董志強(qiáng)，宋慧斌

（三門(mén)核電有限公司，浙江 三門(mén) 317112）

1 背景概述

反應(yīng)堆運(yùn)行時(shí)，堆芯功率的分布往往是不均勻的，會(huì)產(chǎn)生局部功率和熱點(diǎn)，這些地方到達(dá)溫度（功率）限制值的距離就小，一旦接近或者超過(guò)限制值，就會(huì)危及堆芯的安全。為避免這種情況的發(fā)生，就必須降低總功率，以降低功率峰和熱點(diǎn)，這樣就限制了全堆功率的輸出。相反，通過(guò)展平全堆的中子通量密度分布來(lái)展平全堆的功率分布，就可以使反應(yīng)堆的功率分布整體地與限制值保持盡可能小的距離，從而提高了反應(yīng)堆的總功率輸出。

軸向功率分布受到慢化劑的溫度效應(yīng)、可燃毒物效應(yīng)、多普勒效應(yīng)、功率水平、釤效應(yīng)燃耗及控制棒的位置、燃耗壽期的影響。在負(fù)荷跟蹤降功率運(yùn)行時(shí)，控制棒組下插，堆芯功率分布向下移動(dòng)，在負(fù)荷跟蹤提升功率運(yùn)行時(shí)，控制棒組上提，堆芯功率分布向上移動(dòng)。同時(shí)功率軸向分布變化將導(dǎo)致氙振蕩，這又會(huì)使得軸向功率分布發(fā)生變化，并最終導(dǎo)致熱點(diǎn)的變化。在反應(yīng)堆運(yùn)行過(guò)程中，必須將AO和ΔI控制在合理的范圍內(nèi)，以避免熱點(diǎn)的產(chǎn)生，保證堆芯運(yùn)行的安全。為此必須遵定如下3個(gè)準(zhǔn)則：（1）失水事故（LOCA）準(zhǔn)則；（2）偏離泡核沸騰（DNB）準(zhǔn)則；（3）堆芯熔化準(zhǔn)則。

AP1000核電機(jī)組采用了與一般傳統(tǒng)核電站不同的軸向功率偏差控制方式，避免了頻繁地調(diào)硼，從而大大減少了廢液的產(chǎn)生量，并且提高了系統(tǒng)的響應(yīng)速度。本文將對(duì)AP1000軸向功率偏差的控制方法進(jìn)行介紹。

2 常軸向偏移控制的方法

目前壓水堆普遍采用CAOC控制策略的運(yùn)行方式。所謂軸向偏移（AO）指的是堆芯上部功率和堆芯下部功率的差值除以當(dāng)前的反應(yīng)堆功率。CAOC控制策略即在運(yùn)行過(guò)程中維持AO為恒定值。然而AO并不能反映燃料元件的熱應(yīng)力情況，因?yàn)樵诠β什煌瑫r(shí)，相同的AO對(duì)應(yīng)的堆芯上、下部功率差值是不同的，所引起的熱應(yīng)力和機(jī)械應(yīng)力也是不同的，這樣需引入一個(gè)能衡量功率實(shí)際偏差的量，即軸向功率偏差（ΔI），它衡量的是反應(yīng)堆堆芯上部功率和下部功率的差值，如果堆芯上部功率大于堆芯下部功率，則ΔI值為正，反之則為負(fù)。

可能影響ΔI因素有許多，例如慢化劑的溫度效應(yīng)、可燃毒物、多普勒效應(yīng)、功率效應(yīng)、控制棒的移動(dòng)、氙毒效應(yīng)、汽輪機(jī)負(fù)荷的變化等，一切反應(yīng)性變化的軸向效應(yīng)都會(huì)影響ΔI。

在反應(yīng)堆運(yùn)行過(guò)程中，ΔIref值隨燃耗變化而變化，因而需要通過(guò)試驗(yàn)的方法對(duì)ΔIref進(jìn)行定期修正。實(shí)際運(yùn)行點(diǎn)ΔI不可能完全與ΔIref相符，一般允許在參考值的±5%目標(biāo)帶變化。在額定功率水平下，ΔI通?？刂圃讦±1%的帶狀區(qū)域內(nèi)。

