WWER-1000反应堆APP工作棒组的选取及其氙瞬态过程

2018-01-09沈曙光杨晓强

核安全 2017年3期

奚坤,沈曙光,杨晓强,郭俊

(1.核动力运行研究所,武汉 430000;2.江苏核电有限公司,连云港 222002)

国内大部分二代核电机组都具备一定的负荷跟踪能力,但一般不单独设置快速降功率系统,然而WWER-1000核电机组设置有快速预保护系统 (Accelerated Previous Protect,简称APP)。三代堆EPR和AP1000设有快速降功率系统,AP1000的快速降功率系统可以确保汽机在大的甩负荷情况下匹配一、二回路功率,避免不必要的停堆[1-5]。华龙一号在设计时也考虑了快速降功率系统。

WWER-1000核电机组的快速降功率系统设置在反应堆降功率及限功率系统中[6-7]。反应堆降功率及限功率系统中,从两个方向对功率进行了限制。一是根据允许功率限制反应堆功率,在此方向上,当二回路跳机或失去并网信号时,触发APP动作;二是根据蒸汽发生器给水流量限制反应堆功率,当进入蒸汽发生器的主给水总流量大幅度减少,与当前反应堆功率不匹配时,如果不匹配程度较大 (已触发PP1,汽水失配量小于-28%,核功率不小于73%),将触发APP动作。

在触发快速预保护后,APP棒组断电,以落棒的速度插入堆芯 (0.5s-4s内),保证堆芯核功率下降到800MW—2100MW区间内,然后调整第10组控制棒,将堆芯功率稳定在40%额定功率。然而,如何选取快速预保护的工作棒组则需要通过计算来确定,本文介绍了WWER-1000机组的APP工作棒组的选取方法,并以田湾3号机组首循环为例,进行了模拟计算。

1 WWER-1000堆芯特点

WWER-1000反应堆堆芯由163个设计相同但燃料富集度不同的燃料组件组成。棒束控制组件由驱动装置移动,安装在一部分燃料组件中。为补偿过剩反应性,在部分燃料组件中带有可燃吸收体一体化的钆棒燃料棒。首循环堆芯布置163个新燃料组件,采用高泄露的装载方案。

WWER-1000机组堆芯内布置有103束控制棒,用于反应堆的启动、快速停堆、功率调节、展平轴向功率分布以及防止、抑制氙振荡。将103束控制组分为10组,如图1所示。第8-10组控制棒称为调节棒组 (第10组是主调节棒组),是反应堆功率控制器的执行机构,主要用于调节、稳定反应堆功率或者主蒸汽集管压力;另外,还是反应堆功率限制以及反应堆一类预保护的工作棒组,用于限制和降低反应堆功率。第1-7组控制棒称为停堆棒组,用于实现紧急停堆,其中根据每循环的装载方案,通过计算选取控制棒作为快速预保护的工作棒组。

图1 堆芯控制棒布置Fig.1 Control rods configuration

2 APP工作棒组的选取

WWER-1000机组快速降功率系统工作包含如下步骤:

(1)触发APP棒组断电,落入堆芯;

(2)堆芯核功率迅速降低;

(3)调节工作棒组,使堆芯功率稳定在40%。

本节通过模拟APP的工作过程,以田湾核电站3号机首循环的寿期初 (begging of life,简称BOL),寿期中 (middle of life,简称MOL),寿期末 (end of life,简称EOL)三个燃耗点为例,介绍APP棒组的选取过程。

2.1 控制棒组合

APP棒组从停堆棒组中选取。12束控制棒的价值过大,落入堆芯后可能会造成堆芯功率过低或直接跳堆,3束控制棒价值过小,不能达到降功率的需求,而且考虑到WWER-1000反应堆堆芯具有1/6旋转对称特性,因此选择6束控制棒作为APP棒组较为合适。基于此,对每组控制棒按照在堆芯的1/6旋转对称分为两个子组对落棒后的状态进行模拟,其中n-1组为靠近堆芯外侧的控制棒,n-2组为靠近堆芯内侧的控制棒 (n为停堆棒组的编号)。模拟的控制棒组合见表1。

表1 控制棒分组Table 1 Control rods group

2.2 落棒后堆芯核功率

APP棒组落棒后,快速引入负反应性,堆芯核功率迅速下降。由于落棒速度在0.5s-4s内完成,在该过程中,堆芯钐毒、氙毒、硼浓度及冷却剂入口温度来不及变化,因此保持和上一状态一致;而堆芯核功率变化迅速,在该过程中很快能达到平衡,因此用功率来搜索临界。

表2 落棒后堆芯状态参数Table 2 Reactor parameters after rods drop

计算结果见表2,满足落棒后核功率在800MW—2100MW要求的控制棒组合有1-1,2-1,4-1,5-1,6-1,1-2,2-2,3-2,4-2,5-2,6-2,7-2共12种。

