030VL控制二回路水-水循環流量，從而控制蒸汽發生器帶熱，以控制一回路平均溫度。

1.3 熱平衡分析

該小堆首次臨界過程中主要熱源包括穩壓器電加熱器功率、主泵軸功率、噴霧泵軸功率、反應堆熱功率（多普勒發熱點）。而主要熱阱包括設備散熱、化容系統上充下泄帶熱、蒸汽發生器二次側換熱帶熱。相關功率參數見表1。

在小堆首次臨界過程中，一回路最大熱負荷即反應堆達到多普勒發熱點的工況下，此時整個一回路的加熱量包括反應堆熱功率、主泵熱輸入、噴霧泵熱輸入和穩壓器電加熱器熱功率輸入；散熱量包括壓力容器散熱、管道散熱和RVC上充下泄帶熱。根據能量平衡原理，當加熱量等于散熱量時，一回路可以維持熱平衡狀態，如公式（1）所示。

Q_R+Q_p+Q_sp+Q_e+Q_m-Q_RPV-Q_PZR-Q_l-Q_RVC-Q_SG=0 （1）

式中：Q_R為反應堆熱功率；Q_p為主泵凈加熱功率；Q_sp為噴霧泵凈加熱功率；Q_e為穩壓器電加熱器的加熱功率；Q_m為考慮計算不確定性的設計余量，Q_m=388kW；Q_RPV為壓力容器散熱量；Q_PZR為穩壓器散熱量；Q_l為管道散熱量；Q_RVC為RVC上充下泄帶走熱量；Q_SG為蒸汽發生器帶走熱量。

代入數據計算可知，Q_RVC+Q_SG=1616kW。

Q_RVC如公式（2）所示。

Q_RVC=W_RVC?（Hd-Hc） （2）

式中：Hd為RVC下泄冷卻劑焓，溫度取下泄入口溫度240℃；Hc為RVC上充冷卻劑焓，溫度取再生熱交換器管側出口溫度；WRVC為上充、下泄質量流量。

利用仿真軟件計算出1組或2組下泄孔板運行時上充、下泄的溫度參數，查詢焓熵圖代入公式（2），計算不同下泄孔板運行時RVC的換熱量，見表2。當RVC2組下泄孔板運行時，上充下泄的最大帶熱量Q_RVC為1578kW，小于1616kW，即Q_SG＞0。

2 控制難點及思路分析

2.1 控制難點

RVC旁路調節閥可用于一回路啟動和升溫階段的溫度控制，但為了避免冷卻劑出現汽化，設置了RVC系統上充和下泄流量的高、低限值，導致一回路凈熱功率將大于RVC最大帶熱能力，帶熱量不足。因此，在240℃首次臨界和多普勒發熱點測量期間，僅靠手動控制RVC再生熱交換器旁路調節閥開度，從而改變RVC熱阱大小的方式，不能滿足溫度控制要求。

此外，考慮完全采用控制二回路給水流量的方式，由于給水流量過低，調節閥在小開度下頻繁調節會引起閥門過度磨損，造成閥門損壞。并且在閥門小開度下由于調節性能差、給水流量測量不精確、信噪比差等原因，溫度會頻繁波動，影響反應堆達臨界。

2.2 控制思路

為維持一回路溫度穩定，減少控制難度，避免頻繁的調節，應盡可能維持總的帶熱量恒定并與一回路熱功率匹配，因此RVC和蒸汽發生器須選擇合適的帶熱量，保證機組有足夠的控制裕量。

根據表2計算結果可知，反應堆臨界期間，RVC1組或2組下泄孔板運行（下泄孔板流量為3.5t/h或6t/h）。根據投運的下泄孔板不同，下泄流量分別為6t/h（單組）、7t/h（3.5×2組）、9.5t/h（6+3.5）、12t/h（6×2組），對應的最大帶熱量分別為1098.09kW、1102.78kW、1176.27kW、1578.08kW，而需要帶走的一回路熱功率為1616kW。為保證二回路旁路給水調節閥有一定開度，蒸汽發生器載熱量不能過小。因此，除下泄流量為12t/h時RVC載熱量過大不適合外，其余幾種情況下RVC實際帶熱量約為1100kW，可以滿足散熱控制要求。此時二次側帶熱量約為516kW（1616kW-1100kW=516kW）。根據熱量計算公式（3），代入給水（140℃）和出水溫度（240℃），計算得到二回路給水流量約為4.5t/h。