3 傳統(tǒng)壓水堆核電站軸向功率偏差控制方法及存在的問(wèn)題

傳統(tǒng)壓水堆核電站（如M310、華龍一號(hào)等）采用CAOC的控制策略。反應(yīng)堆的功率調(diào)節(jié)主要是由控制棒來(lái)實(shí)現(xiàn)的，若出現(xiàn)ΔI偏離ΔIref達(dá)一定量，在超出控制帶之前即需要操縱員通過(guò)化學(xué)和容積控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)反應(yīng)堆系統(tǒng)的硼濃度，在保持反應(yīng)堆功率不變的前提下，使控制棒移動(dòng)至合適的高度，從而滿(mǎn)足軸向功率分布要求。若ΔI比ΔIref小，則應(yīng)加硼，促使控制棒提升，使軸向功率偏差向正的方向移動(dòng)；反之若ΔI比ΔIref大，則應(yīng)稀釋?zhuān)偈箍刂瓢粝虏?，使軸向功率偏差向負(fù)的方向移動(dòng)，通過(guò)這樣的方法保證了ΔI的值回到ΔIref。

以M310為例：在Mode A負(fù)荷運(yùn)行方式下ΔI控制在運(yùn)行控制梯形圖允許運(yùn)行范圍內(nèi)，Mode A控制模式下的運(yùn)行梯形圖如圖1所示。運(yùn)行梯形圖的確定，既要考慮在失水事故情況下的安全性，又要考慮運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性，兩者適當(dāng)?shù)亟Y(jié)合起來(lái)，具體來(lái)說(shuō)：

圖1 Mode A控制模式下的運(yùn)行梯形圖

（1）運(yùn)行功率P>87%PN：維持ΔI在ΔIref＋5%地運(yùn)行帶以?xún)?nèi)，否則會(huì)產(chǎn)生軸向功率偏差報(bào)警或汽機(jī)快速降負(fù)荷，也可能由此引起緊急停堆。

在額定功率正常運(yùn)行時(shí)，通常ΔI位于ΔIref＋3%之內(nèi)，這種功率不平衡現(xiàn)象可能是如下因素造成的。反應(yīng)堆不在“氙平衡”狀態(tài)，反應(yīng)性是變化的。為了維持冷卻劑平均溫度程序整定值，調(diào)節(jié)棒組件將在堆內(nèi)移動(dòng)，ΔI就變化。調(diào)節(jié)棒組插入，ΔI向負(fù)值方向移動(dòng)；提升時(shí)，ΔI向正值方向移動(dòng)。

當(dāng)出現(xiàn)一個(gè)小的軸向氙振蕩，ΔI慢慢地變化。如果ΔI變得更負(fù)，應(yīng)提升調(diào)節(jié)棒組件，再進(jìn)行加硼操作；如ΔI變得更正，應(yīng)下插調(diào)節(jié)棒組件，再進(jìn)行硼稀釋操作，以使ΔI既保持在運(yùn)行范圍內(nèi)，又確保反應(yīng)堆在額定功率水平下穩(wěn)定運(yùn)行。

（2）運(yùn)行功率在15%PN

（3）運(yùn)行功率P<15%PN：由于沒(méi)有任何氙峰的危險(xiǎn)，不限制軸向偏移值，運(yùn)行區(qū)域不限制。

當(dāng)機(jī)組負(fù)荷快速變化時(shí)，特別是在燃耗末期，傳統(tǒng)電廠反應(yīng)堆軸向功率偏差的控制困難，對(duì)操縱員的及時(shí)反應(yīng)性預(yù)測(cè)計(jì)算和控制要求較高。據(jù)國(guó)家核安全局統(tǒng)計(jì)，國(guó)內(nèi)二代核電站已多次發(fā)生在機(jī)組啟停階段由于ΔI控制不當(dāng)或反應(yīng)性計(jì)算不準(zhǔn)確而導(dǎo)致ΔI超過(guò)運(yùn)行限制而進(jìn)入技術(shù)規(guī)格書(shū)的事件。究其原因主要包括以下幾個(gè)方面：（1）堆芯功率分布的變化會(huì)引起堆芯內(nèi)氙毒分布的變化，氙毒變化又會(huì)引起堆芯局部反應(yīng)性變化進(jìn)而引起功率分布發(fā)生變化而影響ΔI控制；（2）控制棒處于堆芯上部或者下部時(shí)控制棒下插或者上提對(duì)ΔI影響是不同的，以控制棒處于堆芯中平面以下為例：控制棒下插將會(huì)導(dǎo)致功率峰上移使ΔI往正的方向變化，控制棒上提將導(dǎo)致功率峰向堆芯底部偏移使ΔI往負(fù)的方向變化；（3）傳統(tǒng)二代核電廠依靠加硼或稀釋的方法調(diào)節(jié)控制棒在堆芯內(nèi)的插入位置，從而使ΔI處于規(guī)定范圍內(nèi)，需要的時(shí)間較長(zhǎng)。

