TWI505289B - 用於確認核反應器爐心效能之亞臨界物理測試方法 - Google Patents

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Description

用於確認核反應器爐心效能之亞臨界物理測試方法
本發明大致關於一種輕水式反應器之亞臨界物理測試,且尤其更關於啟動之後的一壓水式反應器之物理測試。
用在壓力下的水冷卻且係由一封閉迴路組成之核反應器發電系統之該主要側係與一次要側隔離且依熱交換關係用於有用能量之產生。該反應器容器之該主要側包含一爐心內部結構,該爐心內部結構支撐含有易裂變材料之複數個燃料總成、熱交換蒸汽產生器內之該主迴路、一加壓器之該內容積、用於循環加壓水之泵及管道及獨立地連接該等蒸汽產生器及泵之各者至該反應器容器之該等管道。該主要側之該等部分之各者係由一蒸汽產生器、一泵及連接至該容器而形成該主要側之一迴路之一管道系統組成。
為了說明之目的,圖1繪示包含一大致圓柱狀壓力容器10之一簡化核反應器主系統,該壓力容器10具有封閉一核爐心14之一封頭12。例如水之一液體反應器冷卻液係藉由泵16泵送入該容器10中,通過熱能係經吸收之該爐心14且係排放至一熱交換器18(典型地稱為一蒸汽產生器),其中熱量係傳遞至例如一蒸汽驅動渦輪產生器之一實用迴路(圖中未繪示)。該反應器冷卻液係返回該泵16而完成該主迴路。典型地,複數個上述迴路係藉由反應器冷卻液管道20而連接至一單反應器容器10。
圖2中更詳細繪示一例示性反應器設計。除由複數個平行、垂直、共同延伸燃料總成22組成之該爐心14之外,為了此描述之目的,該等其他容器內部結構可分成下內部結構24及上內部結構26。在習知設計中,該等下內部結構作用以支撐、對準且導引爐心組件及器械以及導引該容器內之流。該等上內部結構限制該等燃料總成22(此圖中為了簡單僅繪示二者)或為該等燃料總成22提供一次要限制,且支撐且導引例如控制棒28之器械及組件。在圖2中所繪示之該例示性反應器中,冷卻液通過一或多個入口噴嘴30進入該反應器容器10,向下通過該容器與該爐心套筒32之間的一環面之流動,係在一下空間34中轉動180°,向上穿過一下支撐板37及該等燃料總成22所安裝之一下爐心板36且通過及圍繞該等總成。該等燃料總成係由包含一圓形上爐心板40之該等上內部結構而限制。退出該爐心14之冷卻液沿該上爐心板40之該下側流動且向上通過複數個穿孔42。接著該冷卻液向上且徑向流至一或多個出口噴嘴44。
該等上內部結構26可自該容器或該容器頭部支撐且包含一上支撐總成46。負載係主要藉由複數個支撐柱48而傳輸於該上支撐總成46與該上爐心板40之間。一支撐柱係在一選定燃料總成22及該上爐心板40中之穿孔42上方對準。
該等直線可移動控制棒28典型地包含藉由控制棒導引管54導引通過該等上內部結構26且進入對準燃料總成22中之中子吸收棒之一驅動軸50及一機架總成52。該等導引管係連接於該上支撐總成46與該上爐心板40之間。
圖3係以垂直縮短形式表示而大致由參考字元22所指之一燃料總成之一正視圖。該燃料總成22為用於一壓水式反應器中之該類型且具有在其下端包含一底部噴嘴58之一結構性骨架。該底部噴嘴58支撐一核反應器之該爐心區域中之一下爐心支撐板60上之該燃料總成22(圖3中所繪示之該下爐心支撐板60係由圖2中之參考字元36表示)。除該底部噴嘴58之外,該燃料總成22之該結構性骨架亦包含在其上端之一頂部噴嘴62及許多導管或套管84,該等導管或套管縱向延伸於該底部噴嘴58與該頂部噴嘴62之間且在相對末端係剛性附接該等噴嘴。
