AP1000 控制棒交換邏輯及特點分析

陳紹文

中核集團三門核電有限公司 浙江三門 317112

AP1000 采用機械補償控制策略（MSHIM）來控制反應(yīng)堆運行期間堆芯反應(yīng)性的變化，這就要求在帶基本負荷運行期間，都必須有控制棒始終位于堆芯中，以在需要時提供所需的反應(yīng)性補償，而不用改變反應(yīng)堆冷卻劑中的硼濃度。這些位于堆芯中的控制棒會消耗得更快并產(chǎn)生局部燃耗陰影，如果放任不管，將會導致控制棒消耗不均勻，影響控制棒的壽命；另外，燃耗陰影也會導致徑向峰值功率因子超出安全分析的假設(shè)，引起安全裕度下降。根據(jù)AP1000控制棒在堆芯的分布方式，控制棒中的MA 和MD 兩個子組、MB和MC 兩個子組到反應(yīng)堆堆芯中心的徑向距離基本相等，它們所在位置的中子通量分布也相似，可以進行交換。因此，在反應(yīng)堆帶基本負荷運行的情況下，周期性的交換位于堆芯內(nèi)的MA、MB、MC、MD 控制棒，能夠均勻控制棒的消耗和磨損，同時也能消除控制棒長期插入導致的燃料陰影，展平徑向功率分布[1]。

1 AP1000 控制的分類和棒序

1.1 控制棒的分類

AP1000 控制棒按照功能分為調(diào)節(jié)棒組和停堆棒組，其中調(diào)節(jié)棒組又分為M 棒組和AO 棒組。M 棒組中的MA、MB、MC、MD四個子組的材料為鎢，價值較低，稱為“灰棒”；M1 和M2 兩個子組的材料為銀-銦-鉻合金，價值較高，稱為“黑棒”；AO 棒組和停堆棒組的材料均為銀-銦-鉻合金，即“黑棒”。設(shè)計上，M 棒組主要用于調(diào)節(jié)反應(yīng)堆功率和平均溫度的變化，AO 棒組主要用于控制堆芯軸向偏移，停堆棒組用于確保反應(yīng)堆停堆所必須的負反應(yīng)性。在控制棒交換期間，M 棒組會被置于手動，此時需要通過AO 棒組來控制一回路冷卻劑的平均溫度。

1.2 控制棒的棒序

AP1000 的調(diào)節(jié)棒組設(shè)置了兩種控制棒的插入/提升棒序，用二進制代碼SEQ 表示。當SEQ=1 時，控制棒的插入順序為MA、MB、MC、MD、M1、M2，即在滿足疊步的前提下，先插入MA棒組，當MA 棒組插到一定深度后再插入MB 棒組，依此類推。當SEQ=0 時，插入順序為MD、MC、MB、MA、M1、M2，即在滿足疊步的前提下，先插入MD 棒組，當MD 棒組差到一定深度后再插入MC 棒組，依此類推。由于M1 和M2 棒組價值較大，插入堆芯時，對堆芯的功率分布影響較大，因此無論是哪種棒序，M1和M2 棒組都最后插入堆芯。

2 控制棒交換邏輯

AP1000 設(shè)置了專門的交換邏輯系統(tǒng)（ELS）來完成控制棒插入順序的交換。針對不同的運行工況，設(shè)計了兩種不同的控制棒交換邏輯（CREL）方案：CASE1 和CASE2。當灰棒在堆芯處于同一軸向高度時，使用CASE1 邏輯進行交換。CASE1 方案主要用于停堆工況，所有控制棒均插入堆芯；或功率運行期間，所有控制棒均提出堆芯的情況。當灰棒在堆芯中處于不同軸向位置時，使用CASE2 方案來交換控制棒的插入順序。反應(yīng)堆在功率運行期間，絕大部分時間都使用CASE2 方案來進行控制棒交換。一旦激活交換邏輯系統(tǒng)，CREL 將根據(jù)初始的灰棒棒位，自動決定是執(zhí)行CASE1 方案，還是執(zhí)行CASE2 方案。控制棒交換的整體邏輯如圖1 所示：

