CN1015680B - 一种控制反应堆的方法及装置 - Google Patents

Abstract

一种确定核反应堆过热比的低警戒阀值(B)的方法，它就是调节温度的棒的位置越高，为所说阀值确定的值就越低，本发明特别适用于用来发电的压水核反应堆。

Description

本发明涉及原子核反应堆的控制方法，适用于利用不同种类的控制棒进行控制和调节的压水裂变反应堆。

这种反应堆包括下列公知部件：

一个装有反应燃料元件的堆芯，用来给在堆芯容积内产生中子通量的原子核裂变反应提供燃料。在该容积的每个区域内，因中子通量的存在，使反应得以进行，并以热的形式给出随中子通量变化的原子核功率，

一个冷却剂回路，它具有一条穿过所说堆芯的支路。这一回路将所说的功率带出来，使之用于堆外的不同负载，

测量用的测量装置，特别是测量所说冷却剂的温度，以提供一个过热比和冷却剂的平均温度。所述过热比表示一个预先确定的临界热通量（它不论发生在堆芯的哪一点，都将是很危险的）与所说通量为最大值的热点上的局部实际热通量之比，所述平均温度应该接近能使核电站最佳运行的正常值，

多个控制棒，它们有位移装置和控制装置，用来将所述棒纵向地从堆芯的相应区域插入或提出来控制这些棒的位置，控制棒的位置是用它提出的比例来确定的。

每一个控制棒沿其长度方向分布着中子吸收材料并给出负反        ，在相应的控制棒所插入的整个深度上的堆芯区中降低了所说        通量及核功率。这种以控制棒的位移来改变堆芯核功率的方 法是以中子通量分布表现出畸变并带来附加的堆芯损耗来实现的。

这些控制棒中的一种由精密控制棒构成。这种控制棒能在常规控制操作时在很大的高度范围内位移，使得核功率随之发生很大的变化。这种核功率的较大变化对于外部负载而言并非经常发生。

另一种控制棒由调节棒构成。所述棒控制装置接受冷却剂的平均温度。根据该温度大于还是小于温度的正常值来减少或增加这种调节棒的提出比例。这就构成一个调节回路，它通过使核功率发生小的变化而把所述平均温度自动地保持在所述正常值附近，所述变化常常影响着外部负载;若核功率为常数，则将引起所说温度的变化。所述控制装置在常规运行时将所说调节棒的位移限制在某一调节范围内，该范围限制在反应堆的两个工作极限之间，它们分别对应于这些棒的两个高的提出比例，以便通过限制畸变的幅度来限制堆芯损耗。所述畸变是这类棒束的位移施加在中子通量上而经常产生的。

所述控制方法包括：

a）在常规控制操作时，为使核功率随外部负载发生较大的变化而移动精密控制棒，

b）可以在运行时根据一旦过热比下降到一个低的警戒阈值以下时发出的报警信号，附加插入所说的控制棒来降低功率，以便使过热比至少提高到该阈值。这个阈值是反应堆的另一工作极限，它决定于一个比1大得多的安全系数，以保证在一达到该值时，所说的过热并不接近危险状态，且即使在可能发生某些预先考虑到的偶然事故时也不会达到危险状态，

c）响应反应堆工作参数的变化调节反应堆的工作极限。

在这种已知的方法中，过热比的低警戒阈值取2.17。令人遗憾 的是，在反应堆运行过程中不时地出现一些相对短的却无法避免的涨落。这就迫使电站的操作人员，即使在冷却剂平均温度允许反应堆以较高功率运行时，也经常插入精确控制棒来降低反应堆功率，以使过热比回到阈值以上。结果，就降低了送往外部负载的可用功率。该负载通常是向配电网供电的涡轮交流发电机组。这种功率的降低实质上最终导致电站发电工作效率的降低。

本发明的特定目的是，以简单的和经济的方式来减少那种由于影响过热比的涨落可能引起的功率降低的次数，同时不会因堆芯的局部过热而带有任何危险。

本发明的目的还在于提高核电站的工作效率、利润率以及平均功率。

根据本发明的控制方法，其特征在于：在所说的调节范围内，对不同的调节棒位置选择不同的过热比低警戒阈值。当所说的棒提出比例相对地小些时，就选择相对高些的阈值;反之，当所述比例较高时，则选择相对低些的阈值。当过热比在这两个阈值之间而调节棒位于无需使功率减少的位置时，就避免了核功率及送往外部负载的功率的减少。更准确地说，调节棒位于这样的位置，即使发生上面所说的那种事先虑及的偶然事件，只要在所说的调节范围内适当地移动其位置就可完全避免任何按所述的危险方式接近所述过热的危险。

