三代核电厂控制棒控制策略浅析

严肃　李国宝　张景伟

【摘 要】本文阐述了三代核电厂反应性控制模式，包括控制棒组和停堆棒组；反应堆功率控制策略，包括自动调节反应堆功率和自动控制功率分布；基于当前棒位和功率计算而来的控制棒插入限值；为克服灰棒非均匀消耗和燃耗屏蔽而引入了控制棒交换逻辑四个方面。对控制棒控制策略进行深入剖析，突出了三代核电厂控制棒控制的特点及优势。

【关键词】M棒组；功率控制；插入限值；控制棒换棒逻辑

【Abstract】This paper analyzes the third generation nuclear power plant control strategy of control rod in four sides， including the mode of reactivity control， which includes Control Bank and Shutdown Bank， reactor power control strategy， which includes automatic reactor power and power distribution control， Control rod insertion limits， we calculate it basing on current bank position and hot power， control rod exchange logic for defending no uniform expending of grey rod and burn up shield， explaining the feature and dominance of control rod controlling.

【Key words】M control Bank； Power control； Insertion limits； Control rod exchange logic

1 反应性控制模式简介

三代核电厂的负荷跟踪，根据需要利用控制棒运动来完成功率的改变，一回路不调节硼浓度，相对于二代加电厂取消了硼回收系统，只在控制棒组因为补偿燃耗提升到堆芯顶部时，定期稀释硼而将控制棒组位置降低，以进行后续的机械补偿反应性动作。通过控制棒插入的限度来维持功率分布在允许极限内。由于氙浓度改变引起的反应性变化通过棒运动来控制。

棒束控制组件在功能上设计成控制棒组和停堆棒组，控制棒组包括M棒组和AO棒组。M棒组是指冷却剂温度控制棒组，用于冷却剂平均温度的控制，标记为MA、MB、MC、MD、M1、M2棒组，其中MA、MB、MC和MD由灰棒控制组件构成，M1、M2由棒束控制组件组成。AO棒组是指轴向偏移控制棒组，用于控制轴向功率分布。停堆棒组标记为SD1、SD2、SD3和SD4。[1]控制棒组和停堆棒组的每个棒组至少有四个控制棒。控制棒组在堆芯的轴向位置可以由手动或自动控制。反应堆停堆信号触发后，所有控制棒组件均插入堆芯。

2 反应堆功率控制

自动调节反应堆功率和自动控制功率分布是反应堆功率控制系统最基本的功能。这些功能是通过改变控制棒的位置来实现的。设置多组控制棒棒束来调节反应堆功率和功率分布。

反应堆功率控制系统使得电厂能够响应以下负荷变化瞬态[2]：

1）在核电厂功率为15%～90%额定功率范围内，核电厂电功率最大+10%的阶跃变化或最大+5%/分钟的线性负荷变化；在核电厂功率为25%～100%额定功率范围内，核电厂电功率最大-10%的阶跃变化或最大-5%/分钟的线性负荷变化。

2）日负荷跟踪运行情况如下：

（1）核电厂在2小时内，从100%额定电功率线性降至50%额定电功率；

（2）核电厂维持在50%额定电功率2～10小时；

（3）核电厂在2小时内线性升负荷至100%额定电功率；

（4）24小时循环的剩余时间，核电厂维持在100%额定电功率。

3）频率控制目标：电网频率波动导致的以2%/分钟的变化速率且总幅值不超过10%的功率变化[3]。

完成这些功能不会触发反应堆停堆或 者引起蒸汽排放。在日负荷跟踪运行和负荷瞬态调节过程中，反应堆功率控制系统提供轴向功率偏差自动控制。当负荷发生变化后，系统能够将冷却剂平均温度恢复到程序值范围内。可以在限定的控制棒插入范围内手动控制功率控制棒（M棒组）或者轴向功率偏差控制棒（AO棒组）。

