CANDU6整體功率異常下降后液體區域控制系統的響應

吳 雙

(中核核電運行管理有限公司運行五處，浙江 海鹽314300）

1 核反應堆功率控制原理簡介

在反應堆中，當作為燃料的鈾-235原子核吸收一個中子后，有一定概率裂變產生兩個或多個新的原子核（裂變碎片），并產生2~3個中子。裂變碎片和原鈾核間虧損的質量轉變成能量，新產生的中子可能導致其他鈾-235原子核裂變，使參加反應的鈾-235越來越多，產生的能量越來越多。但實際上，一個鈾-235原子核吸收一個中子后只有一定概率發生裂變反應，這個概率稱為“微觀裂變截面”，其大小和中子的能量密切相關，高能的快中子與鈾-235核間的微觀裂變截面低于低能的熱中子。此外，新產生的中子在被下一個鈾核吸收前，可能因為從反應堆泄漏，或者被堆內其他材料吸收而損失。因此，在發生鏈式反應的反應堆內部，其中子數量并不一定一直增加。反應堆內新產生的中子數量與上一代中子數量之比稱為反應堆的有效增殖因子Keff。

反應堆設計者采取了各種方法，控制反應堆內中子的數量以及增減，確保反應堆功率能夠按照預期升降或保持。例如，選用特定的材料（慢化劑），將裂變產生的快中子慢化成熱中子，提高鈾-235發生裂變反應的概率；在堆內布置可以控制的中子吸收體（反應性控制機構）吸收中子，控制堆內中子數量。

當Keff=1時，反應堆內的中子數量保持穩定，反應堆功率穩定，此時反應堆處于臨界狀態。如果Keff偏離1，稱之為引入了正反應性或負反應性，此時，反應堆超臨界（Keff>1）或次臨界（Keff<1），反應堆功率隨之上升或下降。反應堆整體功率控制的方式，就是通過調節反應性控制機構所提供的反應性的量，補償各種因素導致的反應性變化，保證Keff=1，維持反應堆臨界，從而控制反應堆功率的穩定；或者根據需要，按照規定的速率向反應堆內引入正或負的反應性，從而按照選定的速率提升或降低反應堆功率。

2 CANDU 6反應堆功率控制的方式

CANDU6反應堆由加拿大CE公司設計，其特點是采用重水作為慢化劑慢化中子。由于重水對中子的吸收能力低于輕水，使中子“損失”減少，故CANDU6可以使用低豐度的天然鈾作為燃料。在CANDU6中，輕水被視為中子的吸收體用作反應性控制機構。通過調節堆芯中輕水的量，就可控制被吸收的中子數量，達到控制反應堆功率的目的。

3 液體區域控制系統

CANDU6堆芯被劃分為14個區域（見圖1），每個區域布置有一個內含輕水的液體區域控制單元（Zone Control Unit，ZCU）。通過改變ZCU內的輕水水位而改變中子吸收的量。CANDU6可以同時改變14個ZCU的水位來調節反應堆總體功率，也可以單獨改變某個控制單元的水位來進行區域功率調節。

圖1 CANDU6的液體區域控制單元（ZCU）

圖2是一個ZCU的示意圖，虛線為輕水的流向。輕水由供水泵，經液位控制閥 （Level Control Valve，LCV）進入ZCU，然后返回延遲箱TK2形成循環回路。由于ZCU的氣空間與延遲箱之間的氦氣壓差恒定，因此，各個ZCU排水流量為一恒定值。當單元內輕水水位穩定時，進水量和排水量一致，此時該單元LCV的開度稱為BIAS開度。如果需要降低某個區域的功率，則需要提升該區域的輕水水位以吸收更多的中子，此時，只需使該區的LCV開度大于BIAS開度，進水流量大于排水流量即可，反之亦然。顯然，在反應堆功率穩定時，液區的液位也保持穩定，此時閥門開度保持在BIAS開度。液區液位上升或下降的速率取決于LCV實際開度偏離BIAS的程度。

圖2 液體區域控制單元控制示意圖

4 液體區域控制單元液位控制閥要求開度的算法

ZCU的液位控制閥由運行在電廠數字控制計算機（Digital Control Computer，DCC）上的反應堆調節系統程序（Reactor Regulating System，RRS）控制。RRS每2 s為一個程序周期計算第i區（i=1,2,…，14）LCV閥門要求開度LIFi，將計算值轉換為電壓信號發送到現場，并通過IP轉換器轉換成氣信號，控制閥門的實際開度。

