CPR1000型核電機(jī)組控制棒組件落棒時間的驗收準(zhǔn)則初步優(yōu)化

張恒凱，柳繼坤，趙云濤，劉吉光，劉　洋

CPR1000型核電機(jī)組控制棒組件落棒時間的驗收準(zhǔn)則初步優(yōu)化

張恒凱，柳繼坤，趙云濤，劉吉光，劉洋

（中廣核工程有限公司核電安全監(jiān)控技術(shù)與裝備國家重點(diǎn)實驗室，廣東 深圳 518172）

根據(jù)CPR1000型核電機(jī)組中控制棒在落棒過程中的動作特點(diǎn)、受力分析以及在9臺機(jī)組中的試驗結(jié)果，分析發(fā)現(xiàn)了在機(jī)組調(diào)試啟動和正常運(yùn)行期間，一回路液態(tài)冷卻劑壓力變化對控制棒落棒時間無影響，但落棒時間隨冷卻劑溫度升高而減小，且試驗結(jié)果與理論分析結(jié)果相符，同時根據(jù)冷卻劑溫度對落棒時間的影響規(guī)律，優(yōu)化了不同工況下控制棒落棒時間的驗收準(zhǔn)則。不僅可作為同類型機(jī)組在調(diào)試啟動階段和正常運(yùn)行期間控制棒落棒時間驗收準(zhǔn)則的參考，而且可作為控制棒落棒過程理論受力模型分析時的參考。

控制棒；落棒時間；影響因素；驗收準(zhǔn)則優(yōu)化

核電廠反應(yīng)堆控制棒組件的落棒時間是核電廠安全分析的關(guān)鍵參數(shù)之一，實現(xiàn)反應(yīng)堆快速安全停堆，同時也是控制棒驅(qū)動機(jī)構(gòu)（CRDM）和控制棒組件設(shè)計考核的關(guān)鍵指標(biāo)參數(shù)之一，直接影響反應(yīng)堆的安全運(yùn)行。當(dāng)前CPR1000型核電機(jī)組中控制棒組件在熱態(tài)試驗工況下落棒時間的驗收準(zhǔn)則完整明確，但缺失在冷態(tài)試驗工況下的驗收準(zhǔn)則。某PL核電廠1、2號機(jī)組（CPR1000型）曾先后在熱態(tài)工況下發(fā)生落棒時間超出運(yùn)行和安全準(zhǔn)則的問題[1,2]，盡管上述機(jī)組在熱態(tài)工況落棒試驗開始前已完成了冷態(tài)工況落棒試驗，但由于冷態(tài)試驗工況下的驗收準(zhǔn)則缺失（一般直接使用熱態(tài)工況的驗收準(zhǔn)則進(jìn)行評價），導(dǎo)致無法提前有效預(yù)判控制棒的落棒動作是否存在異常，增大了在熱態(tài)工況下才發(fā)現(xiàn)并處理落棒動作缺陷時的核安全風(fēng)險和經(jīng)濟(jì)成本。

目前關(guān)于落棒時間的研究主要集中在動力學(xué)分析和運(yùn)動仿真，于建華、孫磊和張吉斌分別基于計算流體力學(xué)（CFD）和邊界層理論等完成了落棒過程中的流體阻力分析和下落參數(shù)隨時間的變化規(guī)律[3-5]，楊方亮通過動力學(xué)仿真方法證明了流體阻力是影響落棒時間的核心因素[6]，但對于一回路液體流體壓力和溫度對落棒時間的影響規(guī)律分析較少，且缺少真實的機(jī)組落棒試驗驗證。

因此本文結(jié)合控制棒在落棒過程中的動作特點(diǎn)、受力分析以及在9臺機(jī)組中的試驗結(jié)果，針對一回路液態(tài)流體的壓力和溫度對落棒時間的影響進(jìn)行了分析。

1　控制棒組件落棒時間測量原理

1.1　落棒過程及受力分析

控制棒組件在反應(yīng)堆中相對位置見圖1，在機(jī)組正常運(yùn)行期間，落棒過程中的受力主要包括控制棒組件整體的重力、摩擦力、浮力和水阻力等，如圖 2 所示，建立落棒過程中的動力學(xué)方程[4,6]：

——控制棒下落速度，m·s-1；

g——重力加速度，m·s-2；

圖1　控制棒組件在反應(yīng)堆中相對位置的示意圖

圖2　控制棒組件下落過程中的受力分析圖

1.2　落棒時間測量方法

控制棒組件的落棒過程可分為3個階段：第1階段，從CRDM斷電（CRDM中夾持線圈電流下降至33%額定電流）到控制棒組件開始下落的機(jī)電延遲時間（4）；第2階段，從控制棒組件開始下落到控制棒組件進(jìn)入緩沖區(qū)入口的時間（5）；第3階段，從控制棒組件進(jìn)入緩沖區(qū)到控制棒組件接觸緩沖區(qū)底部的時間（6）。

