CAP1400机组轴向中子通量密度偏差控制

韩凯 程勇

摘 要：文章通过对CAP1400核电机组轴向功率偏差控制方式的介绍，分析了其优缺点，并通过目前国内核电机组运行经验，从运行人员角度提出了对于轴向中子通量密度偏差控制的改善建议。

关键词：轴向功率偏移；轴向中子通量密度；功率；控制

中图分类号：TM623.4；TU758 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2016）11-0062-02

1 轴向功率偏移与轴向功率偏差

为了描述轴向功率分布情况，引入轴向中子通量密度偏差AFD、轴向功率偏差△I和轴向功率偏移AO。

轴向功率偏差△I定义为堆芯上半部功率与下半部功率之差：

△I=PT-PB

轴向中子通量密度偏差AFD定义为堆芯上半部功率与下半部功率之差与满功率之比：

AFD=■×100%

其中，PT为堆芯上半部功率；PB为堆芯下半部功率。

轴向功率偏移AO定义为堆芯上半部功率与堆芯下半部功率之差与其之和的比：

AO=■×100%

AO反映了轴向功率分布的形状，而不能反映幅度，也不能反映燃料棒的热应力情况。确定了某个功率情况下的轴向功率偏差AFD后，就可以知道所有功率情况下的AFD。

2 控制AFD的目的

AFD是一个表征上下堆芯轴向功率倾斜的物理量，它受控制棒的位置、堆芯功率水平、轴向燃耗以及轴向氙分布等很多堆芯相关参数影响。限定AFD的目的是，限制轴向功率分布倾斜，降低堆芯功率峰因子。同时，把氙分布的倾斜量减至最小。对AFD的限值要求保证了发生氙再分布事件时，热通量热管因子FQ（Z）都不会超出限值。

3 影响AFD偏差的因素

3.1 堆内氙毒的分布

当反应堆功率达到稳定一段时间后，氙浓度也基本稳定，其大小与中子通量有关，中子通量高的地方氙毒大，中子通量低的地方氙毒小。堆内中子通量分布的不均匀使得堆内氙毒的分布也不均匀。

局部区域的中子通量密度的变化会引起局部区域135Xe浓度和局部区域反应性的变化；反过来，局部区域反应性的变化也会引起135Xe浓度的变化。此种情况下的彼此相互作用就可能使堆芯中135Xe和中子通量密度分布产生空间动荡。

氙振荡是导致AFD变化的重要不确定因素，给AFD的控制带来了极大的困难。

3.2 慢化剂平均温度变化

从零功率到满功率，反应堆入口温度几乎不变，出口温度变化较大。因此，平均温度的变化就反映出口温度的变化。反应堆出口温度升高，由于慢化剂温度系数是负值，使反应堆上部功率相对下部功率减少，AFD有向左的趋势；反应堆出口温度降低，反应堆上部功率相对下部功率增加，AFD有向右的趋势。

随着燃耗的增加，从寿期初到寿期末，慢化剂温度系数变得越来越负。也就是说，同样的温度变化，寿期末比寿期初导致的功率变化更大，对AFD的影响更大。

3.3 控制棒

AO棒是黑棒，价值较大，AO棒在堆芯内的移动对AFD影响很大，AO棒插入AFD减小。M棒采用叠步方式移动，就是为了减少对轴向功率分布的影响，但实际上M棒移动时对AFD的影响还是相当大的。随着M棒的移动，其微分价值成非线性变化。引入到堆芯上部和下部的积分价值也在发生变化。因此，同样是插棒，某一阶段AFD趋向负的方向，而另一阶段又使AFD趋向正的方向。

3.4 硼浓度变化

硼微分价值是负值，其大小（绝对值）随着硼浓度的增加和慢化剂温度的增加而减小。由于堆芯下部慢化剂温度低于上部慢化剂温度，因而堆芯下部硼的价值要大于堆芯上部硼的价值，即在相同的硼浓度变化的情况下，堆芯下部引起的反应性变化要大于堆芯上部所引起的反应性变化（绝对值），从而所引起的堆芯下部功率变化要大于堆芯上部的功率变化。

3.5 堆芯燃耗

燃耗对功率分布都存在一种“自抑制”功能。即当某处的功率高时，燃料加深的幅度也大，相对较大的燃耗将使该处的相对功率趋向降低；反过来，当某处的功率较低时，燃耗加深的幅度也小，相对较小的燃耗将使该处的相对功率趋向升高。燃耗的这种“自抑制”功能将展平堆芯功率分布，从而也会展平燃耗分布。

4 CAP1400的轴向中子通量密度偏差控制

CAP1400采用机械补偿运行控制策略（MSHIM），对反应性进行机械调节。①由M棒组控制反應堆功率水平和一、二回路的平衡；②AO棒用来调整较小的反应性变化和轴向功率分布形状；③调节堆内可溶硼浓度补偿由于燃耗、氙浓度变化等引起的较慢的反应性变化。额定满功率运行的目标轴向中子通量偏差（TAFD）作为PLS（电厂控制系统）输入的设定值。PLS根据堆芯功率水平调整当前TAFD设定值以维持功率分布控制方式。PLS通过使用一个+/-1%的控制死区自动控制TAFD的AFD，必要时移动AO棒组。

当轴向功率偏差超出运行靶带时，采取以下纠正方法：①调节AO棒：当轴向功率偏差偏左时，AO棒上提；当轴向功率偏差偏右时，AO棒下插。AO棒组移动速度限制在每分钟8步；②也可以用降功率的方法使轴向功率偏差返回到运行靶带。

M棒和AO棒二者控制信号冲突时，M棒移动时AO棒被闭锁，在瞬态下的调节过程中，则可能出现两者相互干扰而引起控制的混乱，使得功率分布出现较大的变化。

假设某一时刻M棒组处于堆芯上半部分，并且开始提升功率，M棒提升，导致上半部分功率增加，AFD增加，可能导致AO棒下插，AO棒下插对功率的增加是削弱的作用，M棒和AO棒互相干扰，如果机组状态没有控制好，进入这种比较困难的境地，机组运行就会相当被动。

5 AFD控制的补充手段

由上述分析可见，控制AFD的有效手段还有以下几种：①改变慢化剂平均温度（过热、过冷）；②改变硼浓度（稀释、硼化）；③改变控制棒棒位；④选择并利用合适的氙振荡时机等。

正常运行时，力求减少轴向氙振荡出现的可能性，基于轴向功率偏差参考值（△Iref）来控制反应堆。

负荷改变过程中，AFD控制可以主动选择各种手段，但要有预期。稳定在目标负荷后的控制很大程度上取决于第一阶段的结果。变负荷工况AFD控制的关键点在于：第一阶段将AFD控制在沿参考线直线变化以尽可能减弱氙振荡；第二阶段要利用第一阶段信息（降负荷幅度、速率、降负荷手段、初始AFD、初始氙毒等）以及目前变化趋势预测氙振荡周期与幅度，以便在合适时机采取有效干预手段。

6 结 语

AFD控制的时机是最重要的，这需要在实践中不断总结。一般最好是小幅度多干预。改变负荷前不仅要制定升降负荷策略，进行反应性平衡计算，还要制定AFD控制策略，综合评价各种反应性变化对功率分布的影响。负荷变动结束以后，Xe毒的变化相对很慢，需要多个运行值连续跟踪，考虑到运行人员采取倒班轮换制度，需要制定统一策略，控制Xe毒的震荡幅度才更有效。

参考文献：

[1] 魏永斌.AP1000反应堆功率控制系统棒连锁逻辑分析[J].中国高新技 术企业，2014，（8）.