RRS計算LCV閥門要求開度LIF i的算法如下：

LIFi=（BIASi+RLIFi）×FFACi

BIASi對應的i區閥門的偏置開度BIAS；FFACi為i區閥門的開度限制因子；RLIFi為各閥門相對偏置開度BIAS的開度。

正常運行期間，RLIFi=BLIF+DLIFi。DLIFi為單區閥門偏置開度，用于控制各個區域功率和液位；其中BLIF即為整體功率偏置開度，同時作用于14個LCV，用于整體功率控制，BLIF=16EP。它取決于RRS得到當前反應堆實際對數功率PLOG與當前程序周期的功率設定值PDLOG之差，稱為有效功率偏差EP。

RI-RD是實際功率變化率和要求變化率之差，作為EP的微分項。如果忽略微分項，對于整體功率控制，LCV要求開度公式可以簡化成：LIFi=BIASi+16EP。

當反應堆功率穩定在設定值時，PLOG=PDLOG，EP=0，此時LCV保持在BIAS開度，液區液位保持穩定。

當反應堆引入某種負反應性，導致功率下降低于設定值時，EP為負數，此時LCV閥門開度小于BIAS開度，液區液位下降，引入的正反應性大于先前引入的負反應性，此時Keff>1，反應堆超臨界，功率回升，直到達到功率設定值，LCV閥門再次回到BIAS開度，液區水位在一個較低的值恢復穩定。此時液區水位減少引入的正反應性等于先前引入的負反應性（忽略期間其它反應性的變化），兩者抵消，反應堆重新臨界。

如果操縱員給RRS一個新的目標功率PRA和要求功率變化的速率RA，則RRS會根據PRA和PA，按照一定的速率改變PDLOG值，使得PDLOG最終等于PRA，這樣反應堆實際功率PLOG也會在液體區域控制系統的控制下，跟隨PDLOG按照規定的速率達到PRA。如果在功率變化期間，操縱員想要停止功率變化，則只需要按下HOLD按鍵，此時RRS進行部分初始化，使得PRA=PDLOG，要求功率變化率清零，則PDLOG停止變化，PLOG也隨之停止變化。

5 CANDU 6整體功率下降后液體區域控制系統的響應

功率運行期間，LZC會自動控制堆內各ZCU的液位，補償由于各種原因引入的正負反應性，維持反應性平衡，確保反應堆臨界。但是，一旦引入的負反應性的總量或者速率超過LZC的補償能力，例如，中子毒物（硼或釓）大量進入慢化劑，而后續的其他反應性補償方式又沒有及時投入，則反應堆次臨界，堆功率不受控下降。分析這類工況下液體區域控制系統的行為以及反應堆的響應，對判斷CANDU6反應堆在異常工況下是否安全和穩定有著重要的意義。

為方便分析和描述，我們先將LCV開度的算法進行簡化，忽略RRS的其他保護和限制，假設EP=PLOGPDLOG，此時，LIFi=BIASi+16（PLOG-PDLOG）。

我們先設想一種極端情況：反應堆先前穩定運行于100%FP，PLOG=0 Decade，PDLOG=0 Decade，RI=0 Decade/s，RD=0 Decade/s。此時反應堆快速引入一個異常的負反應性，導致反應堆功率迅速階躍下降至PLOG=-2 Decade，然后隨著LZC系統的調節補償，整體功率停止下降。在下一個程序周期，PDLOG由于沒有輸入降功率的目標功率、速率，仍然等于0 Decade，則此時有效功率偏差：EP=（PLOG-PDLOG）=（-2-0）=-2（Decade），LZC閥門相對于偏置開度的開度BLIF=16×EP=16（-2）=-32，LCV的最終開度LIFi為0.5-32，即全關（LIFi取值范圍為0~1），液區單元液位迅速下降，從而引入正反應性，使得反應堆超臨界，反應堆功率開始回升， 直至PLOG=PDLOG=0 Decade，EP=0，LCV開度重返BIAS，液區水位穩定。很顯然，這種響應是不合適的，因為：（1）正常情況下RRS通過控制PDLOG的增長速率，限制EP，以控制實際功率PLOG的上升速率。但在上述例子中，PLOG的異常下降而PDLOG不變，直接使得EP急劇減小，RRS升功率的速率完全取決于EP。當PLOG下降很多，導致EP負的程度過多，LCV閥保持全關，各ZCU區域可能長期處于排空或最低液位狀態，從而失去了對堆功率的控制，反應堆升功率的速率遠超過正常情況下的最大速率。更重要的是，在反應堆功率PLOG自動回升期間，操縱員即使按下HOLD鍵，只能進行部分初始化，即令PRA=PDLOG，RD=0，但是不能改變PLOG和PDLOG，也就是不能改變EP，因此，無法阻止反應堆功率的上升。

