压水堆升降功率轴向功率偏差的控制分析

梁宗弢 章圣斌

福建福清核电有限公司 福建福清 350300

轴向功率偏差ΔI的控制是核电机组控制的重点之一，严格将ΔI控制在带内运行将会使堆芯均衡充分燃烧，减少氙振荡产生，从而保证经济性和安全性。ΔI的控制因初始条件不同，控制策略也不同。

1 轴向功率偏差ΔI的定义

在某一功率水平下，假定PH代表堆芯上半部分产生的核功率，PB代表堆芯下半部分产生的核功率，则轴向功率偏差ΔI可表示为：

ΔI即是堆芯上半部产生的核功率与下半部产生的核功率之差。由此可见，轴向功率偏差ΔI的变化与堆芯轴向功率分布有关：当ΔI＞0，表示堆芯上半部产生的核功率较大；ΔI＜0，表示堆芯下半部产生的核功率较大[1]。

2 ΔI的影响因素分析

2.1 控制棒棒位

当采用常轴向功率偏移控制模式，反应堆以基负荷运行为主，日常额定功率运行R棒组位于堆芯上半部调节带内，其余棒组在堆顶。功率变化期间控制棒对ΔI的影响取决于R棒棒位的变化，当R棒处于堆芯的上半部，则主要影响堆芯上半部的功率，提棒会使ΔI向右，插棒则使ΔI向左。当R棒处于堆芯的下半部则效应相反[2]。

2.2 硼浓度

硼的微分价值随温度的升高而减小，在硼化或稀释过程中，这种效应使得堆芯上、下部引入的反应性不平衡，从而影响ΔI的变化。但是因为硼酸在堆芯内均匀分布，硼浓度的变化在堆芯内也是均匀的，硼微分价值的影响对ΔI的影响较小，实际控制中主要考虑硼化稀释对整个堆芯引入的反应性大小。

2.2 功率亏损

功率运行的反应堆中慢化剂温度系数始终为负，温度降低向堆芯引入正反应性，温度升高则引入负反应性。慢化剂温度系数随硼浓度和慢化剂温度的变化而变化，寿期末硼浓度越小负的越多，慢化剂温度越高负的越多。由于慢化剂温度的分布是沿轴向逐渐升高，使得功率变化期间因慢化剂温度效应向堆芯上下半部引入的反应性有差值，并且这个差值在不同燃耗阶段的大小不同，寿期初较小，寿期末较大，此效应对ΔI的影响较大[3]。

功率变化期间燃料温度效应引入反应性的大小主要取决于燃料温度的变化量。因在功率变化期间上下部堆芯温度差值的变化量很小，因燃料温度系数较小，所以燃料温度效应向上下部引入的反应性差值较小，对ΔI的影响很小。氙毒的变化对ΔI也有影响。功率运行时因堆芯上下部的功率份额不同，则上下部氙毒的相对平衡浓度不同，在功率变化期间上下部引入的氙毒反应性速率也不同，对ΔI也会产生影响。当ΔIref为负时，堆芯涨毒使ΔI趋正，堆芯消毒使ΔI趋负；ΔIref为正时效应相反。由于碘和氙的半衰期相对较长，如果在某一时间堆芯上下部的功率相差较大，在涨毒时短时间内效果不明显，在中子消毒时间效果就很明显。氙振荡的根本原因是堆芯上下部的氙平衡浓度的较大改变，在涨消毒时向堆芯上下部引入不同的反应性，使堆芯上下部的功率发生周期性变化，即ΔI振荡。抑制氙振荡的有效手段是调节控制棒，加上硼化、稀释，使ΔI向相反的方向变化，改变堆芯上下部功率，从而缩小上下部氙平衡浓度差值，抑制氙振荡。如果功率变化期间ΔI被很好的控制，则氙毒的影响主要考虑其变化趋势及其引入的反应性量。

堆芯通量再分布效应主要是由于功率变化期间反应性的变化和堆芯燃耗局部不均造成的，从而使堆芯中子通量的分布发生变化。寿期初控制棒的反应性控制裕量充足，ΔI相对容易控制，寿期末堆芯燃耗局部不均ΔI控制相对较难。寿期末堆芯下部燃耗深，上部燃耗浅，降功率时堆芯轴向功率峰向上偏移，相当于增大了堆芯的平均热裂变因子，向堆芯引入了正反应性，其增量在上半堆芯更多，从而使ΔI趋正，升功率时变化则相反。

3 升降功率过程中的ΔI控制

核电厂维持稳定功率水平运行时，可以通过稀释或移动控制棒补偿控制棒棒位和燃耗对ΔI的影响。本文以常见调峰即堆芯功率在100%FP——78%FP之间变化的情况为例，采用常AO控制方法，即ΔI沿ΔIref的平行线移动，通过硼化、稀释和调整R棒来控制ΔI。

3.1 降功率ΔI控制策略

降功率主要防止ΔI超出右限，尤其是寿期初涨毒阶段超出右限。降功率前将运行点置于ΔIref偏左位置，避免ΔI有向右振荡趋势，并将R棒置于调节带较高位置，根据氙毒变化预测，确定不同阶段的硼化量和速率。降功率速率可以稍慢，以减少氙毒的积累，尤其是寿期末降功率速率应更慢。降功率过程中控制一回路温度稍微过热，以减少慢化剂温度降低的引入正反应性的效应，先以较低的速率降低汽机负荷，维持一回路过热，并适当插入R棒，使得ΔI向左移趋近ΔIref，同时可以少量多次硼化继续降功率，通过硼化和插入R棒控制ΔI的趋势，为此类推，重复操作以达到目标功率。

3.2 升功率ΔI控制策略

升功率过程主要注意防止氙振荡。升功率前将运行点置于ΔIref位置，R棒置于较低位置，根据氙毒变化预测确定不同阶段的稀释速率。升功率过程速率应稍慢，以减少氙毒变化波动，控制ΔI在参考线和预报警线之间波动，必要时可以置R棒手动以便于ΔI控制；合理控制稀释量和升功率时机，如先升汽机负荷，再提升R棒，然后稀释，如此反复，维持ΔI趋近ΔIref。利用氙毒消毒效应可以加快升功率效率或减少稀释，当接近目标负荷时停止稀释，根据氙毒消毒的速率升功率达到目标负荷。升功率结束后，消毒阶段可以通过硼化来平衡反应性；涨毒阶段如ΔI向右偏移，利用稀释调节反应性及ΔI，必要时可手动利用R棒调节。

4 结语

在上文中，对影响核电厂轴向功率偏差ΔI的因素进行了一定的研究，并分析在升降功率过程中ΔI的控制思路。在实际运行控制中，需要根据不同情况以科学的方法地控制ΔI，使燃料均衡燃烧的同时减少氙振荡的产生，提高经济性和安全性。