AP1000 控制棒交换逻辑及特点分析

陈绍文

中核集团三门核电有限公司 浙江三门 317112

AP1000 采用机械补偿控制策略（MSHIM）来控制反应堆运行期间堆芯反应性的变化，这就要求在带基本负荷运行期间，都必须有控制棒始终位于堆芯中，以在需要时提供所需的反应性补偿，而不用改变反应堆冷却剂中的硼浓度。这些位于堆芯中的控制棒会消耗得更快并产生局部燃耗阴影，如果放任不管，将会导致控制棒消耗不均匀，影响控制棒的寿命；另外，燃耗阴影也会导致径向峰值功率因子超出安全分析的假设，引起安全裕度下降。根据AP1000控制棒在堆芯的分布方式，控制棒中的MA 和MD 两个子组、MB和MC 两个子组到反应堆堆芯中心的径向距离基本相等，它们所在位置的中子通量分布也相似，可以进行交换。因此，在反应堆带基本负荷运行的情况下，周期性的交换位于堆芯内的MA、MB、MC、MD 控制棒，能够均匀控制棒的消耗和磨损，同时也能消除控制棒长期插入导致的燃料阴影，展平径向功率分布[1]。

1 AP1000 控制的分类和棒序

1.1 控制棒的分类

AP1000 控制棒按照功能分为调节棒组和停堆棒组，其中调节棒组又分为M 棒组和AO 棒组。M 棒组中的MA、MB、MC、MD四个子组的材料为钨，价值较低，称为“灰棒”；M1 和M2 两个子组的材料为银-铟-铬合金，价值较高，称为“黑棒”；AO 棒组和停堆棒组的材料均为银-铟-铬合金，即“黑棒”。设计上，M 棒组主要用于调节反应堆功率和平均温度的变化，AO 棒组主要用于控制堆芯轴向偏移，停堆棒组用于确保反应堆停堆所必须的负反应性。在控制棒交换期间，M 棒组会被置于手动，此时需要通过AO 棒组来控制一回路冷却剂的平均温度。

1.2 控制棒的棒序

AP1000 的调节棒组设置了两种控制棒的插入/提升棒序，用二进制代码SEQ 表示。当SEQ=1 时，控制棒的插入顺序为MA、MB、MC、MD、M1、M2，即在满足叠步的前提下，先插入MA棒组，当MA 棒组插到一定深度后再插入MB 棒组，依此类推。当SEQ=0 时，插入顺序为MD、MC、MB、MA、M1、M2，即在满足叠步的前提下，先插入MD 棒组，当MD 棒组差到一定深度后再插入MC 棒组，依此类推。由于M1 和M2 棒组价值较大，插入堆芯时，对堆芯的功率分布影响较大，因此无论是哪种棒序，M1和M2 棒组都最后插入堆芯。

2 控制棒交换逻辑

AP1000 设置了专门的交换逻辑系统（ELS）来完成控制棒插入顺序的交换。针对不同的运行工况，设计了两种不同的控制棒交换逻辑（CREL）方案：CASE1 和CASE2。当灰棒在堆芯处于同一轴向高度时，使用CASE1 逻辑进行交换。CASE1 方案主要用于停堆工况，所有控制棒均插入堆芯；或功率运行期间，所有控制棒均提出堆芯的情况。当灰棒在堆芯中处于不同轴向位置时，使用CASE2 方案来交换控制棒的插入顺序。反应堆在功率运行期间，绝大部分时间都使用CASE2 方案来进行控制棒交换。一旦激活交换逻辑系统，CREL 将根据初始的灰棒棒位，自动决定是执行CASE1 方案，还是执行CASE2 方案。控制棒交换的整体逻辑如图1 所示：

2.1 CASE1 交换逻辑

对于CASE1 交换，只要判断所有的控制棒均在同一轴向高度，即可执行。CASE1 控制棒交换逻辑只是交换控制棒的插入顺序，不移动控制棒，整个交换过程只需数分钟，即如果当前的插入顺序为SEQ1，则交换之后的插入顺序变为SEQ0，相反则变为SEQ1。其交换的大致过程为：

向操纵员显示当前M 棒组插入顺序和新的M 棒组插入顺序。

在获得操纵员“确认”之后，CREL 将M 棒组和AO 棒组置于“手动”并写入新的控制棒插入顺序。

控制棒交换完成后，向操纵员显示新的M 棒组插入顺序。

在操纵员“确认”之后，CREL 自动复位CASE1 交换控制器，禁止CREL 与棒控系统之间的信息传递，控制棒交换完成。最后，操纵员将M 棒组和AO 棒组重新置于要求的状态。

2.2 CASE2 交换逻辑

CASE2 交换时，由于控制棒处于堆芯的不同高度，在交换过程中需要控制棒的真实动作。为了降低控制棒移动过程中对堆芯反应性的影响，控制棒需要成对进行交换，即MA 棒组和MD 棒组进行交换（A →D），MB 棒组和MC 棒组进行交换（B →C）。控制棒的反应性价值与控制棒在堆芯中的位置、运行历史等因素有关，虽然设计上“成对”控制棒组的积分价值差别不大，但随着运行时间的不同，会导致两组控制棒的积分价值差别不断增大。控制棒在移动的过程中会对反应堆冷却剂的平均温度（Tavg）产生影响，如果温度偏差超过预定的范围，就需要进行调节。另外，灰棒的材料并不全是钨，它的底部有一段由不锈钢制成；不锈钢的反应性价值比钨要小很多，这就导致不锈钢部分在堆芯内移动时，对反应性的影响很小。上面这些因素相结合，导致CASE2 的控制棒交换逻辑较复杂，整个过程大约需要30 分钟。其大致过程为：

