177堆芯控制棒方案改进研究

王晨琳 李天涯 刘同先 刘晓黎 陈亮 吉文浩 蒋朱敏

摘   要：随着经济发展形势的变化，核电厂运行面临频繁进行负荷跟踪的迫切需求。在177堆芯当前的控制棒方案下，负荷跟踪过程中需进行堆芯的硼化稀释操作，这将产生大量硼废水，增大电厂的运行成本，不利于环境保护。本文借鉴AP1000不调硼负荷跟踪的控制策略设计，对177堆芯控制棒方案进行棒束内及堆芯内的改进，重新评价选定重叠步策略，并基于这些改进后的方案进行不调硼负荷跟踪模拟计算，以评价方案效果。最终本文形成一套可支持不调硼负荷跟踪运行的控制棒方案。

关键词：负荷跟踪  控制棒方案  重叠步

中图分类号：TL323                                 文献标识码：A                        文章编号：1674-098X（2019）06（a）-0038-05

Abstract： The trends in economy development call for more frequent load follow operation of PWRs. Load follow with current control banks pattern of 177-fuel core need to change boron concentration in the core， which will produce a lot of waste boron water， which increases operation cost of the plant and has adverse effect on environment. Research on improvement of control banks pattern in the assembly and core is introduced. Overlap strategy is also researched to make better load follow performance. With all these improvements， load follow simulation can be conducted with boron concentration kept as constant.

Key Words： Load follow; Control banks pattern; Overlap

伴随我国经济发展的新形势，核电厂运行面临频繁参与电网调峰（即负荷跟踪）的迫切需求。

在本文所提的177堆芯类型的核电厂设计中，设置R棒组控制堆芯冷却剂平均温度，并进行堆芯轴向功率偏移（即AO）的调节，使之保持在运行带内;设置G、N棒组进行堆芯功率调节。在此种设计下，R棒组承担了两项堆芯参数的调控功能，控制功能不单一导致当堆芯AO超出运行带时，需调节堆芯硼浓度以便移动R棒进行AO调节，同时保证冷却剂平均温度在控制目标范围内。负荷跟踪过程中功率控制棒组频繁动作，导致堆芯AO与平均温度处于波动之中。在这样的控制棒设计下，为了保证AO与堆芯平均温度均在控制带内，需进行大量的堆芯硼化稀释操作，产生硼废水，增大电厂运行成本、不利于环境保护。

国内目前在运行的M310、CNP600类型的核电厂在控制棒功能设置方面也是类似的情况。

美国西屋电气公司所设计的AP1000型核电厂采用MSHIM运行策略[1]。该策略下对控制棒组的功能进行了划分，即设置AO棒组用于控制堆芯的轴向功率偏移（即AO），设置MSHIM棒组用于控制堆芯的冷却剂平均温度与功率。叠加控制棒组的材料、布置等方面的设计，可实现在短期的负荷跟踪过程中避免硼化稀释操作，本文将此特性称为“不调硼负荷跟踪”。

以177堆芯及AP1000堆芯为例，负荷跟踪过程中堆芯功率及硼浓度的变化情况见图 1。

可见，当前177堆芯的设计中，为了保证堆芯轴向功率形状、功率、冷却剂水温在控制目标内，负荷跟踪过程中硼浓度会出现幅度较大的变化（本示意模拟中硼浓度变化幅度在100ppm左右），需要操作员执行硼化、稀释操作并产生相应废水量。

基于以上情况，借鉴AP1000设计特点，本文在177堆芯電厂设计的基础上对控制棒设计进行优化，以使其可实现不调硼负荷跟踪。

1  假设

本文对控制棒设计改进有如下假设：

1）保持原设计中的控制棒束总数目不变;

2）改进后的方案仍可满足原设计的停堆裕量限值要求;

3）控制棒在组件内的插入位置不变，即使用AFA 3G类型燃料组件的导向管位置，见图 2中涂黑位置;

4）控制棒吸收体灰体材料使用不锈钢，黑体材料使用银铟镉;

