320 MWe機組主汽門試驗期間反應性計算

周忠政

（中核核電運行管理有限公司，浙江 嘉興314300）

0 引言

為了在緊急事故時能迅速切斷進入汽輪機的蒸汽流量，保證機組及堆芯安全，在反應堆功率運行期間，應每季進行一次主汽門試驗以檢查閥門有無卡澀。

320 MWe機組主汽門試驗需要降功率至200 MWe功率平臺附近，穩定運行4~6 h后，再升至滿功率運行，試驗過程中需要移動控制棒或調整冷卻劑可溶硼濃度來補償反應性變化。一直以來，320 MWe機組主汽門試驗期間的反應性控制方案都交由設計院計算，電廠需要支付計算費用，影響了經濟性；同時，文件往來時間成本高，且無法保證反應性控制方案計算的靈活性。本文利用ORIENT軟件的計算功能，結合影響反應性的多個因素，實現主汽門試驗期間的反應性控制方案的自主計算，并對計算結果進行分析。

1 計算過程

1.1 燃耗跟蹤計算

320 MWe機組某燃料循環期間主汽門試驗，反應堆以2 MWe/min速率降功率至196 MWe，并在196 MWe平臺停留4 h，然后再以2 MWe/min速率升功率至滿功率。

若要得到功率變動期間每一個燃耗點的堆芯物理參數，需要建立本循環裝料至今的堆芯燃耗跟蹤計算表。通過上循環的歷史數據，得到所有回堆燃料組件的燃耗等信息，設置歷史跟蹤計算起點。從電站計算機數據中得到本循環的堆芯相對功率、燃耗和棒位等數據，如表1所示。表中P為相對功率，單位為滿功率FP；B為燃耗值，單位為兆瓦天每噸鈾MWD/tU，D為該狀態點運行的時間長度，單位為天Day，與燃耗互斥，A1~T4為控制棒棒位，Export表示是否在該燃耗點狀態進行庫文件輸出以作為自動化計算序列基礎。

表1 堆芯燃耗跟蹤計算表

將燃耗跟蹤計算表作為輸入，利用ORIENT系統對燃耗計算點進行臨界硼濃度搜索，Keff=1.0為目標值，并且考慮氙燃耗、釤燃耗，可得到每個燃耗點的堆芯徑向和軸向結果，如組件功率、軸向功率偏移、軸向功率峰因子等。

1.2 負荷跟蹤計算

堆芯負荷變動時，反應性的計算需要考慮影響反應性變化的諸多因素，包括氙毒反應性、釤毒反應性、功率虧損、溫度虧損、硼濃度變化和控制棒移動等。負荷跟蹤計算主要是通過計算堆芯當前燃耗計算點與下一個燃耗計算點的反應性凈變化量，考慮軸向功率偏差必須在參考值±5%FP內變化，不斷調整控制棒棒位，使每個燃耗點處堆芯搜索達到新的臨界狀態，并得到臨界硼濃度等堆芯物理參數。

建立負荷跟蹤序列計算表，表格中主要包括堆芯相對功率，控制棒棒位和硼濃度變化量。為了增加計算的參考性，以每5 min一個燃耗點進行制表，功率變動結束后繼續計算54 h的數據。根據電功率的升降速率和不同功率水平堆芯的效率，利用TREND函數可以得到理論的負荷變動流程（Pr列數據）。控制棒棒位和硼濃度變化量為互斥的量，因為要參考軸向功率偏差的變化，所以改變T4棒位更為直觀，以T4棒位歷史運行數據作為預輸入值。如表2所示。

導入序列計算輸入表到ORIENT中，并設置跟蹤計算起始點為2.1節燃耗跟蹤計算文件，即開始降功率時刻（0 min）的堆芯狀態參數即是表1“堆芯燃耗跟蹤計算表”最后一個計算點的數據。

利用ORIENT軟件，對表2中每一點進行臨界計算，算出有效增殖系數Keff=1狀態下的平衡氙濃度，然后強制氙濃度為0，在相同計算條件下計算新的有效增殖系數Keff〃，根據Keff和Keff〃的偏差可以計算出該狀態下的氙毒反應性。計算出表2中每一時刻135Xe濃度，根據最初狀態點計算的135Xe濃度與氙毒反應性的對應系數，可以計算出之后每一計算點的氙毒反應性。計算得到的氙毒反應性隨功率變化的趨勢如圖1所示。

