CN103858174B - 实现自动轴向功率分布控制的方法 - Google Patents

Abstract

用于压水核反应堆的控制策略，所述水核反应堆采用分别用于在相对应的死区内控制T_avg和轴向偏移的分离独立的控制棒组。虽然策略不允许控制反应堆堆芯功率的控制组和控制轴向偏移的控制组一起移动，但是通常赋予控制T_avg的控制组优选级，除非当两个独立的控制棒组同时接收到需求信号以在相同的方向上移动时，在该情况中补偿轴向偏移的控制组被赋予优选级。

Description

实现自动轴向功率分布控制的方法

技术领域

本发明通常涉及用于操作压水核反应堆的方法，并且更具体地涉及用于自动地控制这种反应堆的平均冷却剂温度和轴向功率分布的方法。

背景技术

通过被加压的水进行冷却的核反应堆发电系统的一级侧包括闭合环路，所述闭合环路与用于产生有用能量的二级环路隔离并进行热量交换。一级侧包括：包封堆芯内部结构的反应堆容器，所述堆芯内部结构支承多个燃料组件，所述多个燃料组件包含可裂变物质；在热量交换蒸汽产生器内的一级环路；增压器的内容积；以及用于循环已加压水的泵和管道；管道将蒸汽产生器和泵中的每一个独立地连接至反应堆容器。包括蒸汽产生器、泵、和连接至容器的管道系统在内的一级侧的每个部件形成了一级侧的回路。

为了说明，图1示出简化的核反应堆一级系统，包括大体圆筒形的压力容器10，所述压力容器10具有包封堆芯14的封头12。液体反应堆冷却剂（诸如水或含硼水）由泵16泵送穿过堆芯14至容器10内，热量在所述堆芯14处被吸收并且排放至热量交换器18（通常称为蒸汽产生器），在所述热量交换器18中热量被传送至利用环路（未示出）（诸如蒸汽驱动涡轮发电机）。反应堆冷却剂随后被返回至泵16，从而完成一级回路。一般说来，多个上述回路通过反应堆冷却剂管道20连接至单个反应堆容器10。

在图2中更详细地示出示范性反应堆的设计。除了包括多个平行竖直共同延伸的燃料组件22的堆芯14之外，为了描述起见，其他容器内部结构能够被划分为下内部结构24和上内部结构26。在常规设计中，下内部结构的功能为支承、对齐和引导堆芯部件和仪器，以及导引容器内的流动。上内部结构约束燃料组件22（为了简化仅有其中两个示出于图2中）或向燃料组件22提供二级约束，以及支承和引导仪器和部件（诸如控制棒28）。在图2中示出的示范性反应堆中，冷却剂通过一个或多个入口喷嘴30进入反应堆容器，向下流动穿过反应堆容器和堆芯筒32之间的环形空间，在下腔室34中转向180°，向上穿过其上搁置有燃料组件的下支承板37和下堆芯板36，并且围绕燃料组件穿过燃料组件。在一些设计中，下支承板37和下堆芯板36被单个结构代替，即具有与37相同高度的下堆芯支承板。以大致20英尺每秒的速度流动穿过堆芯和周围区域38的冷却剂数量级通常大到400,000加仑每分钟。所产生的压降和摩擦力倾向于导致燃料组件升高，该移动受到包括环形上堆芯板40的上内部结构的约束。流出堆芯14的冷却剂沿上堆芯板40的下侧流动，并且向上流动穿过多个穿孔42。冷却剂随后向上径向地向外流动至一个或多个出口喷嘴44。

上内部结构26能够从容器或容器头部得到支承，并且包括上支承组件46。负载主要通过多个支承柱48在上支承组件46和上堆芯板之间转移。支承柱在选定的燃料组件22和上堆芯板40的穿孔42上方对齐。