Q=c?m?Δt （3）

式中：Q為散熱功率；c為水的比熱容；m為質量流量；Δt為給水和出水溫差。

因此，確定反應堆臨界及物理試驗期間，在一回路最大熱功率工況下，RVC和蒸汽發生器的帶熱量分配分別為1100kW和516kW。進一步確定控制思路為從初始達臨界開始直至物理試驗期間，一方面維持二次側給水流量恒定，另一方面通過RVC調節一回路溫度，從而有效排出一回路熱量。該方式既可以避免旁路給水調節閥在小開度下頻繁調節，造成閥門磨損，又可以減少一回路溫度出現較大波動。

3 溫度控制策略研究

3.1 手動控制方案

在預先設定的溫度壓力整定值平臺進行達臨界操作，主泵正常運行，通過RVC上充下泄稀釋反應堆冷卻劑到臨界硼濃度，利用上充流量調節閥自動控制穩壓器水位在規定范圍，投入1組穩壓器通斷式電加熱器，保證穩壓器與一回路的冷卻劑攪混，使硼濃度均勻，穩壓器比例式加熱器與噴淋閥配合，用于控制一回路壓力。

此時，初始反應堆功率為0，一回路總的熱功率為846kW（1616kW-770kW=846kW）。給水泵定轉速，初始開啟給水系統小流量調節閥TFM030VL，調節其開度，使二次側初始給水流量在4.5t/h保持恒定，維持二次側水-水循環，此時二次側帶熱量約為516kW。接著投入1組RVC下泄孔板，維持下泄流量為6t/h，手動控制RVC再生熱交換器旁路調節閥RVC047VP帶出剩余330kW（846kW-516kW=330kW）的熱量，維持一回路溫度恒定在240℃。

觀察一回路溫度穩定后，采用外推提棒方式使反應堆臨界，反應堆達臨界過程接近多普勒發熱點時，核功率逐漸產生，逐漸開大RVC047VP直至閥門全開，維持溫度穩定。該手動控制策略通過二次側恒定給水流量配合RVC進行帶熱，可以實現熱源和帶熱的熱力平衡，維持一回路溫度在240℃，滿足反應堆首次臨界的溫度控制要求。

3.2 自動控制方案

手動控制一回路溫度占用運行人員精力，且頻繁操作容易造成人因失誤，影響核安全，因此有必要進一步分析臨界溫度自動控制策略。RVC047VP是通過改變上充下泄溫差來控制RVC帶熱量，間接控制一回路溫度，且其需要用于啟停階段控制一回路升降溫速率，自動控制難度較大。旁路給水調節閥TFM009VL和TFM030VL正常功率運行期間保持全開，啟動和升溫階段均保持關閉，具備實現自動控制一回路溫度的條件[7]。

根據數據分析并結合運行經驗反饋，自動控制策略如圖3所示，一回路平均溫度實測值與整定值的偏差經PID轉換為給水流量整定值，給水流量實測值與整定值的偏差再經調節器轉換為流量百分比信號，流量百分比信號經過函數發生器轉換為閥門開度信號，從而控制給水流量。當流量百分比信號小于4%時，TFM009VL保持關閉，僅TFM030VL開啟，當流量百分比信號超過4%時，TFM030VL全開，TFM009VL逐漸開大，從而維持溫度。

當溫度偏離整定值時，該控制策略自動調節給水流量，匹配一回路熱負荷，可以實現臨界溫度自動控制，減少操縱員手動控制負擔。但是，首次臨界時仍存在小開度下閥門頻繁動作的缺點，且給水流量測量不精確、信噪比差，因此在首次反應堆臨界過程中采用手動控制方案。后續由于反應堆衰變熱的存在，給水流量需求較大，能夠保證TFM030VL開度在合適的調節區間，對PID響應速度要求也有所降低，此時優先采用自動控制，RVC不需要參與溫度調節，僅依靠TFM030VL自動控制就可以滿足要求。

4 結語

本文首先介紹了國內某核電廠小堆散熱熱阱設計，通過理論計算和仿真開展熱平衡分析。其次，討論了該小堆臨界溫度控制難點，并提出臨界溫度控制思路。最后，結合相關設備性能，制定了具體可行的首次臨界溫度手動控制方案，并分析后續自動控制方案的可行性。本文的研究可為小型模塊化反應堆的安全運行提供參考。

參考文獻

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