周忠政
(中核核電運行管理有限公司,浙江 嘉興314300)
為了在緊急事故時能迅速切斷進(jìn)入汽輪機(jī)的蒸汽流量,保證機(jī)組及堆芯安全,在反應(yīng)堆功率運行期間,應(yīng)每季進(jìn)行一次主汽門試驗以檢查閥門有無卡澀。
320 MWe機(jī)組主汽門試驗需要降功率至200 MWe功率平臺附近,穩(wěn)定運行4~6 h后,再升至滿功率運行,試驗過程中需要移動控制棒或調(diào)整冷卻劑可溶硼濃度來補(bǔ)償反應(yīng)性變化。一直以來,320 MWe機(jī)組主汽門試驗期間的反應(yīng)性控制方案都交由設(shè)計院計算,電廠需要支付計算費用,影響了經(jīng)濟(jì)性;同時,文件往來時間成本高,且無法保證反應(yīng)性控制方案計算的靈活性。本文利用ORIENT軟件的計算功能,結(jié)合影響反應(yīng)性的多個因素,實現(xiàn)主汽門試驗期間的反應(yīng)性控制方案的自主計算,并對計算結(jié)果進(jìn)行分析。
320 MWe機(jī)組某燃料循環(huán)期間主汽門試驗,反應(yīng)堆以2 MWe/min速率降功率至196 MWe,并在196 MWe平臺停留4 h,然后再以2 MWe/min速率升功率至滿功率。
若要得到功率變動期間每一個燃耗點的堆芯物理參數(shù),需要建立本循環(huán)裝料至今的堆芯燃耗跟蹤計算表。通過上循環(huán)的歷史數(shù)據(jù),得到所有回堆燃料組件的燃耗等信息,設(shè)置歷史跟蹤計算起點。從電站計算機(jī)數(shù)據(jù)中得到本循環(huán)的堆芯相對功率、燃耗和棒位等數(shù)據(jù),如表1所示。表中P為相對功率,單位為滿功率FP;B為燃耗值,單位為兆瓦天每噸鈾MWD/tU,D為該狀態(tài)點運行的時間長度,單位為天Day,與燃耗互斥,A1~T4為控制棒棒位,Export表示是否在該燃耗點狀態(tài)進(jìn)行庫文件輸出以作為自動化計算序列基礎(chǔ)。
表1 堆芯燃耗跟蹤計算表
將燃耗跟蹤計算表作為輸入,利用ORIENT系統(tǒng)對燃耗計算點進(jìn)行臨界硼濃度搜索,Keff=1.0為目標(biāo)值,并且考慮氙燃耗、釤燃耗,可得到每個燃耗點的堆芯徑向和軸向結(jié)果,如組件功率、軸向功率偏移、軸向功率峰因子等。
堆芯負(fù)荷變動時,反應(yīng)性的計算需要考慮影響反應(yīng)性變化的諸多因素,包括氙毒反應(yīng)性、釤毒反應(yīng)性、功率虧損、溫度虧損、硼濃度變化和控制棒移動等。負(fù)荷跟蹤計算主要是通過計算堆芯當(dāng)前燃耗計算點與下一個燃耗計算點的反應(yīng)性凈變化量,考慮軸向功率偏差必須在參考值±5%FP內(nèi)變化,不斷調(diào)整控制棒棒位,使每個燃耗點處堆芯搜索達(dá)到新的臨界狀態(tài),并得到臨界硼濃度等堆芯物理參數(shù)。
建立負(fù)荷跟蹤序列計算表,表格中主要包括堆芯相對功率,控制棒棒位和硼濃度變化量。為了增加計算的參考性,以每5 min一個燃耗點進(jìn)行制表,功率變動結(jié)束后繼續(xù)計算54 h的數(shù)據(jù)。根據(jù)電功率的升降速率和不同功率水平堆芯的效率,利用TREND函數(shù)可以得到理論的負(fù)荷變動流程(Pr列數(shù)據(jù))??刂瓢舭粑缓团饾舛茸兓繛榛コ獾牧?,因為要參考軸向功率偏差的變化,所以改變T4棒位更為直觀,以T4棒位歷史運行數(shù)據(jù)作為預(yù)輸入值。如表2所示。
導(dǎo)入序列計算輸入表到ORIENT中,并設(shè)置跟蹤計算起始點為2.1節(jié)燃耗跟蹤計算文件,即開始降功率時刻(0 min)的堆芯狀態(tài)參數(shù)即是表1“堆芯燃耗跟蹤計算表”最后一個計算點的數(shù)據(jù)。
