177堆芯控制棒方案改進研究

王晨琳 李天涯 劉同先 劉曉黎 陳亮 吉文浩 蔣朱敏

摘? ?要：隨著經濟發(fā)展形勢的變化，核電廠運行面臨頻繁進行負荷跟蹤的迫切需求。在177堆芯當前的控制棒方案下，負荷跟蹤過程中需進行堆芯的硼化稀釋操作，這將產生大量硼廢水，增大電廠的運行成本，不利于環(huán)境保護。本文借鑒AP1000不調硼負荷跟蹤的控制策略設計，對177堆芯控制棒方案進行棒束內及堆芯內的改進，重新評價選定重疊步策略，并基于這些改進后的方案進行不調硼負荷跟蹤模擬計算，以評價方案效果。最終本文形成一套可支持不調硼負荷跟蹤運行的控制棒方案。

關鍵詞：負荷跟蹤? 控制棒方案? 重疊步

中圖分類號：TL323? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2019）06（a）-0038-05

Abstract： The trends in economy development call for more frequent load follow operation of PWRs. Load follow with current control banks pattern of 177-fuel core need to change boron concentration in the core， which will produce a lot of waste boron water， which increases operation cost of the plant and has adverse effect on environment. Research on improvement of control banks pattern in the assembly and core is introduced. Overlap strategy is also researched to make better load follow performance. With all these improvements， load follow simulation can be conducted with boron concentration kept as constant.

Key Words： Load follow; Control banks pattern; Overlap

伴隨我國經濟發(fā)展的新形勢，核電廠運行面臨頻繁參與電網調峰（即負荷跟蹤）的迫切需求。

在本文所提的177堆芯類型的核電廠設計中，設置R棒組控制堆芯冷卻劑平均溫度，并進行堆芯軸向功率偏移（即AO）的調節(jié)，使之保持在運行帶內;設置G、N棒組進行堆芯功率調節(jié)。在此種設計下，R棒組承擔了兩項堆芯參數(shù)的調控功能，控制功能不單一導致當堆芯AO超出運行帶時，需調節(jié)堆芯硼濃度以便移動R棒進行AO調節(jié)，同時保證冷卻劑平均溫度在控制目標范圍內。負荷跟蹤過程中功率控制棒組頻繁動作，導致堆芯AO與平均溫度處于波動之中。在這樣的控制棒設計下，為了保證AO與堆芯平均溫度均在控制帶內，需進行大量的堆芯硼化稀釋操作，產生硼廢水，增大電廠運行成本、不利于環(huán)境保護。

國內目前在運行的M310、CNP600類型的核電廠在控制棒功能設置方面也是類似的情況。

美國西屋電氣公司所設計的AP1000型核電廠采用MSHIM運行策略[1]。該策略下對控制棒組的功能進行了劃分，即設置AO棒組用于控制堆芯的軸向功率偏移（即AO），設置MSHIM棒組用于控制堆芯的冷卻劑平均溫度與功率。疊加控制棒組的材料、布置等方面的設計，可實現(xiàn)在短期的負荷跟蹤過程中避免硼化稀釋操作，本文將此特性稱為“不調硼負荷跟蹤”。

以177堆芯及AP1000堆芯為例，負荷跟蹤過程中堆芯功率及硼濃度的變化情況見圖 1。

可見，當前177堆芯的設計中，為了保證堆芯軸向功率形狀、功率、冷卻劑水溫在控制目標內，負荷跟蹤過程中硼濃度會出現(xiàn)幅度較大的變化（本示意模擬中硼濃度變化幅度在100ppm左右），需要操作員執(zhí)行硼化、稀釋操作并產生相應廢水量。

基于以上情況，借鑒AP1000設計特點，本文在177堆芯電廠設計的基礎上對控制棒設計進行優(yōu)化，以使其可實現(xiàn)不調硼負荷跟蹤。

1? 假設

本文對控制棒設計改進有如下假設：

1）保持原設計中的控制棒束總數(shù)目不變;

2）改進后的方案仍可滿足原設計的停堆裕量限值要求;

3）控制棒在組件內的插入位置不變，即使用AFA 3G類型燃料組件的導向管位置，見圖 2中涂黑位置;

4）控制棒吸收體灰體材料使用不銹鋼，黑體材料使用銀銦鎘;

