AP1000机械补偿控制策略

孙敬东

(山东核电有限公司,山东265116)

电能在电网中不可储存,这就要求电厂的发电功率要根据电网对电能的需求随时调整。核电厂发电功率的调节主要是通过对核电堆堆芯反应性的控制实现的,调节中必须采取有效的控制方式,在保证反应堆的安全运行的前提下输出满足用户需求的功率负荷,特别是在异常情况下,要求控制系统能够保证核电厂迅速安全地停堆。在核电厂的运行中,如果功率分布的不均匀性严重超标,燃料棒在功率达到峰值时有可能破损,核电堆的安全性将受到严重影响。因此,核电厂的运行不但要求考虑燃耗、裂变产物积累、反应性温度系数等引起的反应性变化,还要求在功率控制中保证堆芯安全,保证燃料棒的完整性。在目前的压水堆的设计中,核功率的控制是通过改变堆芯中的中子密度和分布实现的,改变堆芯中的中子密度和分布的主要有三种方式,第一种方式通过控制棒在反应堆堆芯中的移动如插入或抽出,第二种方式通过化学和容积控制系统(CVS)调节反应堆冷却剂中的硼浓度,第三种方式合理分布可燃毒物在堆芯中的布置,实现对反应堆功率和功率分布的控制。在目前运行较多的二代压水堆中,反应性的控制以第二种方法为主,通过控制溶解在冷却剂中的硼浓度进行化学补偿控制,改变硼酸浓度以控制长期反应性变化,如燃耗和裂变产物积累引起的反应性变化;第一种方法的控制棒控制在二代压水堆中只起辅助作用,用于反应堆启动、跟踪负荷变化以及控制微小的反应性瞬变和控制功率分布。图1是典型的第二代压水堆的k eff(有效增值系数)和控制方式。

图1 keff和控制方式

图中K ex是剩余增值系数,定义为K ex=k eff-1。因为第一循环的k eff为1.26,因此K ex=0.26Δk。从图中可见,其中的0.08Δk是为了保证适当的堆芯停堆深度和额外的反应性进行的控制,0.08Δk为可燃毒物的控制,0.20Δk为硼酸溶液补偿控制。

第二代压水堆的三种控制方式所控制的反应性,化学补偿分配到的反应性最大,这是因为硼浓度调节在堆芯中分布均匀,不会引起功率分布畸变,但化学补偿控制方法也有一些缺点。首先化学补偿控制调节堆功率的速度较慢,这是因为每次硼化或稀释后冷却剂需要一定时间才能混合,因此单独采用调节硼浓度方式往往不能满足堆功率的快速升降;其次对慢化剂温度系数有显著的影响,因为当水的温度升高密度减小体积增加时,溶液中的硼体积含量也相应减小、电堆的反应性增加,出现正的慢化剂温度系数温度越高反应性越强;再次对冷却剂进行频繁的稀释和硼化,会增加硼的消耗,还会产生大量的待处理的硼溶液,使机组的废物产量变多,增加了环境的负担,同时众多配套系统的运行,也增加了设备故障点和维修量,运行的成本也变高。

在美国西屋公司设计的第三代压水堆AP1000的设计采用了一种新的堆芯控制策略——机械补偿策略(Mechanical Shim,MSHIM),该策略利用允许插入的深度和独立的轴向功率控制棒组(AO棒组,AxialOffset Rods)联合作用,通过机械手段调节棒组可以自动地调节反应堆的功率和温度,在一个换料周期内的大部分时间里按30%以上的额定功率进行负荷调整,功率调整不需要调整冷却剂中的硼浓度进行化学补偿。在标准的AP1000设计中,堆芯中共有69个控制棒束组件,包括53个黑棒组件RCCA(Rod Cluster Control Assemblies)和16个灰棒组件GRCA (Gray Rod Cluster Assemblies),两种组件的外形尺寸和燃料棒是一样的,组件的棒束都是由24根控制棒组成,只是在材料上有所区别。其中RCCA采用的都是银-铟-铬材料,反应性价值大,对中子的吸收能力强,主要用于停堆和温度反应性变化控制等相对较快的反应性变化及轴向功率分布控制;而GRCA的反应性价值要小一点,对中子吸收能力较黑棒也较弱,在西屋第16版DCD采用的优化设计中,GRCA由12根不锈钢棒和12根银-铟-铬棒组成,主要用于堆芯中的负荷跟踪调节,提供反应性机械补偿替代反应堆调节硼浓度的化学补偿。在AP1000堆芯设计中,每一个燃料循环RCCA和GRCA在堆芯中的位置保持不变。

