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VVER机组氙瞬态过程及控制策略分析研究

2025-01-03 26 上传者：管理员

摘要：为了分析VVER机组功率或控制棒棒位变化过程引起的氙振荡趋势并进行针对性控制，本文基于田湾核电站4号机组第4循环实际情况，通过KASKAD程序包计算了工作棒组在不同位置下的堆芯稳态轴向功率分布，计算了单束控制棒动作时的径向功率分布，分析了反应堆功率变化时氙导致的反应性引入随时间的变化，通过调整工作棒组初始位置和最终位置的取值尽可能地降低功率变化带来的氙振荡对反应性的影响，给出了功率调节前后工作棒组的建议棒位，为机组运行人员提供参考。

关键词：
KASKAD
VVER
功率分布
反应堆运行
氙振荡
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反应堆运行过程中，平衡氙浓度与功率水平呈正相关，同时氙具有负反应性效应。在功率升高后的初始阶段，会出现氙消耗过程，然后逐渐向新的功率水平下的平衡氙过渡；而在功率突然下降时，则会发生与前述相反的碘坑现象[1-2]。因此，当反应堆功率或控制棒棒位瞬变时，会引起局部相对功率与氙浓度变化，并产生相互作用，引起局部功率与氙浓度振荡，导致堆芯功率分布畸变，堆芯局部温度过高，可能突破燃料棒设计限值。相关理论研究及大型压水堆核电厂的运行实践[3-7]表明，循环初自由氙振荡是收敛的，循环末则是发散的。通过适时移动控制棒组改变棒位、降低单次功率的变化量、选择合适的时间升降功率[8]，均可有效地抑制氙振荡。本文介绍了田湾核电站4号机组第4循环堆芯控制棒布置，计算了其在循环初（beginning of cycle,BOC）、循环中（middle of cycle,MOC）、循环末（ending of cycle,EOC）的平衡态堆芯轴向功率分布，并计算了其在循环末单束控制棒落棒时堆芯径向功率分布及氙振荡情况，分析了循环末堆芯氙瞬态过程，研究了反应堆功率变化前后工作组控制棒在不同位置组合下的氙振荡对反应性的影响的差异。

1、堆芯控制棒布置

田湾核电站4号机组反应堆堆芯由163组燃料组件组成，全部为TVS-2M型燃料组件。堆芯布置103束控制棒，在堆芯的位置如图1所示。

控制棒按功能可分为：

(1）停堆棒组，第1组至第7组，共81束，功率运行时全部提出堆芯。

图1 控制棒布置

(2）调节棒组，第8组至第10组，分别有9、7、6束控制棒，共22束；其中第10组为主调节棒组，也称工作棒组，主要用于正常运行时的快速反应性控制或功率分布调节。

(3）快速预保护（Accelerate Preventive Protection,APP）棒组，用于特定工况下快速下插降负荷，APP棒组的选择根据换料设计物理计算结果确定[9]。第4循环采用第6组控制棒的内侧6束作为APP棒组，在堆芯中的位置分别是：29、33、78、86、131、135。

控制棒组的划分及移动控制逻辑设计的目的是使当它们插入堆芯时的最大功率峰幅度最小化，使不可控提棒效应最小化，保证最优的燃料燃耗。工作棒组在额定功率下的设计建议棒位为90%，实际运行时，在功率分布控制模式中工作棒组保持在堆芯高度的70%到90%的位置，棒组位置由堆芯底部到棒束控制组件吸收部件下端的距离确定。基荷运行模式下，棒组的插入限值随反应堆功率水平的变化趋势如图2所示。

图2 控制棒工作组插入限值

2、堆芯功率分布

通常情况下，堆芯空间氙振荡分为切向振荡、径向振荡和轴向振荡。

本文使用KASKAD程序包进行计算和分析研究，该程序包已获得俄联邦国家核与辐射安全监督委员会验证和授权，用于VVER反应堆中子物理学设计和运行参数计算。KASKAD包括TVS-M、BIPR-7A和PERMAK-A程序，其中BIPR-7A程序用于计算反应堆堆芯的临界参数、反应性效应和反应性系数、控制棒的微积分价值、三维功率分布，模拟燃耗和换料过程以及氙、钐瞬态；PERMAK-A程序用于计算燃料棒燃耗，分析反应堆功率变化和负荷跟踪期间控制棒组移动时线功率密度变化。