該燃料總成22進一步包含沿該等導引套管84(亦稱為導管)軸向隔開且安裝至該等導引套管84之複數個橫向柵格64,及橫向隔開且由該等柵格64所支撐之細長燃料棒66之一組織陣列。儘管圖3中不可見,但該等柵格64習知地係由交錯於一蛋箱圖案中之直角帶形成,其中四個帶之該鄰接介面界定近似正方形支撐單元,該等燃料棒66係通過該等正方形支撐單元以互相橫向隔開關係支撐。在許多習知設計中,彈簧及凹坑係衝壓進入至形成該等支撐單元之該等帶之該等相對壁中。該等彈簧及凹坑徑向延伸進入至該等支撐單元中且在該等支撐單元之間擷取該等燃料棒;在該燃料棒覆層上施加壓力以固持該等棒在適當位置。另外,該總成22具有位於其中心之一器械管68,該器械管68延伸於該等底部噴嘴58與該等頂部噴嘴62之間且係安裝至該等噴嘴或穿過該等噴嘴。圖3中說明該前者。
各燃料棒66包含複數個核燃料丸70且係藉由上末端插塞72及下末端插塞74而在其相對末端關閉。該等丸70係藉由安置於該上末端插塞72與該丸堆疊之頂部之間的一空間彈簧76而保持於一堆疊中。由易裂變材料組成之該等燃料丸70係負責建立該反應器之反應功率。包圍該等丸之該覆層用作一障壁以防止該等分裂副產品進入該冷卻液且進一步污染該反應器系統。
為了控制該分裂過程,許多控制棒78在位於該燃料總成22中之預定位置之該等導引套管84中相互地移動。明確而言,定位於該頂部噴嘴62上方之一棒叢集控制機構80支撐該等控制棒78。該控制機構具有一內部螺紋轂部件82,該內部螺紋轂部件82具有複數個徑向延伸錨爪或臂52。各臂52係互連至該等控制棒78使得該控制機構80係可操作以在該等導引套管84中垂直移動該等控制棒,以因而在全部以一熟知方式耦合至該等控制棒轂82之控制棒驅動軸50之該馬達功率下,控制該燃料總成22中之該分裂製程。
在此一壓水式反應器發電系統中,熱量係藉由支撐於該爐心內之該複數個燃料棒中發生之一分裂鏈式反應而在該壓力容器之該爐心內產生。如先前提及,該等燃料棒係在該等燃料總成內保持隔開關係且該等燃料棒之間的空間形成硼化水流動通過之冷卻液通道。該冷卻液水內之氫緩和自該燃料內之濃縮鈾發出之中子以增加核反應次數且因此增加該過程效率。代替燃料棒位置而散置於該等燃料總成內之該等控制棒導引套管有助於導引可操作以插入該爐心或自該爐心抽出之該等控制棒。當插入時,該等控制棒吸收中子且因此減少核反應次數及該爐心內產生的熱量。
一核反應器之該功率位準係大體上分為三個範圍:該源或啟動範圍、該中間範圍及該功率範圍。該反應器之該功率位準係經連續監測以確保安全操作。此監測係通常藉由放置於該反應器爐心外部及內部用於測量該反應器之該中子通量之中子偵測器而實行。由於在任意點的該反應器中之該中子通量係與該分裂速率成比例,故該中子通量亦與該功率位準成比例。
分裂及離子腔室已用於測量一反應器之該源範圍、中間範圍及功率範圍中之通量。通常分裂及離子腔室能夠在所有正常功率位準操作,然而,其等大致係不足夠敏感以準確地偵測該源範圍中發出之低位準中子通量。因此,當該反應器之該功率位準係在該源範圍中時,分開之低位準源範圍保護器係通常用於監測中子通量。
當在適當能量位準之自由中子撞擊包含於該等燃料棒內之該可分裂材料之諸原子時,在該爐心內發生該等分裂反應。該等反應引起自該反應器冷卻液中之該爐心擷取之大量熱能之釋放且引起可用於產生更多分裂反應之額外自由中子之釋放。一些此等釋放中子逸出該爐心或係由例如控制棒之中子吸收劑而吸收,且因此不造成傳統分裂反應。藉由控制存在於該爐心中之中子吸收劑材料之量,可控制分裂速率。在該可分裂材料中總是發生隨機分裂反應,但當關閉該爐心時,該等釋放中子係以一持續系列反應不發生之此一高速率吸收。藉由減少該中子吸收劑材料直到一給定產生的中子數量等於先前產生的中子數量,該過程變為一自持續鏈式反應且該反應器係稱為「臨界」。當該反應器為臨界時,該中子通量大約為當該反應器關閉時之中子通量的六個數量級。在一些反應器中,為了加速一關閉爐心中之中子通量之增量以達到實際轉變間隔,一人工中子源係植入於含有該可分裂材料之該等燃料棒之中的該反應器爐心中。此人工中子源建立該中子通量中之一局部增量以輔助致使該反應器達到功率。