當(dāng)堆芯軸向功率偏差過(guò)大，則易在堆芯內(nèi)產(chǎn)生局部熱點(diǎn)，有造成堆芯燒毀的潛在風(fēng)險(xiǎn)。此外由于調(diào)節(jié)一回路硼濃度將產(chǎn)生大量的放射性廢液，對(duì)環(huán)境產(chǎn)生潛在威脅，并增加了廢液處理系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)。

4 AP1000核電站ΔI的控制

AP1000核電機(jī)組在功率調(diào)節(jié)和軸向功率分布控制上提出了一種新的機(jī)械補(bǔ)償策略（MSHIM）：由M棒組的位置來(lái)控制反應(yīng)堆功率水平；AO棒用來(lái)調(diào)整較小的反應(yīng)性變化和軸向功率分布形狀；調(diào)節(jié)堆內(nèi)硼濃度補(bǔ)償由于燃耗、氙濃度變化等引起的較慢的反應(yīng)性變化。

4.1 棒控簡(jiǎn)介

AP1000核電站棒控系統(tǒng)由69束控制棒組成，其中53束為黑棒組件（RCCA）。每束黑棒包括24根控制棒，每根控制棒束由80% Ag（銀）+15% In（銦）+5%Cd（鎘）組成?？偣灿?個(gè)調(diào)節(jié)棒組和4個(gè)停堆棒組。調(diào)節(jié)棒組分為M棒組和AO棒組。M棒組的組成為MA、MB、MC、MD組均為4束灰棒、M1組4束黑棒、M2組8束黑棒。AO棒組有9束控制棒，均為黑棒棒組。停堆棒組分成SD1、SD2、SD3、SD4 4組，每組8束黑棒。

棒控系統(tǒng)的主要功能包括以下幾個(gè)方面：

（1）與反應(yīng)堆功率控制系統(tǒng)協(xié)同工作，通過(guò)M棒實(shí)現(xiàn)在低功率模式下維持反應(yīng)堆功率、高功率模式下維持一回路平均溫度，并通過(guò)AO棒來(lái)調(diào)節(jié)軸向偏移。

（2）當(dāng)需要進(jìn)行控制棒換棒時(shí)，在換棒過(guò)程中需進(jìn)行功率控制，通過(guò)調(diào)節(jié)AO棒對(duì)反應(yīng)堆功率進(jìn)行控制。

（3）當(dāng)核功率大于70%且出現(xiàn)汽機(jī)負(fù)荷在120 s內(nèi)甩負(fù)荷超過(guò)40%，快速降功率系統(tǒng)通過(guò)釋放預(yù)選的控制棒（AO棒和SD棒），從而將功率水平降低到蒸汽旁路排放系統(tǒng)和棒控系統(tǒng)的調(diào)節(jié)能力范圍內(nèi)。

4.2 軸向功率偏差控制

AO控制模式是通過(guò)調(diào)節(jié)AO棒組的棒位來(lái)調(diào)節(jié)軸向功率偏差ΔI在允許運(yùn)行區(qū)內(nèi)；ΔIL是ΔI的下限值，ΔIH是ΔI的上限值，ΔIref是理想的ΔI目標(biāo)值，它們隨著功率變化而變化。

如果當(dāng)前ΔI大于上限值ΔIH，AO棒組以設(shè)定的速度下插，直到ΔI小于上限減回差。

如果當(dāng)前ΔI小于下限值ΔIL，AO棒組以設(shè)定的速度上提，直到ΔI大于下限加回差。

正常功率運(yùn)行期間M棒組控制一回路平均溫度，AO棒組控制軸向功率偏差。為防止AO棒和M棒同時(shí)動(dòng)作對(duì)平均溫度和ΔI產(chǎn)生互相干擾，AO棒組與M棒組控制邏輯中設(shè)置了聯(lián)鎖，保證在同一時(shí)間僅有1種控制棒移動(dòng)。當(dāng)發(fā)生功率瞬態(tài)時(shí)：

