核電機組調(diào)峰工況的技術(shù)要求及堆芯控制策略的探討

譚 杰 羅俊杰 吳 迪 朱東來 炊曉東

（核動力運行研究所，湖北 武漢 430074）

0 引言

近年來，隨著能源結(jié)構(gòu)調(diào)整和供需形勢的變化，電力生產(chǎn)與發(fā)展出現(xiàn)了一些新的形勢：核電機組并網(wǎng)容量增加、用電量增速放緩、風電等新能源裝機容量擴大、電網(wǎng)負荷峰谷差逐年增大，導致以火電為調(diào)峰主體的電網(wǎng)調(diào)峰壓力逐步增加，核電機組參與電網(wǎng)調(diào)峰運行的需求也越來越緊迫。

核電參與調(diào)峰運行是一項復雜的綜合性活動，論證煩瑣，涉及堆芯設(shè)計、燃料性能評價、事故安全分析、源項和放射性流出物計算、相關(guān)系統(tǒng)與設(shè)備論證、堆芯控制策略等諸多環(huán)節(jié)。其中，除了堆芯控制外，其他環(huán)節(jié)均在工程設(shè)計階段進行了包絡性分析論證，而堆芯控制，則需要在運行階段，結(jié)合堆芯實際運行狀態(tài)，比如軸向功率偏差參考值（△I）、控制棒棒位等，進行精細化的計算和評價，最終確定是否滿足技術(shù)規(guī)范要求。

本文基于M310核電機組運行技術(shù)規(guī)范的強制要求，以典型的調(diào)峰工況為研究對象，制定了合適的堆芯控制策略，利用堆芯設(shè)計軟件進行模擬計算，給出了調(diào)峰過程中的重要監(jiān)控參數(shù)的演變趨勢，為核電廠操縱人員提供參考。

1 調(diào)峰相關(guān)技術(shù)條件

核電機組的《運行技術(shù)規(guī)范》是核電廠《最終安全分析報告》（FSAR）的直接延伸，集中了機組運行過程（包括調(diào)峰）應該遵守的技術(shù)規(guī)定，以確保安全限值得以遵守，從而保證整個運行壽期內(nèi)的安全。限定反應堆正常運行的邊界是《運行技術(shù)規(guī)范》的一項重要作用，其中與調(diào)峰工況相關(guān)的要求如下：

（1）軸向功率偏差必須保持在運行圖（見圖1）的范圍內(nèi)。在任何情況下，都需滿足表1列出的相關(guān)規(guī)定。

表1 運行圖相關(guān)規(guī)定

圖1 運行圖

（2）溫度調(diào)節(jié)棒組（R棒）必須在其低—低插入限值之上。

（3）功率補償棒組（GN棒）不得低于由有效標定曲線確定的棒位。

（4）功率提升速率每分鐘不得超過額定功率的5%FP。

（5）在功率水平高于參考功率水平（P）時，在任何情況下，都不得下插功率補償棒組。在功率水平低于P時，功率補償棒組的插入至多達到由相當于在P時，開始插入的有效標定曲線確定的棒位。

（6）在前30d功率運行期間，從反應堆至少持續(xù)72 h的最大功率以上提升功率時，必須將功率提升速度限制在3%FP/h之內(nèi)。可以階躍增加10%FP，然后穩(wěn)定3 h，最后以3%FP/h之內(nèi)的速率實現(xiàn)功率提升。

（7）當計劃進行長期低功率運行時，必須在功率補償棒組全部提出的前提下，通過硼化降功率。

（8）象限功率傾斜比必須低于1.02。

（9）失水事故熱點因子限值是2.45。

其中，（1）、（2）、（3）和（4）是調(diào)峰運行重點關(guān)注的條款，且1是最大的風險點；（5）、（6）和（7）是長期低功率運行需要特別關(guān)注的條款；（8）和（9）是設(shè)計階段就已進行驗證過的條款，調(diào)峰期間加強監(jiān)視即可。

2 典型調(diào)峰工況的堆芯控制策略

2.1 典型調(diào)峰工況

目前核電廠典型的調(diào)峰工況分為如下四個階段：

（1）以2～3MW/min速率從100%FP降至80%FP，并在該平臺停留若干小時；（2）以2～3MW/min速率從80%FP降至50%FP，并在該平臺停留2 h；（3）以2～3MW/min速率從50%FP升回80%FP，并在該平臺停留若干小時；（4）以2～3MW/min速率從80%FP升回100%FP，并在該平臺停留若干小時。