當缺乏一中子源時,一產生的自由中子數量與該先前產生的該等中子數量比係稱為「中子增殖因數」(Keff )且係用作該反應器之該反應度之一測量。換言之,一核爐心之臨界度之該測量為Keff ,亦即中子產生與可歸於毀滅及損失兩者的總中子損失之比。當Keff 係大於1時,產生之中子多於毀滅者。相似地,當Keff 係小於1時,毀滅之中子多於產生者。當Keff 係小於1時,該反應器係稱為「亞臨界」。
由美國國家標準協會(ANSI)及美國核學會(ANS)所出版之標準ANSI/ANS 19.6.1、「針對壓水式反應器之重載啟動物理測試(Reload Start-up Physics Test For Pressurized Water Reactors)」需要在該反應器變成臨界之前確認某些爐心參數。在物理測試期間確認此等參數之目的旨在執行爐心設計驗證,亦即,為了證明經構造爐心之表現如何足夠接近該設計爐心的預期表現。藉由提供該驗證,針對該燃料週期執行於該爐心上之該等安全分析係經證實。在熱零功率(小於5%額定熱功率)期間必須確認之該等特性為:
‧功率分佈,
‧反應度控制,
‧反應度平衡,
關閉能力(關閉邊限)
此等特性目前係藉由決定所有棒退出熱零功率臨界硼濃度(亦稱為硼末端點)、緩和劑溫度係數、等溫溫度係數及總控制棒排值而量化地「測量」。
物理測試主張之基礎係自該爐心觀察一預期回應。例如該動態棒值測量程式或該亞臨界棒值測量程式之若干當前物理測試程式能夠準確確認所有該等先前列出參數。當該反應器係在該零功率測試範圍中時,該動態棒值測量程式使用一核電廠之四個爐心外功率範圍偵測器之一者(其需要在非服務狀態下取得)以執行該測試。為了執行該測量,在以該最大棒步進速率之一連續運動中,控制棒之群組係個別插入該爐心且從其移除。在各群組係從該爐心移除之後,須允許該通量恢復至該初始啟動位準。在需要用於通量恢復之時間期間,資料處理係經執行以根據群組位置之一函數來獲得該總棒值及該積分棒值。一特定技術規格例外係在低功率物理測試期間進入以允許失序地移動該等控制棒且低於其等插入限制且亦允許相較於在正常操作期間使用更負的一緩和劑溫度係數。該動態棒值測量程式能基於個別控制棒排值決定首先「粗略」注視功率分佈。若在用該動態棒值測量程式測量之個別排值上達到所有檢視準則,則不需要低功率通量圖以進一步確認該爐心。然而,若一個別排值與預測相差近大於15%或100 pcm,則一低功率通量圖係需要用於調查該異常。此方法通常在一四個迴路廠處花費介於停用臨界路徑時間的8小時至12小時之間。
該亞臨界棒值測量程式使用一核電廠之兩個源範圍偵測器,而不需要其等在非服務下取得。當該反應器為亞臨界(Keff 0.99)時執行測試,且相較於該動態棒值測量程式需要較不複雜的控制棒操縱,此使該測試更容易且更為該反應器操作者所熟悉。該等控制板係依典型在準備熱棒掉落(Hot Rod Drop)時序測量測試之方式抽出。該亞臨界棒值測量程式指定收集該源範圍偵測器計數率資料之狀態點。棒抽出係短暫地在各狀態點停止以收集該必需資料且該過程連續直到達到一所有棒退出條件。接著該亞臨界棒值測量程式自在各狀態點收集的該源範圍資料計算該總控制棒值及該臨界硼濃度。在該等總控制棒值及該臨界硼濃度測量之該等結果評估之後,一等溫溫度係數測量係藉由改變系統溫度近6℉(3.3℃)執行且決定反應度中之相應改變。此決定係使用在棒抽出期間測量的反應度中之改變與爐心外偵測器指示中之改變之間的關係製成。