CPR1000機(jī)組中控制棒組件落棒時間是通過采集CRDM夾持線圈中實時的電流信號和與其對應(yīng)棒位探測器中初級線圈的感應(yīng)電壓信號，并對記錄的試驗曲線進(jìn)行分析計算來實現(xiàn)的，典型試驗曲線如圖3所示。

圖3　落棒時間測量試驗曲線

機(jī)組調(diào)試啟動階段，需要分別在以下 2 種工況下（見表 1）進(jìn)行控制棒組件落棒時間測量試驗：

表1　落棒時間測量試驗工況說明

注：① 1 bar=105Pa； ② abs表示絕對壓力。

1.3　落棒時間驗收準(zhǔn)則

CPR1000機(jī)組中控制棒組件落棒時間有4條驗收準(zhǔn)則，且均只適用于熱態(tài)工況（見表2）。

表2　落棒時間驗收準(zhǔn)則（適用于熱態(tài)工況）

2 落棒時間影響因素分析

2.1　試驗結(jié)果分析

選擇某AA、PY、BL和AB核電廠共9臺機(jī)組在調(diào)試啟動期間的落棒時間測量試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，熱態(tài)工況下落棒時間較冷態(tài)工況下落棒時間的變化量如圖4所示。

圖4　核電廠調(diào)試期間不同工況下落棒時間變化規(guī)律

根據(jù)圖 4，以冷態(tài)工況下的試驗數(shù)據(jù)為參考，可計算出熱態(tài)試驗工況較冷態(tài)試驗工況落棒時間的減小比例，如表3所示。

表3　熱態(tài)工況較冷態(tài)工況落棒時間的減小比例

2.2　壓力影響分析

——各部件的體積，m3。

由于CPR1000機(jī)組中控制棒組件、驅(qū)動桿部件、星形架部件和控制棒導(dǎo)向管材料均為固態(tài)金屬（見表4）[7-9]，而固態(tài)金屬的機(jī)械性能對壓力變化不敏感，因此各金屬部件的質(zhì)量和體積基本不變。另一方面，一回路液態(tài)流體密度對壓力不敏感，僅對溫度敏感，而固定鉤爪打開過程中的水阻力與一回路液態(tài)流體的黏性系數(shù)呈正相關(guān)關(guān)系，而液態(tài)流體的黏性系數(shù)也隨壓力的變化不大，反而隨溫度升高而變小[10]。綜上，結(jié)合式（1）和式（3），熱態(tài)工況相較冷態(tài)工況中壓力的變化對落棒時間的影響可忽略不計，即可近似認(rèn)為冷、熱態(tài)工況下落棒時間的差異全部由溫度變化所致。

表4　控制棒組件相關(guān)部件材料選用

2.3　溫度影響分析

另一方面，由于落棒過程的第一階段屬于CRDM中固定鉤爪打開連續(xù)動作的一部分，因此4時間隨一回路液態(tài)流體溫度的升高而降低[11]。同時，由式（5）可知，控制棒組件在熱態(tài)工況較冷態(tài)工況到達(dá)緩沖段入口時的速度將明顯增大，而緩沖段長度變化不大，因此6時間將隨溫度減小。

根據(jù)表3，從冷態(tài)至熱態(tài)工況，不同機(jī)組的落棒時間4、5和6均不同程度下降，與前述分析結(jié)論相符，而且不同機(jī)組的落棒時間的變化規(guī)律基本一致，表明溫度對于落棒時間的影響相對固定，平均下降比例分別為27%、14%和27%。

3 驗收準(zhǔn)則優(yōu)化與適用性分析

3.1　落棒時間驗收準(zhǔn)則優(yōu)化

根據(jù)表3，從冷態(tài)至熱態(tài)工況，不同機(jī)組落棒時間（5+6）的變化規(guī)律也基本一致，且平均下降比例為18%。那么根據(jù)熱態(tài)工況落棒時間的驗收準(zhǔn)則，同時結(jié)合上述溫度對落棒時間的影響規(guī)律，可以優(yōu)化得出不同試驗工況下固定鉤爪打開時間的驗收準(zhǔn)則，如表5所示（其中冷態(tài)工況下的準(zhǔn)則僅作為預(yù)警值，對落棒動作進(jìn)行預(yù)判，不作為嚴(yán)格的驗收標(biāo)準(zhǔn)）。當(dāng)落棒時間未超出不同工況下的驗收準(zhǔn)則時，可基本判定落棒動作正常；當(dāng)某一控制棒組件在冷態(tài)工況下的落棒時間大于對應(yīng)的驗收準(zhǔn)則時，建議對其進(jìn)行10次重復(fù)落棒試驗，計算平均落棒時間，并在熱態(tài)工況下加強(qiáng)監(jiān)視；當(dāng)熱態(tài)工況下的落棒時間大于對應(yīng)的驗收準(zhǔn)則時，控制棒組件存在卡棒的風(fēng)險較高，需要特別關(guān)注，并查明原因。

