AP1000機(jī)械補(bǔ)償控制策略

孫敬東

(山東核電有限公司,山東265116)

電能在電網(wǎng)中不可儲(chǔ)存,這就要求電廠的發(fā)電功率要根據(jù)電網(wǎng)對(duì)電能的需求隨時(shí)調(diào)整。核電廠發(fā)電功率的調(diào)節(jié)主要是通過對(duì)核電堆堆芯反應(yīng)性的控制實(shí)現(xiàn)的,調(diào)節(jié)中必須采取有效的控制方式,在保證反應(yīng)堆的安全運(yùn)行的前提下輸出滿足用戶需求的功率負(fù)荷,特別是在異常情況下,要求控制系統(tǒng)能夠保證核電廠迅速安全地停堆。在核電廠的運(yùn)行中,如果功率分布的不均勻性嚴(yán)重超標(biāo),燃料棒在功率達(dá)到峰值時(shí)有可能破損,核電堆的安全性將受到嚴(yán)重影響。因此,核電廠的運(yùn)行不但要求考慮燃耗、裂變產(chǎn)物積累、反應(yīng)性溫度系數(shù)等引起的反應(yīng)性變化,還要求在功率控制中保證堆芯安全,保證燃料棒的完整性。在目前的壓水堆的設(shè)計(jì)中,核功率的控制是通過改變堆芯中的中子密度和分布實(shí)現(xiàn)的,改變堆芯中的中子密度和分布的主要有三種方式,第一種方式通過控制棒在反應(yīng)堆堆芯中的移動(dòng)如插入或抽出,第二種方式通過化學(xué)和容積控制系統(tǒng)(CVS)調(diào)節(jié)反應(yīng)堆冷卻劑中的硼濃度,第三種方式合理分布可燃毒物在堆芯中的布置,實(shí)現(xiàn)對(duì)反應(yīng)堆功率和功率分布的控制。在目前運(yùn)行較多的二代壓水堆中,反應(yīng)性的控制以第二種方法為主,通過控制溶解在冷卻劑中的硼濃度進(jìn)行化學(xué)補(bǔ)償控制,改變硼酸濃度以控制長(zhǎng)期反應(yīng)性變化,如燃耗和裂變產(chǎn)物積累引起的反應(yīng)性變化;第一種方法的控制棒控制在二代壓水堆中只起輔助作用,用于反應(yīng)堆啟動(dòng)、跟蹤負(fù)荷變化以及控制微小的反應(yīng)性瞬變和控制功率分布。圖1是典型的第二代壓水堆的k eff(有效增值系數(shù))和控制方式。

圖1 keff和控制方式

圖中K ex是剩余增值系數(shù),定義為K ex=k eff-1。因?yàn)榈谝谎h(huán)的k eff為1.26,因此K ex=0.26Δk。從圖中可見,其中的0.08Δk是為了保證適當(dāng)?shù)亩研就６焉疃群皖~外的反應(yīng)性進(jìn)行的控制,0.08Δk為可燃毒物的控制,0.20Δk為硼酸溶液補(bǔ)償控制。

第二代壓水堆的三種控制方式所控制的反應(yīng)性,化學(xué)補(bǔ)償分配到的反應(yīng)性最大,這是因?yàn)榕饾舛日{(diào)節(jié)在堆芯中分布均勻,不會(huì)引起功率分布畸變,但化學(xué)補(bǔ)償控制方法也有一些缺點(diǎn)。首先化學(xué)補(bǔ)償控制調(diào)節(jié)堆功率的速度較慢,這是因?yàn)槊看闻鸹蛳♂尯罄鋮s劑需要一定時(shí)間才能混合,因此單獨(dú)采用調(diào)節(jié)硼濃度方式往往不能滿足堆功率的快速升降;其次對(duì)慢化劑溫度系數(shù)有顯著的影響,因?yàn)楫?dāng)水的溫度升高密度減小體積增加時(shí),溶液中的硼體積含量也相應(yīng)減小、電堆的反應(yīng)性增加,出現(xiàn)正的慢化劑溫度系數(shù)溫度越高反應(yīng)性越強(qiáng);再次對(duì)冷卻劑進(jìn)行頻繁的稀釋和硼化,會(huì)增加硼的消耗,還會(huì)產(chǎn)生大量的待處理的硼溶液,使機(jī)組的廢物產(chǎn)量變多,增加了環(huán)境的負(fù)擔(dān),同時(shí)眾多配套系統(tǒng)的運(yùn)行,也增加了設(shè)備故障點(diǎn)和維修量,運(yùn)行的成本也變高。