通常包括驱动轴50和中子毒物棒机架（spider）52的可直线移动控制棒28通过控制棒引导管54被引导穿过上内部结构26进入对齐的燃料组件22内。引导管被固定地结合至上支承组件46和上堆芯板40的顶部。支承柱48的布置方案帮助阻止引导管在偶然状况下的形变，所述形变能够有害地影响控制棒的插入能力。

图3为以竖直缩短形式表现的燃料组件（一般通过附图标记22指示）的正视图。燃料组件22为在压水反应堆中使用的类型，并且具有结构化构造，所述结构化构造在其下端部处包括底部喷嘴58。底部喷嘴58将燃料组件22支承于核反应堆堆芯区域中的下堆芯板36上。除了底部喷嘴58之外，燃料组件22的结构化构造还包括在其上端部处的顶部喷嘴62以及与上内部结构中的引导管54对齐的若干引导管或套管84。引导管或套管84在底部喷嘴58和顶部喷嘴62之间纵向地延伸，并且在相对的端部处刚性地附接至底部喷嘴58和顶部喷嘴62。

燃料组件22还包括沿引导套管84轴向地间隔开并且安装至引导套管84的多个横向网格64以及由网格64横向地间隔开和支承的组织化伸长燃料棒组66。还有，如图3中所示的燃料组件22具有定位于其中央的仪器管68，所述仪器管68在底部喷嘴58和顶部喷嘴62之间延伸并且被底部喷嘴58和顶部喷嘴62捕获。通过这种部件布置，燃料组件22形成了能被便捷掌控而不损坏部件组合的一体式单元。

如上所述，组件22中燃料棒组中的燃料棒66被沿燃料组件的长度间隔开的网格64保持为彼此间隔开的关系。每一个燃料棒66包括多个核燃料芯块70，并且在其相对的端部处被上端部塞72和下端部塞74闭合。芯块70被腔室弹簧76维持成堆，腔室弹簧76布置于上端部塞72和芯块堆顶部之间。包括可裂变物质的燃料芯块70负责产生反应堆的反应功率。包围芯块的包壳作为屏障，以防止核裂变副产品进入冷却剂并进一步污染反应堆系统。

为了控制核裂变过程，若干控制棒78能够在定位于燃料组件22中的预定位置处的引导套管84中往复地移动。定位于顶部喷嘴62上方的棒束控制机构80支承多个控制棒78。控制机构具有带多个径向延伸的锚爪或臂52的内螺旋圆筒形毂构件82，所述径向延伸的锚爪或臂52形成先前在图2中所述的机架。每一个臂52被相互连接至控制棒78，以使得控制棒机构80能够被操作成在引导套管84中竖直地移动控制棒，由此在联接至控制棒毂80的控制棒驱动轴50的驱动能量作用下控制燃料组件22中的核裂变过程，以上均采用已知的方式进行。

较新的反应堆（诸如由WestinghouseElectricCompanyLLC,CranberryTownship,Pennsylvania提供的AP1000核工厂设计）采用了两种不同的控制棒类型，即传统控制棒（黑控制棒）以及灰控制棒，后者具有减低的反应性价值，即与传统控制棒相比每单元面积吸收更少中子的控制棒。灰控制棒用于执行MSHIM操作和控制策略，所述MSHIM操作和控制策略具有客观（objective）的恒定轴向偏移控制。术语MSHIM源自于以下事实：反应性控制将灰控制棒组作为“机械补偿剂”而非如今若干商业反应堆操作中被采用的化学补偿剂（即，可溶解硼浓度的变化），以提供精细的反应性控制。MSHIM策略采用两个独立受控的控制棒群，以在大量操作场合过程中提供对堆芯反应性和轴向功率分布的精细控制。

在AP1000反应堆设计中，通过数字化棒控制系统执行MSHIM操作和控制策略，所述数字化棒控制系统通过使用均在所限定的重叠部分中移动的四个灰控制棒组和两个传统控制棒组自动地控制堆芯反应性（反应堆冷却剂系统温度）。此外，通过使用独立于反应性控制组移动的单个重传统控制棒组来提供自动轴向功率分布（即轴向偏移，也已知作为堆芯轴向通量差）控制。反应堆冷却剂内的化学补偿剂的浓度变化一般仅限制于在给定燃料周期过程中直接补偿给燃料和/或可燃吸收剂消耗量所需的量。

