一种获取安全裕量的方法与流程

1.本发明涉及一种获取安全裕量的方法。


背景技术：

2.华龙一号是我国自主研发的三代压水堆核电机组，它承担我国核电走出的战略重任。为了增加华龙一号竞争力，进一步提高华龙一号的经济性，将堆芯功率从3050mwth提升到3180mwth，平衡循环的循环长度从475efpd提高到495efpd，首循环的循环长度提高了106efpd；为了减少高放射性固体废物及减少硼玻璃可燃毒物的采购成本，将载钆棒来替代硼玻璃棒可燃毒物。
3.目前国内外压水堆普遍采用以下几种方法获取安全裕量：方法一：通过增加反应堆冷却剂流量来获取安全裕量，这种方法对反应堆本体系统和反应堆一回路系统提出更高的要求，增加设备制造成本；方法二：通过降低反应堆冷却剂平均温度来获取安全裕量，这种方法导致二回路汽机效率降低，较大的牺牲汽机出力效率；方法三：增加安全系统的容量配置，这种方法增加了安全系统的配置成本。总之，以上方法都是为了获取安全裕量而牺牲核电厂的经济性。


技术实现要素：

4.为解决现有技术中存在的以牺牲核电厂的经济性来获取安全裕量的技术问题，本发明实施例提供一种获取安全裕量的方法。
5.本发明实施例通过下述技术方案实现：
6.第一方面，本发明实施例提供一种获取安全裕量的方法，包括：
7.通过调整压水堆控制棒组配置以获取安全裕量。
8.进一步的，所述通过调整压水堆控制棒组配置以获取安全裕量，包括：
9.调整功率补偿棒组的配置以获取安全裕量。
10.进一步的，所述通过调整压水堆控制棒组配置以获取安全裕量，包括：
11.调整温度调节棒组的配置以获取安全裕量。
12.进一步的，所述通过调整压水堆控制棒组配置以获取安全裕量，包括：
13.调整停堆棒组配置以获取安全裕量。
14.进一步的，所述调整功率补偿棒组的配置以获取安全裕量，包括：
15.以堆芯轴向功率偏移δi和堆芯轴向功率峰因子fz为指标，调整功率补偿棒组配置以获取安全裕量。
16.进一步的，调整后的功率补偿棒组满足寿期初到85％eol的负荷跟踪模拟。
17.进一步的，调整后的功率补偿棒组的灰棒束中吸收体棒的数量为8-12根；功率补偿棒组的重叠步为100-90-90。
18.进一步的，所述调整温度调节棒组的配置以获取安全裕量；包括：
19.调整后的温度调节棒组在满功率水平下的插入限为46插入步，0％fp为28插入步。
20.进一步的，调整配置后的功率补偿棒组和调整配置后的温度调节棒组均满足loca限值线要求。
21.进一步的，所述调整停堆棒组配置以获取安全裕量；包括：
22.采用停堆裕量限值和/或ari-sabcd参数调整停堆棒组配置以获取安全裕量。
23.本发明实施例与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
24.本发明实施例的一种获取安全裕量的方法，通过调整压水堆控制棒组配置以获取安全裕量，避免了现有技术通过增加反应堆冷却剂流量来获取安全裕量、通过降低反应堆冷却剂平均温度来获取安全裕量和增加安全系统的容量配置等牺牲核电厂的经济性来获取安全裕量的缺陷。
附图说明
25.为了更清楚地说明本发明示例性实施方式的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
26.图1为δi随功率水平的变化图。
27.图2为fz随功率水平的变化图。
28.图3为不同插棒下堆芯fδh随燃耗的变化图。
29.图4a为85％eol负荷跟踪过程δi随时间的变化图。
30.图4b为85％eol负荷跟踪过程fz随时间的变化图。
31.图5为δi随r棒组位置的变化图。
32.图6为loca限值线验证图。
33.附图中标记及对应的零部件名称：
34.1-100-90-90重叠步；2-90-90-90重叠步；3-90-90-90重叠步；4-100-90-90重叠步；5-8根吸收体棒方案；6-12根吸收体棒方案；7-loca限值。
具体实施方式
35.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。