（1）如果Tavg和ΔI的控制偏差使M棒和AO棒移動(dòng)方向相同，AO棒組優(yōu)先移動(dòng)，M棒停止移動(dòng)。此時(shí)，AO棒同時(shí)調(diào)節(jié)ΔI和Tavg，既有助于ΔI的控制，也不違反Tavg控制優(yōu)先的原則。

（2）如果Tavg和ΔI的控制偏差使M棒和AO棒移動(dòng)方向相反，M棒組優(yōu)先移動(dòng)（以最大棒速72步/min）調(diào)節(jié)Tavg，AO棒停止移動(dòng)。當(dāng)M棒組結(jié)束移動(dòng)后，AO棒組才可以移動(dòng)，調(diào)節(jié)ΔI。

考慮到彈棒事故造成的影響以及停堆深度等因素，AO棒組的插入限制條件為：在模式1或2時(shí)，AO棒組插入被限制在堆芯上半部分之內(nèi)。為了滿(mǎn)足MSHIM運(yùn)行策略的功能正常，AO棒組必須處于部分插入位置，以滿(mǎn)足AFD的正負(fù)方向上均留有裕量。在某些瞬態(tài)下，AO棒組可能短期全部提出，但前提條件是軸向功率分配仍然足夠可控。AO棒組插入限值=ΔT功率*100+100，（ΔT功率≥50%，否則插入限值=150步）。

AO棒組相關(guān)聯(lián)鎖信號(hào)如下。

（1）禁止AO棒的手動(dòng)和自動(dòng)提升：C-1（中間量程中子通量高）、C-2（功率量程中子通量高）、P-17（核功率負(fù)變化率>15%，5S）、C-3（OTΔT裕量低）、C-4（OPΔT裕量低）、C-19（AO棒>264步）。

（2）禁止AO棒的自動(dòng)提升：P-17（核功率負(fù)變化率>15%，5S）、C-17（M棒低2插入限值）、C-5（汽機(jī)功率<15%）、C-19（AO棒>264步）。

（3）禁止AO棒自動(dòng)下插：P-17（核功率負(fù)變化率>15%，5S）、C-15（AO棒低2插入限值）、C-18（最后一組提升的M棒>140步）。

AP1000運(yùn)行限制圖如圖2所示。AP1000核電廠對(duì)ΔI的具體控制要求如下。

圖2 AP1000運(yùn)行限制圖

超過(guò)90%額定熱功率，ΔI必須在Iref（-5%，+5%）目標(biāo)帶內(nèi)。

在50%~90%額定熱功率，必須在梯形圖中可接受運(yùn)行范圍內(nèi)，當(dāng)機(jī)組運(yùn)行在目標(biāo)帶寬外期間，每分鐘運(yùn)行時(shí)間則累計(jì)懲罰時(shí)間1 min，在24 h內(nèi)允許1 h的累計(jì)懲罰偏離時(shí)間限值。

低于50%功率，AFD可以超出目標(biāo)帶。對(duì)于熱功率>15%RTP且<50%RTP時(shí)，AFD偏離出目標(biāo)帶寬相對(duì)不嚴(yán)重，因此在目標(biāo)帶外1 min運(yùn)行時(shí)間以1/2 min懲罰時(shí)間來(lái)累計(jì)，以反應(yīng)該嚴(yán)重性的降低。當(dāng)熱功率≤15%RTP時(shí)，AFD不是一個(gè)在安全分析中采用的重要參數(shù)假定，因此不需要限值。

4.3 控制棒交換時(shí)對(duì)軸向功率偏差的影響

由于AP1000控制棒采用機(jī)械補(bǔ)償策略，即使是在帶基本負(fù)荷運(yùn)行工況下，也有一些要求的灰棒始終位于堆芯中，以保證在無(wú)需改變RCS硼濃度就可以改變反應(yīng)性。處于堆芯中的灰棒將比其他控制棒消耗更多，同時(shí)造成局部燃料屏蔽。因此定期改變灰棒的下插順序，從而保持可接受的徑向堆芯功率峰值因子。