5）限制棒组间的干涉效应[3]。

2  控制棒设计优化

2.1 棒束内布置优化

单束灰棒组件共布置24根吸收体。为了保证控制棒价值足够控制功率水平的变化，同时价值又不至于过大而导致功率畸变，单束灰棒组件中存在黑棒与灰棒的配比关系。为了保证控制棒插入后的功率分布对称性，灰棒与黑棒在单个控制棒束组件中满足对称原则。

在特定堆芯装载方案下，本文对不同配比关系下的灰棒束布置进行穷举优化。以8根黑棒+16根灰棒的情况为例，对此情况下可能的黑棒、灰棒在组件内的7种布置方式进行插棒价值与插棒功率峰因子计算，所得情况见表 1。

可见，当灰棒黑棒数目确定后，其不同布置方式带来的反应性差在20pcm以内，而功率峰因子方面则差异在0.02以内。

取其中插棒功率峰因子低且插棒价值大的布置方式（布置4）作为该配比关系下的优选灰棒束设计方案。

2.2 功能分组及堆芯内布置优化

2.2.1 功能分组

控制棒的功能分组方面，主要分为功率形状控制棒组、功率控制棒组、停堆棒组。

功率形状控制棒组用于控制堆芯轴向功率偏移，这要求棒组具有较大的价值，通过较小的控制棒移动实现有效的AO调节，即此棒组需为黑棒组，且位置靠近堆芯中心。停堆棒组需为黑棒组，以保证足够的停堆裕量，正常运行过程中不插入堆芯，仅在停堆时插入堆芯提供停堆所需次临界度，故其位置较为灵活，仅需尽量靠近堆芯内侧，不需考虑正常运行时与其他棒组的干涉。功率控制棒组在负荷跟踪过程中插入堆芯提供负反应性以控制堆芯功率水平及冷却剂入口水温，在升功率过程中按一定次序提出堆芯。考虑到负荷跟踪过程中功率分布的展平需求、反应性的平稳引入及升功率补偿功率亏损的需求，功率控制棒组需包含多个子组，部分子组为灰棒组，其余为黑棒组，并在棒组间设置重叠步。

2.2.2 控制棒干涉效应

针对控制棒组干涉效应，本文进行了如下试算：以中心棒组为例，单独插入该棒组查看相应的堆芯通量分布变化情况，所得插棒后快群、热群通量变化情况见表 2。

可见，插棒后堆芯中子通量分布产生了波动，棒束所在位置及紧邻的第一圈组件处中子通量水平降低，而第二圈组件到第四圈组件处中子通量水平升高，更外围处中子通量水平降低。由此可知，相同功能的控制棒组及存在同时插入堆芯关系的棒组之间应至少相隔1圈组件，以避免控制棒的吸收作用因干涉效应而被削弱，并位于第二到第四圈组件位置。

2.2.3 堆芯内布置优化

对于负荷跟踪相关的价值需求，由功率控制棒组（灰棒组）来实现，因其价值小，引起的功率分布畸变小。为了控制这些棒组的价值，灰棒组适宜尽量只采用4束一组的形式，即布置在坐标轴方向或45°方向。

反应堆首循环寿期初及近寿期末时，从满功率降至50%额定功率水平的负荷跟踪中，功率控制棒组需补偿的反应性分别为600pcm、1100pcm左右。从满功率降到较低功率水平后的负荷跟踪时限内，堆芯中的氙浓度逐渐增大，向堆芯内引入负反应性，与功率亏损之间有抵消效应，则功率控制棒组需补偿的反应性也有所降低。以4束8根黑棒的灰棒组为例，为了实现负荷跟踪的控制目标，需设置不少于16束灰棒束;为实现启动期间提棒升功率的控制目标，估算需设置不少于24束灰棒束或考虑其中部分棒束设为黑棒束以保证足够的反应性控制能力。

换棒操作需要在通量水平相当、位置相当的堆芯位置布置存在互换关系的控制棒组，并需满足棋盘状布置。结合坐标轴位置与45°角位置的要求，可布置的组合位置见图3。

其中，1号组合位置紧邻，干涉效应强;5号组合45°位置在最外围，不利于功率控制的目的;故这两种组合位置均不可用。若采用3號位置则存在45°方向的灰棒组间相互干涉，所以针对2号组合位置与4号组合位置进行4组灰棒组的布置。叠加换棒前后功率分布接近的考虑后，本文最终选定了灰棒组的布置位置，设为G1、G2、G3、G4棒组。