负责执行MSHIM操作和控制策略的数字化棒控制系统的基本特征在于使用两个分离的棒控制器，所述两个分离的棒控制器分别将反应堆温度和堆芯功率分布独立地维持在预定区（band）内。为了实现在预期操作场合范围内的稳定反应堆控制，两个棒控制器在某些方面是相互依赖的。例如，存在着在两个控制器均确定需要棒运动的场合中用于两个棒控制器的优先方案。在这种情况下，负责将堆芯功率（平均堆芯温度）维持在特定区中的控制器被赋予优先级。然而，已经被本文的发明者认识到的是，存在着能够通过跳出该策略而进一步改进堆芯操作的某些情景。

因此，下文描述的实施例的目的为提供一种将进一步增强堆芯稳定性和燃料性能的新的操作策略。

发明内容

通过下文所述的发明实现这些和其他目的，所述发明提供操作压水反应堆的方法，所述压水反应堆具有多个燃料组件的堆芯以及至少第一控制棒群，所述第一控制棒群主要被移入和移出堆芯中的所选定的燃料组件，以调整轴向通量差，从而将轴向通量差基本维持于或复原于目标区内。此外，压水反应堆具有至少第二控制棒组，所述第二控制棒组主要被移入和移出堆芯中的其他所选定的燃料组件，以调整堆芯的平均温度，从而将平均温度基本维持于或返回至第二目标区内。第一控制棒组和第二控制棒组的操作使得第一控制棒组和第二控制棒组不被一起移动。当第一控制棒组和第二控制棒组同时接收在不同方向上移动的需求信号时，所述方法赋予第二控制棒组移动优先级。此外，当第一控制棒组和第二控制棒组同时接收在相同方向上移动的需求信号时，所述方法赋予第一控制棒组移动优先级。在一个实施例中，当第一控制棒组正在移动、并且第二控制棒组得到指示第二控制棒组在不同方向上移动的信号时，第一控制棒组将停止移动，并且第二控制棒组将按照被指示的接替进行移动。

附图说明

当结合附图阅读时能够从以下优选的实施例的描述中进一步理解本发明，其中：

图1为能够应用下文描述的实施例的核反应堆系统的简化图；

图2为能够应用下文描述的实施例的核反应堆容器和内部构件的部分剖视图；

图3为以竖直缩短形式说明的燃料组件的部分剖视图，且为了清晰去除某些部件；

图4为示出下文描述的实施例所采用的不同的控制棒组的堆芯图谱；

图5A、5B、5C和5D为示出关于采用标准AP1000M和AO组控制策略的功率从100%阶梯式递减至75%过程中的功率分量、温度、AFD和控制棒移动的效果的图形化展示；

图6为说明当M组被插入至堆芯内时AFD变量的图形化展示；

图7为示出将执行本文描述的控制策略的逻辑门布置方案的逻辑流程图的图解式展示；以及

图8A、8B、8C和8D为与图5A、5B、5C和5D中示出对应但是由本文描述的控制策略产生的堆芯参数变化的图形化展示。

具体实施方式

在采用AP1000设计的反应堆中，反应堆控制存在两个方面。M控制组（MA、MB、MC、MD、M2和M2）自动地调整平均反应堆冷却剂温度（T_avg），而AO棒组自动地调整堆芯轴向通量差（AFD）。显示每个控制棒组位置的堆芯图谱在图4中示出，并且表1确定每组所采用的棒类型、在每组中束数量及其作用。