該亞臨界棒值測量驗證方法使用於2008年12月11日申請之美國專利申請案第12/332,577號中更完全描述之該亞臨界相反計數率方法論,以預測該亞臨界爐心中子分佈,該亞臨界爐心中子分佈實現該高度非線性相反計數率比之該線性化使得Keff 改變可從空間校正源範圍偵測器信號測量決定。自在各狀態點監測之該等源範圍偵測器之該電壓係在各狀態點轉換為計數及Keff 。在該棒拉動期間,反應度中之總改變決定總排值。接著該空間校正相反計數率比係外插至零以決定變成臨界(或該硼末端點)之必需反應度。此外插點提供一預期臨界條件之一準確測量,該準確測量致使該廠拉動棒以使取得該廠之臨界,而非必須基於該特殊燃料週期之爐心經驗稀釋該冷卻液中之該硼濃度以達到臨界度而不具有一已知預期臨界條件。該實際爐心功率分佈與預測爐心功率分佈之間的一致依靠在所有控制及關閉排之抽出期間自該預測值之該平均相反計數率比偏差(MD)之測量除以自該等預測值之該測量相反計數率比之該測量均方根差值(RMS),或MD/RMS。雖然此方法在其許多應用期間已證明準確,但在30%額定熱功率之一通量圖係仍需要進一步驗證爐心功率分佈。此方法在一四個迴路廠處通常需要停用臨界路徑時間的3小時至5小時之間。相應地,將會節省停用臨界路徑時間之一新亞臨界物理測試程式為所需。此外,將從該停用臨界路徑完全移除該需要亞臨界物理測試之一改良亞臨界物理測試程式為所需。額外地,將確認該爐心將如經設計的以上臨界操作之一改良物理測試程式為所需。
本發明藉由提供使用自容置於該爐心之該等燃料總成內之器械套管內之爐心器械取得之測量的一亞臨界物理測試方法而實現該等前述目的。定位在該爐心內之許多徑向位置之該爐心器械監測在大體上沿該等易裂變燃料元件之一作用長度之複數個軸向區域上方的該爐心中之該中子通量。該方法首先以分析預測該爐心之一功率分佈。接著當該爐心初始係在具有Keff 0.99之一關閉亞臨界條件中時,藉由插入至少一些控制棒及/或添加一化學中子吸收劑進入該爐心中,該方法以一預建立順序自該爐心抽出該等控制棒以提升一亞臨界功率範圍內之該爐心之功率位準。當該等控制棒係正抽出時,該方法監測在該軸向及徑向爐心位置處藉由該爐心器械所監測之該功率位準,以從該爐心器械之一或多個輸出獲得一監測功率分佈。接著該方法比較該分析預測功率分佈與該監測功率分佈。若該監測及預測功率分佈係在一預選定偏差內,則該方法繼續正常反應器啟動以致使該反應器達到功率而無中斷,只要該監測功率保持於規格內。
所需的是該監測步驟提供當該等控制棒係抽出時,在各種反應器溫度及控制棒位置組態之一整合燃料總成中子通量分佈測量。在一實施例中,該整合燃料總成中子通量分佈測量係藉由整合該爐心器械之該輸出直到該相對輸出中之一分率不確定性達到一特定不確定位準而獲得。接著該方法相對於係該分析預測功率分佈之部分的一相應預測信號分佈來比較該監測功率分佈,以識別該監測功率分佈與預測功率分佈之間是否有任何明顯偏差。在該後者實施例中,該方法較佳地包含使用在不同溫度及棒位置獲得之該監測軸向及徑向功率位準,以量化發生於該等不同溫度及棒位置之間的反應度改變,使得反應度之一溫度係數及該等控制棒之一反應值可經決定且與預測值比較之步驟。在又另一實施例中,其中該監測及預測功率分佈係在通過該亞臨界功率範圍內的該預選擇偏差內,該方法包含當該反應器變成臨界達到一預定功率範圍時,繼續比較該分析預測功率分佈與該監測功率分佈之步驟。
當結合附圖閱讀時,本發明之一進一步理解可從該等較佳實施例之以下說明獲得。
許多態樣中之本發明之該爐心器械亞臨界驗證程式係相似於該亞臨界棒值測量程式。該主要差異為本發明使用美國專利第5,745,538號中更完全描述之最佳化比例軸向區域信號分離延長壽命(OPARSSELTM )爐心器械套管總成。使用釩固定爐心偵測器代替該爐心外源範圍偵測器致使該亞臨界且低功率物理測試能夠在無中斷的該啟動程序期間實行且完成,此自該停用臨界路徑移除該等爐心設計驗證活動。該等OPARSSEL爐心器械套管總成替換用於許多壓水式反應器中之該等可移動爐心偵測器系統。
