一种船用反应堆反应性控制方法与流程

本发明属于核反应堆工程技术领域，具体涉及一种船用反应堆反应性控制方法。

背景技术：

核能作为一种高效、经济、可靠的能源，是海洋中运行的各种高耗能系统的最有效的能源供给方式之一，其中，压水反应堆经过几十年的发展，是国际上公认的最成熟的核能供应系统，目前在世界范围内，有大量的核反应堆为各种用途的舰船提供动力，同时压水反应堆也成为海洋浮动式核电平台的首选堆型。

为了提高海洋核动力的利用率，需要反应堆具有较长的寿期或者换料周期，在功率密度保持不变的情况下，长的堆芯寿期或者换料周期意味着堆芯初始后备反应性较大。实现反应性控制的方式一般有三种方式，即可溶可燃毒物、固体可燃毒物、控制棒。在陆地反应堆中，一般采用可溶毒物如可溶硼来进行后备反应性控制，配合采用固体可燃毒物进行部分反应性控制，采用控制棒进行功率水平控制。在船用反应堆中，由于受空间的限制，一般不配置用于可溶毒物如可溶硼调节的化容系统，因此不采用可溶毒物作为反应堆反应性控制手段，只采用可燃毒物和控制棒进行反应性控制。

对于长寿期或者长换料周期船用反应堆堆芯中，固体可燃毒物的燃耗与堆芯反应性的下降较难匹配，且固体可燃毒物控制的反应性在运行过程中不可调节，同时大量采用可燃毒物会导致较大的反应性惩罚，降低堆芯的经济性。第二，控制棒的数目和价值有限，对超长寿期或换料周期反应堆的大后备反应性控制较难，使得船用反应堆的寿期很难延长。第三，通过增加控制棒数目和价值的方法会导致机械设计难度加大，且机械出现故障的概率增加。且全部通过控制棒进行反应性控制会导致反应堆中功率分布畸变较大，堆芯功率峰因子增加，影响反应堆性能。

基于此，研究并开发设计一种船用反应堆反应性控制方法。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是：针对长寿期或长换料周期的船用反应堆堆芯较难控制后备反应性，影响反应堆性能，本发明的目的在于：提供一种船用反应堆反应性控制方法，在船用反应堆上不增加可溶毒物化学处理系统的基础上，可溶毒物和控制棒结合使用对长寿期船用反应堆后备反应性进行控制。解决的问题单独采用固体可燃毒物，其燃耗与堆芯反应的下降难匹配；单独采用控制棒，对超长寿期或换料周期反应堆大的大后备反应性控制难，使船用反应堆的寿期延长等技术问题。

本发明通过下述技术方案实现：

一种船用反应堆反应性控制方法，在船用反应堆冷却剂或慢化剂中溶解浓度在0至1000ppm-的可溶毒物控制船用反应堆后备反应性，根据船用反应堆的长寿期进行小于等于10次的可溶毒物浓度调整，以控制后备反应性，在反应堆运行过程中，通过控制棒进行反应性控制。

其中，船用反应堆的控制主要满足三类需求，一类是通过反应性控制弥补燃耗效应，也就是随着反应堆的燃耗，反应性会发生变化，需要通过手段来维持反应性，即补偿燃耗效应；二类反应堆运行过程中需要功率变换，需要通过反应性控制手段来满足功率变化的需求，一般称为功率调节；三类是反应堆运行过程中存在温度波动或者氙的振荡，温度和氙对反应性存在反馈作用，需要通过反应性控制手段来维持反应性。

而要达到对船用反应堆反应性的控制，现有技术中，为了使反应堆具有较长的寿期或换料周期，在功率保持不变的情况下，长的的寿期或换料周期说明反应堆堆芯初始后备反应性较大，通常采用固体可燃毒物、控制棒、可溶毒物，这三种方式对反应性进行控制。

可燃毒物固定在堆芯汇总，随着反应堆的运行不可调节，其控制特性完全取决于其固有特性。可溶毒物溶解在反应堆冷却剂中，通过调节其浓度来实现对反应性的控制，但是由于其稀释和加浓过程较慢，所以控制过程较慢，同时需要较为庞大的化学处理系统，控制棒可以在反应堆堆芯中抽插，通过插入或拔出的实现对反应性的控制，控制速度较快。

