AP1000压水堆功率控制模式浅析

孙林宁

摘 要：反应堆功率控制是维持反应堆稳定的核心控制，该文通过结合反应堆反应性控制的基本原理对AP1000采用的功率控制模式进行了简要的介绍，分析了AP1000核功率控制关于功率水平和功率分布的控制方式及约束条件，功率水平控制系统从低功率控制和高功率控制两个部分展开，功率分布则主要分析其轴向功率的控制信号及其限制条件。同时简要减少了反应堆功率控制模块中的快速降功率功能。最后将AP1000反应堆功率控制模式与其他模式进行了对比，在功率水平和功率分布调节方面进行了比较分析。

关键词：核电站 反应性 反应堆功率控制 AP1000模式

中图分类号：TM44 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2015）02（c）-0042-02

目前，压水堆核电厂因其功率密度高、结构紧凑、安全易控、技术成熟、造价和发电成本相对较低等特点，成为目前国际上最广泛采用的商用核电堆型。而在我国，绝大部分商运核电以及在建核电也都采用了这种主流堆型。随着压水堆的不断完善和发展，其反应堆功率控制系统也在不断的优化，目的是可以保证一、二回路的温度、压力等热工参数及堆芯功率分布等参数能满足一定的跟踪电网负荷变化的要求，并且能够避免造成过大的堆芯功率分布畸变。

1 反应堆功率控制基本原理

反应堆功率控制中最重要的就是要保持反应堆临界（稳定工况），也即中子数量保持不变。为此，就必须补偿在负荷变化中产生的各种反应性效应。这些反应性效应主要有：慢化剂温度效应（水的温度效应）、燃料温度效应（多普勒效应）、燃耗、硼溶液的浓度、控制棒束（黑棒和灰棒）。当反应堆从一个临界状态过渡到另一个临界状态时，这些反应性必须满足：

Σρ=Δρ多普勒+Δρ棒+Δρ硼+Δρ温+Δρ毒=0

其中，Δρ多普勒、Δρ毒、Δρ温为被控量，Δρ硼、Δρ棒为控制量。如果Σρ>0，则功率上升；如果Σρ<0，则功率下降。

为了控制反应堆的链式裂变反应，即调节堆内的自由中子数，也叫中子通量控制，一般有两种互为补充的控制手段。

（1）控制棒束（用于快速动作）。

（2）溶解硼（用于慢速动作）。

2 AP1000反应堆功率控制方式

基于反应堆控制原理中对短期中子通量值以及中子通量分布的控制，反应堆功率控制方式也对应的表现为对功率水平和堆芯内的功率分布的控制。AP1000压水堆的69组控制棒中包括了16组灰体控制棒组（MA，MB，MC，MD棒），53组黑体控制棒组（其中M1、M2棒组共12组，AO棒组9组，以及S1，S2，S3，S4停堆棒组32组）。功率控制通过自动调节M棒组来实现，而轴向功率偏差控制则由AO棒组完成。AP1000反应堆稳定运行和瞬态过程中，功率水平与功率分布控制同时采集不同的堆芯参数，响应不同的控制要求，逻辑上独立运算，最终输出控制指令至不同类型的棒组。

2.1 功率水平控制系统

反应堆在3%～100%功率运行时会进行低功率控制模式与高功率控制模式的切换。低功率模式下，当汽轮机停机，蒸汽排放阀门未被闭锁可控制一回路平均温度时，操纵员输入目标功率值及功率变化速率来控制棒移动方向和移动速度。而高功率模式则主要用于调节15%以上的功率运行，高功率水平控制主要有2个控制通道：闭环通道以及前馈通道。闭环通道的控制信号主要来自于一回路平均温度与参考温度的偏差，而参考温度由汽轮机冲动级压力转换而来，是汽轮机负荷的函数。为了防止控制棒频繁移动对控制棒造成的磨损及对堆芯稳定性带来的不良影响，平均温度的控制设置了一定的死区，在不同的运行模式下（负荷跟踪、频率调节、基本负荷运行），控制系统的死区是不一样的，负荷跟踪和频率调节模式下的死区比带基本负荷模式下的死区比较宽，当温度偏差位于死区内时，控制棒不移动，利用反应堆自身的反应性反馈来稳定反应堆，当偏差在死区范围以外时，控制系统温度偏差信号的大小和极性来确定M棒組的移动速率和移动方向。前馈通道的控制信号来自于反应堆功率与汽轮机功率的失配信号，在负荷降低较大幅度时，它能使控制棒在一回路平均温度变化前适当动作，为系统提供超前调节作用，减少瞬态峰值。

