田湾核电站控制棒原理及运行经验

谢佳志+刘超

摘 要 控制棒是核电厂反应堆的重要组成部分，对核电厂反应堆的反应性控制和事故工况处理都有非常重要的作用。文章从田湾核电站控制棒的作用和特点出发，讨论了控制棒驱动机构，控制棒的控制与供电，并分享了田湾核电控制棒系统的部分运行经验。

关键词 核电站；控制棒；原理；运行经验

中图分类号：TM623 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2014）13-0188-02

1 田湾核电站控制棒的作用和特点

1.1 控制棒的作用

控制棒作用有：堆芯剩余反应性的控制、反应堆启动、反应堆停堆、反应堆功率调节，展平堆芯轴向功率分布以及抑制氙振荡等。与国内其他核电相比，田湾核电控制棒在正常运行时控制棒的位置基本保持不变，第1～7组停堆棒组位于反应堆的顶部，第8、9组调节棒组位于反应堆的顶部，第10组控制棒位于堆芯高度70%～90%推荐区间内。控制棒的位置可以保证在给定功率水平下的停堆深度，防止局部功率峰和展平堆芯内的中子通量密度分布。

1.2 控制棒用材料

目前，国内外控制棒采用的控制材料有：碳化硼、银-铟-镉、铪。田湾核电站控制棒高度为4.215米，吸收体的总长度为3.5米。吸收体的上端3.2米采用碳化硼，吸收体下端为0.3米的镝钛合金。田湾核电采用碳化硼与镝钛合金混合体。镝钛合金抗辐照性能好，辐照稳定性强，延长了控制棒的使用寿命，纯碳化硼控制棒使用寿命约5年，而碳化硼与镝钛合金混合体控制棒使用寿命可达10年。另外，镝钛合金中子吸收截面比碳化硼小，提高了反应堆的中子利用率。

2 控制棒的驱动机构

2.1 电磁驱动

田湾核电站控制棒驱动机构采用的是步进式电磁驱动，驱动杆的上下移动是通过电磁线圈按一定的顺序传输脉冲电流实现的。电磁线圈与磁极间的相互作用使可动棘爪牵引驱动杆移动。驱动杆的位置信息传给位置指示器。

2.2 步长位置指示器

田湾核电采用了俄罗斯设计的步长位置指示器。驱动杆内布置有十三个由导磁不锈钢制成的分流器。在驱动机构内有一不随控制棒运动的位置传感器，传感器上有均匀分布并由非磁隔离物相互隔离的九个线圈。每个线圈对磁是开路的。

当控制棒上下移动时，驱动杆上磁化了的不锈钢区段将导致传感器线圈的磁路闭合或开路，从而改变每个线圈的感应电动势，每个线圈根据其电动势输出“0”或“1”的信息编码，编码送至控制与监测机柜进行计算。控制棒每移动一步，将使若干线圈的磁路闭合或打开，从而形成唯一的信息编码，由位置信息编码便可确定棒位。步长位置指示器可监测控制棒最大范围的移动行程，提供控制棒组件在堆芯每20 mm行程的位置指示。

3 控制棒的控制与供电

3.1 控制棒的控制

每束控制棒的上端与驱动机构固定连接，随驱动机构的驱动轴在堆芯内上下运动或者保持在堆芯内任意高度，从而实现反应堆功率的控制。反应堆控制保护系统通过对驱动机构的控制和棒位的监测，实现保护-预保护功能以及反应堆功率控制。控制棒的移动主要靠两个信号控制—地址信号和上下运动的控制信号。

控制棒的控制部分包括4个保护命令逻辑机柜、4个电源控制机柜、4个交流断路器机柜、4个直流断路器机柜以及2个预保护机柜。

保护命逻辑机柜接受来自安全仪控系统的四个通道的停堆信号，经过“4取2”的逻辑处理后发送到电源控制机柜，电源控制机柜接收来自保护命令逻辑机柜和控制室的手动停堆信号后进行逻辑处理，处理后触发断开交流断路器机柜内地交流断路器；断开直流断路器机柜内的直流断路器，同时关闭驱动机构电磁线圈供电的可控硅导通角，全部控制棒驱动机构的电磁铁失电，控制棒在重力的作用下掉入堆芯底部，从而使反应堆停堆。

保护命逻辑机柜也接受来自安全仪控系统的四个通道的第一类预保护、第二类预保护和预保护信号，经过“4取2”的逻辑处理后发送到预保护机柜，在预保护机柜内进行逻辑计算后输出至反应堆棒控棒位系统。棒控棒位系统中每一组控制棒都有对应的地址。当接收到加速预保护信号时，预定的6束控制棒组掉入堆芯底部，从而快速降低反应堆功率。当接收到第一类预保护信号时，控制棒从工作棒组开始以工作速率依次向下插入控制棒，从而降低反应堆功率。当接收到第二类预保护信号时，禁止控制棒组的提升限制反应堆功率的上升。

3.2 控制棒的供电

控制棒的驱动机构供电原理分交流和直流。交流电源来自400 V正常供电系统，田湾核电设置了两段专用母线为控制棒供电。直流电源来自110直流不间断供电系统，设置了专用的BUA母线。交流电源为控制棒驱动机构的主用电源，两路交流电源可以互为备用，直流电源为交流电源的备用电源。正常运行时，由交流电源保证控制棒的提升和下插，直流电源只能用于控制棒保持。当安全仪控系统触发反应堆停堆和快速预保护信号时驱动机构线圈丧失电源，控制棒掉棒

4 控制棒系统运行经验

4.1 控制棒活动性试验

控制棒由于长期保证位置不变，为了防止控制棒和套管出现粘连，定期进行控制棒活动性试验。控制棒活动性试验较好保证了控制棒系统的可靠运行。

4.2 控制棒执行机构的月度试验

控制棒系统每月都要进行定期试验以保证动作可靠性。试验中测试交直流断路器能否正确断开，试验中设备的可靠性。

4.3 试验台架优化

大修时需要对电源控制模件进行测试，之前都是将其从控制机柜房间取出然后运输至专门的台架房间进行测试，BU1模件在机组运行中故障率较高，田湾核电经过充分分析和论证后将试验台架改至了控制柜房间，减少了电源模件的运输过程，同时在测试时采取轻拿轻放，故障率大大的降低。

5 结束语

田湾核电站使用的控制棒系统在广泛吸收WWER100（B-320）型反应堆的实际运行经验的基础上，采用了国内外先进的最新研究成果。该系统具有控制灵活，可靠性高，控制精准，使用寿命长等特点。由于大量的使用了单片机、微处理和网络技术，使得系统的集成化、数字化水平大大提高。从运行经验分析，获得了较好的运行业绩。

参考文献

[1]李伟.WWER型核电机组反应堆停堆保护系统设计优化与改造[J].核电子学与探测技术，2011（12）.

[2]李红鹰.秦山核电二期工程反应堆控制棒驱动机构设计[J].核动力工程，2003（06）.

[3]俞高伟.核电站控制棒驱动机构电源系统[J].发电设备，2012（07）.

作者简介

谢佳志（1982-），男，工程师，本科，研究方向：电厂

运行。

刘超（1984-），男，工程师，本科，研究方向：电厂

运行。endprint