奚 坤,沈曙光,楊曉強(qiáng),郭 俊

(1.核動(dòng)力運(yùn)行研究所,武漢 430000;2.江蘇核電有限公司,連云港 222002)

國(guó)內(nèi)大部分二代核電機(jī)組都具備一定的負(fù)荷跟蹤能力,但一般不單獨(dú)設(shè)置快速降功率系統(tǒng),然而WWER-1000核電機(jī)組設(shè)置有快速預(yù)保護(hù)系統(tǒng) (Accelerated Previous Protect,簡(jiǎn)稱APP)。三代堆EPR和AP1000設(shè)有快速降功率系統(tǒng),AP1000的快速降功率系統(tǒng)可以確保汽機(jī)在大的甩負(fù)荷情況下匹配一、二回路功率,避免不必要的停堆[1-5]。華龍一號(hào)在設(shè)計(jì)時(shí)也考慮了快速降功率系統(tǒng)。

WWER-1000核電機(jī)組的快速降功率系統(tǒng)設(shè)置在反應(yīng)堆降功率及限功率系統(tǒng)中[6-7]。反應(yīng)堆降功率及限功率系統(tǒng)中,從兩個(gè)方向?qū)β蔬M(jìn)行了限制。一是根據(jù)允許功率限制反應(yīng)堆功率,在此方向上,當(dāng)二回路跳機(jī)或失去并網(wǎng)信號(hào)時(shí),觸發(fā)APP動(dòng)作;二是根據(jù)蒸汽發(fā)生器給水流量限制反應(yīng)堆功率,當(dāng)進(jìn)入蒸汽發(fā)生器的主給水總流量大幅度減少,與當(dāng)前反應(yīng)堆功率不匹配時(shí),如果不匹配程度較大 (已觸發(fā)PP1,汽水失配量小于-28%,核功率不小于73%),將觸發(fā)APP動(dòng)作。

在觸發(fā)快速預(yù)保護(hù)后,APP棒組斷電,以落棒的速度插入堆芯 (0.5s-4s內(nèi)),保證堆芯核功率下降到800MW—2100MW區(qū)間內(nèi),然后調(diào)整第10組控制棒,將堆芯功率穩(wěn)定在40%額定功率。然而,如何選取快速預(yù)保護(hù)的工作棒組則需要通過(guò)計(jì)算來(lái)確定,本文介紹了WWER-1000機(jī)組的APP工作棒組的選取方法,并以田灣3號(hào)機(jī)組首循環(huán)為例,進(jìn)行了模擬計(jì)算。

1 WWER-1000堆芯特點(diǎn)

WWER-1000反應(yīng)堆堆芯由163個(gè)設(shè)計(jì)相同但燃料富集度不同的燃料組件組成。棒束控制組件由驅(qū)動(dòng)裝置移動(dòng),安裝在一部分燃料組件中。為補(bǔ)償過(guò)剩反應(yīng)性,在部分燃料組件中帶有可燃吸收體一體化的釓棒燃料棒。首循環(huán)堆芯布置163個(gè)新燃料組件,采用高泄露的裝載方案。

WWER-1000機(jī)組堆芯內(nèi)布置有103束控制棒,用于反應(yīng)堆的啟動(dòng)、快速停堆、功率調(diào)節(jié)、展平軸向功率分布以及防止、抑制氙振蕩。將103束控制組分為10組,如圖1所示。第8-10組控制棒稱為調(diào)節(jié)棒組 (第10組是主調(diào)節(jié)棒組),是反應(yīng)堆功率控制器的執(zhí)行機(jī)構(gòu),主要用于調(diào)節(jié)、穩(wěn)定反應(yīng)堆功率或者主蒸汽集管壓力;另外,還是反應(yīng)堆功率限制以及反應(yīng)堆一類(lèi)預(yù)保護(hù)的工作棒組,用于限制和降低反應(yīng)堆功率。第1-7組控制棒稱為停堆棒組,用于實(shí)現(xiàn)緊急停堆,其中根據(jù)每循環(huán)的裝載方案,通過(guò)計(jì)算選取控制棒作為快速預(yù)保護(hù)的工作棒組。

圖1 堆芯控制棒布置Fig.1 Control rods configuration

2 APP工作棒組的選取

WWER-1000機(jī)組快速降功率系統(tǒng)工作包含如下步驟:

(1)觸發(fā)APP棒組斷電,落入堆芯;

(2)堆芯核功率迅速降低;

(3)調(diào)節(jié)工作棒組,使堆芯功率穩(wěn)定在40%。

本節(jié)通過(guò)模擬APP的工作過(guò)程,以田灣核電站3號(hào)機(jī)首循環(huán)的壽期初 (begging of life,簡(jiǎn)稱BOL),壽期中 (middle of life,簡(jiǎn)稱MOL),壽期末 (end of life,簡(jiǎn)稱EOL)三個(gè)燃耗點(diǎn)為例,介紹APP棒組的選取過(guò)程。