表1

在功率操纵过程中，T_avg控制器将M组移入或移出堆芯以调整冷却剂温度，并且将其复原至在所计划数值附近+/-1.5°F死区（deadband），所述所计划数值为涡轮机负载的函数。类似地，AFD控制器调整轴向堆芯功率分布，并且将其复原至在目标数值附近+/-1%死区。AP1000反应堆设计安全分析中的假设要求T_avg控制具有高于AFD控制的优先级。因此，在功率操纵过程中，M组首先移动以调整T_avg。当M组移动时，M组导致AFD发生变化。当冷却剂到达其+/-1.5°F控制死区时，M组停止，并且AO组开始调整AFD。AO组将移动，直至AFD位于其目标死区内为止。AO组的移动可能导致冷却剂温度超过其控制死区。如果发生这种情况，那么AO组将停止，并且M组将再次移动以校正冷却剂温度。当完成时，AO组将在再次移动以继续AFD校正。

包括在图5A、图5B、图5C和5D中示出图形在内的图5示出了在典型操作瞬态过程中AFD、T_avg、M组和AO组变化。因为M组具有优选级，所以T_avg瞬态被很好地调整。接近瞬态终点的AO组校正将AFD复原至其目标的1%以内。在这个示例中，AFD与其控制区的最大偏差为8%。对于更严重的瞬态或在非正常情况水平之下时，AFD偏差能够大到足以削弱峰值因素或芯块包壳相互作用限制（在初步计算中曾经见过高达20-30%的数值）。

能够在2009年7月12-16比利时布鲁塞尔举行的第17届国际核工程大会的论文集中公开的标题为ROBUSTNESSOFTHEMSHIMOPERATIONANDCONTROLSTRATEGYINTHEAP1000DESIGN（在AP1000设计中MSHIM操作和控制策略的稳健性）（文章号.ICONE17-75314）的文章中找到对MSHIM操作和控制策略的更详细理解。

发明者已经认识到，容许AO组在工厂操作瞬态过程中调整AFD（即使在平均反应堆冷却剂在其死区之外情况下）将减少AFD偏差；但是，乍看起来，由AP1000安全分析所施加的T_avg控制优选需求似乎将排除那种操作类型。然而，仔细检查M组和AO组的响应特性的确在任何功率变化的主要部分过程中为AFD校正提供了机会。具体来说：

1.将AO组或M组更深地移入堆芯内，这将导致T_avg的降低；并且将AO组或M组的其中之一更远地移出堆芯，这将导致T_avg升高。

2.将AO组（在其容许的操作区内）更深地移入堆芯内，这将导致AFD变得更负向（negative）；并且将AO组更远地移出堆芯，这将导致AFD变得更正向（positive）。

因此，为本文提供的潜在观点为：

1.假如M组正在移入堆芯内以降低T_avg并且AO组具有使AFD更负向的需求，那么容许AO组移动将既降低了T_avg又校正了AFD。

2.类似地，假如M组正在移出堆芯以升高T_avg并且AO组具有使AFD更正向的需求，那么容许AO组移动将既升高了T_avg又校正了AFD。

这些概念的执行能够如下所述：在AP1000中，当AO组和M组均具有在相同的方向上移动（均移入或移出堆芯）的需求时，禁止M组，并且使移动AO组。这将产生T_avg和AFD的校正移动。

通常的观察结果为：容许AO组和M组一起移动（由于AO组和M组均具有在相同的方向上移动的需求）将改进T_avg和AFD的调整。这对于T_avg来说是正确的。容许两个组均在相同的方向上移动将加速T_avg的校正。然而，对于AFD控制来说并非如此。在AP1000设计中M组的反应性价值和重叠使得当M组在一个方向上移动（移入或移出）时，M组交替地导致AFD变得更负向和更正向。这在图6中示出。因此，容许AO组和M组同时移动来加速T_avg控制很可能是对AFD控制有害的。除此以外，棒控制功率供给的设计和布置方案可能排除了AO组和M组的同时移动。