36.在以下描述中，为了提供对本发明的透彻理解阐述了大量特定细节。然而，对于本领域普通技术人员显而易见的是：不必采用这些特定细节来实行本发明。在其他实施例中，为了避免混淆本发明，未具体描述公知的结构、电路、材料或方法。
37.在整个说明书中，对“一个实施例”、“实施例”、“一个示例”或“示例”的提及意味着：结合该实施例或示例描述的特定特征、结构或特性被包含在本发明至少一个实施例中。因此，在整个说明书的各个地方出现的短语“一个实施例”、“实施例”、“一个示例”或“示例”不一定都指同一实施例或示例。此外，可以以任何适当的组合和、或子组合将特定的特征、结构或特性组合在一个或多个实施例或示例中。此外，本领域普通技术人员应当理解，在此提供的示图都是为了说明的目的，并且示图不一定是按比例绘制的。这里使用的术语“和/
或”包括一个或多个相关列出的项目的任何和所有组合。
38.在本发明的描述中，术语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”、“下”、“竖直”、“水平”、“高”、“低”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。
39.实施例
40.现有技术为了获取安全裕量均需要牺牲核电厂的经济性，为解决现有技术中存在的以牺牲核电厂的经济性来获取安全裕量的技术问题，本发明实施例提供一种获取安全裕量的方法。包括：通过调整压水堆控制棒组配置以获取安全裕量。
41.从而，本发明实施例通过调整压水堆控制棒组配置以获取安全裕量，避免了现有技术通过增加反应堆冷却剂流量来获取安全裕量、通过降低反应堆冷却剂平均温度来获取安全裕量和增加安全系统的容量配置等牺牲核电厂的经济性来获取安全裕量的缺陷。
42.通过调整压水堆控制棒组配置以获取安全裕量。
43.可选地，通过以下几个方面的考察来实现：功率补偿棒组配置、温度调节棒组配置和停堆棒组配置。功率补偿棒组配置考察包括：
①
灰棒束中吸收体棒的数量与布置；
②
功率补偿棒组重叠步。温度调节棒组(r棒组)配置考察包括：
①
r棒组控制堆芯轴向功率偏移(δi)的能力；
②
r棒组随功率水平变化的插入限。loca限值线的验证。停堆棒组配置考察包括：
①
停堆裕量；
②
冷、热停堆工况下的停堆棒态配置。
44.可选地，所述通过调整压水堆控制棒组配置以获取安全裕量，包括：
45.调整功率补偿棒组的配置以获取安全裕量。
46.进一步的，所述调整功率补偿棒组的配置以获取安全裕量，包括：以堆芯轴向功率偏移δi和堆芯轴向功率峰因子fz为指标，调整功率补偿棒组配置以获取安全裕量。
[0047]“华龙一号”运行方式mode g主要通过灰棒组(g1，g2棒组)和部分黑棒组(n1，n2)对功率变化引起的反应性进行补偿，通过功率补偿棒组将堆芯功率维持在要求的功率水平上，但是功率补偿棒组的插入会导致堆芯扰动，堆芯扰动对堆芯安全造成一定的影响。功率补偿棒组对堆芯安全的影响主要通过堆芯轴向功率偏移(δi)和堆芯轴向功率峰因子(fz)等指标来衡量。
[0048]
根据我国压水堆核电机组设计经验及运行反馈，“华龙一号”灰棒束中吸收体棒的材料定为银-铟-镉，其他材料为不锈钢，黑棒束采用24根银-铟-镉棒。由于燃料组件中可以用于插入控制棒的24个导向管位置是固定的，且黑棒束是采用24根银-铟-镉棒，因此只有灰棒束中吸收体棒的数量和布置是变化的。灰棒束吸收体棒的数量和布置可能会对其控制能力产生一定的影响，因此需要对灰棒束中吸收体棒的数量和布置进行研究。
[0049]
由于灰棒束对停堆裕量的贡献相对于停堆棒组来说是较小的，在此先不考虑灰棒束对停堆裕量的贡献。灰棒束的设计主要基于其控制能力和对堆芯安全的影响。首先，研究灰棒组中吸收体棒(银-铟-镉棒)数量配置。采用一维堆芯计算软件进行在寿期初和寿期末进行不同功率水平下运行模拟计算，从而得知：灰棒束中不同吸收体棒数量在寿期初和寿期末处δi随功率水平的变化，参考图1所示；灰棒束中不同吸收体棒数量在寿期初和寿期末处fz随功率水平的变化，参考图2所示。
[0050]
根据图1和图2可以得到以下结果：
①
灰棒束中吸收体棒的增加使得堆芯δi随水
