偏环路运行的反应堆功率控制改进策略研究

叶　杰，毛玉龙，胡 岩

偏环路运行的反应堆功率控制改进策略研究

叶杰，毛玉龙，胡 岩

（中广核研究院有限公司，广东 深圳 518031）

为了提高反应堆的运行灵活性和促进反应堆系统设计满足用户的多样需求，本文研究了在丧失一台反应堆冷却剂泵工况下的反应堆偏环路运行模式，提出了两种改进策略来提升反应堆功率控制的响应速度，以应对反应堆偏环路运行时冷却剂流量的快速下滑。一种策略是提高汽轮机降负荷速率，通过堆跟机的方法提高降功率的速度；另一种策略是直接下落预先选定的控制棒组。通过三维物理-热工耦合的模拟方法，对两种改进策略开展了论证比较。结果表明，通过细化控制棒分组，采取顺序落棒的方式，可以较快地降低反应堆功率以匹配冷却剂流量下滑，并在反应堆安全性和可运行性方面建立较好的平衡。

偏环路运行；快速降功率；流量下滑；反应堆冷却剂泵

随着核能发电份额占电网的比重不断升高，电力用户对新一代反应堆设计提出了更高的技术要求。特别是在应对预期运行事件方面，用户普遍希望核电厂能够具备更强的机动性和更高的灵活性。其中在机组丧失一台反应堆冷却剂泵（以下简称主泵）后的可运行性方面，欧洲用户设定了较高的指标，如要求机组即使在满功率运行时丧失任意一台主泵也不应导致反应堆或汽轮机停闭。这一新要求体现了欧洲用户对主泵故障及主泵故障后机组可运行性的重视。

目前三代反应堆（如VVER）和传统的西门子公司设计的KWU等机型都已具备在停运一台主泵的情况下仍然保持机组运行的能力[1,2]（以下称为“偏环路运行能力”）。而国内的大型压水堆设计还都未实现这一功能。

本文以国内某百万千瓦级三环路压水堆为对象，开展适应偏环路运行的设计改进研究。重点研究了匹配冷却剂流量快速下滑的反应堆功率控制的设计改进策略。

1 保护系统设计现状

当前的压水堆保护系统针对反应堆丧失冷却剂流量的情况通常都设计了多重保护，一般包括环路冷却剂低流量停堆保护、主泵断路器断开停堆保护和主泵低-低转速停堆保护。当反应堆功率处于中、高功率水平时（如30%名义功率以上），只要一条冷却剂环路或一台主泵出现上述信号之一，反应堆都会自动触发停闭。而在低功率情况下（30%名义功率以下），则允许一台主泵停运。此时，反应堆只在出现两条及以上环路低流量或两台及以上主泵断路器断开或低-低转速时才会触发紧急停堆。

之所以在出现反应堆冷却剂流量降级时紧急停闭反应堆，是因为当前的棒控设计不能及时响应流量的变化，反应堆功率很难快速跟踪和匹配流量的下滑。这会导致反应堆功率和流量的不匹配，恶化堆芯的传热，甚至可能引起燃料棒破损。

在开展研究之前，需要先取消环路低冷却剂流量停堆信号、主泵转速断路器断开停堆信号和主泵转速低-低停堆信号，这三个信号通常在失流瞬态发生后的极短时间内达到（一般不会超过3 s）。为了给后续控制系统改进设计提供空间，本研究将取消单泵故障时触发上述与流量和主泵本身直接相关的停堆信号。

为避免反应堆堆芯发生偏离泡核沸腾（DNB）和局部功率密度过高，反应堆设计了超温D和超功率D停堆保护信号。当一台主泵停运引起偏环路运行时，冷却剂平均温度将升高，堆芯进、出口温差也将增加，这也可能会触发超温D或超功率D停堆保护。本研究将保留超温D和超功率D停堆保护的设计，并用D的停堆裕量表征控制系统改进设计的有效性。D裕量不足时，反应堆仍可以通过超温D或超功率D信号触发停堆，以保证燃料的完整性。同时，为了使偏环路运行模式得以顺利实施，又需要保证运行期间有足够的D裕量，避免偏环路运行过程中触发停堆。