5）限制棒組間的干涉效應[3]。

2? 控制棒設計優(yōu)化

2.1 棒束內布置優(yōu)化

單束灰棒組件共布置24根吸收體。為了保證控制棒價值足夠控制功率水平的變化，同時價值又不至于過大而導致功率畸變，單束灰棒組件中存在黑棒與灰棒的配比關系。為了保證控制棒插入后的功率分布對稱性，灰棒與黑棒在單個控制棒束組件中滿足對稱原則。

在特定堆芯裝載方案下，本文對不同配比關系下的灰棒束布置進行窮舉優(yōu)化。以8根黑棒+16根灰棒的情況為例，對此情況下可能的黑棒、灰棒在組件內的7種布置方式進行插棒價值與插棒功率峰因子計算，所得情況見表 1。

可見，當灰棒黑棒數(shù)目確定后，其不同布置方式帶來的反應性差在20pcm以內，而功率峰因子方面則差異在0.02以內。

取其中插棒功率峰因子低且插棒價值大的布置方式（布置4）作為該配比關系下的優(yōu)選灰棒束設計方案。

2.2 功能分組及堆芯內布置優(yōu)化

2.2.1 功能分組

控制棒的功能分組方面，主要分為功率形狀控制棒組、功率控制棒組、停堆棒組。

功率形狀控制棒組用于控制堆芯軸向功率偏移，這要求棒組具有較大的價值，通過較小的控制棒移動實現(xiàn)有效的AO調節(jié)，即此棒組需為黑棒組，且位置靠近堆芯中心。停堆棒組需為黑棒組，以保證足夠的停堆裕量，正常運行過程中不插入堆芯，僅在停堆時插入堆芯提供停堆所需次臨界度，故其位置較為靈活，僅需盡量靠近堆芯內側，不需考慮正常運行時與其他棒組的干涉。功率控制棒組在負荷跟蹤過程中插入堆芯提供負反應性以控制堆芯功率水平及冷卻劑入口水溫，在升功率過程中按一定次序提出堆芯。考慮到負荷跟蹤過程中功率分布的展平需求、反應性的平穩(wěn)引入及升功率補償功率虧損的需求，功率控制棒組需包含多個子組，部分子組為灰棒組，其余為黑棒組，并在棒組間設置重疊步。

2.2.2 控制棒干涉效應

針對控制棒組干涉效應，本文進行了如下試算：以中心棒組為例，單獨插入該棒組查看相應的堆芯通量分布變化情況，所得插棒后快群、熱群通量變化情況見表 2。

可見，插棒后堆芯中子通量分布產生了波動，棒束所在位置及緊鄰的第一圈組件處中子通量水平降低，而第二圈組件到第四圈組件處中子通量水平升高，更外圍處中子通量水平降低。由此可知，相同功能的控制棒組及存在同時插入堆芯關系的棒組之間應至少相隔1圈組件，以避免控制棒的吸收作用因干涉效應而被削弱，并位于第二到第四圈組件位置。

2.2.3 堆芯內布置優(yōu)化

對于負荷跟蹤相關的價值需求，由功率控制棒組（灰棒組）來實現(xiàn)，因其價值小，引起的功率分布畸變小。為了控制這些棒組的價值，灰棒組適宜盡量只采用4束一組的形式，即布置在坐標軸方向或45°方向。

反應堆首循環(huán)壽期初及近壽期末時，從滿功率降至50%額定功率水平的負荷跟蹤中，功率控制棒組需補償?shù)姆磻苑謩e為600pcm、1100pcm左右。從滿功率降到較低功率水平后的負荷跟蹤時限內，堆芯中的氙濃度逐漸增大，向堆芯內引入負反應性，與功率虧損之間有抵消效應，則功率控制棒組需補償?shù)姆磻砸灿兴档?。?束8根黑棒的灰棒組為例，為了實現(xiàn)負荷跟蹤的控制目標，需設置不少于16束灰棒束;為實現(xiàn)啟動期間提棒升功率的控制目標，估算需設置不少于24束灰棒束或考慮其中部分棒束設為黑棒束以保證足夠的反應性控制能力。

換棒操作需要在通量水平相當、位置相當?shù)亩研疚恢貌贾么嬖诨Q關系的控制棒組，并需滿足棋盤狀布置。結合坐標軸位置與45°角位置的要求，可布置的組合位置見圖3。

其中，1號組合位置緊鄰，干涉效應強;5號組合45°位置在最外圍，不利于功率控制的目的;故這兩種組合位置均不可用。若采用3號位置則存在45°方向的灰棒組間相互干涉，所以針對2號組合位置與4號組合位置進行4組灰棒組的布置。疊加換棒前后功率分布接近的考慮后，本文最終選定了灰棒組的布置位置，設為G1、G2、G3、G4棒組。

