WWER-1000核电机组长周期换料寿期末偏环路运行反应性控制分析

毛志敏

摘　要：

WWER-1000核反应堆运行过程中，随着运行寿期的增加，轴向氙振荡趋于发散，且受寿期末功率分布不均匀系数最小裕量、线功率密度最小裕量不断降低等因素影响，反应性在寿期末较寿期初变得不易控制。同时，若此时叠加一回路偏环运行工况，引入的径向氙振荡和局部温度不均匀将带来反应性扰动，将使发应堆反应性控制变得更加复杂，给反应堆的安全运行带来不利影响。本文通过研究反应堆寿期末偏环路运行工况下的反应性控制特性，结合实际运行经验，总结出了寿期末反应堆反应性控制的特点，同时给出了寿期末反应堆反应性控制的建议方案。

关键词：WWER；寿期末；偏环路运行；反应性控制。

Abstract：

During the operation of the WWER-1000 nuclear reactor, the axial xenon oscillations tend to perge with the increase of the operation lifetime, and the reactivity becomes more difficult to control at the end of the life period than at the beginning of the life period due to the influence of factors such as the minimum margin of non-uniformity coefficient of power distribution at the end of the life period and the continuous decrease of the minimum margin of linear power density. If at the same time, the superposition of primary circuit partial ring operation condition, the introduction of radial xenon oscillations and uneven local temperature will bring reactivity disturbance, will make the hair reactor reactivity control become more complex, detrimental to the safe operation of the reactor. this paper studies the life of the final partial loop reactor operating condition of reactive control features, combined with the actual operation experience, The characteristics of reactor reactivity control at the end of life are summarized, and the proposed scheme of reactor reactivity control at the end of life is given.

Keywords：Life of the final; Off-loop operation; Control of reactivity.

1WWER-1000机组及相关堆芯物理参数简介

WWER-1000机组一回路分为四个环路，每个环路有一台主冷却剂泵，一台蒸汽发生器，机组功率运行时四个环路全部投入运行导出堆芯热量，传递给二回路产生驱动汽轮发电机的饱和蒸汽，一回路的压力则是通过稳压器来维持，如图1。

图1 一回路系统设备简图

1.1燃料元件线功率密度QL（后文统称QL）：由堆芯内周围最近的4个中子温度测量通道计算的线功率密度值通过加权平均来确定。

1.2反应堆轴向功率分布偏差AO（后文统称AO）：

机组核反应堆运行过程中，其核功率的径向和轴向分布都是不均匀的，尤以轴向功率分布偏差为大[1]。AO是一个描述反应堆功率分布不均匀性的参数。AO的表达式为

其中: P上、P下－分别为堆芯上、下部功率值。

1.3反应堆功率分布不均匀系数Kv最小裕量（后文统称Kv裕量）：从表1中可以看出Kv裕量位置随堆芯燃耗的增加逐渐向堆芯上部移动，且逐渐减小：

其中：i：堆芯层高度号（i＝1,2,……16）；

j：燃料组件号（j＝1,2,……163）；

Kv允许(i,j)：反应堆正常功率运行时Kv(i,j)所允许的值；

Kv限值(i,j)：反应堆正常功率运行时Kv(i,j)的最大值；

N：反应堆当前功率；

Nr：反应堆允许功率。

Kv裕量变化的分析：

AO的影响：如果保持功率N不变，则Kv限值(i,j)不变，而AO下降将导致上部Kv裕量处的Kv(i,j)当前值变小，可以提高Kv裕量；

降低功率N的影响：

功率降低一方面使N/Nr下降，Kv限值(i,j)提高，Kv裕量变大；另一方面功率下降AO向上，上部功率相对变大，导致Kv(i,j)当前值变大，Kv裕量变小，总的来说Kv限值(i,j)提高的幅度大于Kv(i,j)当前值的变大，因此降低功率会使Kv裕量增加。

表1 Kv裕量随堆芯燃耗的变化

2长周期换料寿期末偏环路运行的风险

为提高机组能力因子和电站经济效益，满足群堆管理模式下灵活的大修时间安排等需求，业内WWER-1000机组基本已从12个月的换料周期过渡至18个月的换料周期，但对堆芯的反应性运行控制提出了更高的要求。例如，寿期末较低的Kv裕量、难以抑制的功率峰、振荡发散的轴向功率偏移（AO），再叠加偏环路运行时轴向和径向氙振荡加剧，导致反应堆堆芯局部反应性不平衡，加剧了堆芯Kv裕量，QL线功率密度等堆芯物理参数超限的风险，甚至可能出现停堆保护动作或燃料损坏等严重后果。对比M310堆型，当其反应堆功率大于30%Nnom出现偏环路运行时，将直接停堆，可以看出寿期末偏环路运行工况风险极大。