2.1径向振荡和切向振荡

径向振荡和切向振荡可能由特定的非对称位置上的控制棒动作或主冷却剂环路的启停引起。

在第4循环末热态满功率（hot full power,HFP）状态下插一束棒至堆芯底部时，下插棒束所在组件与堆芯对称位置以及中心组件的相对功率分布如图3所示。其中，下插棒束（29号组件位置）在第一1/6象限，其余第二至第六1/6象限位置依次为下插棒束逆时针60度对称位置（82号组件为对称中心）。第1～9组其余控制棒束均位于堆芯顶部，第10组控制棒位于堆芯高度90%位置。

图3 径向及切向氙振荡（EOC)

由图3可见，在控制棒动作后的30 h内，下插棒束所在组件以及对向第四1/6象限功率振荡幅度最大，临近第二1/6象限及第六1/6象限对称位置、第三1/6象限及第五1/6象限对称位置功率变化趋势基本一致；选定组件的相对功率在短暂振荡后即趋于平稳，表明切向和径向功率振荡收敛。

根据理论研究计算以及VVER机组特定工况的测量结果表明，径向振荡或切向振荡触发后，能够通过堆内仪表进行可靠的监测。含氧化钆的燃料棒作为可燃吸收体，能展平堆芯径向功率分布，由于其振荡的幅度微小，并且会快速减弱，因此堆芯的径向振荡和切向振荡是稳定的。

2.2轴向功率分布

轴向振荡的直接原因是控制棒组的移动和反应堆功率的变化，轴向氙振荡的状态由轴向功率偏移AO的变化来决定：一个负的或正的AO增量，相应地会造成氙振荡相位的下降或者上升。关于AO振荡的研究较多，此处不再赘述。

控制棒的轴向移动以及功率调节时冷却剂密度的相对变化容易产生堆芯功率分布的轴向空间振荡，进而引起堆芯反应性的周期性变化，可通过调节控制棒位置改变反应堆功率轴向分布并对氙中毒（解毒）过程中的反应性变化进行补偿。

在热态满功率（HFP）、平衡氙状态下，不同循环时刻（BOC、MOC和EOC）的堆芯轴向功率分布如图4和图5所示。其中，第1～9组控制棒均位于堆芯顶部，第10组控制棒分别位于堆芯高度的90%和70%位置。

图4 堆芯轴向功率分布（H10=90%)

由图4、图5可见，第10组控制棒（工作棒组）作为主调节棒组，其棒位对循环中和循环末的堆芯轴向功率分布存在的影响较大，尤其是对循环末轴向功率分布影响较为明显。

图5 堆芯轴向功率分布（H10=70%)

3、堆芯氙瞬态过程

反应堆在稳态功率运行时，堆芯中氙的浓度和中子通量密度之间处于动态平衡状态，而中子通量密度的任何变化都会对这种平衡构成扰动，引起氙瞬态，甚至氙振荡[10]。堆芯功率分布发生变化时，氙平衡会被打破，功率上升（降低）会导致氙浓度下降（增加），氙浓度的下降会进一步导致燃料增殖特性的上升，导致功率上升。

3.1提升功率过程中的氙毒效应

为了研究提升功率导致的氙毒变化而引起的反应性变化，以10%Nnom为间隔计算不同循环时刻（BOC、MOC、EOC）的反应性变化。数据结果由KASKAD程序包计算得到，初始状态第1～10组控制棒均位于堆芯顶部，最终状态棒位不变，计算结果见表1。

表1 提升功率过程中的氙毒效应

由表1数据对比可知，燃耗深度越深，提升功率后对反应性的影响越大，氙毒效应越明显。

3.2功率阶跃变化过程中氙的动态特性

根据田湾核电站4号机组物理试验项目，选取0%Nnom、40%Nnom、75%Nnom、100%Nnom四个功率台阶，用KASKAD程序包对EOC反应性进行计算。

(1）第10组控制棒的位置保持不变

第1～9组控制棒的位置保持100%不变，第10组控制棒的位置保持H10=90%不变，循环末反应堆功率由初始功率台阶变化到其他三个功率台阶时，氙导致的反应性引入随时间的变化，如图6所示。