2.1 控制棒組合

APP棒組從停堆棒組中選取。12束控制棒的價(jià)值過(guò)大,落入堆芯后可能會(huì)造成堆芯功率過(guò)低或直接跳堆,3束控制棒價(jià)值過(guò)小,不能達(dá)到降功率的需求,而且考慮到WWER-1000反應(yīng)堆堆芯具有1/6旋轉(zhuǎn)對(duì)稱特性,因此選擇6束控制棒作為APP棒組較為合適?；诖?對(duì)每組控制棒按照在堆芯的1/6旋轉(zhuǎn)對(duì)稱分為兩個(gè)子組對(duì)落棒后的狀態(tài)進(jìn)行模擬,其中n-1組為靠近堆芯外側(cè)的控制棒,n-2組為靠近堆芯內(nèi)側(cè)的控制棒 (n為停堆棒組的編號(hào))。模擬的控制棒組合見(jiàn)表1。

表1 控制棒分組Table 1 Control rods group

2.2 落棒后堆芯核功率

APP棒組落棒后,快速引入負(fù)反應(yīng)性,堆芯核功率迅速下降。由于落棒速度在0.5s-4s內(nèi)完成,在該過(guò)程中,堆芯釤毒、氙毒、硼濃度及冷卻劑入口溫度來(lái)不及變化,因此保持和上一狀態(tài)一致;而堆芯核功率變化迅速,在該過(guò)程中很快能達(dá)到平衡,因此用功率來(lái)搜索臨界。

表2 落棒后堆芯狀態(tài)參數(shù)Table 2 Reactor parameters after rods drop

計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2,滿足落棒后核功率在800MW—2100MW要求的控制棒組合有1-1,2-1,4-1,5-1,6-1,1-2,2-2,3-2,4-2,5-2,6-2,7-2共12種。

表2中的燃料棒功率峰因子 (peaking factor of fuel rod power distribution,簡(jiǎn)稱Kr),可以表征燃料組件中功率的分布;燃料組件功率峰因子 (peaking factor of assembly power distribution,簡(jiǎn)稱Kq),可以表征堆芯內(nèi)徑向功率分布;表3中的燃料棒局部線功率密度 (Value of local linear thermal power,簡(jiǎn)稱Ql,單位為 W·cm-1)。APP棒組的選取,需要從三個(gè)角度進(jìn)行考慮:

(1)滿足功率需求;

(2)APP插入堆芯后,會(huì)造成堆內(nèi)功率分布畸變,需要確保功率分布變化在安全范圍內(nèi),即Kr和Ql滿足限制要求;

(3)在滿足前兩個(gè)條件的基礎(chǔ)上,綜合考慮各個(gè)燃耗,選擇對(duì)堆芯擾動(dòng)盡量小的控制棒組合。

表3 穩(wěn)定后堆芯狀態(tài)參數(shù)Table 3 Stable reactor parameters

根據(jù)電站核設(shè)計(jì)報(bào)告中規(guī)定,落棒后穩(wěn)定狀態(tài)Kr限值為1.6,Ql限值為265W·cm-1。2-1、3-1、4-1和5-1四種組合Kr超限;Ql均未超限。因此滿足前兩條要求的控制棒組合有1-1、6-1、1-2、2-2、3-2、4-2、5-2、6-2、7-2共9種?？紤]到壽期末,堆芯容易由于功率分布不均勻產(chǎn)生振蕩,因此選取在壽期末插棒后和穩(wěn)定后功率分布最均勻的棒組。由表2和表3可知,6-1棒組在落棒后和穩(wěn)定后Kr和Kq值均最小。因此,最終選取6-1棒組作為APP工作棒組。

2.3 穩(wěn)定核功率

觸發(fā)APP落棒后堆芯功率下降,下一步的動(dòng)作是將調(diào)節(jié)工作棒組,將堆芯核功率穩(wěn)定在40%。

表4 APP工作過(guò)程中堆芯參數(shù)Table 4 Reactor parameters through APP action

表4給出了以6-1控制棒組合為APP工作棒組,堆芯初始狀態(tài),APP棒組落棒后以及穩(wěn)定后堆芯狀態(tài)參數(shù)。

3 APP棒組落棒后堆芯氙瞬態(tài)過(guò)程

在APP棒組落棒后,堆芯核功率和堆芯功率分布都發(fā)生變化,將引起氙毒的變化,進(jìn)而導(dǎo)致功率在空間分布上的振蕩[8-14]。該過(guò)程中通過(guò)調(diào)整硼濃度來(lái)保持臨界,模擬BOL、MOL和EOL三個(gè)燃耗點(diǎn)100 h氙瞬態(tài)來(lái)計(jì)算堆芯的功率分布。