3WWER-1000机组寿期末偏环路运行堆芯反应性控制案例分析

当机组出现瞬态事故导致某一环路主冷却剂泵停运，而反应堆仍处于功率运行即出现偏环路运行工况，此时通过堆芯的冷却剂流量快速降低，为了保证堆芯安全，加速预保护系统（APP）动作（即堆芯第六组控制棒中后六束控制棒落入堆芯，后文统称APP动作），迅速降低反应堆功率，同时二回路触发快速甩负荷信号，汽轮发电机组以25MW/s的速度快速降低电功率至550MW，使一、二回路功率匹配。

根据堆芯物理特性，寿期末反应堆功率峰和氙峰都处于堆芯上半部，堆芯功率分步呈马鞍形分布，堆芯上半部功率峰由燃料的正反应性产生，堆芯下半部的功率峰由负的慢化剂温度效应产生，一台主冷却剂泵停运，触发APP保护动作，APP棒掉落导致堆功率快速下降，造成了较大的轴向氙振荡，功率降低造成AO非常高，功率峰大幅上移；同时由于主冷却剂泵停运偏环路运行，造成径向氙振荡，在轴向氙震荡幅度加大的同时叠加径向氙振荡，将造成QL和Kv裕量超限，以下通过实际的案例，分析整个过程之中的反应性控制，可以分为以下五个阶段，如图2。

图2 反应性控制案例分析思维导图

3.1瞬态响应阶段

APP动作后因棒组下插导致堆芯功率降低，由于Kv限值的增大会使Kv裕量迅速增大。随后受氙毒积累和慢化剂温度升高引入的负反应性第十组控制棒为维持功率定值而逐步提升的影响，导致AO快速上移，Kv裕量随之减小为负值，导致Kv裕量超限。

加上因主冷却剂泵停运，反应堆内冷却剂偏流，将导致堆芯局部区域引入较大正反应性，线功率密度超限触发第一类预保护（PP1）动作(即第十组控制棒以2cm/s持续下插直至保护信号消失)，AO下移，Kv裕量上升但仍为负数，为控制堆芯Kv裕量，手动下插第十组控制棒将Kv裕量逐步恢复。

瞬态响应过程分析：

反应堆功率超限导致第一类预保护（PP1）动作：

主冷却剂泵停运导致第一类预保护允许功率定值变为67%Nnom，因二回路旁排开启使一回路温度降低引入正反应性的影响（主要取决于二回路调节器的甩负荷特性，如果二回路甩负荷较快主蒸汽集管压力上涨则汽轮机旁排阀门会开启以维持二回路压力）以及当APP棒组下落至堆底后，APP棒组所在位置燃料裂变快速下降，压力容器向外泄漏的中子快速减少，堆外核测系统测得的核功率快速下降，随后由于反应堆内中子径向再分布影响（堆芯外围燃料功率升高），中子泄漏增加，堆外核测系统测得的核功率快速升高，导致核功率上涨超过允许值67%+2%Nnom触发第一类预保护（PP1）动作。

第十组控制棒上提导致线功率密度QL超限

当第十组控制棒提升至堆顶后，线功率密度裕量最小值瞬间出现负值。通过观察超限组件位置的线功率密度实际值，当第十组控制棒上提至堆顶后出现明显的大幅上涨现象，可以判断是第十组控制棒上提导致组件功率升高而导致Kv裕量小于0，并接近了停堆限值。因此第十组控制棒上提对堆芯的反应性控制是不利的，由于本身寿期末上部功率峰就较大，提棒会使AO加速上移，同时引入正反应性，此时需要增加闭锁提棒功能或者短时切除反应堆功率自动控制器手动提升APP棒组至堆芯一定高度，同时以最大流量进行注清水补偿负反应性，另外考虑后续是要启动主冷却剂泵的功率可以缓慢下滑至30%Nnom。