在美國西屋公司設(shè)計(jì)的第三代壓水堆AP1000的設(shè)計(jì)采用了一種新的堆芯控制策略——機(jī)械補(bǔ)償策略(Mechanical Shim,MSHIM),該策略利用允許插入的深度和獨(dú)立的軸向功率控制棒組(AO棒組,AxialOffset Rods)聯(lián)合作用,通過機(jī)械手段調(diào)節(jié)棒組可以自動(dòng)地調(diào)節(jié)反應(yīng)堆的功率和溫度,在一個(gè)換料周期內(nèi)的大部分時(shí)間里按30%以上的額定功率進(jìn)行負(fù)荷調(diào)整,功率調(diào)整不需要調(diào)整冷卻劑中的硼濃度進(jìn)行化學(xué)補(bǔ)償。在標(biāo)準(zhǔn)的AP1000設(shè)計(jì)中,堆芯中共有69個(gè)控制棒束組件,包括53個(gè)黑棒組件RCCA(Rod Cluster Control Assemblies)和16個(gè)灰棒組件GRCA (Gray Rod Cluster Assemblies),兩種組件的外形尺寸和燃料棒是一樣的,組件的棒束都是由24根控制棒組成,只是在材料上有所區(qū)別。其中RCCA采用的都是銀-銦-鉻材料,反應(yīng)性價(jià)值大,對(duì)中子的吸收能力強(qiáng),主要用于停堆和溫度反應(yīng)性變化控制等相對(duì)較快的反應(yīng)性變化及軸向功率分布控制;而GRCA的反應(yīng)性價(jià)值要小一點(diǎn),對(duì)中子吸收能力較黑棒也較弱,在西屋第16版DCD采用的優(yōu)化設(shè)計(jì)中,GRCA由12根不銹鋼棒和12根銀-銦-鉻棒組成,主要用于堆芯中的負(fù)荷跟蹤調(diào)節(jié),提供反應(yīng)性機(jī)械補(bǔ)償替代反應(yīng)堆調(diào)節(jié)硼濃度的化學(xué)補(bǔ)償。在AP1000堆芯設(shè)計(jì)中,每一個(gè)燃料循環(huán)RCCA和GRCA在堆芯中的位置保持不變。

根據(jù)這69個(gè)控制棒束組件執(zhí)行的功能,將其分為AO,M和SD三個(gè)控制棒組:用于調(diào)整堆芯軸向的功率分布的軸向偏移控制棒組(AO棒組,共9個(gè)控制棒束);用于補(bǔ)償因溫度、功率或者氙毒變化引起的反應(yīng)性變化的冷卻劑溫度/反應(yīng)性控制棒組(M棒組,共28個(gè)控制棒束,其中灰棒組MA,MB,MC, MD各4個(gè),黑棒組M 1和M 2分別為4個(gè)和8個(gè)),以及停堆棒組(SD棒組,共32個(gè)控制棒束,其中SD1,SD2,SD3,SD4各8個(gè)),在正常運(yùn)行期間停堆棒組完全提出。這些棒組在堆芯的布置位置見圖2。

圖2 控制棒組在堆芯中的布置

為了讓機(jī)械補(bǔ)償策略的設(shè)計(jì)能夠滿足AP1000設(shè)計(jì)的負(fù)荷跟蹤和功率調(diào)節(jié)能力的要求,AO棒組和M棒組設(shè)被計(jì)成兩個(gè)獨(dú)立的控制棒組。用于軸向功率分布控制的AO棒組獨(dú)立于其他的控制功能要求,并且要求AO棒組有足夠的控制棒價(jià)值,通過棒組提升或下插可以使軸向功率偏移單調(diào)地變大或變小。調(diào)節(jié)AO棒組在堆芯的插入深度,可以在整個(gè)功率運(yùn)行范圍內(nèi)保持軸向功率軸向偏移幾乎不變。為使AO棒組能有效控制軸向功率分布,要求AO棒組很小的移動(dòng)有足夠的影響,AO棒組必須有較高的控制棒價(jià)值,因此使用了黑棒設(shè)計(jì)。AP1000設(shè)計(jì)采用的是常軸向偏移控制(CAOC,Constant Axial Offset Control)策略,在基本負(fù)荷運(yùn)行時(shí)AO棒組將軸向偏移控制至預(yù)先設(shè)定的AO目標(biāo)值。在負(fù)荷跟蹤前和負(fù)荷跟蹤過程中,AO值控制比基本負(fù)荷運(yùn)行時(shí)的目標(biāo)值更負(fù)約8%,這是為了滿足在正、負(fù)二個(gè)方向的軸向偏移的控制能力,保證功率峰因子不超過設(shè)計(jì)限值。

