核反应堆物理运行分析.doc

核电站反应堆运行物理分析分类： 核反应堆工程|原子能技术|工业技术文献类型：pdf 和 txt出版时间：1996作者：章宗耀关键词：反应堆物理 反应堆运行 物理分析 堆芯跟踪期刊名称：核动力工程.1996,17(4).-311-317全文长度：9446个字文献来源： 第六图书馆机构：不详查看次数：103分类号：TL38全文： 核电站反应堆运行物理分析第六图书馆反应堆运行物理研究核电站反应堆运行、测量数据的处理和分析,从这些研究结果可获得有关核电站运行特性和安全裕量,从而指导核电厂的安全运行管理;同时获得改进设计的重要反馈。本文将讨论反应堆运行物理在几个主要领域内的分析理论和方法。反应堆运行物理研究核电站反应堆运行、测量数据的处理和分析,从这些研究结果可获得有关核电站运行特性和安全裕量,从而指导核电厂的安全运行管理;同时获得改进设计的重要反馈。本文将讨论反应堆运行物理在几个主要领域内的分析理论和方法。反应堆物理行物理分析堆芯跟踪核动力工程章宗耀不详1996第六图书馆反应堆运 核月 动力 工 程 ， 罗 ， 第 核电站反应堆运行物理分析章宗耀国棱动力研究设计院成都）中 （、一第年 幺 反应堆运行物理研究恢电站反应堆运行、剐量数据的妯理和分析从这些研究结果可获得有关核电站运行特性和安全裕量，从而指导核电厂的安全运行管理同时获进设计的重要匣导改馈。本文将讨论反应堆运行物理在几个主要领域内的分析理论和方法。关键词反应堆物理反应堆运行物理丹忻堆芯跟踪负荷跟踪 前 言 反应堆物理学可分为：设计物理、计算物理、实验物理和运行物理。随着我国核电事业的发展，核电站运行和管理的需要，系统、深入地研究核电站反应堆运行中的物理理论和方 法，无疑是非常必要的。 核电站的常规试验和运行中可通过各种测量手段获得反应堆运行特性参数对于反应 堆运行物理存在下列潜在的主要数据源：堆芯跟踪即在正常反应堆运行期问，通过仪， 表系统所获得的参数和数据的评价。专门试验，即通过启动物理试验和运行试验等特定试验可得到诸壹反应性温度系数、控制障价值、临界硼浓度等数据。辐照后实验，即通过这类实验，可得到燃料元件的局部燃牦、同位素生成等方面的数据。上述综合实验数据库中的许多参数是与惯电站安全运行限值直接相关的，它显示着反应堆的运行安全裕量并决定着运行策略。但从反应堆运行、试验所获得的原始数据，并不都能直接用于运行指导和设计验证。这是由于有些关键参数（如：全堆的功率分布、燃耗分例布、。等）不能直接测量，而是由测量数据的分析而导出。另外参数冽量工况也并不可能与参考或标准工况完全一致只有经过考虑工况差异下的各种修正后，才能得到可与设计值或理论计算结果相比较的实冽值。反应堆运行物理研究这些实数据的处理和分折从这些处理和分析中得到有关棱电站冽运行和安全裕量，从而为指导核电站运行提供敏据，研究核电站的运行策略，提高核电眭能站的安全性和经济性。同时，这些分析对棱电站设计规范和设计方法的实时反馈能够而且 必将不断地改进堆芯特性设计；使所有与功率分布、反应性效应等有关的主要参数的计算精度提高，达到主要参数的预言精度均在实验误差范围内本文将讨论反应堆运行物理分析在几个主要领域内的理论、方法和目前发展趋势 年月日收捣 第六图书馆 棱 动 力 工 程 堆芯跟踪堆芯功率分布测量分析堆芯功率分布测量是堆芯监的重要内容。核电站运行规程要求每经过一定的燃耗期冽（例如）必须用堆内探测器测量出堆芯通量图该项测量必须在反应堆稳定运行在额定功率以上主调节棒处于运行带的工况下进行。堆芯通量图只能在少数燃料组件（般为堆芯组件数的一至）测量。