压水堆核电站轴向功率控制原理与方法

常晓露

（中核核电运行管理有限公司，浙江 海盐 314300）

0 引言

当前全球近70%的核电机组为压水堆型， 压水堆核能的利用不仅与堆芯燃料的装量及堆芯体积有关，堆内功率的分布也很大情况的制约着核能的输出， 同时堆内功率分布的控制也是保证核安全的前提。堆内功率分布可简单划分为径向功率分布与轴向功率分布，径向功率分布可通过多种措施展平， 而轴向功率分布在运行中受多种情况的影响较难控制，所以本文主要对压水堆轴向功率控制进行原理阐述同时探讨其控制方法。

1 压水堆轴向功率分布概念的引出

压水堆内热点对确定堆芯功率的输出量起着决定性的作用，任何一个部位的发热量均不能超过核热点，而反应堆中热点因子无法直接测量，所以引入了轴向功率偏移AO（%）与轴向功率偏差ΔI（%）的概念， 通过测量及控制轴向功率偏差ΔI 在规定的运行范围内，就可以避免反应堆内出现核热点，保证反应堆在一定的功率水平稳定的输出。

轴向功率偏移AO， 定义为堆芯上部功率Ph（%FP）与堆芯下部功率Pb（%FP）之差除以堆功率：AO=(Ph-Pb)/(Ph+Pb）， 而在堆芯总功率水平不同以及堆芯上部与下部功率不同的情况下，堆芯的机械应力以及热应力都不同， 所以只用轴向功率偏移AO 不能精确的反应燃料元件的机械与热应力水平，所以我们又引入了轴向功率偏差ΔI 的概念， 它能代表反应堆在不同的功率水平下堆芯内功率分布的不平衡状态：ΔI=(Ph-Pb)/Pn，其中Pn为额定堆功率。

在不同的运行工况下通过大量的实验和计算可以得出AO 和ΔI 的运行限值， 此限值为堆芯功率水平的函数，从而引出了反应堆运行梯形图。 在不同的功率水平下我们要尽量使堆芯功率分布保持稳定，以一个恒定的ΔIref作为目标控制反应堆运行，这个ΔIref就是轴向功率偏差参考值。在运行中我们通过不同手段将ΔI 控制在ΔIref±5%FP 范围内， 从而保证反应堆的安全稳定运行。

2 影响反应堆轴向功率分布的因素

2.1 控制棒的影响

控制棒不同的位置会对堆芯轴向功率分布产生影响，当控制棒上提时，ΔI 就向堆芯上部偏移，而当下插控制棒时，ΔI 就向堆芯下部偏移，控制棒干预ΔI的效果最快。

2.2 慢化剂温度的影响

压水堆采用水作为慢化剂及冷却剂， 在设计之初从安全的角度出发，将慢化剂的温度系数设为负，而负的慢化剂温度系数直接影响到了堆内轴向功率的分布。 从堆芯入口至出口，温度不断上升，入口的水冷，出口的水热。 仅考虑温度分布的影响，由于慢化剂温度系数为负，导致堆芯下部的功率大，上部的功率小。

2.3 燃耗的影响

由于堆芯内功率分布是不均匀的，所以燃耗也是不均匀的，功率高的区域燃耗大，功率低的区域反之。 寿期初整个堆芯轴向的燃耗是相同的，而由于堆芯下部功率高于上部，所以轴向功率分布偏向下部；到了寿期中，下部燃料消耗更多，下部功率下降，堆芯功率分布呈现出中间峰的特点；到寿期末堆芯上部燃耗相对较小，堆芯出现一个上部峰，而由于堆芯下部温度低，堆芯同时存在一个下部峰，整个堆芯功率分布呈现出一种双驼峰形状[1]。

3 反应堆轴向功率偏差控制方法的探讨

3.1 通过控制棒控制轴向功率偏差

以M310 压水堆核电机组为例，可以利用功率控制棒组（G 棒）与平均温度控制棒组（R 棒）来控制ΔI。G 棒组设计为迭步运行，G1、G2、N1、N2 棒组交替提升或下插以实现升降功率， 这就使ΔI 不至于产生过度的畸变。 R 棒一般控制在堆顶的调节带内运行。 在平时运行中或者是功率升降过程中， 当ΔI 相对于ΔIref 线偏正时，可以通过下插G 棒或R 棒使ΔI 向负的方向变化；同理，如果ΔI 相对于ΔIref 线偏负时，可以通过提升G 棒或R 棒使ΔI 向正的方向变化。

