压水堆核电厂轴向功率偏差控制研究

摘要：压水堆核电厂轴向功率偏差值，是反应堆中不同区域核反应率的不同程度的体现。通过对轴向功率偏差的监控与调控，能够保证反应堆内燃料部件的稳定工作，降低非正常事故的概率。因此，保证压水堆核电厂轴向功率偏差控制在一个合理的范围之内，对核电站的运营和管理具有重要意义。基于此，本文对压水堆核电厂轴向功率偏差控制进行了深入研究，以供参考。

关键词：压水堆；核电厂轴向功率；偏差控制；

引言

核反应堆在运行期间，其径向功率分布较为平稳，没有明显的波动。但是，在实际操作中，轴向功率分布是不断变化的。因此，理解并掌握其变化规律是保证反应堆安全稳定运行的关键。

1、压水堆核电厂轴向功率偏差的影响因素

1.1慢化剂温度的影响

慢化剂温度是因温变而导致的堆芯反应性的改变，在压水堆核电厂轴向功率运行时，慢化剂温度随高度呈线性增长，堆芯出口水温高于进口水温，高温水密度与低温水相比差异较大，致使上层慢化剂的温度系数高于下层，因此，在早期满功率工况下，会出现压水堆核电厂轴向功率偏差为负。当正常运行时压水堆核电站的轴向功率偏差会向右移动，当功率增加时，轴向功率偏差会发生向左移动，而当功率下降时，慢化剂温度系数会下降，而温度系数会导致上层的正负反应更大，导致上层和下层之间的能量差距变大，从而导致压水堆核电站的轴向功率偏差向右移动，而升功率过程则相反[2]。

1.2燃耗方面的影响

在压水堆核电站中，燃耗对其轴向功率偏差的影响主要表现在：一是由于燃料燃烧加剧，从而降低了慢化剂的温度系数。另一种是对燃耗本身的抑制效应，也就是说，在较高功率的情况下，堆芯燃料的燃耗深度越大，其负反应性效应也就越低。在低功率情况下，燃耗降低，但功率峰值则会向更低的区域转移。比如，在寿命周期内，由于燃耗的存在，功率峰值逐步上升，正是由于燃耗方面的影响所致。

1.3控制棒方面的影响

为保证压水堆核电厂的安全性及操作的灵活性，在每一座反应堆内，均应有适当数量的控制棒（图1所示）。控制棒通常采用银铟镉，具有较高的中子吸收截面，在控制棒设置的地方，中子通量、功率相对较小，为了保证整个反应堆的总输出功率不变，在没有控制棒的时候，反应堆内的中子束流就会发生移位，在此区域内会出现中子流强峰值与功率峰值，从而导致压水堆核电厂轴向功率偏离。控制棒的引入与插入是最直接影响其轴向功率的重要因素，是控制压水堆核电站轴向功率偏移的最有效途径。

2、压水堆核电厂轴向功率偏差控制策略

2.1控制棒控制策略

压水堆核电厂轴向功率偏差可以通过功率控制棒和平均温度控制棒进行控制，在此基础上，构建一种新型的多功能驱动方式，即采用多个控制棒组，通过交替抬升和下推的方式，来达到提高和降低功率的目的，从而避免了偏离过大的问题。平均温度控制棒通常是在顶部的调节带上进行操作的。在正常运行或出力上升和下降的情况下，可以通过插入功率控制棒或平均温度控制棒来实现。同样，当压水堆核电站的轴向功率偏离时，压水堆核电站可通过升高功率控制棒和平均温度控制棒来实现控制轴向功率偏差。利用功率控制棒对偏差控制的方法，应仅在利用功率控制棒跟踪模式进行功率提升和降低的过程中才能采用，而在要求长期低功率或者通过稀释或硼化升降功率的情况下，无法采用功率控制棒对偏移控制。在压水堆核电站中，采用平均温度控制棒进行轴向功率偏差控制时，其响应值更高，且对压水堆核电站的轴向功率偏差有较大的影响。同时，在操作过程中，也要防止平均温度控制棒棒位低于其下限。平均温度控制棒的调节带宽不大，而且它承担了一、二回路之间的平均温度差的调整作用，因此其调整范围很小[3]。

2.2降功率控制策略

由于电力系统、设备故障等因素的影响，核电厂会出现降功率现象。将降低功率划分为短期、长期降低等。短时降功率在电网调峰中较为常用，需对核电站的负荷进行跟踪，且持续时间通常不超过12小时。在此基础上降低功率时，通过对其进行调整，使其轴向功率偏差为负值，并通过加硼来降低其轴向功率偏移。长时间降功率为避免燃耗遮蔽效应造成芯料燃耗失衡，应通过加硼降低功率，并与平均温度控制棒动作相配合，实现对控制棒的长期降功率运行。针对压水堆核电站长期低功率运行使轴向功率偏差向正发展等问题，可以通过分步缓慢下放平均温度控制棒，一次插一到两步，使其轴向功率偏差沿基准线下降，从而最大限度地避免氙振荡[4]。例如核电厂操作规程中指出，在降低功率之后，氙振荡导致轴向功率负值向正值方向变化，同时，引入控制棒将其向正方向偏移。为使运行中不超过右限线，只能将功率降低到低于50%FP。在降低功率时，应有选择地逐渐增加控制棒，兼顾氙毒变化情况，使得轴向功率偏差沿起始点到座标零点的连线方向改变，并尽可能地减小控制棒的插入，以此来控制轴向功率偏差。

2.3升功率控制策略

在经过一段长时间的低功率运行后，其提升功率以稀释为主，受芯部上下硼微分价值和慢速剂温度系数等因素的影响，导致压水堆核电站在稀释升功率过程中的轴向功率偏移发生左移现象。在此基础上，可以通过分步缓慢抬升控制棒的方式，使压水堆核电站的轴向功率偏差沿参考线向上移动，从而最大限度地防止氙振荡。对于紧急停堆后再升功率，通常会在停堆一定时间后返回，这是因为在停堆内，氙毒会产生较高的负反应性，这对堆芯达临界和随后的控制不利。比如首先使汽机提高负载，升起控制棒，再进行反复稀释，使轴向功率偏差控制正常，在提升功率的同时，将稀释量降到最小，利用氙消毒，提高功率。一开始的速度可以稍慢一些，也可以降低稀释速度，在达到目标负载之后就不再进行稀释，而是让氙消毒，然后按照氙毒消耗速度，将功率提高至一个目标负载。

结语

压水堆核电厂轴向功率偏差控制问题在整个反应堆中有着独特而困难的特点，特别是因为燃料成分变化，有毒物质的增多，燃耗的改变，控制棒变化等，使得轴向功率偏差问题更为突出，在此基础上，通过本文的分析，提出了一些适用于不同工况下的轴向功率偏差控制方法，可以有效地保证压水堆核电厂轴向功率偏差控制符合相关规范，保障核电厂的安全稳定运行。

参考文献

[1]何明涛，潘晖，于超，等.燃料污垢引发堆芯轴向功率偏移的量化分析研究[J].核科学与工程，2023，43（01）：19-24.

[2]董志强，宋慧斌.AP1000轴向功率偏差控制特点及优势[J].科技创新与应用，2022，12（10）：59-62+66.

[3]沈亚杰，高永恒，詹勇杰，等.秦二厂CNP600堆芯降功率过程轴向功率偏差的控制研究[J].中国核电，2021，14（04）：577-580+594.

[4]龙晟，高云飞.M310核电机组日常运行变负荷过程中轴向功率偏差ΔI的控制[J].科技创新与应用，2019，（15）：12-13.