2.1 CASE1 交換邏輯

對于CASE1 交換，只要判斷所有的控制棒均在同一軸向高度，即可執(zhí)行。CASE1 控制棒交換邏輯只是交換控制棒的插入順序，不移動控制棒，整個交換過程只需數(shù)分鐘，即如果當前的插入順序為SEQ1，則交換之后的插入順序變?yōu)镾EQ0，相反則變?yōu)镾EQ1。其交換的大致過程為：

向操縱員顯示當前M 棒組插入順序和新的M 棒組插入順序。

在獲得操縱員“確認”之后，CREL 將M 棒組和AO 棒組置于“手動”并寫入新的控制棒插入順序。

控制棒交換完成后，向操縱員顯示新的M 棒組插入順序。

在操縱員“確認”之后，CREL 自動復(fù)位CASE1 交換控制器，禁止CREL 與棒控系統(tǒng)之間的信息傳遞，控制棒交換完成。最后，操縱員將M 棒組和AO 棒組重新置于要求的狀態(tài)。

2.2 CASE2 交換邏輯

CASE2 交換時，由于控制棒處于堆芯的不同高度，在交換過程中需要控制棒的真實動作。為了降低控制棒移動過程中對堆芯反應(yīng)性的影響，控制棒需要成對進行交換，即MA 棒組和MD 棒組進行交換（A →D），MB 棒組和MC 棒組進行交換（B →C）?？刂瓢舻姆磻?yīng)性價值與控制棒在堆芯中的位置、運行歷史等因素有關(guān)，雖然設(shè)計上“成對”控制棒組的積分價值差別不大，但隨著運行時間的不同，會導致兩組控制棒的積分價值差別不斷增大?？刂瓢粼谝苿拥倪^程中會對反應(yīng)堆冷卻劑的平均溫度（Tavg）產(chǎn)生影響，如果溫度偏差超過預(yù)定的范圍，就需要進行調(diào)節(jié)。另外，灰棒的材料并不全是鎢，它的底部有一段由不銹鋼制成；不銹鋼的反應(yīng)性價值比鎢要小很多，這就導致不銹鋼部分在堆芯內(nèi)移動時，對反應(yīng)性的影響很小。上面這些因素相結(jié)合，導致CASE2 的控制棒交換邏輯較復(fù)雜，整個過程大約需要30 分鐘。其大致過程為：

判斷允許條件滿足：M 棒組不在同一堆芯軸向高度、Tavg 處于穩(wěn)定狀態(tài)、AO 棒組和M 棒組無動作命令、AO 棒組位于正常運行帶范圍內(nèi)。

向操縱員顯示：M 棒組當前插入順序和交換后的插入順序、需要交換的灰棒組件（MA 和MD 先交換，MB 和MC 后交換）。

操縱員“確認”之后，執(zhí)行MA 和MD 棒組交換：先確認插入更深的棒組，如果SEQ=1，則MA 棒組插入更深，否則MD 棒組插入更深。

確認MA 和MD 棒組的不銹鋼部是否完全插入堆芯：如果MA和MD 棒組的不銹鋼部分均完全插入堆芯，那么可以同時向相反的方向移動MA 棒組和MD 棒組，直到它們要求的位置。如果MA棒組的不銹鋼部分完全插入堆芯，而MD 棒組的不銹鋼部分未完全插入堆芯，則先將MD 棒組的不銹鋼部分完全插入堆芯，然后再同時向相反的方向移動MA 棒組和MD 棒組，直到它們要求的位置，反之亦然[2]。

如果MA 棒組和MD 棒組移動過程中，Tavg 的變化超過預(yù)定的范圍，則暫停MA 和MD 棒組移動，直到AO 棒組自動將Tavg恢復(fù)到控制帶內(nèi)。

表1 CASE1 和CASE2 交換方式對比

MA 棒組和MD 棒組移動到最終位置后，向操縱員顯示：MA和MD 的初始棒位和最終棒位，操縱員“確認”后，繼續(xù)進行MB和MC 棒組交換。

MB 和MC 棒組交換之前，先判斷兩個棒組是否在同一軸向位置，如果在同一軸向位置，則直接向操縱員顯示：MB 和MC 的初始棒位和最終棒位，操縱員“確認”后，控制棒交換完成。