為了在循環(huán)壽期的大部分時(shí)間內(nèi),負(fù)荷跟蹤替代調(diào)硼并補(bǔ)償瞬態(tài)反應(yīng)性效應(yīng),由MA,MB,MC, MD,M 1和M 2組成的M控制棒組在堆芯中成放射形的對(duì)稱布置,這樣棒的移動(dòng)就不會(huì)引入非對(duì)稱的放射形的功率分布變化。在機(jī)械補(bǔ)償策略中,M控制棒組按預(yù)設(shè)的功率溫度控制程序進(jìn)行冷卻劑溫度和反應(yīng)性的控制,M棒組中各控制棒組間必須有適當(dāng)?shù)闹丿B,當(dāng)它們?cè)诙研咎嵘虿迦霑r(shí)的反應(yīng)性變化就像單組棒移動(dòng)的一樣。在負(fù)荷跟蹤運(yùn)行以前,M棒組的二個(gè)灰控制棒組將全插入堆芯(AO棒組稍微插入堆芯),M棒組的初始插入深度應(yīng)當(dāng)能夠補(bǔ)償功率調(diào)節(jié)過程中出現(xiàn)的正或負(fù)的反應(yīng)性變化。對(duì)像18個(gè)月那樣的長(zhǎng)燃料循環(huán)期運(yùn)行,一般在循環(huán)期末會(huì)出現(xiàn)雙峰狀軸向功率分布,負(fù)荷跟蹤中控制棒的插入可使軸向偏移和功率峰因子產(chǎn)生顯著的變化,由于MSHIM系統(tǒng)對(duì)軸向偏移能夠維持非常好控制,消除了負(fù)荷跟蹤運(yùn)行中的功率峰因子可能超過設(shè)計(jì)限值的擔(dān)心。對(duì)AP1000堆芯各種負(fù)荷跟蹤需求分析表明,在沒有調(diào)硼情況下MSH IM堆芯控制策略,在循環(huán)期的大部分時(shí)間內(nèi)(85%～95%的循環(huán)期)能夠滿足負(fù)荷跟蹤的要求。

由于調(diào)節(jié)棒組允許插入的深度和獨(dú)立的軸向功率控制棒組(AO棒組)聯(lián)合作用,對(duì)功率進(jìn)行調(diào)節(jié), MSH IM策略允許在整個(gè)功率運(yùn)行范圍和燃料循環(huán)的大多數(shù)時(shí)間內(nèi),通過機(jī)械補(bǔ)償進(jìn)行反應(yīng)堆功率水平和功率分布的控制,不需要調(diào)節(jié)冷卻劑中的硼濃度。硼濃度調(diào)節(jié)僅用于補(bǔ)償燃料燃耗和維持M棒組所要求的堆芯插入深度以及在反應(yīng)堆的啟動(dòng)和停堆的情況下。硼濃度的調(diào)節(jié)操作的減少,即減少了反應(yīng)堆運(yùn)行時(shí)的操作,降低了因設(shè)備或人因造成的非計(jì)劃停堆的可能性,也減少了生產(chǎn)過程中對(duì)硼的需求和對(duì)硼溶液的處理,從而減少了廢物的產(chǎn)量和對(duì)環(huán)境的排放,不但提高了機(jī)組的安全性和經(jīng)濟(jì)性,還減輕了對(duì)環(huán)境的負(fù)擔(dān),帶來一系列的好處。本文對(duì)機(jī)械補(bǔ)償策略做了簡(jiǎn)要的介紹,相信隨著AP1000核電站設(shè)計(jì)的深入和建設(shè)運(yùn)行,MSH IM會(huì)引起眾多關(guān)注它的人進(jìn)行深入探討。