平变化“变陡”，其将对负荷跟踪过程中δi控制能力提出更高的要求，特别是在循环寿期末，增加负荷跟踪过程中δi失控的风险；
②
在低功率运行下，控制棒插入较深，灰棒束中较多的吸收体棒(即灰棒价值较大)将导致堆芯δi较大程度向负方向偏移，从而增大了轴向功率分布因子fz。因此排除16根吸收体棒方案和20根吸收体棒体方案。在轴向功率分布峰因子fz大小相当的情况下(即，4根吸收体棒方案与8根吸收体棒方案、12根吸收体棒方案在fz控制方面是相当的)，应从控制能力方面来选择方案，选择灰棒束中较多吸收体棒的方案有利于提高核电厂运行控制能力。因此，通过此研究，现选择灰棒束中有8和12根吸收体棒方案作为后续的研究对象。
[0051]
其次研究灰棒束吸收体棒的几何布置。由于吸收体棒的几何布置是指在径向上的布置，只需研究它对核焓升因子(fδh)的影响。现以灰棒束中有12根银-铟-镉吸收体棒为基准研究灰棒束吸收体棒的所有几何布置(共7个方案)对fδh的影响。采用三维堆芯计算软件计算g1棒组和g1g2棒组插入堆芯底部工况下fδh随燃耗的变化，参考图3所示。由图3可知：灰棒束吸收体棒的几何布置对fδh的影响很小，可以忽略不计。
[0052]
因此，经过本节的研究得知：继续选择灰棒束中有8和12根吸收体棒方案作为后续的研究对象，其几何布置可以任选一种。从灰棒束中吸收体棒数量和几何布置的角度选择既有较强的堆芯功率控制能力又较好的控制轴向功率峰因子(fz)的方案，它为堆芯获取较大安全裕量打下良好的基础。
[0053]
进一步的，调整后的功率补偿棒组满足寿期初到85％eol的负荷跟踪模拟，调整后的功率补偿棒组的灰棒束中吸收体棒的数量为8-12根；功率补偿棒组的重叠步为100-90-90。
[0054]
为了对堆芯反应性和轴向功率分布进行有效控制，在各种功率水平下功率补偿棒组的移动对堆芯轴向功率分布的影响要尽量小，故需要对控制棒组之间的重叠步数进行优化设置。
[0055]
现以灰棒束中有8和12根吸收体棒两种方案作为研究基准，分别对每种方案重叠步为70-70-70(即，g1和g2棒组的重叠步为70、g2和n1棒组的重叠步为70、n1和n2棒组的重叠步为70)、80-80-80、90-90-90、100-100-100四种重叠步设置方案进行研究。采用smart程序进行分别对每一重叠步方案进行寿期初到85％eol的负荷跟踪模拟计算，从计算结果得知：重叠步设置为70-70-70、80-80-80、100-100-100无法进行负荷跟踪到85％eol，无法满足这项总体设计要求。因此，在灰棒束中有12根吸收体棒研究基准中只有功率补偿棒组重叠步设置为90-90-90的方案是有效方案。
[0056]
由于在堆芯顶部及堆芯底部堆芯中子通量较少和灰棒组g1和g2控制棒组价值较小，为了避免控制棒以一定次序连续插入堆芯时反应性和轴向功率偏移出现较大的扰动，需要在功率补偿棒组重叠步设置为90-90-90的方案上进一步研究灰棒组g1和g2控制棒组间的重叠步。相对于其他堆芯燃耗，接近寿期末负荷跟踪的堆芯扰动更大，原因是：
①
在升降功率时，堆芯入口温度变化很小，堆芯出口温度变化较大，因而堆芯上部的反应性变化比堆芯下部大。功率降低导致堆芯慢化剂温度降低，相比堆芯下部，上部慢化剂温度变化较大，因此堆芯上部释放更多反应性，堆芯上部功率份额上升，δi趋正，当堆芯功率升高时，δi变化趋势相反。
②
随着堆芯燃耗增加，可溶硼浓度的下降导致慢化剂反馈增大，升降功率时因慢化剂温度导致δi变化必然增大。因此，只需要研究85％eol处灰棒组g1和g2控制
棒组间的重叠步。
[0057]
采用一维堆芯计算软件在85％eol进行负荷跟踪模拟计算，两个计算输入唯一区别是g1、g2之间的重叠步分别为100和90，计算结果参考图4a和图4b所示。参考图4a中100-90-90重叠步1和90-90-90重叠步2；参考图4b中90-90-90重叠步3和100-90-90重叠步4。
[0058]
