320 MWe机组主汽门试验期间反应性计算

周忠政

（中核核电运行管理有限公司，浙江 嘉兴314300）

0 引言

为了在紧急事故时能迅速切断进入汽轮机的蒸汽流量，保证机组及堆芯安全，在反应堆功率运行期间，应每季进行一次主汽门试验以检查阀门有无卡涩。

320 MWe机组主汽门试验需要降功率至200 MWe功率平台附近，稳定运行4~6 h后，再升至满功率运行，试验过程中需要移动控制棒或调整冷却剂可溶硼浓度来补偿反应性变化。一直以来，320 MWe机组主汽门试验期间的反应性控制方案都交由设计院计算，电厂需要支付计算费用，影响了经济性；同时，文件往来时间成本高，且无法保证反应性控制方案计算的灵活性。本文利用ORIENT软件的计算功能，结合影响反应性的多个因素，实现主汽门试验期间的反应性控制方案的自主计算，并对计算结果进行分析。

1 计算过程

1.1 燃耗跟踪计算

320 MWe机组某燃料循环期间主汽门试验，反应堆以2 MWe/min速率降功率至196 MWe，并在196 MWe平台停留4 h，然后再以2 MWe/min速率升功率至满功率。

若要得到功率变动期间每一个燃耗点的堆芯物理参数，需要建立本循环装料至今的堆芯燃耗跟踪计算表。通过上循环的历史数据，得到所有回堆燃料组件的燃耗等信息，设置历史跟踪计算起点。从电站计算机数据中得到本循环的堆芯相对功率、燃耗和棒位等数据，如表1所示。表中P为相对功率，单位为满功率FP；B为燃耗值，单位为兆瓦天每吨铀MWD/tU，D为该状态点运行的时间长度，单位为天Day，与燃耗互斥，A1~T4为控制棒棒位，Export表示是否在该燃耗点状态进行库文件输出以作为自动化计算序列基础。

表1 堆芯燃耗跟踪计算表

将燃耗跟踪计算表作为输入，利用ORIENT系统对燃耗计算点进行临界硼浓度搜索，Keff=1.0为目标值，并且考虑氙燃耗、钐燃耗，可得到每个燃耗点的堆芯径向和轴向结果，如组件功率、轴向功率偏移、轴向功率峰因子等。

1.2 负荷跟踪计算

堆芯负荷变动时，反应性的计算需要考虑影响反应性变化的诸多因素，包括氙毒反应性、钐毒反应性、功率亏损、温度亏损、硼浓度变化和控制棒移动等。负荷跟踪计算主要是通过计算堆芯当前燃耗计算点与下一个燃耗计算点的反应性净变化量，考虑轴向功率偏差必须在参考值±5%FP内变化，不断调整控制棒棒位，使每个燃耗点处堆芯搜索达到新的临界状态，并得到临界硼浓度等堆芯物理参数。

建立负荷跟踪序列计算表，表格中主要包括堆芯相对功率，控制棒棒位和硼浓度变化量。为了增加计算的参考性，以每5 min一个燃耗点进行制表，功率变动结束后继续计算54 h的数据。根据电功率的升降速率和不同功率水平堆芯的效率，利用TREND函数可以得到理论的负荷变动流程（Pr列数据）。控制棒棒位和硼浓度变化量为互斥的量，因为要参考轴向功率偏差的变化，所以改变T4棒位更为直观，以T4棒位历史运行数据作为预输入值。如表2所示。

导入序列计算输入表到ORIENT中，并设置跟踪计算起始点为2.1节燃耗跟踪计算文件，即开始降功率时刻（0 min）的堆芯状态参数即是表1“堆芯燃耗跟踪计算表”最后一个计算点的数据。

利用ORIENT软件，对表2中每一点进行临界计算，算出有效增殖系数Keff=1状态下的平衡氙浓度，然后强制氙浓度为0，在相同计算条件下计算新的有效增殖系数Keff〃，根据Keff和Keff〃的偏差可以计算出该状态下的氙毒反应性。计算出表2中每一时刻135Xe浓度，根据最初状态点计算的135Xe浓度与氙毒反应性的对应系数，可以计算出之后每一计算点的氙毒反应性。计算得到的氙毒反应性随功率变化的趋势如图1所示。