2 设计改进策略

制约偏环路运行的主要因素是反应堆功率控制系统响应不及时，功率下降速度无法匹配流量下滑速度，因此本文重点研究如何使反应堆功率快速下降。

2.1　策略1——驱动插棒降功率（堆跟机）

策略1考虑反应堆功率控制总体上仍然保持正常运行的堆跟机模式，通过增加汽轮机负荷的变化速率来提升反应堆功率的响应速率。该策略的优点是对系统的实体改动较小，但是对堆-机的协调性要求较高。

当前设计的汽轮机快速降负荷功能以14.4 s为一个降负荷周期，以每分钟200%额定负荷的下降速率运行0.4 s，再在14 s时间间隔内保持汽轮机负荷不变（见图1）。这种降负荷方式，实际相当于每分钟只下降了5%的额定负荷。这种间歇式降负荷设计的初衷是为了防止反应堆降功率过快引起堆芯过冷。但是对于偏环路运行的情况，流量下滑过程会引起堆芯过热，5%/min的降负荷速率预计很难满足功率下降的需求。为此，考虑在发生偏环路运行时，触发新的汽轮机降负荷模式，本文考虑将汽轮机负荷以较大速率直接线性下降到目标值。根据棒控系统的设计，功率控制棒组随后将跟随汽轮机负荷的需求在控制棒驱动机构的电磁作用下快速下插，最终达到与汽轮机负荷相匹配的功率水平。但是控制棒的下插速率受控制棒驱动机构的物理设计限制。

图1　汽机快速降负荷运行模式

2.2　策略2——落棒降功率

策略2不再保持堆跟机模式，而是让部分控制棒组以自由下落方式快速降低反应堆功率，而汽轮机负荷则按预置的速率快速线性下降，最终达到与反应堆功率相匹配的水平。该策略对反应堆功率的控制更加直接和快捷，但是对堆芯局部功率的扰动也更大。

对于落棒降功率模式，首先需要根据控制棒价值的计算，确定所需落棒的控制棒组。再根据控制棒组的价值和目标功率下落具体的控制棒组。对于落棒降功率的方式，考虑了以下原则：

（1）功率下降速度要及时。

（2）总的功率下降幅度要足够。为了确保反应堆功率和堆芯冷却剂流量的匹配，最终功率应降至65%额定功率以下。

（3）对堆芯功率分布造成的扰动较小。

（4）用于主动落棒的棒组应尽可能少以便于后续控制棒的重置。

原有设计的控制棒组有功率棒组、温度调节棒组和停堆棒组。为了保证安全性和足够的停堆裕量，以及保证后续机组运行时冷却剂温度有足够的调节能力，快速降功率时不考虑主动下落停堆棒组和温度调节棒组。因此，最终选择功率棒组作为快速降功率控制的落棒棒组。原有功率控制棒组分为四个大组，分别是G1、G2、N1和N2棒组，其中G1和G2棒组为价值较小的灰棒组，N1和N2棒组为价值较大的黑棒组。由于N棒组价值较大，其下落会为后续恢复正常运行时重置控制棒增加操作的难度，因此优先选择G棒组作为快速降功率的下落棒组。

根据初步的评估计算（见表1），仅下落G1棒组，反应堆功率可下降至名义功率的61%～73%，同时下落G1棒组和G2棒组时可将功率下降至37%～64%。因此，仅下落G棒组基本可以实现功率降至65%以下的目标。需要注意的，相对寿期初（BOL），寿期末（EOL）由于有更大的反应性反馈，落棒会引起更大的功率波动。

表1　控制棒组下落引起的功率变化

为了便于落棒后的控制棒重置，还要考虑控制棒组恢复正常运行时的位置。表2给出了正常运行时控制棒组在不同功率水平的设计位置。在40%～65%的功率范围内，G棒组基本在堆芯下半部区域，而N棒组基本在堆芯上半部。因此，当目标功率在40%至65%的范围时，在完成快速降功率后，需要将G棒组上提至正常运行对应的设计位置，而N棒组则需要下插至正常运行对应的设计位置。为了减少控制重置时操作的总步数，且保证N棒组尽量少动的原则，本研究将快速降功率的目标功率定为50%左右。