按照本发明，最好在一辅助控制装置内自动地确定低警戒阈值。一个电路从这里接收由调节棒提出比所构成的数据，并向电站运行人员提供预先确定的低警戒阈值，并降低所述比例的作用。

本发明还提供了所说的装置。

在上述限定的范围内，通过下述并非限定的实施例并参照附图，更为详细地描述了本发明的一个特定的执行程序。

图1表示压水核反应堆的堆芯中，在冷却剂接近过热时，冷却水与燃料元件接触的轴向剖面图。

图2表示在过热时，同样元件的相同剖面图。

图3表示在使用一种已知方法的反应堆中过热比与调节棒提起比例的函数关系-图中给出了低警戒阈值和紧急停止阈值。

图4表示按照本发明的相同阈值的曲线图。

如前所述，过热比等于临界热通量与热点处的局部热通量之比。所说的临界热通量是指在这一热通量下将使冷却剂，即在一回路流着并构成主冷却液的水，从沸腾开始经过全部沸腾直到形成一个蒸汽薄层。在图1和2中，箭头6表示水5在与保护套2接触段的流动方向。这些保护套由锆合金制成;保护套内装有由燃料元件构成的棒1。

研究中的过热现象就出现在一个或多个燃料棒附近。它的特点恰如图1所示，在棒1的保护套2附近形成蒸汽泡3。如果继续加热，就加速了蒸汽泡的形成，象图2所示的那样形成一个水蒸汽的薄层4，它把全部保护套或部分保护套与冷却剂隔开，使热交换作用降低，伴随这种现象而耒的是提高了主冷却液的平均温度。这是很危险的，因为保护套得不到充分的冷却，就有受热而达到温度超过800℃的危险，那时，保护套势将变得很容易损坏。

这就是说，如果热通量达到临界值，会对堆芯有非常严重的损坏，比如部分或全部熔化。

临界热通量值通过计算耒确定，它是堆内压力、主冷却液流速及系统的热动力状态的函数。

热点处的局部热通量取决于局部温度值，该值由一回路的热支路和冷支路的温度决定。局部热通量还取决于所说的循环回路的压力、 堆芯外面测量室所测得的核功率以及控制棒所在的位置。

现在的问题是要保证安全，即要在避免燃料包壳有任何损伤的同时尽可能少地降低反应堆功率，尤其是当功率比较高的时候。

更准确地说，在建造和使用反应堆时，其布局应该保证使得过热比决不掉到低于第一个预定值，该值大于紧急停止阈值的比值。这个阈值是个下限，低于该阈值，反应堆就大有损坏的危险。

比第一预定值大的第二个预定值是低警戒阈值，如果越过了这一阈值应很快使过热比返回到高于第二个预定值。

如果过热比小于所说的第二个预定值，反应堆的运行人员应动作各种参数，耒把这个比值提升到高于第二个预定的值。确定这个值是为了在发生下列各种事故时提供充分的安全系数：

一个或多个组件的突然下落。各组件由几根控制棒组合在一起而成。所说的组件可以是精确控制组件，也可以是调节组件;这要取决于构成它们的棒;

整个移去一个这样的控制组件;或者

蒸汽管件破裂。

这些事故构成前述那种事先虑及的事故。

这些事故使过热比减小。当发生事故时，与这个减小相联系的危险是堆芯组件的负反应性作用。

自动功率调节器可保证当一个调节组件突然下落时把其它组件从反应堆的堆芯中提起，这样就可以在中子通量径向畸变和轴向畸变的组合效应下，减小过热比。

当把一个控制组件自反应堆芯移去时，与径向通量畸变增加相联系的平均功率增量使局部热通量增加，直到热点，从而使过热比减小。

另一种情况是蒸汽管件破裂。这种管件是布置在二次回路中的;二次回路通过蒸汽发生器从装有冷却剂的一次回路接受热量。在这种情况下，如果反应堆处在低功率，那么蒸汽通过蒸汽发生器排热损失到大气中，使一次回路很快地冷却。随着这种温度的下降，为提高堆芯的反应性，调节装置给出控制指令，使控制组件提起，提高了上述温度。在这种情况下，调节组件的提起导致轴向中子通量畸变的增加，这使反应性沿燃料棒增加，其目的是在堆芯的一定高度增加局部热通量，而不管一次回路冷却液的冷却。这种增加使过热比降低。在上面这种情况下，反应堆的事故停堆是由其它参数变化引起的。

