CANDU6整体功率异常下降后液体区域控制系统的响应

吴 双

(中核核电运行管理有限公司运行五处，浙江 海盐314300）

1 核反应堆功率控制原理简介

在反应堆中，当作为燃料的铀-235原子核吸收一个中子后，有一定概率裂变产生两个或多个新的原子核（裂变碎片），并产生2~3个中子。裂变碎片和原铀核间亏损的质量转变成能量，新产生的中子可能导致其他铀-235原子核裂变，使参加反应的铀-235越来越多，产生的能量越来越多。但实际上，一个铀-235原子核吸收一个中子后只有一定概率发生裂变反应，这个概率称为“微观裂变截面”，其大小和中子的能量密切相关，高能的快中子与铀-235核间的微观裂变截面低于低能的热中子。此外，新产生的中子在被下一个铀核吸收前，可能因为从反应堆泄漏，或者被堆内其他材料吸收而损失。因此，在发生链式反应的反应堆内部，其中子数量并不一定一直增加。反应堆内新产生的中子数量与上一代中子数量之比称为反应堆的有效增殖因子Keff。

反应堆设计者采取了各种方法，控制反应堆内中子的数量以及增减，确保反应堆功率能够按照预期升降或保持。例如，选用特定的材料（慢化剂），将裂变产生的快中子慢化成热中子，提高铀-235发生裂变反应的概率；在堆内布置可以控制的中子吸收体（反应性控制机构）吸收中子，控制堆内中子数量。

当Keff=1时，反应堆内的中子数量保持稳定，反应堆功率稳定，此时反应堆处于临界状态。如果Keff偏离1，称之为引入了正反应性或负反应性，此时，反应堆超临界（Keff>1）或次临界（Keff<1），反应堆功率随之上升或下降。反应堆整体功率控制的方式，就是通过调节反应性控制机构所提供的反应性的量，补偿各种因素导致的反应性变化，保证Keff=1，维持反应堆临界，从而控制反应堆功率的稳定；或者根据需要，按照规定的速率向反应堆内引入正或负的反应性，从而按照选定的速率提升或降低反应堆功率。

2 CANDU 6反应堆功率控制的方式

CANDU6反应堆由加拿大CE公司设计，其特点是采用重水作为慢化剂慢化中子。由于重水对中子的吸收能力低于轻水，使中子“损失”减少，故CANDU6可以使用低丰度的天然铀作为燃料。在CANDU6中，轻水被视为中子的吸收体用作反应性控制机构。通过调节堆芯中轻水的量，就可控制被吸收的中子数量，达到控制反应堆功率的目的。

3 液体区域控制系统

CANDU6堆芯被划分为14个区域（见图1），每个区域布置有一个内含轻水的液体区域控制单元（Zone Control Unit，ZCU）。通过改变ZCU内的轻水水位而改变中子吸收的量。CANDU6可以同时改变14个ZCU的水位来调节反应堆总体功率，也可以单独改变某个控制单元的水位来进行区域功率调节。

图1 CANDU6的液体区域控制单元（ZCU）

图2是一个ZCU的示意图，虚线为轻水的流向。轻水由供水泵，经液位控制阀 （Level Control Valve，LCV）进入ZCU，然后返回延迟箱TK2形成循环回路。由于ZCU的气空间与延迟箱之间的氦气压差恒定，因此，各个ZCU排水流量为一恒定值。当单元内轻水水位稳定时，进水量和排水量一致，此时该单元LCV的开度称为BIAS开度。如果需要降低某个区域的功率，则需要提升该区域的轻水水位以吸收更多的中子，此时，只需使该区的LCV开度大于BIAS开度，进水流量大于排水流量即可，反之亦然。显然，在反应堆功率稳定时，液区的液位也保持稳定，此时阀门开度保持在BIAS开度。液区液位上升或下降的速率取决于LCV实际开度偏离BIAS的程度。

图2 液体区域控制单元控制示意图

4 液体区域控制单元液位控制阀要求开度的算法

ZCU的液位控制阀由运行在电厂数字控制计算机（Digital Control Computer，DCC）上的反应堆调节系统程序（Reactor Regulating System，RRS）控制。RRS每2 s为一个程序周期计算第i区（i=1,2,…，14）LCV阀门要求开度LIFi，将计算值转换为电压信号发送到现场，并通过IP转换器转换成气信号，控制阀门的实际开度。