3.2提升APP棒组阶段

WWER-1000技术规格书要求APP棒组落入堆芯后要在3h内提至上限位，瞬态过程结束后通过注硼及下插第十组棒的方式提升APP棒组，APP棒组离开堆芯底部时，AO下移。APP离开堆底的一段时间（70%以前）内，堆芯下部功率逐步增大，因此AO逐渐向下发展，此时Kv最小裕量逐渐增大。随后AO开始逐步上移，Kv最小裕量由增大开始减小。

提升APP棒组过程分析：

WWER-1000技术规格书对APP棒组有提出时间要求，同时提升APP棒组有助于补偿氙毒积累引入的负反应性，因此可在瞬态结束后进行提升APP棒组的操作，在棒位较低时提升APP棒组释放了堆芯下半部的功率对AO是有利的，当APP棒组提升至堆芯较高位置时此时需要一方面减慢提升APP棒组的速度，另一方面可根据AO的变化趋势下插第十组或者第九组控制棒压制功率峰往上移动，同时监视Kv裕量为正值。

3.3降功率启动主冷却剂泵阶段

通过注硼降低反应堆功率，由于寿期末堆芯上部功率本来就高，叠加提APP棒组引入的扰动，导致AO明显上移，再叠加偏环运行，引起堆芯功率分布不均匀，使得堆芯上部Kv最小裕量超限。

下插第十组控制控制棒控制Kv，由于第十组棒位已经较低（70%），且降功率也会导致AO向上偏移（不考虑插棒影响），继续下插第十组棒对控制Kv效果不明显。停止下插第十组控制棒，改用下插第九组控制棒来控制Kv，从实际控制效果来看，当第九组棒下插至97%之后，对Kv控制效果明显变好。

后续为了维持机组电功率，手动提升第十组控制棒，同时为了保证Kv不超限，手动下插第九组控制棒。

降功率到启动主冷却剂泵过程分析：

降功率会导致功率峰上移，因此采用注硼降功率将会导致AO加速的上移，因此在AO本身已经在高位时，宜采用控制棒下插的方式降低功率，抑制AO的上移。

另外控制棒移动对AO的影响跟棒位和功率峰位置是有关系的，当控制棒端部在功率峰的上部下插控制棒对AO上移有压制作用，当控制棒端部处于功率峰的下部，则下插控制棒会使下部功率降低，相对应的就相当于是促进AO上移了，因此当发现第十组控制棒对AO的控制不起作用时，及时选用处于堆芯顶部的其他控制棒对功率峰进行压制。

3.4启动主冷却剂泵并升功率阶段

启动停运的主冷却剂泵后，Kv裕量上升，由于主冷却剂泵启动引入正反应性使得第九组及第十组控制棒下插，两个相结合使得Kv裕量进一步增大。主冷却剂泵启动后，为了快速将机组电功率升至稳定值以上，通过自动功率控制系统提升反应堆功率，第九组控制棒自动上提，第十组保持不动，导致Kv裕量快速下降。操纵员发现该现象后，立即通过下插第九组控制棒的方法控制Kv裕量，通过手动提升第十组棒、向一回路注清水保证机组功率。随后继续升功率过程中，AO确实在向下发展，但Kv裕量仍在0附近波动，且不时需要继续下插第九组控制棒以提高Kv裕量。当功率升至56.17%Nnom时第九组控制棒棒位为84.44%。

启动主冷却剂泵并升功率过程分析：

起到压制功率峰的控制棒不能上提，否则会使AO快速上移。另外，升功率使AO往下移动，减小了Kv(i,j)当前值，但同时也减小了Kv限值(i,j)，因此当AO处于平滑向下阶段时，升功率并不能起到提高Kv裕量的作用。

3.5降功率恢复控制棒棒位阶段

升功率并未能如预期扩大Kv裕量，第九组控制棒棒位已降至84.44%，而技术规格书要求12小时内第九组控制棒必须提升至上限位，否则需要将机组后撤，根据Kv裕量表达式可以得出，等待AO下降是其中的一种方法，但此时AO在正弦曲线平滑向下趋势中较为平滑的阶段，如果靠保持功率不变，等待AO下降的方法，由于第九组棒棒位已经较低，需要上提的时间较长，预计无法按时将第九组棒提到堆顶。

