一种核反应堆负荷跟踪的实现方法与流程

本发明涉及压水堆核电厂设计与运行技术领域，特别是涉及一种核反应堆负荷跟踪的实现方法。

背景技术：

压水堆核电厂若要机组跟随电网需求做负荷跟踪，需通过调节反应性来调节反应堆功率，实现手段主要有以下两个：1)调节主冷却剂中的硼酸浓度；2)调节控制棒在堆芯中的插入深度。第一种调节手段，需要由化学和容积控制系统向一回路注入水或高浓度的硼溶液来进行主冷却剂的稀释或硼化。由于硼的加浓和稀释需要一定时间，所以它调节反应堆的功率也较慢。另外一方面，电厂负荷如果需要频繁的升降，单独以调节硼浓度的方式来跟踪这种升降，则要对主冷却剂进行频繁的稀释和硼化，会产生大量需处理的硼废液。第二种调节手段，通过控制棒在堆芯内的抽插来调节堆功率，它的速度比较快。但在运行中，控制棒在堆芯中移动会导致堆芯功率分布畸变甚至可能造成不可接受的功率分布，还会引起堆芯核燃料燃耗轴向不平衡等问题，因此使用控制棒调节堆功率也有一定约束和困难。

早期设计的压水堆核电厂只有一套控制棒(停堆棒组除外)，各棒组间以一定重叠步数按顺序抽插，单束控制棒的中子吸收能力较强，称为黑体控制棒。在这种模式(a模式)下，假如功率变化导致的反应性变化全部通过控制棒补偿，极易造成轴向功率分布不平衡的现象持续时间较长，燃料组件的某些部位工作条件变差，可能产生热点，而且堆芯轴向功率分布的长期不平衡会造成堆芯内核燃料的轴向燃耗分布不均匀。因此，控制棒主要用于调节堆芯轴向功率偏移，同时补偿堆芯冷却剂平均温度，当两者矛盾时，反应性变化差额由调硼系统承担。由于反应堆一次主冷却剂硼浓度调整需要一定的时间，所以反应堆负荷跟踪能力明显受限。

后来，法国设计了采用部分灰体控制棒的模式(g模式)。含灰体控制棒的功率补偿棒组相互之间设置重叠步，由于灰体控制棒吸收中子能力较弱，功率补偿棒组移动造成的堆芯轴向功率分布畸变不严重。功率补偿棒组插入堆芯的深度与功率有关，在基负荷运行时全部提出堆芯，在负荷跟踪时插入堆芯用来调节功率。另有一组控制棒专门用来调节轴向功率偏移和堆芯冷却剂平均温度，在基负荷和负荷跟踪期间均插入堆芯上部。在这种模式下，不需要改变主冷却剂的硼浓度来调节因温度反馈效应等造成的功率变化引起的快反应性变化，可以快速调节反应堆功率。但是，氙毒、燃耗等引起的慢反应性变化仍通过调硼系统补偿。而氙毒是以小时为时间量级消涨变化的，在常见的日负荷跟踪期间为补偿氙毒引起的慢反应性变化，仍需要反复地对主冷却剂进行硼化和稀释。

总之，以上的负荷跟踪都需要对主冷却剂进行频繁的稀释和硼化，而调硼会带来以下不足：1)产生大量待处理的硼废液，增加了运行成本；2)接近寿期末时，因硼浓度较低，调硼会产生比寿期初多数倍的废液，使得核电厂的废液处理系统无法承担而丧失负荷跟踪能力；3)调硼会产生大量放射性废液，处理后的废液虽然放射性很低，仍会对环境保护带来了一定压力；4)调硼操作是手动实施的，增加了运行人员的负担。

为解决以上问题，美国西屋公司在对比文件1(于负荷改变期间控制核子反应器以减少硼浓度调整之方法及方法[发明专利]，81108319，1981)中实现了不调硼负荷跟踪运行，提高了反应堆的经济性和运行灵活性。但该模式(mshim模式)在基负荷运行时也要求像负荷跟踪运行时一样有两套控制棒组插入堆芯，且在由基负荷运行向负荷跟踪运行切换时需要约一两天时间过渡，用于等待氙分布接近重新平衡。国内中广核集团在对比文件2(马兹容、姚增华.m310压水堆的改进——不调硼负荷跟随研究[期刊].核科学与工程,2004,4：294～300)中也研究了一种不调硼负荷跟踪模式(btp模式)，但为了使负荷跟踪时的轴向功率偏移始终不超出运行梯形图左边界，需人为构造堆芯轴向燃耗梯度，构造方法是在基负荷运行期间除了温度调节棒组外还需要功率补偿棒组也插入堆芯，即仍然始终有两套控制棒组插入堆芯。

