第三代先進壓水堆控制棒交換分析

王國震

（中核遼寧核電有限公司，遼寧 興城 125100）

1 控制棒交換原因

為了提高壓水堆核電廠的負荷跟蹤運行能力和減少廢水產生量，第三代先進壓水堆采取了特有的機械補償反應性控制策略用于負荷跟蹤運行。

為了保證負荷跟蹤能力，第三代先進壓水堆在正常功率運行期間需要始終保持部分控制棒插入在堆芯內，這與傳統壓水堆在正常功率運行期間控制棒基本完全處于堆頂產生了區別，這種運行方式所導致的一個問題就是長期插入堆芯內的控制棒會使附近的燃料產生過大的燃耗陰影，隨著時間燃耗陰影會越來越大，嚴重影響堆芯功率分布，可能會導致局部功率峰值因子超出堆芯運行限值。所以需要通過控制棒交換邏輯控制器來定期交換灰棒的插入順序。

2 控制棒布置和疊步順序

第三代先進壓水的控制棒組分為M棒組和AO棒組，M棒組又分為灰棒組和黑棒，其中灰棒組包括MA、MB、MC、MD棒組，黑棒組包括M1、M2棒組。M棒用于控制一回路冷卻劑平均溫度TAVG，AO棒用于控制堆芯軸向功率偏移△I。控制棒在堆芯內的布置有以下特征。

MA與 MD棒組對稱，MB與MC棒組對稱，M1、M2棒組和AO 棒組在堆芯內是均勻分布的。

所以根據上節所述的控制棒交換原因可以得出，控制棒的交換必然發生在MA與MD棒組之間，以及MB與MC棒組之間，即僅有灰棒組需要交換，而M1、M2和AO棒不需要進行交換。

為了減少負荷變化是對于功率分布的擾動和保證相對恒定的引入線性反應性，壓水堆核電廠在插入或提出控制棒時都存在疊步。第三代先進壓水堆為了配合控制棒交換，存在兩種序列的疊步方式，以插入序列為例，第一種插入序列為 MA、MB、MC、MD、M1、M2，第二種插入序列為 MD、MC、MB、MA、M1、M2，灰棒組之間保持 181 步的距離，黑棒組與灰棒組以及黑棒組之間保持252步的距離。在滿功率運行時，以序列1為例，通常MA處于150步的位置，MB、MC、MD都處于264步即堆頂的位置。

3 控制棒交換方案

完成控制棒組交換的優先方法是激活控制棒交換邏輯（CREL）功能。如果必要，CREL會重新調整控制棒的位置，并以重疊的方式顛倒控制棒的插入順序，當控制棒在正確的位置，就會產生新的插入順序，為下一次操作準備。如果CREL不可用，還可以實施手動控制棒交換操作。

CREL支持兩種自動交換方案。

當灰棒組在堆芯處于同一軸向位置，使用“方案1”，可以簡單的顛倒插入順序。由于沒有控制棒的實際移動，這種交換不會對反應性或者功率分布產生影響。但是對于正常功率運行，通常灰棒組都不處于同一軸向位置時，所以“方案1”不適用。“方案1”適用于反應堆停堆，所有灰棒組都插入到堆芯底部位置時，或者在手動交換控制棒時，所有灰棒組都提出到堆芯頂部位置時使用。

當灰棒組在堆芯處于不同軸向位置，使用“方案2”，顛倒插入順序前首先要交換對應的灰棒組位置。“方案2”可以在滿功率運行期間完成，由于在灰棒組位置交換過程中對應棒組的提出和插入同時動作，對反應性或者功率分布不會產生顯著影響，這種交換在基本負荷運行期間完成。

一旦激活，CREL將根據初始的灰棒組棒位，自動決定是執行“方案 1”還是“方案 2”。

如果CREL的“方案2”交換邏輯有問題，可以使用手動控制棒交換。手動交換過程需要將AO棒置于手動控制，然后緩慢插入，直到所有灰棒組全部提出。AO棒插入使得灰棒組提出以維持TAVG的不變。這個過程要求臨時解鎖灰棒組自動提升限值。當所有灰棒組處于全提狀態，就可以完成“方案1”，然后將AO棒手動提升，直到第一組新的灰棒插入到控制棒提出限值（RWL）以下，并且AFD恢復到控制死區范圍內。此時，可以完全恢復自動運行。手動交換過程比“方案2”自動交換對堆芯的功率分布擾動更大。因為需要AO棒插入，使得AFD比當前的目標更負。一般自動的“方案2”交換不會使AO棒運動很多。因此，對于正常功率運行下的控制棒交換操作，自動的“方案2”是優先選擇。

4 控制棒交換限制條件

對于正常功率運行下完成任何的控制棒交換，推薦的初始控制棒位是讓第一組灰棒組在125步和150步之間，其他所有的灰棒組則完全提出。對于指定的初始灰棒組棒位，開始“方案2”交換前，為了保證在自動交換期間AO棒組有能力控制TAVG，AO棒組應該處于合適的位置。如果當前AO棒組不在可以維持TAVG的位置，則控制棒交換不能開始。推薦的AO棒初始位置的范圍在165步和255步之間。

為了防止控制棒交換期間由于功率分布不均衡導致產生局部熱點，要求控制棒移動來完成交換的首要條件是確認初始有足夠的功率裕度（power margin），保證交換不會導致FQ和F△H超出限值。

如果沒有足夠的初始功率裕度，可以采取以下措施：

（1）如果第一組灰棒組處于125步以下，進行硼化，直到第一組棒組到達125步至150步的推薦位置。如果將灰棒組移動到理想初始位置，那么CREL要求的功率裕度就降低了，同時如果硼化后堆芯功率降低，也會改善交換前的初始功率裕度。通過硼化的方式建立了足夠的功率裕量后，控制棒交換就可以正常進行。

（2）另一種方法是交換前降低堆芯的功率，建立要求的功率裕度。例如，如果要求10%的功率裕度來防止FQ超限，目前只有8%可用，為完成交換，需要降低2%的功率，建立要求的功率裕度工況。

5 控制棒交換動作過程

使用CREL完成“方案1”交換沒有控制棒的移動，僅僅變換疊步順序，不再敘述。

使用CREL完成“方案2”交換如下。

初始控制棒移動，交換MA和MD的位置。如果MB和MC沒有完全提出或插入，這些棒組的位置也一起交換。移動完控制棒后，確定后續運行中的插入順序。CREL的過程中包括暫停點，操縱員可以允許繼續交換，或者確認完成結束交換。灰棒組在交換過程中，所有控制棒可以同時移動（例如，MA插入，MD提升）。但是，如果其中一組灰棒組初始位置的微分價值低，而其他組初始位置的微分價值高，程序也可以錯開插入和提升的時機，從而更好的控制反應性。

即將插入的棒組會首先下插，直到所有棒組等于或低于228步。一旦達到此棒位，所有棒組都同時移動，直到提升棒組提升到最終目標位置。這種交換方式提供了更均勻的反應性響應，減少了移動AO棒修正TAVG的需求。

在“方案2”交換期間，灰棒組移動時，如果TAVG超過控制死區，灰棒就會臨時停止移動，而調節AO棒位置控制TAVG，TAVG恢復到控制死區內后繼續控制棒交換。但是在保證控制棒都處于推薦棒位的情況下，基本不需要AO棒調節TAVG。

［1］謝仲生.核反應堆物理分析[M].西安:西安交通大學出版社,2004.

［2］黃祖洽.核反應堆動力學基礎[M].北京:北京大學出版社,2007.

［3］林誠格.非能動安全先進核電廠AP1000[M].北京:原子能出版社,2008.