由氙毒反应性变化曲线可知：当初始功率为0%Nnom时，阶跃到其他功率台阶后，带来的氙振荡对反应性的影响趋于稳定，在氙振荡中期30～50 h反应性即可达到稳定状态。而当最终功率为0%Nnom时，以其他功率台阶为初始状态，阶跃变化过程同样在氙振荡中期30～50 h反应性即可达到稳定状态，无明显波动（图6中（b)～(d）红色虚线）。

当初始功率为100%Nnom、最终功率为75%Nnom时，氙振荡对反应性的影响较为明显，反应性波动范围接近1%，从氙振荡初期就开始波动，即使到氙振荡后期大于80 h反应性仍未能达到稳定状态。而当最终功率为100%Nnom时，以其他非零功率台阶为初始状态，阶跃变化过程同样在氙振荡后期大于80 h反应性仍无法达到稳定状态。

(2）第10组控制棒的位置进行调整

第1～9组控制棒的位置保持100%不变，经多次计算调整，使第10组控制棒的初始位置和最终位置的取值尽可能地降低功率变化（功率台阶由40%Nnom变化到75%Nnom,40%Nnom变化到100%Nnom,75%Nnom变化到40%Nnom,75%Nnom变化到100%Nnom,100%Nnom变化到40%Nnom,100%Nnom变化到75%Nnom）带来的氙振荡对反应性的影响。

图6 功率变化过程中的氙毒效应

调整后第10组控制棒的位置见表2。表2中第一行初始功率40%Nnom对应控制棒棒位H10=75%，功率变化到75%Nnom对应控制棒棒位H10=90%，各行数据以此类推。

表2 不同功率台阶及对应棒位

田湾核电站4号机组在正常功率运行时，只有第10组控制棒移动起调节作用；而在需要较大幅度的功率变化（功率降低）且仅靠第10组控制棒又无法完成时，才移动第8、9组控制棒，从而共同起功率补偿的作用。同时，控制棒位置也不能太低，即是为了防止因控制棒的影响造成燃耗分布畸变（若长时间低位运行，当控制棒移到高位时将导致较大的局部功率峰值），也为了防止发生较大的轴向功率偏移（AO）。

氙导致的反应性引入随时间的变化如图7所示。

由图7可见，当功率阶跃升高，降低第10组控制棒的初始位置，能有效减弱氙振荡对反应性的影响；当功率阶跃降低，降低第10组控制棒的最终位置，也能有效减弱氙振荡对反应性的影响；在氙振荡中期30～50 h反应性均可达稳定状态。对比图7中反应性变化曲线可发现，降功率时碘坑的深度与原来稳定运行的功率水平及降功率的幅度有关，在功率变动的时刻到坑底的时间小于10 h。

由KASKAD计算得到，最终功率为100%Nnom情况下，当反应性达稳定状态后，堆芯功率分布如图8所示，最小线功率裕量随堆芯燃耗的变化见表3。由图8和表3中数据可见，堆芯功率峰值因子Kq和最小QL裕量均在安全范围内，堆芯功率分布满足要求。

图7 功率变化后氙引入的反应性（EOC)

图8 堆芯功率与组件燃耗分布（EOC)

4、结论

本文对不同循环时刻（BOC、MOC、EOC）的堆芯轴向功率分布进行计算，分析了提升功率过程及功率阶跃变化过程中的氙毒效应及氙的动态特性，得到如下结论：

(1）堆芯不对称的控制棒动作引起的堆芯径向和切向功率分布振荡是收敛的。

(2）工作棒组棒位对循环中和循环末的堆芯轴向功率分布存在的影响较大，尤其对循环末轴向功率分布影响较为明显。

通过调整工作棒组的初始位置和最终位置的取值，可有效降低功率变化引起的氙振荡对反应性的影响。

表3 不同功率台阶及对应棒位

参考文献:

[1]钱纪生. WWER-1000压水堆核电厂运行物理[M].北京:原子能出版社,2011:208-211.

[2]谢仲生.核反应堆物理分析[M].西安:西安交通大学出版社,2004.