通过G 棒来控制ΔI 的方法需要考虑的是， 只有在通过G 棒跟随方式升降功率期间可以使用，因技术规范明确规定G 棒在24 小时内插入堆芯的时间限值为12 个小时， 当需要长时间低功率运行或机组通过稀释或硼化升降功率时不能使用G 棒进行ΔI 控制。同时G 棒在下插或上提过程中我们还需要考虑G 棒是在堆芯中平面以上还是中平面以下，以下插为例，G 棒在堆芯上半部分时， 棒下插轴向功率分布向堆芯下部偏移，G 棒在堆芯下半部分时，棒下插轴向功率分布向堆芯上部偏移，同样是下插，对ΔI 的作用是相反的。

通过R 棒来控制ΔI 需要考虑的问题是，R 棒的反应性价值更大，对ΔI 的影响也更大。同时R 棒在运行中需避免其下插到低限、低低限。 由于R 棒的调节带并不宽，同时R 棒还承担着一、二回路间平均温度偏差的调节功能，所以R 棒的调节裕度较小。

3.2 通过升降功率控制轴向功率偏差

反应堆功率的升降会使轴向功率分布发生变化，功率上升， 堆芯出口温度升高，ΔI 向负的方向发展。功率下降时反之。

4 反应堆轴向功率偏差控制的难点及改进

4.1 寿期末ΔI 控制的难点与优化策略

寿期末，ΔI 本身偏正， 如果进行降功率，ΔI 也产生向正向偏移的趋势，氙毒效应同样会加剧这种正向趋势，几种因素叠加，寿期末ΔI 的控制一直是压水堆核电站的控制难点。

寿期末降功率，在条件允许的情况下优先考虑G棒跟随方式，G 棒插入堆内总体上会使堆内功率向下偏移，同时使我们多了一种干预ΔI 的手段。

在降功率时提前做好准备，将R 棒提至调节带较高的位置，当降功率过程中ΔI 向正向发展时，我们能有充足的调节裕量。

在ΔI 向正向发展并逼近梯形图右限线时， 如果R 棒已无调节裕量时， 向电网申请提升一些功率，改变ΔI 的走势。

4.2 通过G 棒调节ΔI 时需注意的问题及改进措施

G 棒迭步的动作方式使其在ΔI 的控制过程中展现出两面性，尤其在寿期末，整个堆芯功率分布展现出了上下驼峰的形态， 这就使G 棒动作时给ΔI 的影响带来不确定性。比如，在驼峰以上插棒会使ΔI 产生负向发展趋势， 而驼峰以下插棒却会使ΔI 产生向正向发展的趋势。 所以在具体的用G 棒调节ΔI 的过程中容易使操作人员产生误判。

针对这种不确定性，我们可以通过LOCA 计算机观察堆芯轴向功率分布情况，结合当时的G 棒棒位判断此时G 棒动作时对ΔI 产生的影响， 或通过堆芯物理人员给出更具体的分析数据做出G 棒动作策略。

4.3 控制棒调节时机对ΔI 控制的影响及选择

ΔI 在运行中不仅会出现正负方向性的变化，而且其趋势发展也存在不同的速率。 在运行中ΔI 正负转换的时机以及变化速率的节点都是需要重点关注的。

实践中发现在ΔI 正负转换或速率变化时提前进行调节更有效，以降功率为例，如果ΔI 开始向正向发展，因为降功率过程中ΔI 势必是向正向发展，此时可以提前插棒， 这样会比ΔI 已正向发展一段时间后去干预更有效。同样，如ΔI 正向发展的过程中速率开始加快，我们可以提前进行插棒，这样做会比后期干预更有效。

同时我们还需要关注的一点是，无论是G 棒还是R 棒调节，连续动作两步或多步比一步一步的动作对于ΔI 的影响更明显。

5 结论

反应堆轴向功率偏差ΔI 的控制是反应堆运行人员的一个操作难点， 对ΔI 良好的控制可以保证堆芯燃料组件的热应力及机械应力在允许的范围内，如若失去控制就会产生严重的核安全风险。ΔI 的控制很复杂，与当时的功率水平，燃耗水平等各种因素相关，不同的工况下调节的方式都是不同的，但是我们从平时的操作中总结经验，不断探讨、不断挖掘，这样我们在具体的运行操作中就能做出更加合理、有效、安全的选择。