圖4表示該等爐心通量偵測器器械套管總成內部之該等偵測器元件組態之一示意圖。一中子通量中之一釩爐心偵測器元件產生起因於藉由釩51同位素吸收一中子以產生釩52的一信號。該釩52同位素藉由產生與該中子通量成比例之一電流之貝他放射而衰減。各爐心器械套管總成容置多個可變化長度自供電偵測器元件以提供一軸向爐心功率分佈。通常提供如圖4中所說明之五個偵測器元件,但例如AP1000之更新反應器使用多達七個偵測器元件。該最長偵測器發射器86跨越延伸於區域R1至R5上方的該整個作用燃料元件長度且提供含於該關聯燃料總成內之該總中子通量之一整合測量。該等較短偵測器元件88、90、92及94提供可用於決定在由與該最長偵測器元件86重疊所界定之該燃料總成之該等不同軸向區域R1至R5處產生之該總中子通量之該相對分率之信號。此資訊允許含有爐心器械套管總成之所有爐心位置中之該相對徑向及軸向功率型之測量。接著此測量資訊可與該相應預測相對軸向及徑向功率分佈資訊比較以自該等預期條件識別是否存在任何明顯不同。自所有偵測器元件測量之該總信號亦可用於建立一正建造與預測爐心之間是否存在全域反應度偏置。
因此本發明之該爐心器械亞臨界驗證程式使用該等爐心器械套管總成中之該等自供電偵測器,以提供在相似於其中該亞臨界棒值測量程式處理該等源範圍偵測器信號之該方式的各種溫度及棒位置組態處之一整合燃料總成中子通量分佈測量。然而,在該等爐心器械套管總成信號之情況中,該測量資訊係藉由整合自各偵測器發射器之該當前信號輸出直到該等相對偵測器信號中之該分率不確定性達到一特定不確定性位準來獲得。接著該測量偵測器信號分佈係相對於一相應預測信號分佈比較,以識別該測量徑向及軸向功率分佈與該預測徑向及軸向功率分佈之間是否存在任何明顯偏差。在不同溫度及棒位置獲得之測量亦可用於量化發生於此等條件改變之間的該等反應度改變,使得反應度之溫度係數及該等控制棒之該反應度值可經測量且與該等預期值比較。使用本發明之方法控制棒抽出係以一預建立順序執行且所需係連續而不需要資料收集之狀態點。
本發明之該爐心器械亞臨界驗證程式之一額外優點為實際功率分佈與預測功率分佈及其他爐心參數之間的該比較可在高於其中該反應器變成臨界之該點的功率位準連續,以進一步證實針對該爐心執行的該等安全性分析。因此,本發明之該爐心設計驗證方法論之使用明顯地提高該爐心設計驗證過程之準確度、安全性及便利性且本質上自該停用臨界路徑移除所有爐心設計驗證活動。
雖然已詳細描述本發明之特定實施例,但熟習此項技術者將瞭解該等細節之各種修飾及變更可根據揭示內容之總教示發展。相應地,該等揭示特殊實施例係意指僅說明性且不限於給定該等隨附請求項及其任何及所有均等物之範圍的本發明之範疇。
10...壓力容器
12...封頭
14...爐心
16...泵
18...熱交換器
20...反應器冷卻液管道
22...燃料總成
24...下內部結構
26...上內部結構
28...控制棒
30...噴嘴
32...套筒
34...下空間
36...下爐心板
37...下支撐板
40...上爐心板
42...穿孔
44...出口噴嘴
46...上支撐總成
48...支撐柱
50...驅動軸
52...機架總成
54...控制棒導引管
58...底部噴嘴
60...下爐心支撐板
62...頂部噴嘴
64...柵格
66...細長燃料棒
68...器械管
70...核燃料丸
72...上末端插塞
74...下末端插塞
76...空間彈簧
78...控制棒
80...棒叢集控制機構
82...內部螺紋轂部件
84...導引套管