利用ORIENT軟件,對表2中每一點進(jìn)行臨界計算,算出有效增殖系數(shù)Keff=1狀態(tài)下的平衡氙濃度,然后強(qiáng)制氙濃度為0,在相同計算條件下計算新的有效增殖系數(shù)Keff〃,根據(jù)Keff和Keff〃的偏差可以計算出該狀態(tài)下的氙毒反應(yīng)性。計算出表2中每一時刻135Xe濃度,根據(jù)最初狀態(tài)點計算的135Xe濃度與氙毒反應(yīng)性的對應(yīng)系數(shù),可以計算出之后每一計算點的氙毒反應(yīng)性。計算得到的氙毒反應(yīng)性隨功率變化的趨勢如圖1所示。
表2 負(fù)荷跟蹤序列計算輸入表
圖1 氙毒反應(yīng)性隨功率的變化
如果某計算點處得到的ΔI偏離軸向功率偏差參考值ΔIref(本次計算ΔIref=-1.45%FP)過多,需要對預(yù)輸棒位進(jìn)行調(diào)整,直到得到該計算點最佳的ΔI,如圖2所示。在這個過程中,硼濃度的變化量也隨之改變。
圖2 根據(jù)ΔI調(diào)整T4棒棒位示意圖
經(jīng)過多次調(diào)整后,可以得到ΔI滿足要求的負(fù)荷跟蹤計算結(jié)果,結(jié)果中包括控制棒棒位、硼濃度變化量、軸向功率偏差、氙毒反應(yīng)性等。
功率水平的變化將導(dǎo)致包殼和燃料芯塊的溫度和慢化劑的溫度的變化。根據(jù)核設(shè)計報告中總功率虧損與功率水平的關(guān)系表,在硼濃度確定情況下,功率虧損與功率水平成線性關(guān)系,通過差分法可以計算出主汽門試驗總功率虧損,整個升降功率期間的功率虧損如圖3所示:
圖3 總功率虧損隨功率的變化
功率水平變化導(dǎo)致慢化劑溫度變化和燃料有效溫度變化,溫度變化引起的反應(yīng)性引入已經(jīng)考慮到功率虧損中,所以不做單獨考慮。
釤毒對熱中子反應(yīng)堆的影響僅次于氙毒。降功率前釤毒達(dá)到平衡,降功率后釤毒開始積累,根據(jù)《第十七燃料循環(huán)應(yīng)急換料運行數(shù)據(jù)計算報告》可得,從100%FP功率停堆后10 h,釤毒反應(yīng)性積累46 pcm,149Sm要達(dá)到平衡需要至少百小時以上。本次主汽門試驗中降功率33.45 %FP,升降功率約6 h,實際釤毒的積累很小,可忽略不計。
主汽門試驗期間的每一燃耗點處,將氙毒反應(yīng)性和功率虧損相加可以得到反應(yīng)性變化量ρB=ρxe+p+ρr。如果控制棒棒位變化,引入的反應(yīng)性為ρr,則調(diào)硼引入的反應(yīng)性為:
核設(shè)計報告中可得當(dāng)前燃耗下的硼微分價值為ρB′,則硼濃度變化量為ΔCB:
可得主汽門試驗期間每一計算燃耗點的反應(yīng)性變化量、控制棒棒位、硼濃度變化量和軸向功率偏差,為運行人員提供了反應(yīng)性控制參考。
為了驗證計算反應(yīng)性控制方案的準(zhǔn)確性,試驗后從電站計算機(jī)中得到主汽門試驗期間相關(guān)實測數(shù)據(jù),將軸向功率偏差、硼濃度變化量計算值與實測數(shù)據(jù)進(jìn)行比較,如圖4、圖5所示。
圖4 計算軸向功率偏差與實際值比較圖
圖5 計算硼濃度變化與實際值比較圖
圖4中可以看出:
(1)自主計算得到的ΔI在ΔIref=-1.45%FP附近較窄的范圍內(nèi)震蕩,ΔImin=-5.34%FP,ΔImax=3.16%FP,沒有超過±5%FP運行帶;
(2)負(fù)荷變動結(jié)束后,ΔI逐漸成收斂趨勢;
(3)計算ΔI與實測ΔI的趨勢一致,兩者最大偏差為1.19%FP,最小偏差為-0.229%FP。
圖5中因為硼濃度變化實測值取自硼表,在硼化稀釋過程中硼表示數(shù)有一定波動,所以有一些壞點,但偏差都維持在小的范圍內(nèi),整個計算硼濃度變化量的趨勢與實測值趨勢是相同的。
從運行操作上來考慮,應(yīng)避免控制棒的頻繁動作,圖6為控制棒的棒位隨時間變化圖,在負(fù)荷變動期間,控制棒基本按照固定趨勢動作,在主汽門試驗結(jié)束后,控制棒棒位并未出現(xiàn)頻繁提升或下插。
圖6 主汽門試驗期間T4棒位變化
通過自主計算結(jié)果與實際數(shù)據(jù)的對比分析,可以看出320MWe機(jī)組主汽門試驗期反應(yīng)性計算結(jié)果準(zhǔn)確適用,對運行操作決策起到很好的參考作用。