警戒阈值的设置要使事故发生时的过热比的减少不会危害到燃料整体。

图3表示过热比值P和Q，它们为上述公知的控制方法中构成紧急停止阈值和低警戒阈值。这些值都是调节组件提起比例的常数函数，提出的比例则可以从0%变化到100%（在0%时表示组件完全插入堆芯，100%表示全部从堆芯中提起）。

过热比值P＝1.68表示紧急停止阈值，低于这个值反应堆就必须停止运行。它的确定是考虑了确定临界通量的计算中的误差，还考虑了燃料棒的弯曲及自动停堆系统测量电路的误差的，并且增加了一个安全系数。

值Q＝2.17的确定是通过把上面所说的预先考虑过的事故时可能发生的最大的过热比变化加到紧急停止阈值上，再加上一个新的安全系数而得到的，这个系数对应于除紧急停止系统之外的测量电路误差。

这个警戒阈值的确定与控制棒的位置无关。电站运行人员以硬指 令保持过热比在这个常数值以上，比如，如果核锅炉以其100%功率运行，则运行人员须降低功率以提高过热比的值。

也就是象上面所说的，当超过低警戒阈值时，一种已知的控制方法中，为将过热比提高到低警戒阈之上，使用了减低反应堆功率的方法，把精确控制棒插入反应堆芯以降低功率。本发明使用了同样的方法。

遗憾的是，与电站的设计功率相比，这种功率的降低减低了有效利用率，而且要是经常发生这种情况就可能引起危害生产的损失。

本发明揭示了过热比值能在很长的时间周期内维持比公知技术的常数值更低的警戒阈值而不使反应堆堆芯发生危险情况，特别是当调节组件在堆芯顶部时。这就是本发明为了尽可能多地避免生产的损失而提供低的警戒阈值的原因，这个值是作为调节温度棒在堆芯中的位置函数而确定的。这些棒提起的部分越高，过热比警戒阈值越低。确切地说，一个自动装置改变过热比的低警戒阈值，使其作为调节组件的位置及主冷却液温度的函数。

这个警戒阈值虽然考虑了调节组件的位置，还与上述事先考虑的事故时的最大过热比的变量相联系。

作为一个例子，图4的曲线B给出警戒阈值作为调节温度组件位置函数的变化情况。该曲线的第一段F表明只要提起比例小于30%，过热比的低警戒阈值就维持在等于2.17。提起比大于30%时，该警戒阈值沿曲线第二段G随提起的比例的增大而线性地减小。当调节温度组件完全提起时，该阈值最小;从而提供一个基本的运行安全系数。

现在研究组件之一掉下的事故情况。

例如，多套组件定位在堆芯中，使反应堆功率为100%。把调节温度组件插入到譬如堆芯高度的70%，对应的提出比例是30%，并相当于全面的负反应性，这种负反应性显著地大于任何单个组件的负反应性，后者总是小于180·10^-5（PCm）。

当一个组件因事故而下落时（假设不是调节组件），调节温度组件会自动地穿过堆芯一齐向上移出，为的是保持固定的温度值。最终，局部热通量增加，过热比沿与曲线B平行的曲线A减少。

两个积累效应使过热比减小。首先使过热比减小一个由具有最大值的中子通量的轴向畸变引起的量，这对应于自初始位置提出调节组件直至完全提出（100%）。这个最大值取决于所说的初始位置。如果该初始位置对应于100%提出，则这个最大值就是零。在那个预期的该初始位置对应于30%提出的情况下，所说的最大值被表示成C。

过热比还被减小一个常数值J，它对应于因组件掉入堆芯而引起的通量的径向畸变。过热比的全部减小随调节组件群的初始位置而变化，在任何情况下，这个比值从不低于1.30。1.30这个值对应于直线E，它在本发明的反应堆中形成绝对临界阈值。为保持堆芯完整。该临界阈值绝不能被越过。

从图4可见，在某些情况下，如果警戒阈值维持在常值2.17（对应于曲线B的左边线段F），则过热比的值就要在警戒阈值之下。

然而，阈值的这种变化使过热比能不跑到那些情况中的阈值之下去。这就阻止运行员为维持已制定的运行条件而不得不多余地去降低反应堆的功率。

在任何事件中，只要所说的过热比维持在这种方法所确定的警戒 阈值之上，过热比的减小就不会危及堆芯的完整性。

参数D标志一个附加的安全系数，该系数在所描述的反应堆情况中可以对所说的过热比被维持住。

Claims (4)