由图4a和图4b得知：g1和g2棒组之间重叠步设置为100步的计算结果优于90步，δi波动范围较小且fz也较小。因此，在灰棒束中有12根吸收体棒研究基准中重叠步设定为100-90-90。采用相同方法，在灰棒束中有8根吸收体棒研究基准中重叠步也设定为100-90-90。
[0059]
通过功率补偿棒组的重叠步设置研究，有效地缓解了负荷跟踪过程的堆芯功率分布畸变，确保能满足负荷跟踪到85％eol的总体要求。由于负荷跟踪的堆芯功率分布也是安全分析的基础，有效缓解堆芯功率分布畸变也有利于安全分析的裕量。
[0060]
进一步的，所述通过调整压水堆控制棒组配置以获取安全裕量，包括：
[0061]
调整温度调节棒组的配置以获取安全裕量。
[0062]
华龙一号采用mode g运行模式，其温度调节棒(r棒组)用于调节堆芯平均温度，补偿反应性的细微变化和控制轴向功率偏移(δi)。当r棒组用于控制轴向偏移(δi)时，需要确保r棒组移动方向与δi成单调函数，即：r棒组提升(或下插)会使堆芯功率偏向堆芯顶部(或堆芯底部)。采用三维堆芯计算软件计算不同功率水平下r棒组移动方向与δi的关系，参考图5所示，它们成单调函数关系。因此，r棒组具备控制堆芯轴向偏移的能力，这项能力确保堆芯在正常工况时位于运行图范围内。
[0063]
进一步的，所述通过调整压水堆控制棒组配置以获取安全裕量，包括：
[0064]
调整停堆棒组配置以获取安全裕量。
[0065]
进一步的，所述调整温度调节棒组的配置以获取安全裕量；包括：
[0066]
调整后的温度调节棒组在满功率水平下的插入限为46插入步，0％fp为28插入步。
[0067]
在华龙一号mode g运行模式中，r棒组设置了咬量位置和插入限位置。r棒组为了确保温度调节棒组r具有足够的反应性引入能力，以满足补偿堆芯反应性扰动的要求，具有2.5pcm/步的微分价值。堆芯运行中还要限制棒组r的最大插入深度，以满足下述要求：
[0068]
停堆裕量要求；
[0069]
弹棒事故安全准则；
[0070]
核焓升因子fδh《1.63[1+0.3(1-pr)]
ꢀꢀꢀꢀ
(0≤pr≤1)
[0071]
fδh≤1.63
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(pr＞1)
[0072]
采用三维堆芯计算软件计算r棒组的咬量位置，从而初步确定r棒组在满功率(hfp)下插入限范围为46-51插入步。经分析得知：对于停堆裕量和核焓升因子要求，46-51插入步范围内都能得到满足。根据以往的设计经验，弹棒事故分析的安全裕量十分紧张，由于华龙一号的功率提升、循环长度增加、首循环含钆会牺牲一定的安全裕量，这可能导致后续的弹棒事故分析无法满足准则要求,因此在设置插入限时尽可能的为弹棒事故分析留下安全裕量。
[0073]
采用三维堆芯计算软件分别对插入限为46步和51步计算弹棒事故分析所需的关键安全参数计算，由计算结果得知：将插入限46插入步相对于51插入步，首循环寿期末满功率水平下弹棒价值由减少约20％，fq减少约10％，这为弹棒事故分析争取了较大的安全裕
量。因此华龙一号的r棒组在满功率水平下的插入限设定为46插入步，0％fp设定为28插入步。
[0074]
进一步的，调整配置后的功率补偿棒组和调整配置后的温度调节棒组均满足loca限值线要求。
[0075]
堆芯局部功率密度是与最大运行功率下总功率峰因子fqt相关的。在正常工况运行，必须保持fqt在loca包络线限值范围之内。
[0076]
用于验证loca限值和燃料熔化限值的线功率密度随堆芯高度变化的包络线是通过下式确定的：
[0077]qt
(z)＝max[p(x,y,z)]
×fi
[0078]
式中：
[0079]
p(x,y,z)是由程序计算得到的堆芯在i类工况下的三维线功率密度；
[0080]fi
为计算最终包络线时所考虑的不确定性；
[0081]
正常工况的分析考虑了负荷跟踪和快速频率控制。正常工况的分析包括整个循环范围即循环初、中、末，还要求包括基负荷运行和负荷跟踪各种瞬态功率分布。
[0082]