表2　不同功率水平的控制棒组位置

3 瞬态评估

3.1　评估方法

本研究利用SMART程序和MANTA程序[3]，采用三维物理-热工耦合的方法对上述改进策略开展论证分析。MANTA程序是最佳估算的热工水力瞬态分析程序，它除了可以建立详细的热工水力分析模型外，还可以对控制系统进行详细建模。SMART程序是核设计程序，堆芯的入口边界条件由MANTA程序计算得到。通过SMART程序模拟堆芯每个燃料组件的中子学参数变化，再将计算的核功率传回MANTA程序。通过三维物理-热工的耦合方法，建立两个程序的实时数据交换，可准确模拟偏环路运行条件下的堆芯状态。

3.2　策略1的评估

对于策略1，对比了以下几种快速降负荷方式：

（1）参考工况：保留当前设计的间歇式快速降负荷方式。

（2）研究工况：分别以100%NP/min、50%NP/min和33%NP/min的速率将汽轮负荷从100%NP线性下降至50%NP，完成降负荷的时间分别是30 s、60 s和90 s。

如图2所示，汽轮机负荷按线性快速下降时，功率控制棒组可根据负荷需求按设计最大速率快速下插。三个研究工况的反应堆功率下降速率相似（见图3），最终在瞬态后的100 s左右达到稳定。而参考工况由于整体的汽轮机负荷下降速率较慢，反应堆功率只在开始阶段有快速下降，随后功率棒组的下插由于偏离参考温度过大而受到限制。

图4和图5分别给出了超温D保护和超功率D保护的停堆裕量。对于参考工况，由于功率下降较慢，无法匹配停泵后的流量变化，导致D保护裕量明显下降，为了安全必定需要触发停堆保护。但是对于研究工况，超温D保护的裕量勉强可维持，其中裕量最大的是50%NP/min线性降负荷的工况。而三个研究工况的超功率D保护则基本无裕量，在20多s就逼近零裕量。这说明在瞬态初始，反应堆功率的下降速度仍然无法跟上流量的下滑速度。

图2　功率棒组总棒位（策略1）

图3　核功率（策略1）

图4　超温 DT保护裕量（策略1）

图5　超功率 DT保护裕量（策略1）

3.3　策略2的评估

为了使反应堆功率在最短时间内大幅下降，考虑在触发主动落棒时将选定的控制棒同时释放使其自由下落。考虑控制棒组的价值，研究了同时下落G1棒组和G2棒组的情况。在得到一台主泵停运信号后，触发其同时下落。研究中将最终的目标功率和负荷目标初步都定为50%NP，在触发快速降功率的同时也触发快速降负荷，快速降负荷的下降速率初定为100%NP/min（线性下降）。落棒前温度调节棒的初始棒位假定在调节带中部。

如图6所示，同时落棒时反应堆功率会非常迅速地下降。不管是在寿期初还是在寿期末，核功率都立即降至50%NP以下。但是很快由于反应性反馈效应，功率会有较大的反弹，其中，寿期末会反弹得更高。热功率滞后核功率的响应，其下降的趋势与核功率反弹后的趋势一致（见图7）。最终功率会稳定在50%NP左右。在落棒过程中，热点因子（Q）和径向热通道因子（ΔH）都会快速增大，随着落棒结束会有所下降（见图8和图9）。堆芯峰值线功率密度和Q相似，但在功率下降后，线功率密度会明显减小（见图10）。线功率密度与设计限值590 W/cm仍有较大裕量。对于寿期初工况，DH在低功率情况下会超过其限值（见图14），但是同样因为功率的降低，最终堆芯的最小DNBR会随着功率下降而很快回升（见图15），不会对堆芯产生不利后果。

图11给出了落棒过程中轴向功率偏差（D）在运行图中的变化位置。在同时落棒的过程中，功率分布迅速向堆芯下部倾斜。落棒结束后，功率分布又向堆芯上部反弹，并逐渐趋稳。对于寿期初的情况，D的变化范围尚在运行图内。但在寿期末，同时落棒的D超出运行图左边界。

图6　核功率（策略2）

图7　堆芯热功率（策略2）

图8　FDH（策略2）

图9　FQ（策略2）

图10　峰值线功率密度（策略2）

图11　DI的变化范围（策略2）

同时落棒时，超温D保护具有较高的裕量（见图12）。但是由于轴向功率偏差过大，导致超功率D保护的惩罚偏大，造成其裕量急剧减小，特别是在EOL时完全变成了负裕量（见图13）。