1、一种采用多根控制棒控制核电站的反应堆的方法，所述反应堆包括：

1)一个装有反应燃料元件的堆芯，用来给在堆芯容积内产生中子通量的原子核裂变反应提供燃料，在所述容积的每一个区域内，由其中存在的中子通量使反应本身发生并以热的形式给出随中子通量变化的原子核功率，

2)一个具有一条穿过所述堆芯的支路的冷却剂回路，以带出所述功率，使之用于反应堆外的不同负载上，

测量用的测量装置，特别是测量所述冷却剂的温度，以提供一个过热比和冷却剂的平均温度，所述过热比表示一个预定的临界通量与所述通量为最大的热点上的局部实际热通量之比(该临界热通量不管发生在堆芯的哪点都将是非常危险的)，所述平均温度应接近能使电站最佳运行的正常值，

3)多个备有位移装置和控制装置的控制棒，所述位移装置和控制装置通过在堆芯的相应区域纵向地插入或提出这些棒来控制其位置，控制棒的位置由其提出比例来确定，每一个控制棒沿其长度方向分布着中子吸收材料并给出负反应性，在相应的控制棒插入的整个深度上的堆芯区域中使所述的中子通量及核功率降低，这种以控制棒的位移来改变堆芯核功率的方法是以中子通量分布表现出畸变并带来附加的堆芯损耗而实现的，这些控制棒的一种由精密控制棒构成，在常规的控制操作时，这种控制棒能在很大的高度范围内位移，使核功率随之发生很大变化，这种核功率的较大变化对所述外部负载而言并非经常发生，另一种控制棒由调节棒构成，所述棒控制装置接收冷却剂的平均温度，根据该温度大于还是小于温度的正常值来减少或增加调节棒的提出比，从而构成一个调节回路，它通过使核功率发生小的变化而把所述的平均温度自动地保持在正常值附近，所述变化常常影响着外部负载，若核功率是个常数，则将引起所述温度的变化，所述控制装置在常规运行时将所述调节棒的位移限制在某一调节范围内，该范围被限制在反应堆的两个工作极限之间，它们分别对应于这些棒的两个高的提出比例，以便通过限制由这种棒束的位移经常使中子通量产生的畸变的幅度来限制堆芯的损耗，

所述控制方法包括：

a)在常规控制操作时，为使核功率随外部负载发生较大的变化而移动精密控制棒，

b)可以在运行时根据一旦过热比下降到一个低的警戒阈值以下时发出的报警信号而附加插入所述控制棒来降低功率，以便使过热比至少提高到该阈值，所述阈值是反应堆的另一工作极限，它决定于一个比1大得多的安全系数，以保证在一达到该值时，所述过热并不接近危险状态，即使在可能发生某些预先考虑到的偶然事故时也不会达到危险状态，

c)响应反应堆工作参数的变化调节反应堆的工作极限，

其特征在于：d)在所说的调节范围内，对不同的调节棒位置选择不同的低过热比警戒阈值，当所述棒的提出比例相对小些时就选择相对高些的阈值，当所说的比例相对高些时，则选择相对低些的阈值，因而，当过热比在这两个阈值之间而调节棒位于下述位置时，避免了核功率以及送往外部负载的功率的减少，所述调节棒位于这样的位置，当万一发生预先虑及的一个事故时，只要使该棒在所述调节范围内适当地位移，就能充分避免一切按所述的危险方式接近所述过热的危险。

2、一种按照权利要求1的方法，其特征在于：至少在所述的一段调节范围上，选择基本线性和递降变化的所述低警戒阈值（B）的值（G）作为所述调节棒的提出比例的函数。

3、一种按照权利要求2的方法，其特征在于：在所述的调节范围底部区段基本把所说的低警戒阈值（B）选成常数值（F），而在所述范围的上部区段选择基本上线性减小的值（G）。

4、一种用来执行权利要求1的方法以提供控制的装置，其特征在于：包含一个自动确定过热比的低警戒阈值的电路，该电路接受代表所述调节棒的提出比例的数据并提供所述的警戒阈值，这个阈值是所述提出比例的逐渐下降的预定函数（B）。

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