控制棒交換邏輯有2種交換方案。第1種方案是當(dāng)所有的灰棒組 處于同一高度時(shí)進(jìn)行棒位交換，由于所有灰棒處于同一高度，因此只需簡(jiǎn)單地改變控制棒的插入順序即可，不需要M棒組移動(dòng)，并且AO棒組不需要由ΔI控制模式轉(zhuǎn)換成Tavg控制模式即可完成控制棒交換。

第2種方案是當(dāng)M棒組不處于同一高度時(shí)進(jìn)行棒位交換，一次只能交換兩組控制棒，即MA和MD交換，MB和MC進(jìn)行交換。此時(shí)的M棒組用于控制棒的交換，不能進(jìn)行平均溫度的控制，而依靠調(diào)硼來(lái)調(diào)節(jié)平均溫度的速度太慢，因此AO棒組此時(shí)需要承擔(dān)控制Tavg的作用。

5 AP1000核電站運(yùn)行期間操縱員需要關(guān)注的問(wèn)題

（1）操縱員日常運(yùn)行期間需加強(qiáng)對(duì)堆芯監(jiān)測(cè)和BEACON服務(wù)器可運(yùn)行的監(jiān)視：目前均采用數(shù)字化儀控系統(tǒng)并設(shè)置有自檢程序，發(fā)生異常會(huì)發(fā)出報(bào)警。

（2）操縱員需密切關(guān)注黑棒的動(dòng)作情況：由于AO棒為黑棒，反應(yīng)性?xún)r(jià)值遠(yuǎn)大于灰棒，在AO棒動(dòng)作時(shí)需關(guān)注ΔI和Tavg的變化，確保自動(dòng)控制符合預(yù)期。

（3）在低功率運(yùn)行且無(wú)需控制ΔI期間需保持AO棒位于插入限值之上，并按照GOP規(guī)程置于手動(dòng)狀態(tài)。

（4）操縱員手動(dòng)操作AO棒組時(shí)要謹(jǐn)慎，避免連續(xù)上提或下插AO棒。

6 AP1000軸向功率控制相對(duì)于傳統(tǒng)核電站的優(yōu)勢(shì)

（1）AO棒組具有獨(dú)立于其他棒組的控制要求，用于調(diào)節(jié)軸向功率分布，當(dāng)ΔI超出控制帶時(shí)，通過(guò)AO棒組的移動(dòng)改變功率峰的軸向位置，使ΔI回到控制帶之內(nèi)，這樣就不需要通過(guò)調(diào)硼來(lái)調(diào)節(jié)軸向功率分布，并且其響應(yīng)速度大大快于傳統(tǒng)ΔI的控制方式，減少了廢液的產(chǎn)生量，減輕了廢液處理系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)，有利于環(huán)境保護(hù)的同時(shí)也滿(mǎn)足了核電站快速改變負(fù)荷的要求。此外由于簡(jiǎn)化了化學(xué)和容積控制系統(tǒng)、放射性廢水收集和排放系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，減少了相應(yīng)的系統(tǒng)設(shè)備數(shù)量，減少了核電站建設(shè)投資及日常運(yùn)行維護(hù)的費(fèi)用。

（2）依賴(lài)于BEACON強(qiáng)大的堆芯反應(yīng)預(yù)測(cè)能力，以及AO棒控制ΔI的快速性，AP1000機(jī)組ΔI的控制帶也有能力設(shè)計(jì)得比傳統(tǒng)核電站的ΔI控制帶更窄，這樣能更加有效地保護(hù)燃料，確保反應(yīng)堆安全運(yùn)行。

（3）BEACON強(qiáng)大的堆芯反應(yīng)預(yù)測(cè)計(jì)算，以及AO棒控制ΔI的快速性，使得AP1000核電站在電站啟動(dòng)、停運(yùn)及功率運(yùn)行中簡(jiǎn)化了反應(yīng)性控制和AO控制的要求。在保證控制棒滿(mǎn)足插入限值的情況下有效減少了功率變化期間對(duì)一回路進(jìn)行硼化和稀釋的相關(guān)操作，減少了對(duì)操縱員實(shí)時(shí)反應(yīng)性計(jì)算的要求，有效保證ΔI在技術(shù)規(guī)格書(shū)要求的限值內(nèi)，減輕了當(dāng)班操縱員負(fù)擔(dān)。