为了解决基负荷运行切换到负荷跟踪运行后氙瞬态容易造成轴向功率振荡幅度较大而难以控制的问题，以上两种不调硼负荷跟踪实现方法(mshim和btp模式)都要求在基负荷运行时也有两套控制棒组插入堆芯，由此导致燃料燃耗不均匀、控制棒注量升高、控制棒吸收体燃耗较多、控制棒驱动机构负荷增大等缺点。本发明则提供了一种新的不调硼负荷跟踪实现方法，该方法在基负荷运行期间只需要一组控制棒插入堆芯，避免了上述缺点。

技术实现要素：

针对上述提出的现有不调硼负荷跟踪实现方法，都要求在基负荷运行时也有两套控制棒组插入堆芯，由此导致燃料燃耗不均匀、控制棒注量升高、控制棒吸收体燃耗较多、控制棒驱动机构负荷增大等缺点的问题，本发明提供了一种核反应堆负荷跟踪的实现方法，该方法在基负荷运行期间只需要一组控制棒插入堆芯，该方法避免了基负荷运行时过多控制棒插入堆芯所导致的燃料燃耗不均匀、控制棒注量升高、控制棒吸收体燃耗较多、控制棒驱动机构负荷增大等缺点。

为解决上述问题，本发明提供的一种核反应堆负荷跟踪的实现方法通过以下技术要点来解决问题：一种核反应堆负荷跟踪的实现方法，该方法采用两套相对独立的控制棒组用于核反应堆的反应性和轴向功率偏移功率控制；

两套控制棒组分别为t棒组和k棒组，其中，k棒组由多束黑棒组成，t棒组包括多束灰棒和黑棒；

在核反应堆的基负荷运行期间，仅有k棒组插入堆芯，且k棒组的插入深度大于或等于咬量加上24步；

在核反应堆的负荷跟踪运行期间，所述t棒组和k棒组均插入堆芯中。

具体的，现有技术中，压水堆控制棒驱动机构一般采用磁力提升式控制棒驱动机构。以上咬量一般为控制棒微分价值达到2.5pcm/步的最小插入步数，一步即为钩爪与驱动杆部件的环形杆上的沟槽交替啮合一个齿。以上黑棒即为中子吸收能力较强的控制棒，以上灰棒即为中子吸收能力较弱的控制棒。

。基负荷运行时，设置k棒组的插入深度大于或等于咬量加上24步，相当于引入了一定的平衡氙轴向梯度和燃耗轴向梯度，且k棒组预留更大的提出空间使其有更强的补偿功率向下偏移的能力，保证了基负荷运行切换到负荷跟踪运行时不会引起较大的氙致轴向功率振荡，可有效解决基负荷向不调硼负荷跟踪过渡时难以控制轴向功率偏移的难题。