现以灰棒束中有8和12根吸收体棒两种方案作为研究基准，这两种方案的功率补偿棒组重叠步均设置为100-90-90，r棒组的插入限为hfp下46插入步、0％fp下28提出步。采用smart程序进行正常工况模拟，得到所有一类工况下不同堆芯轴向高度的最大fqt包络值，最后与loca限值线进行比较，参考图6所示。
[0083]
对比8根吸收体棒方案5、12根吸收体棒方案6和loca限值7，由图6得知：灰棒束中12根吸收体棒方案和灰棒束中8根吸收体棒方案都满足loca限值线的要求，同时也证明了这两种方案的功率补偿棒组和r棒组的配置是合理的。
[0084]
根据以往设计经验，loca限值线验证的裕量十分紧张，经常出现超出限值要求的情况，处理这个超限的方法通常为缩小运行图、重新优化堆芯装载，而缩小运行图导致运行的灵活性受到限制、重新优化堆芯装载需要一个长时间的迭代，无论如何都会付出一定的代价。为了给后续设计多留裕量，华龙一号选择灰棒束中12根吸收体棒方案作为设计方案，因为这个方案能多获得1.6％的裕量。
[0085]
进一步的，所述调整停堆棒组配置以获取安全裕量；包括：
[0086]
采用停堆裕量限值和/或ari-sabcd参数调整停堆棒组配置以获取安全裕量。
[0087]
停堆棒组的功能是确保反应堆停堆所必需的负反应性。当发生主蒸汽管道断裂事故(slb)或硼稀释事故时，堆芯中将引入正的反应性。为了防止反应堆在停堆后重返临界，需要反应堆具有足够的停堆裕量。根据设计经验，主蒸汽管道断裂事故的安全裕量十分紧张，有必要在本阶段尽可能的留裕量。后续的主蒸汽管道断裂事故采用停堆裕量限值2300pcm(即，堆芯功率为3050mwth华龙一号的停堆裕量限值为2300pcm)进行分析，无法满足其准则要求，然后采用停堆裕量限值2800pcm进行slb分析方能满足其准则要求。这也证明了在此留足停堆裕量是很有必要的。
[0088]
停堆棒组的设置还考虑以下几个方面：
[0089]
反应堆控制模式进一步优化的扩展空间；
[0090]
为进一步优化燃料管理提供支持(24个月换料)；
[0091]
为备用燃料组件利用提供支持。
[0092]
采用三维堆芯计算软件计算了华龙一号各循环的停堆裕量，由计算得知，华龙一号的控制棒配置满足停堆裕量的要求。这证明从停堆裕量的角度来看，不仅功率补偿棒组、温度调节棒组是合理的，停堆棒组的配置也是合理的。
[0093]
冷、热停堆工况下的停堆棒态配置在运行技术规范中规定：部分或全部停堆棒组提出堆芯，冷却剂中硼浓度与这些停堆棒组提出堆芯时要求的最小次临界度对应。在某些事故过程中共触发停堆信号，保持在堆芯外的停堆棒组立即落入堆芯，防止堆芯重返临界。冷、热停堆工况下的停堆棒态配置会影响影响的事故包括：硼稀释事故、次临界提棒组事故。
[0094]
经分析得知，硼稀释事故采用五种冷、热停堆工况的停堆棒态配置下进行分析，其结果均能满足其事故分析准则。根据以往设计经验，次临界提棒组事故的安全裕量十分紧张。因此，通过研究冷、热停堆工况下的停堆棒态配置为次临界提棒组事故的安全裕量选择最优的方案。
[0095]
由分析结果得知：除blx提棒最大反应性引入速率外，其余关键参数均出于ari-sabcd(除停堆棒组sa、sb、sc、sd在堆芯外，其余所有控制棒组插入堆芯底部)。虽然blx提棒最大反应性引入速率最优值67pcm/s(来自ari-sacd)略小于76pcm/s(来自ari-sabcd)，但从次临界事故分析的角度来看，ari-sabcd仍是最优的方案。因此，华龙一号冷、热停堆工况下的停堆棒态配置选择ari-sabcd方案为次临界提棒组事故分析留足裕量。
[0096]
本发明实施例针对国内外为了满足核电厂安全裕量要求而牺牲核电厂经济性的现象，发明一种既不牺牲核电厂经济性又能获得一定安全裕量的新设计方法。首次从压水堆控制棒组配置角度获取一定的安全裕量，大大减少华龙一号由于堆芯功率能力分析和反应性事故分析超限造成的多次迭代，同时避免了由于安全裕量不足造成系统设备容量增加产生的额外成本。本发明实施例已经应用于漳州核电工程，确保了漳州华龙一号在提升功率的同时满足相应的安全裕量。
[0097]
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。