表2 负荷跟踪序列计算输入表

图1 氙毒反应性随功率的变化

如果某计算点处得到的ΔI偏离轴向功率偏差参考值ΔIref（本次计算ΔIref=-1.45%FP）过多，需要对预输棒位进行调整，直到得到该计算点最佳的ΔI，如图2所示。在这个过程中，硼浓度的变化量也随之改变。

图2 根据ΔI调整T4棒棒位示意图

经过多次调整后，可以得到ΔI满足要求的负荷跟踪计算结果，结果中包括控制棒棒位、硼浓度变化量、轴向功率偏差、氙毒反应性等。

1.3 功率亏损计算

功率水平的变化将导致包壳和燃料芯块的温度和慢化剂的温度的变化。根据核设计报告中总功率亏损与功率水平的关系表，在硼浓度确定情况下，功率亏损与功率水平成线性关系，通过差分法可以计算出主汽门试验总功率亏损，整个升降功率期间的功率亏损如图3所示：

图3 总功率亏损随功率的变化

1.4 温度亏损

功率水平变化导致慢化剂温度变化和燃料有效温度变化，温度变化引起的反应性引入已经考虑到功率亏损中，所以不做单独考虑。

1.5 钐毒反应性

钐毒对热中子反应堆的影响仅次于氙毒。降功率前钐毒达到平衡，降功率后钐毒开始积累，根据《第十七燃料循环应急换料运行数据计算报告》可得，从100%FP功率停堆后10 h，钐毒反应性积累46 pcm，149Sm要达到平衡需要至少百小时以上。本次主汽门试验中降功率33.45 %FP，升降功率约6 h，实际钐毒的积累很小，可忽略不计。

2 数据处理与比较

主汽门试验期间的每一燃耗点处，将氙毒反应性和功率亏损相加可以得到反应性变化量ρB=ρxe+p+ρr。如果控制棒棒位变化，引入的反应性为ρr，则调硼引入的反应性为：

核设计报告中可得当前燃耗下的硼微分价值为ρB′，则硼浓度变化量为ΔCB：

可得主汽门试验期间每一计算燃耗点的反应性变化量、控制棒棒位、硼浓度变化量和轴向功率偏差，为运行人员提供了反应性控制参考。

为了验证计算反应性控制方案的准确性，试验后从电站计算机中得到主汽门试验期间相关实测数据，将轴向功率偏差、硼浓度变化量计算值与实测数据进行比较，如图4、图5所示。

图4 计算轴向功率偏差与实际值比较图

图5 计算硼浓度变化与实际值比较图

图4中可以看出：

（1）自主计算得到的ΔI在ΔIref=-1.45%FP附近较窄的范围内震荡，ΔImin=-5.34%FP，ΔImax=3.16%FP，没有超过±5%FP运行带；

（2）负荷变动结束后，ΔI逐渐成收敛趋势；

（3）计算ΔI与实测ΔI的趋势一致，两者最大偏差为1.19%FP，最小偏差为-0.229%FP。

图5中因为硼浓度变化实测值取自硼表，在硼化稀释过程中硼表示数有一定波动，所以有一些坏点，但偏差都维持在小的范围内，整个计算硼浓度变化量的趋势与实测值趋势是相同的。

从运行操作上来考虑，应避免控制棒的频繁动作，图6为控制棒的棒位随时间变化图，在负荷变动期间，控制棒基本按照固定趋势动作，在主汽门试验结束后，控制棒棒位并未出现频繁提升或下插。

图6 主汽门试验期间T4棒位变化

3 结语

通过自主计算结果与实际数据的对比分析，可以看出320MWe机组主汽门试验期反应性计算结果准确适用，对运行操作决策起到很好的参考作用。