而本技术方案所述的一种船用控制反应性控制方法所针对的船为舰船，舰船在海洋上运行时，由于船只的重量和空间的限制，无法配置体积庞大的可溶毒物化学处理系统。

本技术方案要实现对船用反应堆的反应性控制，其受空间的限制，一般不能如陆地反应堆采用可溶毒物来进行后备反应性与固体可燃毒物的结合控制，并结合控制棒进行功率水平控制。仅能采用可燃毒物和控制棒进行反应性控制。故本技术方案在船用反应堆上不增加可溶毒物化学处理系统的基础上，结合使用可溶毒物和控制棒来进行长寿期船用反应堆大后备反应性控制方法，即在船用反应堆一回路冷却系统上溶解一定量的可溶毒物，利用可溶毒物进行一定比例的后备反应性控制，同时采用可溶毒物和控制棒实现其余部分的反应性控制，控制棒同时作为功率水平变化过程中反应性控制手段，在运行较长时间后进行可溶毒物稀释，释放反应性。

进一步地，为了更好的实现本发明，船用反应堆反应控制方法的具体操作步骤为：

1)：在船用反应堆寿期初，反应堆一回路溶解浓度为0至1000ppm可溶毒物；

2)：船用反应堆运行过程中，通过调整控制棒补偿燃耗控制反应性变化；

3)船用反应堆恢复运行后，利用控制棒继续进行后备反应性控制，重复操作步骤2)，使船用反应堆中的可溶毒物不断稀释，直至可溶毒物的浓度为零；

4)可溶毒物的浓度被稀释至0至50ppm浓度后，反应堆继续通过控制棒进行反应性控制，待船用反应堆中控制棒棒组完全拔出堆芯或达到设计限值后，船用反应堆达到寿期。

对于船用反应堆反应性控制的方法中，采用可溶毒物和控制棒结合的方式进行控制，虽然陆地上反应堆已经类似的控制方法，但是存在本质区别。陆地反应堆一般采用固体可燃毒物和可溶毒物补偿燃耗导致的反应性损失，在反应堆运行过程中，主要靠可溶毒物浓度的调整来动态补偿燃耗变化导致的反应性，原因是燃耗导致的反应性变化较慢，可溶毒物调节速度能够满足要求。在可溶毒物调节过程中，可溶毒物的调整时间间隔非常小，通常是几小时到1天左右调节一次，可溶毒物浓度基本上是连续变化的。同时，可溶毒物也用来补偿功率慢速变化时的反应性控制。而控制棒主要用来补偿温度波动和氙振荡带来的反应性变化，同时用于控制反应堆中功率分布和功率水平的调节。

而船用反应堆一般只采用固定可溶毒物和控制棒来进行反应性控制，主要原因在于船用核动力空间有限，无法搭载庞大的化学处理设备，所以无法像陆地核反应堆采用可溶毒素进行反应性控制。同时船用核动力功率变化频繁，对反应性调节速度有要求，所以一般均采用控制棒进行反应性快速调节。所以传统核动力反应堆均采用固定可燃毒物和控制棒结合的方式进行反应性控制，在运行过程中，采用控制棒补偿燃耗导致反应性损失，同时利用控制棒进行温度、功率调节。

进一步地，为了更好的实现本发明，所述步骤2)中，在船用反应堆运行过程中，通过调整控制棒补偿燃耗带来的反应性变化的方法为：

待船用反应堆运行至船用反应堆中的控制棒棒组提出至设计极限位置时，或为了能够保证核动力船只返回码头时的动力而离极限位置一定距离时，控制棒控制的后备反应性全部或接近被消耗掉的方法为，

3).1核动力船驶回码头，将控制棒全部插入堆芯，并利用码头的化学处理设备将反应堆一回路中的可溶毒物进行稀释，使稀释后所释放的反应性小于等于控制棒帮安全控制的最大反应性，通过稀释可溶毒物，释放出供控制棒控制的后备反应性；

3).2将载有化学处理设备的补给传开赴到核动力船附近，将控制棒全部插入堆芯，利用补给船上的化学处理设备反应堆一回路中的可溶毒素进行稀释，使稀释后释放的反应性小于等于控制棒控制的最大反应性，通过稀释可溶毒物，释放出供控制棒控制的后备反应性。

进一步地，为了更好的实现本发明，所述步骤2)中，在船用反应堆运行过程中，通过调整控制棒补偿燃耗带来的反应性变化的方法为：

核动力船回到码头且在码头停靠时间满足可溶毒物所需时间，同时控制棒棒组由于补偿燃耗而提出反应堆堆芯至极限位置的1/2以上时，将控制棒全部插入到堆芯，并利用码头的化学处理设备将反应堆一回路中的可溶毒物进行稀释，使稀释后所释放的反应性小于等于控制棒安全控制的最大反应性，通过稀释可溶毒物，可释放出供控制棒控制的后备反应性。