因此采用降功率提高Kv裕量的方法，尽快恢复第九组棒位。同时考虑最严重的情况下将反应堆功率降至30%以下，退出技术规格书对Kv的要求后将第九组控制棒提到堆顶，满足技术规格书要求，避免机组后撤，功率下降后，Kv裕量逐渐变大并开始缓慢提升第九组控制棒，最终在功率降至为32.77%时，第九组控制棒至上限位，控制棒棒位恢复正常。

第九组控制棒至上限位后Kv裕量仍偏低，分析判断是轴向氙振荡与径向氙振荡叠加所致。采取单棒模式抑制径向氙振荡，抑制径向氙振荡，以提高Kv裕量，随着AO快速下降以及Kv裕量逐渐增加，恢复第十组控制棒棒位并逐步提升功率，恢复至正常运行状况。

降功率恢复控制棒棒位阶段分析

降低功率对提高Kv裕量有明显的作用，随着AO向下，功率峰的下移，第十组控制棒也能恢复抑制AO的作用，可以开始间断下插第十组控制棒，以达到加速控制AO和Kv裕量的目的，但此过程需要时刻关注第十组控制棒的下插应能起到对AO的抑制作用，一旦发现下插后AO不降反升时需立刻停止下插。

4WWER-1000寿期末偏环路运行堆芯反应性的建议控制方案

5.1 监视APP棒组落入堆芯，反应堆降低至67%Nnom以下，关注AO的上移情况；

5.2 监视Kv裕量，QL线功率密度的数值，关注其是否超限，短时切除APC，通过手提APP棒组方式防止第十组控制棒快速上移，如果补偿不了则监视功率缓慢下降，同时注清水补偿负反应性；

5.3 按照技术规格书提升APP棒组，由于寿期末硼的价值很大，因此提APP棒时尽量不要注硼，依靠氙毒积累或者下插控制棒上提，并且提棒时间不要太快，控制在3小时内提完即可，提APP棒分两种情况：

如果APP棒组能够根据反应堆功率自动控制器的命令上提则监视APP棒组的提升对Kv裕量的影响，当APP棒组提升使AO加速往正方向移动，则手动下插第十组或者第九组控制棒，优先采用第十组控制棒下插压制功率峰，当第十组控制棒在功率峰以下较低位置时不具备压制功率峰的作用时，则需要将第九组控制棒下插压制功率峰，使AO不再加速向上移动或者向下移动；

如果APP棒组不能自动上提，建议先提升APP棒组至堆芯半高度附近，以释放堆芯下半部功率，使AO往堆芯下部移动，同时引入正反应性可以补偿部分氙毒的负反应性，后续再根据AO下降趋势，Kv裕量的增加量逐步提升APP棒组。

5.4 在提APP棒组期间由于寿期末大幅度的降低功率引入的氙毒负反应性较大，因此提升APP棒组能补偿氙毒引入的负反应性，监视反应堆功率的变化，要维持压制功率峰的控制棒不向上提。

5.5 利用氙毒的负反应性同时下插控制棒的方式，将反应堆功率降低至30%Nnom以下，在降功率过程中持续关注AO的变化趋势，如果出现快速上升的趋势及时下插处于功率峰上部的第十组或者第九组控制棒压制功率峰，防止AO快速上移导致Kv裕量超限，需尽早启动停运的主冷却剂泵，消除偏环路运行工况，减小径向氙振荡对Kv裕量的影响；

5.6 在提APP棒组或者降功率启动主冷却剂泵阶段，如果Kv裕量超限而没有其他好的抑制方法，可选择在Kv裕量超限的燃料棒区域采用单束控制棒下插的方法抑制径向功率峰，从而恢复Kv裕量，如果采取了单束控制棒下插的方式注意需要在6小时内恢复控制棒棒位；

5.7 主冷却剂泵启动后暂时维持在一个较低的功率水平，监视Kv裕量的大小以及AO的变化方向，在Kv裕量较小时维持在当前的功率水平，等待AO向堆芯下部移动，在AO开始加速向堆芯下部移动时开始逐渐恢复第九，第十组控制棒棒位至技术规格书要求值，注意要在12小时内恢复；

5.8 待Kv裕量充足，AO开始加速向堆芯下部移动时逐渐恢复下插至堆芯的所有控制棒，并将反应堆功率升至正常水平。

参考文献：

[1] 张朋.WWER-1000核电机组寿期末运行中的AO控制方法优化研究 [J].产业与科技论坛,2019,17（13）：56