RRS计算LCV阀门要求开度LIF i的算法如下：

LIFi=（BIASi+RLIFi）×FFACi

BIASi对应的i区阀门的偏置开度BIAS；FFACi为i区阀门的开度限制因子；RLIFi为各阀门相对偏置开度BIAS的开度。

正常运行期间，RLIFi=BLIF+DLIFi。DLIFi为单区阀门偏置开度，用于控制各个区域功率和液位；其中BLIF即为整体功率偏置开度，同时作用于14个LCV，用于整体功率控制，BLIF=16EP。它取决于RRS得到当前反应堆实际对数功率PLOG与当前程序周期的功率设定值PDLOG之差，称为有效功率偏差EP。

RI-RD是实际功率变化率和要求变化率之差，作为EP的微分项。如果忽略微分项，对于整体功率控制，LCV要求开度公式可以简化成：LIFi=BIASi+16EP。

当反应堆功率稳定在设定值时，PLOG=PDLOG，EP=0，此时LCV保持在BIAS开度，液区液位保持稳定。

当反应堆引入某种负反应性，导致功率下降低于设定值时，EP为负数，此时LCV阀门开度小于BIAS开度，液区液位下降，引入的正反应性大于先前引入的负反应性，此时Keff>1，反应堆超临界，功率回升，直到达到功率设定值，LCV阀门再次回到BIAS开度，液区水位在一个较低的值恢复稳定。此时液区水位减少引入的正反应性等于先前引入的负反应性（忽略期间其它反应性的变化），两者抵消，反应堆重新临界。

如果操纵员给RRS一个新的目标功率PRA和要求功率变化的速率RA，则RRS会根据PRA和PA，按照一定的速率改变PDLOG值，使得PDLOG最终等于PRA，这样反应堆实际功率PLOG也会在液体区域控制系统的控制下，跟随PDLOG按照规定的速率达到PRA。如果在功率变化期间，操纵员想要停止功率变化，则只需要按下HOLD按键，此时RRS进行部分初始化，使得PRA=PDLOG，要求功率变化率清零，则PDLOG停止变化，PLOG也随之停止变化。

5 CANDU 6整体功率下降后液体区域控制系统的响应

功率运行期间，LZC会自动控制堆内各ZCU的液位，补偿由于各种原因引入的正负反应性，维持反应性平衡，确保反应堆临界。但是，一旦引入的负反应性的总量或者速率超过LZC的补偿能力，例如，中子毒物（硼或钆）大量进入慢化剂，而后续的其他反应性补偿方式又没有及时投入，则反应堆次临界，堆功率不受控下降。分析这类工况下液体区域控制系统的行为以及反应堆的响应，对判断CANDU6反应堆在异常工况下是否安全和稳定有着重要的意义。

为方便分析和描述，我们先将LCV开度的算法进行简化，忽略RRS的其他保护和限制，假设EP=PLOGPDLOG，此时，LIFi=BIASi+16（PLOG-PDLOG）。

我们先设想一种极端情况：反应堆先前稳定运行于100%FP，PLOG=0 Decade，PDLOG=0 Decade，RI=0 Decade/s，RD=0 Decade/s。此时反应堆快速引入一个异常的负反应性，导致反应堆功率迅速阶跃下降至PLOG=-2 Decade，然后随着LZC系统的调节补偿，整体功率停止下降。在下一个程序周期，PDLOG由于没有输入降功率的目标功率、速率，仍然等于0 Decade，则此时有效功率偏差：EP=（PLOG-PDLOG）=（-2-0）=-2（Decade），LZC阀门相对于偏置开度的开度BLIF=16×EP=16（-2）=-32，LCV的最终开度LIFi为0.5-32，即全关（LIFi取值范围为0~1），液区单元液位迅速下降，从而引入正反应性，使得反应堆超临界，反应堆功率开始回升， 直至PLOG=PDLOG=0 Decade，EP=0，LCV开度重返BIAS，液区水位稳定。很显然，这种响应是不合适的，因为：（1）正常情况下RRS通过控制PDLOG的增长速率，限制EP，以控制实际功率PLOG的上升速率。但在上述例子中，PLOG的异常下降而PDLOG不变，直接使得EP急剧减小，RRS升功率的速率完全取决于EP。当PLOG下降很多，导致EP负的程度过多，LCV阀保持全关，各ZCU区域可能长期处于排空或最低液位状态，从而失去了对堆功率的控制，反应堆升功率的速率远超过正常情况下的最大速率。更重要的是，在反应堆功率PLOG自动回升期间，操纵员即使按下HOLD键，只能进行部分初始化，即令PRA=PDLOG，RD=0，但是不能改变PLOG和PDLOG，也就是不能改变EP，因此，无法阻止反应堆功率的上升。