进一步地，为了更好的实现本发明，所述步骤2)中，在船用反应堆运行过程中，通过调整控制棒补偿燃耗带来的反应性变化的方法为：

载有可溶毒物化学处理设备的补给船补给核动力船且海洋环境满足可溶毒物稀释所需时间时，同时控制棒棒组补偿燃耗至反应堆堆芯值极限位置1/2以上时，将控制棒全部插入反应堆堆芯，利用补给船上的化学处理设备对反应堆一回路中的可溶毒素进行稀释，使稀释后所释放出的反应性小于等于控制棒安全控制的最大反应性，通过稀释可溶毒物，可释放出供控制棒控制的后备反应性。

进一步地，为了更好的实现本发明，所述步骤1)中的可溶毒物为硼酸。

进一步地，为了更好的实现本发明，所述步骤3)中根据船用反应堆的寿期，稀释过程为1—10次。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

(1)本技术方案中由于燃耗导致的反应性变化控制靠固定可燃毒物、可溶可燃毒物、控制棒三种联合，而陆地反应堆中只采用固定可燃毒物与可溶毒物两种方式联合控制；可溶毒物溶度的调整时间间隔很长(约几个月至几年)，而陆地上反应堆可溶毒物的调整时间间隔非常小，通常是几小时到1天左右调节一次；可溶毒物浓度的调整是阶越式的，一次调整量为几十至上百ppm，而陆地上反应堆可溶毒物浓度基本是连续变化的。

(2)本技术方案中不需要自带固定式化容系统来处理可溶毒物稀释问题，而陆地反应堆需要固定式化容系统来处理可溶毒物稀释问题。

(3)本技术方案中可溶毒物浓度一次性大幅调整的目的是替换控制棒的反应性价值，保证后续继续使用控制棒进行反应性控制，而陆地反应堆可溶毒物溶度连续小幅度调整的反应性很小，主要用于补偿燃耗导致的反应性变化。

(4)本技术方案中可溶毒物浓度一次性大幅调整后，控制棒要重新插回至堆芯中，反应堆的性能参数包括反应性系数、功率分布等将发生巨大变化，而陆地反应堆可溶毒物溶度连续小幅度调整后，控制棒棒位不发生变化，反应堆性能参数基本不变。

(5)本技术方案中后备反应性的控制靠固定可燃毒物、可溶可燃毒物、控制棒三种联合，而传统船用反应堆中只采用固定可燃毒物与控制棒联合两种方式。

(6)本技术方案中控制棒全部提出堆芯后，反应堆可以通过进行可溶毒物稀释策略重新运行，而传统船用反应堆中控制棒全部提出堆芯后，反应堆就达到寿期末，不能够重新启动运行。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为本发明采用码头进行可溶毒物调整的控制流程图；

图2为本发明采用补给船进行可溶毒物调整的控制流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例1：

如图1、图2所示，以某船用核动力反应堆为例，具体如浮动核能发电平台，假设其换料周期为36个月。

在寿期初，核动力反应堆中装入富集度为6.0％的燃料，反应堆一回路冷却剂系统中初始溶解600ppm的硼酸，反应堆靠5组控制棒，5组控制棒命名为a、b、c、s1、s2棒组控制其余反应性，其中s1、s2棒组为安全棒组，a、b、c棒组兼做补偿棒组和功率调节棒组。

在反应堆运行过程中，通过所有控制棒组来控制反应堆的启动、停堆等，通过a、b控制棒组来控制慢化剂温度波动、氘和钐的变化以及功率变化等，同时通过a、b、c控制棒棒组来补偿燃料不断燃耗带来的后备反应性损失。

随着反应堆的运行，堆芯后备反应性不断下降，控制棒不断抽出堆芯，等到a、b控制棒组抽出至某预设高度后，为了避免堆芯后备反应性不足，不能满足反应堆能量输出需求，需要根据实际运行条件，尽快进行反应性释放。

将核动力船驶回陆上码头，并将船只在码头进行固定，将码头相关设备与反应堆一回路连接，对反应堆一回路中可溶毒物进行稀释，稀释到预计浓度时，如300ppm时，停止稀释，将码头设备与反应堆一回路断开。反应堆重新利用控制棒启动运行。

核动力船又可以驶出执行任务，等到a、b控制棒组再次抽出至某预设高度，载有相关设备的补给传开赴至核动力船附近，将补给船上的设备与核反应堆一回路连接，进行可溶毒物的稀释，稀释至预计浓度时，如10ppm时，停止稀释，将补给船设备与一回路断开，反应堆重新利用控制棒启动运行。核动力船又可以恢复执行任务，等到a、b控制棒组再次抽出至某预设高度后，表明堆芯到达寿期末时，此时，驶回码头进行换料。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。