图12　超温DT 保护裕量（策略2）

图13　超功率DT保护裕量（策略2）

图14　FΔH及其限值（策略2）

图15　最小DNBR（策略2）

因此，在没有轴向功率分布调节能力的情况下，同时落棒也无法满足偏环路运行的要求。为了减少落棒对功率分布的影响，考虑将G2棒组分成4个子棒组G2a、G2b、G2c和G2d，并在触发落棒时，按以下顺序依次下落各棒组：G1、G2a、G2b、G2c和G2d。每隔4 s下落一组控制棒。

相对同时落棒，顺序多批落棒引起的核功率波动幅度明显变小（见图6），热功率的变化更加平稳（见图7）。顺序多批落棒对功率分布的扰动也更加缓和，D的变化区间更窄（见图11），并将功率因子推迟至在低功率时出现（见图8和图9）。顺序多批落棒过程中的超温D保护裕量与同时落棒的裕量相当。但因为轴向功率分布偏差引起的惩罚明显变小，顺序落棒可以保证超功率D保护有足够的裕量而不会触发紧急停堆。从DNBR变化趋势看，即使DH略有超限，顺序落棒仍能实现功率与流量的相对匹配，保证堆芯安全。

4 结论

本文为提升压水堆应对丧失一台主泵的偏环路运行能力，针对反应堆功率控制进行了设计改进研究。通过瞬态评估得出以下结论：

（1）将汽轮机快速降负荷的模式调整为线性快速下降，通过堆跟机的方式，可提升反应堆功率的下降速度，并提升超温D保护的裕量，但超功率D保护的裕量非常小，很难保证足够的运行裕量。

（2）通过同时下落选定的功率棒组来实现快速降功率，虽然可以在极短时间内实现反应堆功率下降，但同时也会产生不利的轴向功率分布，导致超功率D保护的裕量不足。

（3）通过细化现有控制棒的分组，使其依次多批顺序下落来实现快速降功率，可减少对功率分布的扰动，特别是减小轴向功率的偏差，可为反应堆运行提供更多的安全性。另外，顺序多批落棒方式也不会触发超温D保护或超功率D保护停堆，确保足够的运行裕量。

为了实现偏环路运行，除了对反应堆功率控制进行改进外，还需要开展反应堆保护系统、蒸汽发生器水位控制等相关设计的配套改进研究。

［1］ Le Dai Dien，Do Ngoc Diep. Verification of VVER-1200 NPP Simulator in Normal Operation and Reactor Coolant Pump Coast-Down Transient［J］. World Journal of Engineering and Technology，2017，5：507-519.

［2］ M. F. Lozano，P. Moreno，et al. Assessment of a Reactor Coolant Pump Trip for TRILLO NPP with RELAP5/MOD3. 2，NUREG/IA-0177［R］. Washington：U. S. NRC，2000.

［3］ 冯英杰，李昌莹，肖红，等. 基于MANTA/SMART三维物理热耦合的落棒事故分析［J］. 原子能科学技术，2020，54（2）：281-287.

Study on the Reactor Power Control Improvement Strategy for Partial Loop Operation

YE Jie，MAO Yulong，HU Yan

（China Nuclear Power Technology Research Institute Co.Ltd，Shenzhen of Guangdong Prov.518031，China）

To improve the reactor operational flexibility and to meet diverse requirements of utilities, the partial loop operation mode caused by the loss of one reactor coolant pump has been studied. To match the rapid rate of coolant flow coast-down, two improvement strategies of increasing reactor power control response speed are presented. One strategy is to increase the turbine load reduction rate ant then induce a fast reactor power reduction with the reactor-follow-turbine control mode. The other strategy is to drop pre-selected control banks directly. Two strategies are evaluated and compared with the three dimensional physical-thermal coupling simulation method. The results show that the reactor power could be reduced fast enough to match the rate of coolant flow coast-down and finally a balance between safety and operability could be achieved.

Partial loops operation; Fast power reduction; Flow coast-down; Reactor coolant pump

TL364.4

A

0258-0918（2023）03-0537-07

2022-07-20

叶杰（1984—），男，浙江青田人，高级工程师，现从事反应堆热工水力和安全分析方面研究