下文所述的本发明隐含的基本原理为：自然堆芯反馈（即减速剂温度/密度的变化）通常引起T_avg和AFD的恒定响应。例如，当堆芯功率减少时，反应性升高，从而导致升高的T_avg。巧合地，AFD也变得更正向。二者均需要棒插入来补偿。下文所述的本发明利用了以下事实：用于AFD/AO控制的重控制棒（即黑控制棒）与通常用于T_avg控制的M组中的灰棒相比固有地具有更高的反应性价值；这意味着AO组将在这样状况下补偿两种参数。换言之，固有的短期的堆芯反馈被认为是天然恒定的，并且下文所述的方法利用了这种恒定性。对于长期堆芯响应（例如氙瞬态）并不需要如此，但是对于这些影响来说时间跨度长得多，以使得两个控制器的“独立性”适于控制用于这些长期效果。

在图7中示出执行下文所述概念的控制系统逻辑布置方案。反应堆控制系统和AFD控制系统将根据用于校正冷却剂平均温度（T_avg）或堆芯轴向功率分布的需要来产生对M组和AO组移动的需求。降低T_avg的需求将M组移入，除了当存在使AFD更负向的需求时。在这种情况下，M组的需求将被忽略，并且AO组将移入以降低T_avg并与此同时使得AFD更负向。升高T_avg的需求将M组移出，除了当存在使AFD更正向的需求时。在这种情况下，M组的需求将被忽略，并且AO组将移出以升高T_avg并与此同时使得AFD更正向。只有当存在将M组移入的相应需求时或当M组的需求在其控制死区时，使AFD更负向的需求将AO组移入。类似地，只有当存在将M组移出的相应需求时或当M组的需求在其受控死区时，使AFD更正向的需求将AO组移出。当AO组到达其死区并且停止移动时，假如T_avg未在其死区，那么M组将接替进行移动。在图7中示出的这个逻辑显示了T_avg控制是如何被赋予高于AFD控制的优选级、并同时在操作的瞬态过程中大部分时间容许AFD控制。图8A、8B、8C和8D示出这个控制策略作用在之前图5中阐述的用于先前技术控制策略的相同瞬态上的效果。在不削弱T_avg控制且赋予T_avg优选级的情况下在AFD控制上的改进是显著的。

虽然本发明的特定的实施例已经被详细地描述，但是将被本领域的技术人员理解的是能够在本发明的整体教导下对那些细节的各种修改和替换进行研发。因此，公开的具体的实施例仅意为说明性的而非限制本发明的范围，所述本发明的范围被赋予附属权利要求及其等价物中的任一和全部所给出的全部广度。

Claims (3)

1.一种操作压水反应堆的方法，所述压水反应堆具有多个燃料组件的堆芯以及至少第一控制棒组以及至少第二控制棒组，所述第一控制棒组的控制棒主要被移入和移出堆芯中的所选定的燃料组件，以调整轴向通量差，从而将轴向通量差维持于或复原于第一目标区内，所述第二控制棒组的控制棒主要被移入和移出堆芯中的其他所选定的燃料组件，以调整堆芯的平均温度，从而将平均温度维持于或返回至第二目标区内，其中第一控制棒组和第二控制棒组不被一起移动，所述方法包括以下步骤：

当第一控制棒组和第二控制棒组同时接收在不同方向上移动的需求信号时，赋予第二控制棒组移动优先级，直到堆芯的平均温度在第二目标区内；以及

当第一控制棒组和第二控制棒组同时接收在相同方向上移动的需求信号时，赋予第一控制棒组移动优先级，直到轴向通量差在第一目标区内。

2.根据权利要求1所述的方法，其中当第一控制棒组正在移动、并且第二控制棒组得到指示第二控制棒组在不同方向上移动的信号时，第一控制棒组将停止移动，并且第二控制棒组将按照其得到的指示接替进行移动。

3.根据权利要求1所述的方法，其中当第一控制棒组具有移动优先级并且移动以将轴向通量差改变至其中第一控制棒组停止移动的第一预定死区内时，如果平均温度未在第二预定死区内，那么第二控制棒组将开始移动。