功率形状控制棒组的位置在灰棒组位置基础上确定，设为R棒组。

功率控制棒组中除上文确定的灰棒组之外，还需布置黑棒组，以保证升功率的能力，设为GA、GB棒组。考虑GA棒组可能用于较低功率水平的负荷跟踪，其棒束数目设为4。GB棒组则更多考虑在启动提棒升功率过程中被使用，且最先被提出，叠加堆芯停堆裕量的总体考虑，对于其布置位置，棒组价值的考虑多于功率展平的考虑。

对于停堆棒组，全部为黑棒束，按照棋盘布置补足69束，并尽量靠近堆芯内部。综合考虑后，本文最终使用的控制棒组布置位置见图 4。

在相同的堆芯装载方案基础上，使用优化后的控制棒布置进行了停堆裕量的计算，与原计算结果对比见表 3。

由上表可见，堆芯总控制棒束数目不变的情况下，由于设置的功率控制棒组中灰棒组增多，且单束灰棒中所使用的灰吸收体棒数目增多，致使停堆时控制棒引入的负反应性降低约500pcm，停堆裕量也有相应的降低。

2.3 功率控制棒组间重叠步优化

在特定的堆芯装载方案下，控制棒组棒束内布置及堆芯布置方案一经确定，功率控制棒组插入堆芯的初态和终态参数（AO、积分价值等）就已经最终确定。但重叠步的不同设定会影响控制棒插入堆芯过程中这些参数的波动情况。

本文根据灰棒组间不同的重叠高度设置多个重叠步策略，以研究不同策略下堆芯参数随控制棒插入的波动情况。通过对波动情况进行分析，选择适宜的重叠步参数。计算所尝试的部分重叠策略见表 4。

在这些策略下计算得到的AO及微分价值变化曲线见图5。可以看出，不同重叠步策略下，AO的波动幅度差异很大，当棒组间重叠高度较高时（策略1），AO的波动超过20%，而重叠高度较小时，AO波动在10%左右。重叠高度达到较低水平后，AO的波动幅度随重叠高度的变化有限，甚至有增大的趋势（见策略4、策略5）。棒组微分价值呈现相同的规律。基于以上分析，本文采用较为适宜的重叠策略4进行后续计算。

3  不调硼负荷跟踪模拟

基于以上优化参数，本文进行了96小时的典型的12-3-6-3不调硼负荷跟踪模拟计算，即堆芯在满功率下运行12小时，3小时内降功率至50%功率水平，并运行6小时，而后3小时内升至满功率，如此循环。负荷跟踪过程中堆芯功率、硼浓度、各棒组棒位、轴向功率偏差的变化情况见图 6。

从图中可知，本文所研究给出的控制棒设计优化方案可实现不调硼负荷跟踪，且控制参数均保持在目标范围内。

4  小结

本文对177堆芯的控制棒设计进行了棒束内与堆芯布置优化，及重叠步策略优化，并基于优化结果进行了不调硼负荷跟踪模拟计算分析。

分析结果显示：本文所设置的控制棒设计方案在保持控制棒总数目不变的情况下停堆裕量值有所降低，但仍可满足原设计中2800pcm的停堆裕量限值要求;改进后的设计可支持堆芯实现负荷跟踪运行过程中不调硼，避免原设计中硼浓度的较大幅度变化;改进设计后，控制棒组能有效控制堆芯功率，并保持轴向功率偏差在目标值的±3%以内。

需要说明的是在本文的模拟计算中各个改进项并未达到最优化组合，且未考虑事故工况下安全分析对控制棒组插入深度的限制。对此加以考虑后，控制棒组的设计会产生细节性的调整需求，但与本文所研究的方案间仍有统一性。

参考文献

[1] 周金满，刘同先，蒋朱敏等.先进压水堆核电厂运行模式设计思路研究[J].核动力工程，2015，S2.

[2] SCIENCE V2 NUCLEAR CODE PACKAGE – QUALIFICATION REPORT， Rev.A， NFPSD DC 89， FRAMATOME ANP， 2004.

[3] 谢仲生.核反应堆物理分析[M].西安：西安交通大学出版社，2008.211-217.