2.2 功率分布控制系统

AP1000通过轴向功率偏移控制棒AO棒组来进行功率分布控制。轴向功率偏差控制系统的主要功能是：在负荷跟踪及电网频率改变的瞬态下，将轴向功率偏移控制在规定范围内。当轴向功率偏移测量超出预定范围时，系统发出控制信号使AO棒移动，从而达到功率分布的控制目标。AO棒组的控制信号来自于实测的轴向功率偏差信号ΔI，其中：

ΔI=（P上部-P下部）/（P上部+P下部）

若ΔI为正值，则表示堆芯上部功率大于下部功率，若ΔI为负值，则表示堆芯上部功率小于下部功率。

实测ΔI送去与ΔI控制带上下限值作比较，若在合理范围内，那么AO棒对移动方向和速率做出响应。ΔI控制带如图2所示。参考线是过原点的直线（0，0）和（ΔIT，100%），ΔIT：额定功率下的ΔI目标值，运行带的上下限是与参考线的平行线。ΔIL：额定功率下的ΔI运行下限；ΔIH：额定功率下的ΔI运行上限。ΔIT，ΔIL和ΔIH由操纵员设定，上述三个数值每个对应有三个设定值，分别对应以下三种机组模式：（1）基本负荷模式；（2）负荷跟踪模式；（3）负荷调节模式。

为了防止M棒与AO棒之间可能出现的干扰，当二者控制信号出现冲突时，M棒控制信号占主导地位，M棒移动时，AO棒被闭锁移动。在瞬态下的调节过程中，如果M棒与AO棒之间的闭锁功能不完善，则可能出现二者动作相互干扰而引起控制的混乱，使得功率分布出现较大的变化。

2.3 快速降功率系统

AP1000功率控制模式中还设置了快速降功率系统，如汽轮机负荷大幅度降低时，反应堆功率与汽轮机功率失配，通过前馈通道，一定数量的预选控制棒下插，核功率快速降低，与此同时，蒸汽排放控制系统开启保证一回路热阱。在选定的控制棒下插后，通过闭环回路的调节作用来调节一回路平均温度，将反应堆稳定在正常状态。

3 AP1000反应堆功率控制模式与其他模式的比较分析

压水堆核电站已经发展了50多年，已实施的核功率控制方案，可大致归为四种模式，即A模式，G模式，K模式，AP1000模式。

在A模式中，核功率控制手段只用了两种——硼浓度和黑棒。核功率水平的调节是通过硼酸浓度调节和黑体控制棒组位置调节来实现的，而核功率分布的控制则是通过调节硼酸浓度和限制控制棒的移动操作，使热点因子FQT低于限值来实现的。在G模式中，核功率控制手段有3种，即：硼酸浓度，黑棒或灰棒，可燃毒物棒。其控制方法有了明显的进步，范围更宽、精度更高。在核功率分布的控制方面，G模式与A模式基本相同，没有专门的控制系统，只是在核功率水平控制過程中通过调节硼酸浓度和限制控制棒的移动操作（甚至用人工控制的方式）来保证核功率分布在限定范围内。但在K模式中，功率水平与功率分布通过两个闭环的自动控制系统分别进行控制，降低了两者的耦合作用，进一步提升了核电机组的负荷跟踪能力。而硼酸浓度则由开环控制系统按照预定负荷跟踪形式实现。

AP1000模式采用灰棒和黑棒进行功率水平调节，功率调节速率较快，功率分布则由AO棒组来调节。AP1000的控制模式使得本身负责的控制系统变为几个简单的控制回路，很大程度上降低了控制对象之间的耦合程度，使得反应堆自动化控制程度更高，有利于数字化自动控制系统的应用，同时也减少了运行操纵员的工作，降低了发生人因事故的概率。AP1000的功率调节主要由控制棒来完成，而硼酸浓度调节主要是用来补偿燃耗以及氙毒引起的一系列长期的反应性变化。

4 结语

目前，AP1000压水堆尚无运行经验，其实际应用情况、发展形势以及最新技术应用都有不确定的因素，尽管AP1000的设计允许负荷跟踪，仍建议AP1000机组能够带基本负荷运行，少量参与负荷跟踪。AP1000的功率控制自动化程度较以往模式大幅度提高，同时对堆芯设计及装料也提出了更高的要求。随着技术的更新和经验的不断积累，运行人员也将会更加从容的应对在运行过程中出现的各种问题。

参考文献

[1] 张小东，刘琳.AP1000反应堆控制系统特点分析[J].核动力工程，2011（4）：62-65.

[2] 沈如刚.广东核电机组设计运行特性及其运行模式[J].中国电力，1994（1）：29-34.

[3] 张建民.核反应堆控制[M].北京：原子能出版社，2009.