第三代先进压水堆控制棒交换分析

王国震

（中核辽宁核电有限公司，辽宁 兴城 125100）

1 控制棒交换原因

为了提高压水堆核电厂的负荷跟踪运行能力和减少废水产生量，第三代先进压水堆采取了特有的机械补偿反应性控制策略用于负荷跟踪运行。

为了保证负荷跟踪能力，第三代先进压水堆在正常功率运行期间需要始终保持部分控制棒插入在堆芯内，这与传统压水堆在正常功率运行期间控制棒基本完全处于堆顶产生了区别，这种运行方式所导致的一个问题就是长期插入堆芯内的控制棒会使附近的燃料产生过大的燃耗阴影，随着时间燃耗阴影会越来越大，严重影响堆芯功率分布，可能会导致局部功率峰值因子超出堆芯运行限值。所以需要通过控制棒交换逻辑控制器来定期交换灰棒的插入顺序。

2 控制棒布置和叠步顺序

第三代先进压水的控制棒组分为M棒组和AO棒组，M棒组又分为灰棒组和黑棒，其中灰棒组包括MA、MB、MC、MD棒组，黑棒组包括M1、M2棒组。M棒用于控制一回路冷却剂平均温度TAVG，AO棒用于控制堆芯轴向功率偏移△I。控制棒在堆芯内的布置有以下特征。

MA与 MD棒组对称，MB与MC棒组对称，M1、M2棒组和AO 棒组在堆芯内是均匀分布的。

所以根据上节所述的控制棒交换原因可以得出，控制棒的交换必然发生在MA与MD棒组之间，以及MB与MC棒组之间，即仅有灰棒组需要交换，而M1、M2和AO棒不需要进行交换。

为了减少负荷变化是对于功率分布的扰动和保证相对恒定的引入线性反应性，压水堆核电厂在插入或提出控制棒时都存在叠步。第三代先进压水堆为了配合控制棒交换，存在两种序列的叠步方式，以插入序列为例，第一种插入序列为 MA、MB、MC、MD、M1、M2，第二种插入序列为 MD、MC、MB、MA、M1、M2，灰棒组之间保持 181 步的距离，黑棒组与灰棒组以及黑棒组之间保持252步的距离。在满功率运行时，以序列1为例，通常MA处于150步的位置，MB、MC、MD都处于264步即堆顶的位置。

3 控制棒交换方案

完成控制棒组交换的优先方法是激活控制棒交换逻辑（CREL）功能。如果必要，CREL会重新调整控制棒的位置，并以重叠的方式颠倒控制棒的插入顺序，当控制棒在正确的位置，就会产生新的插入顺序，为下一次操作准备。如果CREL不可用，还可以实施手动控制棒交换操作。

CREL支持两种自动交换方案。

当灰棒组在堆芯处于同一轴向位置，使用“方案1”，可以简单的颠倒插入顺序。由于没有控制棒的实际移动，这种交换不会对反应性或者功率分布产生影响。但是对于正常功率运行，通常灰棒组都不处于同一轴向位置时，所以“方案1”不适用。“方案1”适用于反应堆停堆，所有灰棒组都插入到堆芯底部位置时，或者在手动交换控制棒时，所有灰棒组都提出到堆芯顶部位置时使用。

当灰棒组在堆芯处于不同轴向位置，使用“方案2”，颠倒插入顺序前首先要交换对应的灰棒组位置。“方案2”可以在满功率运行期间完成，由于在灰棒组位置交换过程中对应棒组的提出和插入同时动作，对反应性或者功率分布不会产生显著影响，这种交换在基本负荷运行期间完成。

一旦激活，CREL将根据初始的灰棒组棒位，自动决定是执行“方案 1”还是“方案 2”。

如果CREL的“方案2”交换逻辑有问题，可以使用手动控制棒交换。手动交换过程需要将AO棒置于手动控制，然后缓慢插入，直到所有灰棒组全部提出。AO棒插入使得灰棒组提出以维持TAVG的不变。这个过程要求临时解锁灰棒组自动提升限值。当所有灰棒组处于全提状态，就可以完成“方案1”，然后将AO棒手动提升，直到第一组新的灰棒插入到控制棒提出限值（RWL）以下，并且AFD恢复到控制死区范围内。此时，可以完全恢复自动运行。手动交换过程比“方案2”自动交换对堆芯的功率分布扰动更大。因为需要AO棒插入，使得AFD比当前的目标更负。一般自动的“方案2”交换不会使AO棒运动很多。因此，对于正常功率运行下的控制棒交换操作，自动的“方案2”是优先选择。

4 控制棒交换限制条件

对于正常功率运行下完成任何的控制棒交换，推荐的初始控制棒位是让第一组灰棒组在125步和150步之间，其他所有的灰棒组则完全提出。对于指定的初始灰棒组棒位，开始“方案2”交换前，为了保证在自动交换期间AO棒组有能力控制TAVG，AO棒组应该处于合适的位置。如果当前AO棒组不在可以维持TAVG的位置，则控制棒交换不能开始。推荐的AO棒初始位置的范围在165步和255步之间。

为了防止控制棒交换期间由于功率分布不均衡导致产生局部热点，要求控制棒移动来完成交换的首要条件是确认初始有足够的功率裕度（power margin），保证交换不会导致FQ和F△H超出限值。

如果没有足够的初始功率裕度，可以采取以下措施：

（1）如果第一组灰棒组处于125步以下，进行硼化，直到第一组棒组到达125步至150步的推荐位置。如果将灰棒组移动到理想初始位置，那么CREL要求的功率裕度就降低了，同时如果硼化后堆芯功率降低，也会改善交换前的初始功率裕度。通过硼化的方式建立了足够的功率裕量后，控制棒交换就可以正常进行。

（2）另一种方法是交换前降低堆芯的功率，建立要求的功率裕度。例如，如果要求10%的功率裕度来防止FQ超限，目前只有8%可用，为完成交换，需要降低2%的功率，建立要求的功率裕度工况。

5 控制棒交换动作过程

使用CREL完成“方案1”交换没有控制棒的移动，仅仅变换叠步顺序，不再叙述。

使用CREL完成“方案2”交换如下。

初始控制棒移动，交换MA和MD的位置。如果MB和MC没有完全提出或插入，这些棒组的位置也一起交换。移动完控制棒后，确定后续运行中的插入顺序。CREL的过程中包括暂停点，操纵员可以允许继续交换，或者确认完成结束交换。灰棒组在交换过程中，所有控制棒可以同时移动（例如，MA插入，MD提升）。但是，如果其中一组灰棒组初始位置的微分价值低，而其他组初始位置的微分价值高，程序也可以错开插入和提升的时机，从而更好的控制反应性。

即将插入的棒组会首先下插，直到所有棒组等于或低于228步。一旦达到此棒位，所有棒组都同时移动，直到提升棒组提升到最终目标位置。这种交换方式提供了更均匀的反应性响应，减少了移动AO棒修正TAVG的需求。

在“方案2”交换期间，灰棒组移动时，如果TAVG超过控制死区，灰棒就会临时停止移动，而调节AO棒位置控制TAVG，TAVG恢复到控制死区内后继续控制棒交换。但是在保证控制棒都处于推荐棒位的情况下，基本不需要AO棒调节TAVG。

［1］谢仲生.核反应堆物理分析[M].西安:西安交通大学出版社,2004.

［2］黄祖洽.核反应堆动力学基础[M].北京:北京大学出版社,2007.

［3］林诚格.非能动安全先进核电厂AP1000[M].北京:原子能出版社,2008.