压水堆核电机组寿期末滑功率运行浅析

肖文超

摘要：压水反应堆在寿期末可能因燃耗深度需求或电网要求而进行滑功率方式运行。滑功率运行是根据压水反应堆特性、通过缓慢降低功率的方式释放正反应性来补偿燃耗带来的负反应性以维持反应堆临界状态和功率运行。压水反应堆的滑功率运行原理不复杂，但在控制上存在一些关键点需加强关注，否则可能因反应堆参数无法满足运行技术规范要求而滑功率运行失败。

关键词：压水堆；寿期末；滑功率；

前言

压水反应堆核电机组在燃料循环末期可能因设计燃耗深度需求或电网要求而进行滑功率方式运行。压水反应堆滑功率运行简单描述就是根据压水反应堆特性，通过缓慢降低功率水平来释放正反应性补偿燃耗带来的负反应性以维持反应堆临界水平的一种运行方式。本文从压水反应堆滑功率运行原理及控制要点对这种运行方式进行解析。

压水堆核电机组功率运行时，堆芯处于临界状态，其总的反应性可如下所示：

＝ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ =0

随着燃耗的增加， 不断降低，需要通过其他方式增加正反应性，通常是通过不断调整硼浓度（ ）来保证反应性的平衡。运行至寿期末冷却剂的硼浓度已经很低，无法通过稀释方式(大的稀释量仅能带来较小的硼浓度改变，导致需处理的可复用废液大量增加)释放足够的反应性来维持反应堆的正常运行，而反应堆的换料设计对每个燃料循环的燃耗深度有要求，如果无法达到要求的燃耗则可能超出换料安全论证的范围，需开展紧急换料设计，此外未达到设计燃耗也将影响下一循环堆芯设计参数计算结果的准确性。此时就需要通过其他方式来补偿由于燃耗增加的负反应性，根据上面的反应性公式可知，理论上可以通过改变 、 、 来进行反应性补偿：提升控制棒引入正反应性可以引入正反应性以补偿燃耗的损失，但是由于满功率运行时控制棒全部位于堆芯上部，继续提升控制棒将导致上部功率增加，反应堆的轴向功率偏移(AO)将向正方向移动。由于寿期末AO本来就偏正，且接近LCO阈值，提升控制棒将导致AO可能超出运行技术规范要求的范围，因此滑功率运行通常不选择通过提棒来补偿反应性； 氙毒由于不能直接控制，所以也无法直接用于该工况下反应性补偿；降低反应堆功率可以引入正反应性来补偿燃耗的反应性损失，这也是寿期末理论和实践均可行的唯一方式。

从运行经验来看，滑功率运行控制的核心是反应性补偿的计算及控制。降功率期间，仅依靠功率亏损补偿反应性，通过功率水平可推算出每天需消耗的后备反应性，再根据功率亏损系数得出补偿燃耗需降低的电功率。滑功率运行期间的缓慢小幅度降低功率基本不考虑氙毒变化对反应性的影响。实际上，当功率变化量非常小时，氙毒的变化量也非常小，因此针对小的功率改变可以不考虑氙毒的影响。但是针对长时间的滑功率运行，因功率水平累计降低幅度较大，平衡氙毒的改变可引入的正反应性价值较大，这个是功率亏损外额外引入的正反应性，因此对于反应性平衡来说，就不需要降更多的功率。因此随着滑功率的运行，功率下降，每天燃耗引入的负反应性也相应减小，导致需要降低的功率值也对应减少。

从历年来国内压水堆滑功率运行经验来看，该工况最大的风险及控制难点是对轴向功率(AO)的控制。由于高功率平台堆芯的AO正向裕度较小，因此寿期末堆芯控制的焦点就是保证AO的正向裕度，滑功率运行期间更是尤其重要。寿期末各控制手段对AO的影响分析如下：

• 降功率：降功率使得堆芯进口温度增大，出口温度减小，导致功率的再分布效应，总的效果是使AO往正的趋势变化。

• 稀释/除硼：一方面硼浓度变化影响慢化剂温度，从而影响AO；另一方面由于硼是热中子吸收体，其中子吸收截面满足1/v律。对于堆芯而言，下部慢化剂温度低，中子能谱相对上部而言较“软”，硼的吸收截面较大，因此下部硼微分价值也较大。改变相同硼浓度时，下部反应性改变更多。因此稀释/除硼时堆芯下部引入的正反应性更多，AO超负的方向变化。

• 平衡氙毒的释放：稳态平衡氙时，功率高的地方氙浓度也大，所以平衡氙有展平AO的作用。滑功率运行时，堆芯上下部各有一个功率峰，但上部峰影响稍大。滑功率期间，功率变化非常缓慢，可认为一直处于平衡氙状态，平衡氙毒的释放对AO的影响效果不明显。

• 控制棒动作：由于控制棒在堆芯上部，上提导致AO变正，下插导致AO变负。

根据实际滑功率运行经验，针对滑功率的降功率及AO控制，总结如下：

• 为避免产生大幅度氙震荡导致AO超过正限值，需要限制每次降功率的幅度以及速率；

• 在一回路偏冷时选择降功率。由于AO在周期性振荡，为避免产生叠加效应，应尽量选择在AO往负方向振荡时降功率；如果AO在往正方向振荡，可以采用先插入一步控制棒让AO变负同时让堆芯平均温度变负，再降功率的方式；

• 当AO离正限值很近时，需采取插棒的方式减小AO。但如果此时堆芯偏冷，则需先除硼释放正反应性使一回路偏热再进行插棒，否则控制棒插入后仍会重新提回来。

压水堆寿期末的滑功率运行期间还有两个比较重要的关注点：一是径向功率不平衡问题。寿期末由于慢化剂温度系数负的很多，如果堆芯出现热工水力的轻微不稳定，就可能带来径向反应性的局部变化，从而引起四个象限的核功率不一致，波动较大时可能超出运行技术规范要求的限值。滑功率运行期间必须保持始终处于或者接近氙平衡的状态，避免因单次降功率幅度过大或者其他扰动导致堆芯氙毒扰动。二是长期低功率运行期间对控制棒的要求。压水堆为保证燃料包壳的安全裕度，在运行技术规范中有专门对长期低功率运行(ELPO)期间的控制棒位置要求。因此在滑功率运行控制中，当功率水平已降低至ELPO区间后，对控制棒的操作应时刻保持满足运行技术规范的要求。 作者简介：肖文超，男，1985-，工程师，现从事核电厂运行控制工作。