具体的，基负荷运行期间：

仅有k棒组插入堆芯；

通过k棒组插入深度的变化，堆芯冷却剂平均温度由k棒组控制；

通过k棒组插入深度的变化，堆芯轴向功率偏移和较小的反应性变化也由k棒组控制；

阶段性调节可溶性硼补偿燃耗引起的反应性变化，以便将k棒组恢复到运行范围内。

负荷跟踪运行期间：

t棒组和k棒组均插入堆芯；

堆芯冷却剂平均温度由t棒组控制，并由此控制功率、氙毒等引起的反应性变化；

轴向功率偏移由k棒组控制；

阶段性调节可溶性硼补偿燃耗引起的反应性变化，以便将k棒组和t棒组恢复到运行范围内。

采用该方法，避免了基负荷运行时过多控制棒插入堆芯的缺点，并且向负荷跟踪运行切换时不需要过渡天，可随时开始负荷跟踪运行，核电机组的机动性更强；

在负荷跟踪过程中不需要频繁地调硼操作，减少了废水处理成本，并相应地将负荷跟踪能力从85％寿期延长到95％寿期；

对于基负荷运行工况，该方法只需一组控制棒插入堆芯，此时控制棒控制功率的方式与传统的控制方式(a模式和g模式)一致，技术成熟，有利于核电站的安全运行。

该方法避免了基负荷运行时过多控制棒插入堆芯所导致的燃料燃耗不均匀、控制棒注量升高、控制棒吸收体燃耗较多、控制棒驱动机构负荷增大等缺点。

更进一步的技术方案为：

为使得在核反应堆的负荷跟踪运行期间，减小t棒组对堆芯轴向功率偏移所带来的扰动，所述t棒组分为多组，且组成t棒组的各组均包括多个棒束；

在核反应堆的负荷跟踪运行期间，组成t棒组的多组依次插入堆芯中或由堆芯中提出；

在所述插入和提出过程中，相邻的组之间具有重叠步数。

为使得在核反应堆的负荷跟踪运行期间，减小t棒组对堆芯轴向功率偏移所带来的扰动，组成t棒组的多组中，部分组中的控制棒均为灰棒，其余组中的控制棒均为黑棒；

在核反应堆的负荷跟踪运行期间，在所述插入过程中，插入顺序为均为黑棒的组后于均为灰棒的组；在所述提出过程中，提出顺序为均为黑棒的组先于均为灰棒的组。本方案中，设定的在核反应堆的负荷跟踪运行期间，所述的具体插入过程和提出过程，旨在减小t棒组对堆芯轴向功率偏移所带来的扰动，同时设置为t棒组中包括黑棒，使得堆芯通过t棒组能够获得更大的功率调节能力。

为使得采用本方法的反应堆在负荷跟踪时轴向功率偏移扰动小且功率跟踪响应快的实现方案：在相邻的组为灰棒与灰棒时，相邻组控制棒的重叠介于四分之一棒长至二分之一棒长之间；在相邻的组为灰棒与黑棒、黑棒与黑棒时，相邻组控制棒的重叠小于四分之一棒长。

作为黑棒的具体实现方式，所述黑棒为银-铟-镉棒。

作为灰棒的具体实现方式，所述灰棒为以下两种方式中的任意一种：钨棒、不锈钢棒与银-铟-镉棒构成的混合结构。

本发明具有以下有益效果：

本发明提供的方法针对压水堆核电厂，与已有的不调硼负荷跟踪实现策略不同的是，本发明所述策略在基负荷运行期间只需要一组控制棒插入堆芯，避免了过多控制棒插入堆芯带来的一系列缺点。技术的关键在于该组控制棒比传统模式略深插入堆芯，人为引入一定的平衡氙轴向梯度和燃耗轴向梯度，由此保证切换到负荷跟踪方式时堆芯轴向氙振荡幅度较小，且该组控制棒用于负荷跟踪期间控制功率轴向偏移，预留更大的提出空间使其有更强的补偿功率向下偏移的能力，从而仅靠控制棒即可将堆芯轴向功率偏移控制在参考值附近，解决了基负荷向负荷跟踪过渡的难题，而且不需要过渡天。在转换为负荷跟踪运行时，将控制棒的控制任务进行切换，改为两套控制棒组插入堆芯。在负荷跟踪运行期间，功率及氙变化引起的反应性变化通过控制棒补偿，实现不调硼负荷跟踪。仅堆芯燃耗带来的反应性变化通过调硼补偿，这与基负荷运行一样。

具体的：

采用该方法的电厂由基负荷运行快速切换到负荷跟踪运行时，堆芯轴向功率振荡幅度较小，k棒组在其运行范围内即可将堆芯轴向功率偏移控制在运行带内，并且不需要过渡天，可随时开始负荷跟踪运行。

该方法在负荷跟踪过程中不需要频繁地调硼操作，减少了废水处理成本，并相应地将负荷跟踪能力从85％寿期延长到95％寿期。

对于基负荷运行工况，该方法只需一组控制棒插入堆芯，此时控制棒控制功率的方式与传统的控制方式(a模式和g模式)一致，技术成熟，有利于核电站的安全运行；

该方法避免了基负荷运行时过多控制棒插入堆芯所导致的燃料燃耗不均匀、控制棒注量升高、控制棒吸收体燃耗较多、控制棒驱动机构负荷增大等缺点。

附图说明

图1为本发明所述的一种核反应堆负荷跟踪的实现方法一个具体运用实施例的堆芯控制棒布置图，图中，相应的字母表示该处布置了相应的棒束。t棒组由3组灰棒(t1、t2、t3)和2组黑棒(t4、t5)构成，k棒组由1组黑棒(k)构成，s棒组由2组黑棒(s1、s2)构成；