如果MB 和MC 不在同一軸向位置，則先判斷誰插入更深：如果SEQ=1，則MB 棒組插入更深，否則MC 棒組插入更深。

確認MB 和MC 棒組的不銹鋼部是否完全插入堆芯：如果MB和MC 棒組的不銹鋼部分均完全插入堆芯，那么可以同時向相反的方向移動MB 棒組和MC 棒組，直到它們要求的位置。如果MB棒組的不銹鋼部分完全插入堆芯，而MC 棒組的不銹鋼部分未完全插入堆芯，則先將MC 棒組的不銹鋼部分完全插入堆芯，然后再同時向相反的方向移動MB 棒組和MC 棒組，直到它們要求的位置，反之亦然。

如果MB 棒組和MC 棒組移動過程中，Tavg 的變化超過預(yù)定的范圍，則暫停MB 和MC 棒組移動，直到AO 棒組自動將Tavg恢復(fù)到控制帶內(nèi)。

MB 棒組和MC 棒組移動到要求位置后，向操縱員顯示：MB和MC 的初始棒位和最終棒位，操縱員“確認”后，將AO 棒組置于手動狀態(tài)。然后向操縱員顯示：初始和交換后的控制棒插入順序、初始和交換后的需求棒位，操縱員“確認”后，CREL 自動復(fù)位CASE2 交換控制器，禁止CREL 與棒控系統(tǒng)之間的信息傳遞，控制棒交換完成。

最后，操縱員將M 棒組和AO 棒組重新置于要求的狀態(tài)。

2.3 CASE1 交換方式與CASE2 交換方式對運行的影響

CASE1 和CASE2 交換方式的對比如表1 所示：通過對比可以看出，CASE1 交換方式不需要移動控制棒，邏輯簡單，耗時較短，對運行的影響可以忽略，是進行控制棒交換的首選。CASE2 交換方式耗時較長，需要控制棒移動，交換期間會對堆芯的反應(yīng)性產(chǎn)生影響，且交換期間遇到CREL 控制器故障、系統(tǒng)或部件故障導致需要降功率、電網(wǎng)甩負荷、棒控系統(tǒng)故障等事件的概率也較大，需要操縱員根據(jù)不同的的情況采取適當?shù)膽?yīng)對措施，因此對運行的影響較大。為維持燃料組件的燃耗陰影小于要求值，灰棒一般要求3個月左右就交換一次，此時，控制棒通常位于堆芯不同的軸向高度，所以在反應(yīng)堆運行的大部分時間里，都需要使用CASE2 交換方式進行控制棒交換，給反應(yīng)堆的安全、穩(wěn)定運行帶來了一定的挑戰(zhàn)[3]。

3 控制棒交換邏輯系統(tǒng)特點

不同于一般壓水堆核電站，控制棒交換是AP1000 獨有設(shè)計，由AP1000 特有的機械補償控制策略（MSHIM）所決定，該系統(tǒng)有如下特點：

自動化程度較高：具有在獲得操縱員確認后，能夠自動選擇交換方式、判斷插入順序、執(zhí)行棒位互換、切換新的插入順序，并在交換過程中自動控制一回路平均溫度，并可以自動應(yīng)對小范圍的甩負荷。

涉及的硬件設(shè)備較少：涉及設(shè)備只有交換邏輯柜和一些外部接口，邏輯柜一用一備，可靠性高。

信號處理方式簡單：Tavg、核功率、溫度控制偏差等輸入信號直接來自反應(yīng)堆功率控制系統(tǒng)等的現(xiàn)成數(shù)據(jù)，不需要復(fù)雜計算。

操縱員參與程度較高：存在大量人機對話，便于操縱員了解交換過程，出現(xiàn)瞬態(tài)或異常時及時采取措施進行響應(yīng)。

控制棒交換期間，交換邏輯控制器取代反應(yīng)堆功率控制系統(tǒng)來控制一回路平均溫度，給機組的安全、穩(wěn)定運行帶來了一定挑戰(zhàn)[4]。

4 結(jié)語

控制棒交換是AP1000 采用機械補償控制策略的直接結(jié)果，是AP1000 特有的控制運行方式。機組商運后，通過實踐證明，控制棒交換邏輯的設(shè)計能夠滿足機組運行的需要，控制棒交換能夠自動完成，期間未遇到大的機組瞬態(tài)。但由于CASE2交換方式耗時較長，遇到故障的概率較大，不能掉以輕心，需要提前做好應(yīng)對，才能保證機組安全、穩(wěn)定運行。