86...偵測器元件
88...偵測器元件
90...偵測器元件
92...偵測器元件
94...偵測器元件
R1...軸向區域
R2...軸向區域
R3...軸向區域
R4...軸向區域
R5...軸向區域
圖1係一核發電系統之該主要側之一示意圖;
圖2係可應用本發明之一核反應器容器及內部組件之一部分截面正視圖;
圖3係為了清楚而將零件剖開的以垂直縮短形式說明的一燃料總成之一部分截面正視圖;
圖4係由本發明所使用的該等爐心通量偵測器之該釩偵測器元件佈局之一示意圖。
86...偵測器元件
88...偵測器元件
90...偵測器元件
92...偵測器元件
94...偵測器元件
R1...軸向區域
R2...軸向區域
R3...軸向區域
R4...軸向區域
R5...軸向區域

Claims (8)

  1. 一種亞臨界物理測試方法,其用於確認一核反應器之一爐心將如設計操作,其中該爐心具有一徑向及軸向尺寸及包括許多易裂變燃料元件之複數個燃料總成,其中至少一些燃料總成具有用於插入可移入且移出成排中之該控制棒的導引套管,及其中容置一爐心器械之至少一器械套管,該爐心器械係用於監測在該爐心器械周圍之一徑向位置處,且在大體上沿該等易裂變燃料元件之一作用長度之複數個軸向區域上方的該爐心中之該中子通量,該方法包括:以分析預測該爐心中之一功率分佈;藉由下列二方法中至少一方法而初始保持該爐心在Keff 小於一的一關閉亞臨界條件中:插入至少一些該等控制棒於該爐心中;及添加一化學中子吸收劑於該爐心中;以一預建立順序從該爐心抽出該等控制棒以提升一亞臨界功率範圍內的該爐心之該功率位準;監測在該軸向及徑向爐心位置藉由該爐心器械所監測之一功率位準,以從該爐心器械之一或多個輸出獲得一監測功率分佈同時該功率位準係在該亞臨界功率範圍內提升;及比較該分析預測功率分佈與該監測功率分佈,且若該監測及預測功率分佈係在一預選定偏差內,繼續正常反應器啟動以致使該反應器達到功率而無中斷,只要該監 測功率保持於規格內。
  2. 如請求項1之亞臨界物理測試方法,其中該監測步驟提供當該等控制棒被抽出時在各種反應器溫度及控制棒位置組態之一整合燃料總成中子通量分佈測量。
  3. 如請求項2之亞臨界物理測試方法,其中該整合燃料總成中子通量分佈測量係藉由整合該爐心器械之該輸出直到該相對輸出中之一分率不確定性達到一特定不確定位準而獲得,且接著相對於係該分析預測功率分佈之部分的一相應預測信號分佈比較該監測功率分佈,以識別該監測功率分佈與該預測功率分佈之間是否有任何明顯偏差。
  4. 如請求項3之亞臨界物理測試方法,其包含使用在不同溫度及棒位置獲得之該監測軸向及徑向功率位準,以量化發生於該等不同溫度及棒位置之間的反應度改變使得反應度之一溫度係數可經決定且與預測值比較之步驟。
  5. 如請求項3之亞臨界物理測試方法,其包含使用在不同溫度及棒位置獲得之該監測軸向及徑向功率位準,以量化發生於該等不同溫度及棒位置之間的反應度改變使得該等控制棒之一反應度值可經決定且與預測值比較之步驟。
  6. 如請求項3之亞臨界物理測試方法,其包含使用在不同溫度及棒位置獲得之該監測軸向及徑向功率位準,以量化發生於該等不同溫度及棒位置之間的反應度改變使得一所有棒退出臨界硼濃度測量可經決定且與預測值比較 之步驟。
  7. 如請求項1之物理測試方法,其中該監測及預測功率分佈係在通過該亞臨界功率範圍內的該預選定偏差內,該方法包含當該反應器變成臨界直到上達一預定功率範圍時,繼續比較該分析預測功率分佈與該監測功率分佈之步驟。
  8. 如請求項1之物理測試方法,其中該抽出步驟從該爐心連續地抽出該等控制棒。
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