（2）當整體功率異常下降至-2Decade后，反應堆功率自行返回至100%FP（0Decade）。反應堆如此高速率、高幅度的功率波動顯然不安全。尤其是在反應堆存在異常的情況下迅速重返滿功率。

由此可見，為了防止LCV開度過小而在短期內引入太多的正反應性，EP的負值大小必須限制，即PDLOG與PLOG之差不能太大。因此，RRS中加入了限制邏輯，PDLOG僅能在PLOG上方的一個限制值：PDLOG限制值=PLOG+0.0212/KB，其中，KB=1.68+1.14PLOG，并限制在0.2和1之間。

如果PDLOG不超過上面計算的目標值，則保持PDLOG不變，否則把計算的目標值作為PDLOG。如果PDLOG超過0.00647，即101.5%FP，也把PDLOG限制在0.00647。

此外，在EP計算時，加入了KB以及微分環節KR（RI-RD）。其中，微分增益KR=0.5，目標對數功率RD=ΔPR/0.5。當反應堆功率出現控制之外的增長率時，微分環節將限制EP減小的程度。

在加入此邏輯后，如果PLOG下降過多，PDLOG將限制在PLOG+0.0212/KB，忽略微分環節，則

EP=KB×[PLOG-PLOG-0.0212/KB]=-0.0212（Decade），即EP的最小值限制為-0.0212Decade，LCV整體功率偏置開度為16×（-0.0212）=-0.3392， 總開度LIFi約為0.5-0.339 2=0.1608。在升功率過程中，EP正的微分環節可以進一步限制EP過負，實際的整體功率偏置開度負的程度還將進一步減小。

由此可見，當EP和PDLOG的值受到當前PLOG的限制時，一方面，防止在PLOG意外大幅瞬降時EP過負，從而引入過多的正反應性導致反應堆功率過快上升；另一方面，當PLOG下降后，RRS只允許堆功率回升至當前PLOG上方的一個限制值，這對于異常情況下的反應堆安全有著重要的意義。

6 操縱員的響應

反應堆整體功率異常下降后RRS自動提升反應堆功率屬于正常響應，設計上已經限制該工況下功率回升的幅度和速率。此時，操縱員無法通過常規地按下HOLD鍵阻止功率上升，因此，需要加強在功率回升期間機組狀態的監視。如果當時的工況不適合功率回升，操縱員需要穩定或降低反應堆功率，可以立即降低反應堆功率設定值，或者直接手動觸發快速降功率（SETBACK）。這兩種方式都可以降低PDLOG。當PLOG上升至新的PDLOG時，EP為0，功率將不再上升。

7 結論

如果CANDU6反應堆功率運行期間因異常原因快速引入總量在LZC補償能力內的負反應性，反應堆功率將降低。隨著LZC調節引入正反應性，反應堆重返臨界，功率將停止下降。隨后，RRS將自動提升反應堆功率至當前設定值PDLOG。這屬于RRS正常的調節作用，是維持反應堆穩定功率運行的保證。為了防止高功率運行的反應堆功率突降時RRS以很快的速率自動提升反應堆功率以重返設定值，RRS將PDLOG限制在實際功率與上方的一個固定值，限制有效功率偏差EP，防止反應堆功率自行快速回升至初始的高功率。限制后PDLOG與PLOG的差值的最負值為-0.0212 Decade，即反應堆功率下降后RRS控制其自動回升的功率幅度最大不超過0.05倍當前功率，這種限制對于反應堆安全十分重要。功率回升期間，操縱員無法通過HOLD按鍵停止升功率，需要加強對機組狀態的監視。如果必要，操縱員可以通過降低功率設定值，或者手動觸發SETBACK等方式穩定或降低反應堆功率。