图2为一个具体的基于本发明提供的核反应堆负荷跟踪的实现方法的实施例，典型的日负荷跟踪运行模拟中，反映相对功率随时间变化的模拟结果图；

图3为一个具体的基于本发明提供的核反应堆负荷跟踪的实现方法的实施例，典型的日负荷跟踪运行模拟中，反映硼浓度随时间变化的模拟结果图；

图4为一个具体的基于本发明提供的核反应堆负荷跟踪的实现方法的实施例，典型的日负荷跟踪运行模拟中，反映平均氙浓度随时间变化的模拟结果图；

图5为一个具体的基于本发明提供的核反应堆负荷跟踪的实现方法的实施例，典型的日负荷跟踪运行模拟中，反映氙轴向偏移随时间变化的模拟结果图；

图6为一个具体的基于本发明提供的核反应堆负荷跟踪的实现方法的实施例，典型的日负荷跟踪运行模拟中，反映t棒组插入步数随时间变化的模拟结果图；

图7为一个具体的基于本发明提供的核反应堆负荷跟踪的实现方法的实施例，典型的日负荷跟踪运行模拟中，反映k棒组插入步数随时间变化的模拟结果图；

图8为一个具体的基于本发明提供的核反应堆负荷跟踪的实现方法的实施例，典型的日负荷跟踪运行模拟中，反映轴向功率偏差随时间变化的模拟结果图。

其中，图2至图8为从基负荷开始连续进行了4天的12-3-6-3的100％-50％-100％日负荷跟踪(即在每一天的24小时中，先用3小时将功率由100％线性降为50％，然后维持50％功率运行6小时，再用3小时将功率由50％线性升为100％，最后维持100％功率运行12小时)。以上各图中，在负荷跟踪过程中，堆芯各相关参数主动或被动地随时间变化。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步的详细说明，但是本发明不仅限于以下实施例：

实施例1：

如图1至图8所示，本实施例提供了一种基于所述的一种核反应堆负荷跟踪的实现方法的一种具体实现方案，本实现方案中，相应核反应堆为双环路压水堆，该堆芯由121个燃料组件构成。图1给出了一种典型的堆芯控制棒布置图，堆芯采用45束控制棒，其中33束为黑体控制棒，12束为灰体控制棒。停堆棒组为s棒组，用于确保反应堆在任何功率水平下都有足够的停堆裕量。控制棒和停堆棒的长度均为225步。控制棒组包括k棒组和t棒组。在基负荷运行期间，仅k棒组插入堆芯，控制堆芯冷却剂平均温度和轴向功率偏移。在负荷跟踪运行期间，k棒组和t棒组均插入堆芯，k棒组仅控制轴向功率偏移，t棒组通过控制堆芯冷却剂平均温度来补偿功率反馈和瞬态氙等效应引起的反应性变化。t棒组中各组棒按一定顺序和重叠步抽插，插入顺序为t1、t2、t3、t4、t5，提出顺序为t5、t4、t3、t2、t1，其中各组灰棒之间的重叠步为80步，灰棒和黑棒之间以及两组黑棒之间的重叠步为12步。

在基负荷运行期间，保持k棒组插入到咬量+24步附近，冷却剂平均温度由独立的k棒组控制，操纵员可调整硼浓度以改变k棒组的位置，从而保证轴向功率偏移在参考值附近，与传统控制策略类似。准备做负荷跟踪运行时，先将控制棒组的控制分工进行切换并设为自动控制模式，然后调硼将t棒组赶入堆芯一定深度(以负荷跟踪过程中靠提t棒组能顺利返回满功率为准)，可立即开始负荷跟踪运行，不需要过渡天。负荷跟踪开始时，汽轮机负荷降低引起反应堆冷却剂平均温度升高，t棒组将自动下插，降低反应堆功率，以维持冷却剂平均温度在设定值附近；反应堆功率下降将引起氙瞬态变化，当达到低功率运行平台后，氙的累积引入负反应性，t棒组将自动缓慢提出；经过氙峰后，t棒组将再次缓慢插入。反之，当汽轮机负荷升高时，反应堆冷却剂平均温度降低，t棒组将自动提出，提高反应堆功率，以维持冷却剂平均温度在设定值附近；当达到高功率运行平台后，氙的消耗引入正反应性，又导致t棒组缓慢插入堆芯；如此反复进行，直到返回基负荷运行并达到氙平衡态。

图2至图8给出了以上双环路压水堆某循环95％寿期末时的典型日负荷跟踪过程。负荷跟踪前的基负荷运行期间k棒组保持插入在咬量+24步位置，降低硼浓度将t棒组赶入堆芯后即马上开始负荷跟踪。负荷跟踪期间的δiref(轴向功率偏差δi参考值)保持与基负荷时的相同，可见δi得到能有效控制，且能始终保持在比运行带更窄的控制死区内(负荷跟踪期间控制死区可设为δiref±3，基负荷运行的控制死区可设为δiref±1)。使用该策略，氙轴向偏移仅在-1.5％～+1.5％的小范围内波动，k棒组既不必完全提出堆外，也不必插入过深。使用该策略，在负荷跟踪从低功率返回满功率并维持12小时也不存在δi控制困难，显然维持更长时间的满功率运行更无困难，即是说从负荷跟踪运行可顺利地直接过渡回基负荷运行。综上，使用该策略，在负荷跟踪期间可只靠控制棒调节反应性快变化和轴向功率分布，除非补偿燃耗效应否则无需调整硼浓度，实现了不调硼负荷跟踪。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的技术方案下得出的其他实施方式，均应包含在本发明的保护范围内。