根据这69个控制棒束组件执行的功能,将其分为AO,M和SD三个控制棒组:用于调整堆芯轴向的功率分布的轴向偏移控制棒组(AO棒组,共9个控制棒束);用于补偿因温度、功率或者氙毒变化引起的反应性变化的冷却剂温度/反应性控制棒组(M棒组,共28个控制棒束,其中灰棒组MA,MB,MC, MD各4个,黑棒组M 1和M 2分别为4个和8个),以及停堆棒组(SD棒组,共32个控制棒束,其中SD1,SD2,SD3,SD4各8个),在正常运行期间停堆棒组完全提出。这些棒组在堆芯的布置位置见图2。

图2 控制棒组在堆芯中的布置

为了让机械补偿策略的设计能够满足AP1000设计的负荷跟踪和功率调节能力的要求,AO棒组和M棒组设被计成两个独立的控制棒组。用于轴向功率分布控制的AO棒组独立于其他的控制功能要求,并且要求AO棒组有足够的控制棒价值,通过棒组提升或下插可以使轴向功率偏移单调地变大或变小。调节AO棒组在堆芯的插入深度,可以在整个功率运行范围内保持轴向功率轴向偏移几乎不变。为使AO棒组能有效控制轴向功率分布,要求AO棒组很小的移动有足够的影响,AO棒组必须有较高的控制棒价值,因此使用了黑棒设计。AP1000设计采用的是常轴向偏移控制(CAOC,Constant Axial Offset Control)策略,在基本负荷运行时AO棒组将轴向偏移控制至预先设定的AO目标值。在负荷跟踪前和负荷跟踪过程中,AO值控制比基本负荷运行时的目标值更负约8%,这是为了满足在正、负二个方向的轴向偏移的控制能力,保证功率峰因子不超过设计限值。

为了在循环寿期的大部分时间内,负荷跟踪替代调硼并补偿瞬态反应性效应,由MA,MB,MC, MD,M 1和M 2组成的M控制棒组在堆芯中成放射形的对称布置,这样棒的移动就不会引入非对称的放射形的功率分布变化。在机械补偿策略中,M控制棒组按预设的功率温度控制程序进行冷却剂温度和反应性的控制,M棒组中各控制棒组间必须有适当的重叠,当它们在堆芯提升或插入时的反应性变化就像单组棒移动的一样。在负荷跟踪运行以前,M棒组的二个灰控制棒组将全插入堆芯(AO棒组稍微插入堆芯),M棒组的初始插入深度应当能够补偿功率调节过程中出现的正或负的反应性变化。对像18个月那样的长燃料循环期运行,一般在循环期末会出现双峰状轴向功率分布,负荷跟踪中控制棒的插入可使轴向偏移和功率峰因子产生显著的变化,由于MSHIM系统对轴向偏移能够维持非常好控制,消除了负荷跟踪运行中的功率峰因子可能超过设计限值的担心。对AP1000堆芯各种负荷跟踪需求分析表明,在没有调硼情况下MSH IM堆芯控制策略,在循环期的大部分时间内(85%～95%的循环期)能够满足负荷跟踪的要求。

由于调节棒组允许插入的深度和独立的轴向功率控制棒组(AO棒组)联合作用,对功率进行调节, MSH IM策略允许在整个功率运行范围和燃料循环的大多数时间内,通过机械补偿进行反应堆功率水平和功率分布的控制,不需要调节冷却剂中的硼浓度。硼浓度调节仅用于补偿燃料燃耗和维持M棒组所要求的堆芯插入深度以及在反应堆的启动和停堆的情况下。硼浓度的调节操作的减少,即减少了反应堆运行时的操作,降低了因设备或人因造成的非计划停堆的可能性,也减少了生产过程中对硼的需求和对硼溶液的处理,从而减少了废物的产量和对环境的排放,不但提高了机组的安全性和经济性,还减轻了对环境的负担,带来一系列的好处。本文对机械补偿策略做了简要的介绍,相信随着AP1000核电站设计的深入和建设运行,MSH IM会引起众多关注它的人进行深入探讨。