判断允许条件满足：M 棒组不在同一堆芯轴向高度、Tavg 处于稳定状态、AO 棒组和M 棒组无动作命令、AO 棒组位于正常运行带范围内。

向操纵员显示：M 棒组当前插入顺序和交换后的插入顺序、需要交换的灰棒组件（MA 和MD 先交换，MB 和MC 后交换）。

操纵员“确认”之后，执行MA 和MD 棒组交换：先确认插入更深的棒组，如果SEQ=1，则MA 棒组插入更深，否则MD 棒组插入更深。

确认MA 和MD 棒组的不锈钢部是否完全插入堆芯：如果MA和MD 棒组的不锈钢部分均完全插入堆芯，那么可以同时向相反的方向移动MA 棒组和MD 棒组，直到它们要求的位置。如果MA棒组的不锈钢部分完全插入堆芯，而MD 棒组的不锈钢部分未完全插入堆芯，则先将MD 棒组的不锈钢部分完全插入堆芯，然后再同时向相反的方向移动MA 棒组和MD 棒组，直到它们要求的位置，反之亦然[2]。

如果MA 棒组和MD 棒组移动过程中，Tavg 的变化超过预定的范围，则暂停MA 和MD 棒组移动，直到AO 棒组自动将Tavg恢复到控制带内。

表1 CASE1 和CASE2 交换方式对比

MA 棒组和MD 棒组移动到最终位置后，向操纵员显示：MA和MD 的初始棒位和最终棒位，操纵员“确认”后，继续进行MB和MC 棒组交换。

MB 和MC 棒组交换之前，先判断两个棒组是否在同一轴向位置，如果在同一轴向位置，则直接向操纵员显示：MB 和MC 的初始棒位和最终棒位，操纵员“确认”后，控制棒交换完成。

如果MB 和MC 不在同一轴向位置，则先判断谁插入更深：如果SEQ=1，则MB 棒组插入更深，否则MC 棒组插入更深。

确认MB 和MC 棒组的不锈钢部是否完全插入堆芯：如果MB和MC 棒组的不锈钢部分均完全插入堆芯，那么可以同时向相反的方向移动MB 棒组和MC 棒组，直到它们要求的位置。如果MB棒组的不锈钢部分完全插入堆芯，而MC 棒组的不锈钢部分未完全插入堆芯，则先将MC 棒组的不锈钢部分完全插入堆芯，然后再同时向相反的方向移动MB 棒组和MC 棒组，直到它们要求的位置，反之亦然。

如果MB 棒组和MC 棒组移动过程中，Tavg 的变化超过预定的范围，则暂停MB 和MC 棒组移动，直到AO 棒组自动将Tavg恢复到控制带内。

MB 棒组和MC 棒组移动到要求位置后，向操纵员显示：MB和MC 的初始棒位和最终棒位，操纵员“确认”后，将AO 棒组置于手动状态。然后向操纵员显示：初始和交换后的控制棒插入顺序、初始和交换后的需求棒位，操纵员“确认”后，CREL 自动复位CASE2 交换控制器，禁止CREL 与棒控系统之间的信息传递，控制棒交换完成。

最后，操纵员将M 棒组和AO 棒组重新置于要求的状态。

2.3 CASE1 交换方式与CASE2 交换方式对运行的影响

CASE1 和CASE2 交换方式的对比如表1 所示：通过对比可以看出，CASE1 交换方式不需要移动控制棒，逻辑简单，耗时较短，对运行的影响可以忽略，是进行控制棒交换的首选。CASE2 交换方式耗时较长，需要控制棒移动，交换期间会对堆芯的反应性产生影响，且交换期间遇到CREL 控制器故障、系统或部件故障导致需要降功率、电网甩负荷、棒控系统故障等事件的概率也较大，需要操纵员根据不同的的情况采取适当的应对措施，因此对运行的影响较大。为维持燃料组件的燃耗阴影小于要求值，灰棒一般要求3个月左右就交换一次，此时，控制棒通常位于堆芯不同的轴向高度，所以在反应堆运行的大部分时间里，都需要使用CASE2 交换方式进行控制棒交换，给反应堆的安全、稳定运行带来了一定的挑战[3]。

3 控制棒交换逻辑系统特点

不同于一般压水堆核电站，控制棒交换是AP1000 独有设计，由AP1000 特有的机械补偿控制策略（MSHIM）所决定，该系统有如下特点：

自动化程度较高：具有在获得操纵员确认后，能够自动选择交换方式、判断插入顺序、执行棒位互换、切换新的插入顺序，并在交换过程中自动控制一回路平均温度，并可以自动应对小范围的甩负荷。

涉及的硬件设备较少：涉及设备只有交换逻辑柜和一些外部接口，逻辑柜一用一备，可靠性高。

信号处理方式简单：Tavg、核功率、温度控制偏差等输入信号直接来自反应堆功率控制系统等的现成数据，不需要复杂计算。

操纵员参与程度较高：存在大量人机对话，便于操纵员了解交换过程，出现瞬态或异常时及时采取措施进行响应。

控制棒交换期间，交换逻辑控制器取代反应堆功率控制系统来控制一回路平均温度，给机组的安全、稳定运行带来了一定挑战[4]。

4 结语

控制棒交换是AP1000 采用机械补偿控制策略的直接结果，是AP1000 特有的控制运行方式。机组商运后，通过实践证明，控制棒交换逻辑的设计能够满足机组运行的需要，控制棒交换能够自动完成，期间未遇到大的机组瞬态。但由于CASE2交换方式耗时较长，遇到故障的概率较大，不能掉以轻心，需要提前做好应对，才能保证机组安全、稳定运行。