表2中的燃料棒功率峰因子 (peaking factor of fuel rod power distribution,简称Kr),可以表征燃料组件中功率的分布;燃料组件功率峰因子 (peaking factor of assembly power distribution,简称Kq),可以表征堆芯内径向功率分布;表3中的燃料棒局部线功率密度 (Value of local linear thermal power,简称Ql,单位为 W·cm-1)。APP棒组的选取,需要从三个角度进行考虑:

(1)满足功率需求;

(2)APP插入堆芯后,会造成堆内功率分布畸变,需要确保功率分布变化在安全范围内,即Kr和Ql满足限制要求;

(3)在满足前两个条件的基础上,综合考虑各个燃耗,选择对堆芯扰动尽量小的控制棒组合。

表3 稳定后堆芯状态参数Table 3 Stable reactor parameters

根据电站核设计报告中规定,落棒后稳定状态Kr限值为1.6,Ql限值为265W·cm-1。2-1、3-1、4-1和5-1四种组合Kr超限;Ql均未超限。因此满足前两条要求的控制棒组合有1-1、6-1、1-2、2-2、3-2、4-2、5-2、6-2、7-2共9种。考虑到寿期末,堆芯容易由于功率分布不均匀产生振荡,因此选取在寿期末插棒后和稳定后功率分布最均匀的棒组。由表2和表3可知,6-1棒组在落棒后和稳定后Kr和Kq值均最小。因此,最终选取6-1棒组作为APP工作棒组。

2.3 稳定核功率

触发APP落棒后堆芯功率下降,下一步的动作是将调节工作棒组,将堆芯核功率稳定在40%。

表4 APP工作过程中堆芯参数Table 4 Reactor parameters through APP action

表4给出了以6-1控制棒组合为APP工作棒组,堆芯初始状态,APP棒组落棒后以及稳定后堆芯状态参数。

3 APP棒组落棒后堆芯氙瞬态过程

在APP棒组落棒后,堆芯核功率和堆芯功率分布都发生变化,将引起氙毒的变化,进而导致功率在空间分布上的振荡[8-14]。该过程中通过调整硼浓度来保持临界,模拟BOL、MOL和EOL三个燃耗点100 h氙瞬态来计算堆芯的功率分布。

3.1 硼浓度的变化

硼浓度的计算结果如图2所示。寿期初和寿期中在氙瞬态初期 (0-5 h内),氙毒由于功率下降,堆芯中子通量密度减小,导致氙毒通过吸收中子衰变较少,氙毒累积,通过稀释减少硼浓度,保证堆芯临界;寿期末理论硼浓度已经为0,在氙毒累积的阶段已经不能通过稀释来保证临界,并且单独抽出APP棒组和降功率已不能补偿氙毒,并且降功率还会导致更大的氙毒峰值,导致停堆。此时可以通过抽出APP棒组和调节工作棒组来提供所需反应性,以防堆芯掉入碘坑而停堆,影响后面可能需要的延伸运行。

在氙瞬态中期 (5-30 h),氙毒处于下降阶段,由于堆芯裂变产生的135I减少,而且135Xe逐渐通过吸收中子衰变成136Cs,因此氙毒价值逐渐减小,引入正反应性,可以通过硼化来引入负反应性保证临界。

在氙瞬态后期 (30h-100 h),对比BOL,MOL和EOL三个燃耗点,可以发现,在寿期初氙毒在5h峰值后逐渐减小后,就趋于稳定,后续基本不需调节硼浓度。寿期中和寿期末仍然不能达到稳定,产生了振荡,并且寿期末的振荡幅度更大,这与随着燃耗加深,堆芯内裂变产物的积累有关。

图2 硼浓度随时间变化Fig.2 Boron concentration with time

3.2 堆芯径向功率分布的变化

氙瞬态期间的Kq计算结果如图3所示,可以发现氙毒对径向功率分布较小,影响不大,这是由于堆芯径向横截面尺寸较小,不容易产生氙毒的振荡。

图3 Kq随时间变化Fig.3 Kq with time

3.3 堆芯轴向功率分布的变化

氙瞬态期间的轴向功率偏差 (axial offset of power distribution,简称AO)和体积功率峰因子 (peaking factor of volume power distribution,简称Kv,可表征堆芯三维功率分布),计算结果如图4和图5所示。可以发现,三个燃耗点之间的差异很大,寿期初,AO和Kv经过一个振荡后基本区域稳定,而寿期中和寿期末则在100 h内达不到稳定,并且寿期中的振荡幅度在减弱,而寿期末在后期振荡仍然剧烈。这与裂变产物随燃耗而积累的原因有关。