3.1 硼濃度的變化

硼濃度的計(jì)算結(jié)果如圖2所示。壽期初和壽期中在氙瞬態(tài)初期 (0-5 h內(nèi)),氙毒由于功率下降,堆芯中子通量密度減小,導(dǎo)致氙毒通過(guò)吸收中子衰變較少,氙毒累積,通過(guò)稀釋減少硼濃度,保證堆芯臨界;壽期末理論硼濃度已經(jīng)為0,在氙毒累積的階段已經(jīng)不能通過(guò)稀釋來(lái)保證臨界,并且單獨(dú)抽出APP棒組和降功率已不能補(bǔ)償氙毒,并且降功率還會(huì)導(dǎo)致更大的氙毒峰值,導(dǎo)致停堆。此時(shí)可以通過(guò)抽出APP棒組和調(diào)節(jié)工作棒組來(lái)提供所需反應(yīng)性,以防堆芯掉入碘坑而停堆,影響后面可能需要的延伸運(yùn)行。

在氙瞬態(tài)中期 (5-30 h),氙毒處于下降階段,由于堆芯裂變產(chǎn)生的135I減少,而且135Xe逐漸通過(guò)吸收中子衰變成136Cs,因此氙毒價(jià)值逐漸減小,引入正反應(yīng)性,可以通過(guò)硼化來(lái)引入負(fù)反應(yīng)性保證臨界。

在氙瞬態(tài)后期 (30h-100 h),對(duì)比BOL,MOL和EOL三個(gè)燃耗點(diǎn),可以發(fā)現(xiàn),在壽期初氙毒在5h峰值后逐漸減小后,就趨于穩(wěn)定,后續(xù)基本不需調(diào)節(jié)硼濃度。壽期中和壽期末仍然不能達(dá)到穩(wěn)定,產(chǎn)生了振蕩,并且壽期末的振蕩幅度更大,這與隨著燃耗加深,堆芯內(nèi)裂變產(chǎn)物的積累有關(guān)。

圖2 硼濃度隨時(shí)間變化Fig.2 Boron concentration with time

3.2 堆芯徑向功率分布的變化

氙瞬態(tài)期間的Kq計(jì)算結(jié)果如圖3所示,可以發(fā)現(xiàn)氙毒對(duì)徑向功率分布較小,影響不大,這是由于堆芯徑向橫截面尺寸較小,不容易產(chǎn)生氙毒的振蕩。

圖3 Kq隨時(shí)間變化Fig.3 Kq with time

3.3 堆芯軸向功率分布的變化

氙瞬態(tài)期間的軸向功率偏差 (axial offset of power distribution,簡(jiǎn)稱AO)和體積功率峰因子 (peaking factor of volume power distribution,簡(jiǎn)稱Kv,可表征堆芯三維功率分布),計(jì)算結(jié)果如圖4和圖5所示。可以發(fā)現(xiàn),三個(gè)燃耗點(diǎn)之間的差異很大,壽期初,AO和Kv經(jīng)過(guò)一個(gè)振蕩后基本區(qū)域穩(wěn)定,而壽期中和壽期末則在100 h內(nèi)達(dá)不到穩(wěn)定,并且壽期中的振蕩幅度在減弱,而壽期末在后期振蕩仍然劇烈。這與裂變產(chǎn)物隨燃耗而積累的原因有關(guān)。

圖4 AO隨時(shí)間變化Fig.4 AO with time

圖5 Kv隨時(shí)間變化Fig.5 Kv with time

從圖5可知,在壽期中和壽期末的氙振蕩過(guò)程中,Kv變化很大,最大值接近3.4,有可能超過(guò)限值 (Kv限值為堆芯的三維分布,在滿功率平臺(tái)下最大值為2.00,在40%功率平臺(tái)下最大值為3.98),觸發(fā)緊急保護(hù)動(dòng)作,而導(dǎo)致停堆,因此在APP落棒后的氙瞬態(tài)期間,必須對(duì)堆芯軸向功率分布進(jìn)行有效的控制。

造成APP落棒后氙毒變化引起軸向功率分布振蕩的原因有兩方面,一是控制棒的插入,二是功率的變化。在控制軸向功率時(shí),當(dāng)AO可以適當(dāng)調(diào)節(jié)工作棒組,APP棒組的插入也為軸向功率的控制提供了一種額外的途徑。因此,可以通過(guò)同時(shí)調(diào)節(jié)工作棒組和APP棒組來(lái)進(jìn)行有效的控制。

4 結(jié) 論

(1)針對(duì)田灣3號(hào)機(jī)組首循環(huán)的壽期初、期中和壽期末三個(gè)燃耗點(diǎn),對(duì)APP棒組的篩選過(guò)程進(jìn)行了計(jì)算模擬,從滿足功率需求和對(duì)堆芯功率分布擾動(dòng)最小的角度挑選出6-1控制棒組合作為APP棒組。

(2)壽期末,需要提出APP棒組,來(lái)補(bǔ)償氙毒,防止跳堆。

(3)氙瞬態(tài)期間,徑向功率分布變化很小,但是壽期中和壽期末的軸向功率分布較為劇烈,需要進(jìn)行有效的控制,以防觸發(fā)安全保護(hù)措施,導(dǎo)致停堆。

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