表2 負荷跟蹤序列計算輸入表

圖1 氙毒反應性隨功率的變化

如果某計算點處得到的ΔI偏離軸向功率偏差參考值ΔIref（本次計算ΔIref=-1.45%FP）過多，需要對預輸棒位進行調整，直到得到該計算點最佳的ΔI，如圖2所示。在這個過程中，硼濃度的變化量也隨之改變。

圖2 根據ΔI調整T4棒棒位示意圖

經過多次調整后，可以得到ΔI滿足要求的負荷跟蹤計算結果，結果中包括控制棒棒位、硼濃度變化量、軸向功率偏差、氙毒反應性等。

1.3 功率虧損計算

功率水平的變化將導致包殼和燃料芯塊的溫度和慢化劑的溫度的變化。根據核設計報告中總功率虧損與功率水平的關系表，在硼濃度確定情況下，功率虧損與功率水平成線性關系，通過差分法可以計算出主汽門試驗總功率虧損，整個升降功率期間的功率虧損如圖3所示：

圖3 總功率虧損隨功率的變化

1.4 溫度虧損

功率水平變化導致慢化劑溫度變化和燃料有效溫度變化，溫度變化引起的反應性引入已經考慮到功率虧損中，所以不做單獨考慮。

1.5 釤毒反應性

釤毒對熱中子反應堆的影響僅次于氙毒。降功率前釤毒達到平衡，降功率后釤毒開始積累，根據《第十七燃料循環應急換料運行數據計算報告》可得，從100%FP功率停堆后10 h，釤毒反應性積累46 pcm，149Sm要達到平衡需要至少百小時以上。本次主汽門試驗中降功率33.45 %FP，升降功率約6 h，實際釤毒的積累很小，可忽略不計。

2 數據處理與比較

主汽門試驗期間的每一燃耗點處，將氙毒反應性和功率虧損相加可以得到反應性變化量ρB=ρxe+p+ρr。如果控制棒棒位變化，引入的反應性為ρr，則調硼引入的反應性為：

核設計報告中可得當前燃耗下的硼微分價值為ρB′，則硼濃度變化量為ΔCB：

可得主汽門試驗期間每一計算燃耗點的反應性變化量、控制棒棒位、硼濃度變化量和軸向功率偏差，為運行人員提供了反應性控制參考。

為了驗證計算反應性控制方案的準確性，試驗后從電站計算機中得到主汽門試驗期間相關實測數據，將軸向功率偏差、硼濃度變化量計算值與實測數據進行比較，如圖4、圖5所示。

圖4 計算軸向功率偏差與實際值比較圖

圖5 計算硼濃度變化與實際值比較圖

圖4中可以看出：

（1）自主計算得到的ΔI在ΔIref=-1.45%FP附近較窄的范圍內震蕩，ΔImin=-5.34%FP，ΔImax=3.16%FP，沒有超過±5%FP運行帶；

（2）負荷變動結束后，ΔI逐漸成收斂趨勢；

（3）計算ΔI與實測ΔI的趨勢一致，兩者最大偏差為1.19%FP，最小偏差為-0.229%FP。

圖5中因為硼濃度變化實測值取自硼表，在硼化稀釋過程中硼表示數有一定波動，所以有一些壞點，但偏差都維持在小的范圍內，整個計算硼濃度變化量的趨勢與實測值趨勢是相同的。

從運行操作上來考慮，應避免控制棒的頻繁動作，圖6為控制棒的棒位隨時間變化圖，在負荷變動期間，控制棒基本按照固定趨勢動作，在主汽門試驗結束后，控制棒棒位并未出現頻繁提升或下插。

圖6 主汽門試驗期間T4棒位變化

3 結語

通過自主計算結果與實際數據的對比分析，可以看出320MWe機組主汽門試驗期反應性計算結果準確適用，對運行操作決策起到很好的參考作用。