功率形狀控制棒組的位置在灰棒組位置基礎上確定，設為R棒組。

功率控制棒組中除上文確定的灰棒組之外，還需布置黑棒組，以保證升功率的能力，設為GA、GB棒組?？紤]GA棒組可能用于較低功率水平的負荷跟蹤，其棒束數(shù)目設為4。GB棒組則更多考慮在啟動提棒升功率過程中被使用，且最先被提出，疊加堆芯停堆裕量的總體考慮，對于其布置位置，棒組價值的考慮多于功率展平的考慮。

對于停堆棒組，全部為黑棒束，按照棋盤布置補足69束，并盡量靠近堆芯內部。綜合考慮后，本文最終使用的控制棒組布置位置見圖 4。

在相同的堆芯裝載方案基礎上，使用優(yōu)化后的控制棒布置進行了停堆裕量的計算，與原計算結果對比見表 3。

由上表可見，堆芯總控制棒束數(shù)目不變的情況下，由于設置的功率控制棒組中灰棒組增多，且單束灰棒中所使用的灰吸收體棒數(shù)目增多，致使停堆時控制棒引入的負反應性降低約500pcm，停堆裕量也有相應的降低。

2.3 功率控制棒組間重疊步優(yōu)化

在特定的堆芯裝載方案下，控制棒組棒束內布置及堆芯布置方案一經確定，功率控制棒組插入堆芯的初態(tài)和終態(tài)參數(shù)（AO、積分價值等）就已經最終確定。但重疊步的不同設定會影響控制棒插入堆芯過程中這些參數(shù)的波動情況。

本文根據灰棒組間不同的重疊高度設置多個重疊步策略，以研究不同策略下堆芯參數(shù)隨控制棒插入的波動情況。通過對波動情況進行分析，選擇適宜的重疊步參數(shù)。計算所嘗試的部分重疊策略見表 4。

在這些策略下計算得到的AO及微分價值變化曲線見圖5。可以看出，不同重疊步策略下，AO的波動幅度差異很大，當棒組間重疊高度較高時（策略1），AO的波動超過20%，而重疊高度較小時，AO波動在10%左右。重疊高度達到較低水平后，AO的波動幅度隨重疊高度的變化有限，甚至有增大的趨勢（見策略4、策略5）。棒組微分價值呈現(xiàn)相同的規(guī)律。基于以上分析，本文采用較為適宜的重疊策略4進行后續(xù)計算。

3? 不調硼負荷跟蹤模擬

基于以上優(yōu)化參數(shù)，本文進行了96小時的典型的12-3-6-3不調硼負荷跟蹤模擬計算，即堆芯在滿功率下運行12小時，3小時內降功率至50%功率水平，并運行6小時，而后3小時內升至滿功率，如此循環(huán)。負荷跟蹤過程中堆芯功率、硼濃度、各棒組棒位、軸向功率偏差的變化情況見圖 6。

從圖中可知，本文所研究給出的控制棒設計優(yōu)化方案可實現(xiàn)不調硼負荷跟蹤，且控制參數(shù)均保持在目標范圍內。

4? 小結

本文對177堆芯的控制棒設計進行了棒束內與堆芯布置優(yōu)化，及重疊步策略優(yōu)化，并基于優(yōu)化結果進行了不調硼負荷跟蹤模擬計算分析。

分析結果顯示：本文所設置的控制棒設計方案在保持控制棒總數(shù)目不變的情況下停堆裕量值有所降低，但仍可滿足原設計中2800pcm的停堆裕量限值要求;改進后的設計可支持堆芯實現(xiàn)負荷跟蹤運行過程中不調硼，避免原設計中硼濃度的較大幅度變化;改進設計后，控制棒組能有效控制堆芯功率，并保持軸向功率偏差在目標值的±3%以內。

需要說明的是在本文的模擬計算中各個改進項并未達到最優(yōu)化組合，且未考慮事故工況下安全分析對控制棒組插入深度的限制。對此加以考慮后，控制棒組的設計會產生細節(jié)性的調整需求，但與本文所研究的方案間仍有統(tǒng)一性。

參考文獻

[1] 周金滿，劉同先，蔣朱敏等.先進壓水堆核電廠運行模式設計思路研究[J].核動力工程，2015，S2.

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[3] 謝仲生.核反應堆物理分析[M].西安：西安交通大學出版社，2008.211-217.