表5　優(yōu)化后的落棒時間驗收準(zhǔn)則

注：根據(jù)表3，9臺機(jī)組中5的最大和最小下降比例分別為15%和13%，平均減小比例為14%，考慮到不同機(jī)組間的狀態(tài)差異和試驗誤差等，基于不確定度和保守分析，此處5hot較5cold的下降比例驗收準(zhǔn)則確定為在［10%，20%］的范圍內(nèi)，以提高該項驗收準(zhǔn)則在相對定量分析時的有效性和普適性，供參考。

3.2　適用性分析

根據(jù)圖4，某AA、PY、BL和AB核電廠共9臺機(jī)組在調(diào)試啟動期間，不同工況下落棒時間的變化規(guī)律基本一致，而該9臺機(jī)組同屬于CPR1000型機(jī)組，控制棒組件、星形架部件和驅(qū)動桿部件本體結(jié)構(gòu)設(shè)計、電氣參數(shù)和一回路液態(tài)流體等參數(shù)亦基本一致，表明在控制棒組件、星形架部件和驅(qū)動桿部件和一回路液態(tài)流體等性能參數(shù)基本一致的情況下，不同機(jī)組中落棒時間的變化規(guī)律也將保持一致。則上述分析結(jié)論亦同樣適用于其他同類型的CPR1000機(jī)組。

4 結(jié)論

（1）通過對控制棒在落棒過程中的動作特點(diǎn)、受力分析以及在9臺機(jī)組中的試驗結(jié)果，分析得出了在機(jī)組調(diào)試啟動和正常運(yùn)行期間，一回路液態(tài)冷卻劑溫度和壓力分別對控制棒落棒時間的影響規(guī)律，并據(jù)此初步優(yōu)化了不同工況下控制棒落棒時間的驗收準(zhǔn)則，以便在不同工況下均可對落棒動作進(jìn)行相對定量的分析判斷。

（2）上述結(jié)論不僅可以作為同類型CPR1000型機(jī)組在調(diào)試啟動和正常運(yùn)行期間控制棒落棒時間驗收準(zhǔn)則的參考，也可作為控制棒落棒過程理論受力模型分析時的參考。另一方面，可將每次的試驗結(jié)果按組件分別進(jìn)行比較觀察，不僅可以判斷當(dāng)次試驗結(jié)果是否滿足要求，而且可以根據(jù)歷次試驗結(jié)果的變化趨勢預(yù)判棒束落棒時間是否存在異常突變或卡棒風(fēng)險。

（3）目前全球范圍內(nèi)的第二代和第三代壓水堆核電機(jī)組中CRDM、控制棒組件、行星架部件、驅(qū)動桿部件和一回路液態(tài)流體等參數(shù)均接近，因此本文中關(guān)于控制棒落棒時間影響因素的分析方法亦可作為EPR、AP1000、CAP1400、HPR1000以及VVER等堆型核電機(jī)組在調(diào)試啟動階段和正常運(yùn)行期間的參考。

致謝

感謝中廣核工程有限公司調(diào)試中心鄭軍偉在百忙之中對該論文在選題和撰寫方面的細(xì)心指導(dǎo)和建議。

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Criterion Optimization of the Rod Drop Time of the Control Rod Assembly in CPR1000 Nuclear Power Plant

ZHANG Hengkai，LIU Jikun，ZHAO Yuntao，LIU Jiguang，LIU Yang

（State Key Laboratory of Nuclear Power Safety Monitoring Technology and Equipment，China Nuclear Power Engineering Co.，Ltd.Shenzhen of Guangdong Prov. 518172，China）

According to the motion and force characteristics of the control rod bank during rod dropping, and the test results in nine nuclear power plants, the power of fluid inside the primary loop has no impact on the rod drop time, which decreases with the increase of the temperature of the fluid inside the primary loop. The new criterion of the rod drop time is calculated in different test conditions. The conclusion cannot be only applied to the other nuclear power plants of similar type during commissioning and normal operation, but also as reference when analyzing the dynamic force model during rod dropping.

Control rod assembly; Rod drop time; Influence factors; Criterion optimization

TL48

A

0258-0918（2022）06-1291-05

2021-09-26

張恒凱（1990—），男，陜西西安人，工程師，學(xué)士，現(xiàn)從事核電廠控制棒控制和堆芯中子測量方面研究