3 控制棒插入极限

当反应堆到达临界时，堆芯内的反应性状态是通过与反应堆功率相对应的控制棒位置来指示的。采用ΔT功率信号来计算棒组的插入极限。每个棒组都设有下述两个报警信号：

1）棒位“低”报警提醒操纵员控制棒将趋近插入极限，应采取动作终止AO棒或M棒的移动。

2）棒位“低-低”报警闭锁AO棒或M棒的移动。如M棒组“低-低”报警时，闭锁M棒插入或AO棒的提升；AO棒组“低-低”报警时，闭锁AO棒组插入。同时，提醒操纵员立即采取相关动作以恢复M棒组和AO棒组在合适的限值范围内[4]。

控制棒插入报警和联锁的目的是提醒操纵员控制棒出现过度插入的情况，并终止AO 棒组的意外移动。控制棒插入极限确保反应堆停堆后能保持足够的停堆裕度，限制假想控制棒弹棒事故中引入的最大价值，同时限制控制棒插入位置以将核功率峰因子维持在可接受的范围内。由于停堆裕度所要求的停堆反应性随着反应堆功率的增加而增加，因此，允许控制棒插入限值也会减少（即控制棒必须更多地提出堆芯）[5]。

由于核功率峰值因子可能会因M棒组和AO棒组的控制棒反向移动而加剧，因此AO棒组控制棒的联锁方式有些不同，主要取决于M棒组或AO棒组的控制棒插入是否超过限值。如果达到M 棒组插入限值，为了减少堆芯峰值因子的增加，停止AO棒组的自动提升：如果达到了AO棒组插入限值，停止AO棒组的自动插入。

4 控制棒换棒

机械补偿（MSHIM）策略要求某些灰棒棒组即使在基准负荷模式下也位于堆芯内。这样的策略使反应堆功率调节无需调硼就能提供一定的正反应性变化和负反应性变化。

在堆芯内的控制棒组比其他棒组消耗更快，并对局部的燃耗屏蔽效应有影响。如果不加干预，这种灰棒非均匀消耗和燃耗屏蔽将导致径向峰因子超过去全分析假定。为避免这种情况，必须周期性交换位于堆芯内和位于堆芯外（或几乎位于堆芯外）的控制棒组，并交换它们的插入顺序。

有且仅有两种允许的插入顺序，其中之一是MA、MB、MC、MD、M1、M2，另一种是MD、MC、MB、MA、M1、M2。进行换棒时，MA和MD交换位置，MB和MC交换位置，相应的插入顺序也将改变。

需要以下两种交换方式以适应所有的运行工况：

1）方式1：当所有灰棒棒组在同一水平位置上时（全插入或全提出），因为所有棒组在同一水平位置，方式1换棒只需改变M棒组的插入顺序即可；

2）方式2：当灰棒棒组不在同一水平位置上时，采用方式2进行换棒。方式2换棒时既要调整控制棒的位置又要改变插入顺序。换棒时一次对换两个棒组，AO棒组用于TAVG控制以保证尽可能小的TAVG瞬态。

5 结论

三代核电厂的一大特色是采取控制棒进行自动调节反应堆功率和自动控制功率分布，一回路不需要通过调节硼浓度来调节功率，相对于二代加电厂取消了硼回收系统，减少了一回路冷却剂泄漏的可能性。通过当前棒位和热功率计算而得到控制棒插入限值，并且引用了控制棒换棒逻辑，设定插入顺序，交换是三代核电机组特有的一种控制棒运行方式，是三代核电机组正常运行时反应堆的控制策略所带来的结果，控制棒在堆芯中的工作方式体现三代核电在堆芯控制方面的优点，但是因为控制棒控制方式还没有在现实机组中得到验证，具体该系统的工作效果如何还有待调试中检验。

【参考文献】

[1]三门核电有限公司.AP1000 核电厂基础培训教材系统与机械设备[Z].2009，7.

[2]三门核电有限公司.AP1000 核电站基础培训教材电站系统与通用设备（试用版）[Z].2008，7.

[3]刘洋，王照，匡红波，卜江涛，赵福宇.AP1000堆芯动态仿真程序开发[J].核动力工程，2014，6，35（3）.

[4]张小冬，刘琳.AP1000 反应堆控制系统特点分析[J].核动力工程，2011，8，32（4）.

[5]姚增华.评AP1000 堆芯设计[J].核动力工程：增刊1，2014，4，35.

[责任编辑：汤静]