2.2 堆芯控制策略的制定思路

堆芯控制策略主要考慮從調(diào)節(jié)控制棒位置（R棒或GN棒）和調(diào)節(jié)硼濃度（硼化或稀釋）兩種手段中選擇合適的方式或者組合，以便滿足技術(shù)規(guī)范強制要求（1）、（2）、（3）和（4）條款，從而達到調(diào)峰的目標。另外，需要遵循“常軸向偏移控制法”來抑制氙震蕩的產(chǎn)生。常軸向偏移控制的要點在于：不管反應堆運行功率水平是多少，都力求保證在一定時間內(nèi)相同的軸向功率分布形狀，即基于△I來控制反應堆。

以典型調(diào)峰工況為研究對象，探討堆芯控制策略的制定思路。

一階段：推薦采用調(diào)節(jié)硼濃度的方式進行功率控制，輔助以下插R棒的方式進行ΔI控制。理由為：80%FP平臺停留時長存在較大不確定性，電網(wǎng)可能根據(jù)負荷情況要求核電機組進行長期低功率運行，為了兼顧技術(shù)規(guī)范條款（7）的要求，因此選擇硼化降功率更為穩(wěn)妥；硼化降功率將觸發(fā)氙震蕩現(xiàn)象，導致ΔI向正發(fā)展，為滿足技術(shù)規(guī)范條款1.h的要求以及常軸向功率偏移原則，因此輔助以下插R棒的方式進行ΔI控制，期間需要關(guān)注技術(shù)規(guī)范條款2的符合性。

二階段：推薦采用調(diào)節(jié)硼濃度的方式進行。功率控制，輔助以下插G棒的方式進行ΔI控制。理由為：若完全采用插GN棒的方式，GN棒插入較深，有違反技術(shù)規(guī)范條款1.f的風險，同時，GN棒插入導致堆芯功率分布更加惡劣，氙震蕩也更加劇烈，有違反技術(shù)規(guī)范條款1.g的風險，因此，不建議將GN棒作為功率控制的主要手段。而采用硼化作為功率控制的主要手段，輔助以插GN棒作為ΔI控制的手段，好處是硼化降功率導致的ΔI向正發(fā)展，此時R棒裕量已在上一階段幾乎消耗殆盡，正好利用G1棒下插來抑制ΔI，既減輕了GN棒下插的深度，又預留了G1棒作為抵消硼化對ΔI的正向效應的手段，一舉兩得緩解風險。

三階段與二階段的思路類似，四階段與一階段的思路類似。

2.3 堆芯控制策略的模擬計算

依照上述控制思路，利用堆芯設(shè)計軟件對典型調(diào)峰工況的堆芯控制策略進行模擬計算，調(diào)峰期間的ΔI趨勢圖見圖2，各階段的計算結(jié)果見表2、3、4和5。可以看出，調(diào)峰期間各項參數(shù)均控制良好，滿足技術(shù)規(guī)范要求。

圖2 調(diào)峰期間軸向功率偏差運行軌跡

表2 階段a（從100%FP降至80%FP）的堆芯計算結(jié)果

表3 階段b（從80%FP降至50%FP）的堆芯計算結(jié)果

表4 階段c（從50%FP升至80%FP）的堆芯計算結(jié)果

表5 階段d（從80%FP升至100%FP）的堆芯計算結(jié)果

3 結(jié)語

本文梳理了核電機組運行技術(shù)規(guī)范中與機組調(diào)峰相關(guān)的技術(shù)要求，并按關(guān)注度進行了分類，便于工程技術(shù)人員快速獲取和利用；以典型的調(diào)峰工況為研究對象，闡述了各項技術(shù)要求在實際調(diào)峰運行控制策略制定過程中的運用思路，從而制定了合適的堆芯控制策略，并利用堆芯設(shè)計軟件進行模擬計算，給出了調(diào)峰過程中的重要堆芯參數(shù)的演變趨勢。結(jié)果表明，在充分兼顧技術(shù)規(guī)范各項要求的前提下，能夠較好的地實現(xiàn)核電機組調(diào)峰運行目標。