（2）当整体功率异常下降至-2Decade后，反应堆功率自行返回至100%FP（0Decade）。反应堆如此高速率、高幅度的功率波动显然不安全。尤其是在反应堆存在异常的情况下迅速重返满功率。

由此可见，为了防止LCV开度过小而在短期内引入太多的正反应性，EP的负值大小必须限制，即PDLOG与PLOG之差不能太大。因此，RRS中加入了限制逻辑，PDLOG仅能在PLOG上方的一个限制值：PDLOG限制值=PLOG+0.0212/KB，其中，KB=1.68+1.14PLOG，并限制在0.2和1之间。

如果PDLOG不超过上面计算的目标值，则保持PDLOG不变，否则把计算的目标值作为PDLOG。如果PDLOG超过0.00647，即101.5%FP，也把PDLOG限制在0.00647。

此外，在EP计算时，加入了KB以及微分环节KR（RI-RD）。其中，微分增益KR=0.5，目标对数功率RD=ΔPR/0.5。当反应堆功率出现控制之外的增长率时，微分环节将限制EP减小的程度。

在加入此逻辑后，如果PLOG下降过多，PDLOG将限制在PLOG+0.0212/KB，忽略微分环节，则

EP=KB×[PLOG-PLOG-0.0212/KB]=-0.0212（Decade），即EP的最小值限制为-0.0212Decade，LCV整体功率偏置开度为16×（-0.0212）=-0.3392， 总开度LIFi约为0.5-0.339 2=0.1608。在升功率过程中，EP正的微分环节可以进一步限制EP过负，实际的整体功率偏置开度负的程度还将进一步减小。

由此可见，当EP和PDLOG的值受到当前PLOG的限制时，一方面，防止在PLOG意外大幅瞬降时EP过负，从而引入过多的正反应性导致反应堆功率过快上升；另一方面，当PLOG下降后，RRS只允许堆功率回升至当前PLOG上方的一个限制值，这对于异常情况下的反应堆安全有着重要的意义。

6 操纵员的响应

反应堆整体功率异常下降后RRS自动提升反应堆功率属于正常响应，设计上已经限制该工况下功率回升的幅度和速率。此时，操纵员无法通过常规地按下HOLD键阻止功率上升，因此，需要加强在功率回升期间机组状态的监视。如果当时的工况不适合功率回升，操纵员需要稳定或降低反应堆功率，可以立即降低反应堆功率设定值，或者直接手动触发快速降功率（SETBACK）。这两种方式都可以降低PDLOG。当PLOG上升至新的PDLOG时，EP为0，功率将不再上升。

7 结论

如果CANDU6反应堆功率运行期间因异常原因快速引入总量在LZC补偿能力内的负反应性，反应堆功率将降低。随着LZC调节引入正反应性，反应堆重返临界，功率将停止下降。随后，RRS将自动提升反应堆功率至当前设定值PDLOG。这属于RRS正常的调节作用，是维持反应堆稳定功率运行的保证。为了防止高功率运行的反应堆功率突降时RRS以很快的速率自动提升反应堆功率以重返设定值，RRS将PDLOG限制在实际功率与上方的一个固定值，限制有效功率偏差EP，防止反应堆功率自行快速回升至初始的高功率。限制后PDLOG与PLOG的差值的最负值为-0.0212 Decade，即反应堆功率下降后RRS控制其自动回升的功率幅度最大不超过0.05倍当前功率，这种限制对于反应堆安全十分重要。功率回升期间，操纵员无法通过HOLD按键停止升功率，需要加强对机组状态的监视。如果必要，操纵员可以通过降低功率设定值，或者手动触发SETBACK等方式稳定或降低反应堆功率。