无测点组上 件的通量或功率则通过物理理论和数值方法，利用周围的测量值导出这个过程常称为扩展计算。目前，常用的扩展计算方法是利用堆物理程序计算的理论数据库（数据库包台堆芯该三维功率公布、测点处的中子通量等参数）通过插值、拟合等方法对堆内测量数据进行分析处理，将少数点测量值扩展到整个堆芯，而得到全堆的三维功率分布。西屋电气公司和法码通公可所发展的一、是著名的堆内量数据处理和分折程序。它测 们的物理慎型是将目标点的功率估计值表示成： 舶，羔 式中）分别表示测点在轴向位置处或所在堆芯轴向段的理论活：（和（）性和测量活性：（）：（分别为目标点一个无测量值组件或一根燃料捧）轴向和）（在 位置处或所在轴向段的理论计算功率和计功率；占 一是求和权重因子，它考虑 域内所有测量值对目标点的贡献份额利用（）将测量数据扩展到无测点组件或燃料式棒。它的精度取决于两个主要因素：堆有足够的测点。保证在估计点周围有足够的冽占应 量值可用来插值或拟合；有足够精确的理论数据库，该数据库能给出足够精确的三维堆芯功率分布特别是堆芯径向组件和燃料棒功率分市，测点处的快、热中予通量反应堆启动试验和运行工况下堆芯通量测量数据的处理和分析结果可提供堆芯三维功率分布实测值及其与安全有关的参数。例如功率峰因子、核焓升因子轴向偏移（，和功率象限倾斜等通过这些参数与设计限值的比较可评价反应堆运行安全裕）量，一旦发现这些参数超过限值。运行规程规定了应采取的处置措施。堆芯功率分布的实测结果还可用来校核堆外核测系统的读数；启动物理试验的测量结果有助于发现装料错误，防止燃料错装位事故；通过反应堆运行期内堆芯功率分布的跟踪测量值的处理和分析可获得燃料的辐照历史，为燃耗监测和堆芯燃料管理提供依据。目前的堆芯测量数据处理仍然是离线的。将堆芯测量数据处理和分析程序微机化并与 测量系统连接起来同时增加与设计限值的比较和运行规程的要求，可使堆芯测量对反应堆堆芯进行实时监督指导反应堆运行；它是今后研究和发展的方向硼浓度跟踪在运行工况下反应堆冷却剂系统和堆芯硼浓度的测量和分析可以评价堆芯反应性及其 变化核电站运行规程要求必须每月测量系统中的硼浓度并与预计的硼浓度随燃耗变化标准曲线进行比较对于任何测量值与标准值的偏离超过，必须进行分折并作出解释，决定相应的处置措施。所谓硼浓度标准曲线。是指在额定功率、无障、平衡氙条件下。 反应堆运行的临界硼浓度随燃耗的变化在核电站正常运行期间，硼浓度的常规量值可能不同于际准工况下的测量值，所测数侧值必须经规格他处理转换成等效值，这就是硼浓度跟踪分析的目的；即考虑在冽量工况下 第六图书馆 章宗瑶：棱电站堆运行物理分析豆应 反应堆状态与标准工况下的偏离所引起的聊浓度修正对测量值进行调整给出可与际准值相比较的等效值硼浓度修正可表示成： ：式中，：为测量值；剂温度，故（）可写成：式一 为可溶硼微分价值；为在标准工况下，引起 反应性变化的因素的反应性贡献。这些因素主要是功率水平、氙浓度、控制捧捧位和慢化 （一 户） ） 式中，一 、和分别表示上述因素对应于冽量工况与标准工况 户（） 的偏离所产生的反应性增量，它们分别表示： （）中的式和由理论计算给出。通常的做法是：分别计算出不同燃耗期堆芯不同功率水平、氙浓度、控制捧位和不同慢化剂温度下的反应性，列成表格或曲线；通过对应于测量工况参数的多项式插值，可得到各反应性终正量。例如对于多勒修正由堆物理程序计算出不同功率水平下的多勒功率亏损先对功率水平，后对燃耗成次进行抛物线插值便可得到对于慢化剂温度赂正，可采用下列计算公式：户）。 （。）（一）（、： 式中， ，分别为标准状态和测量工况下的慢化剂温度系数丁，丁则为慢化剂平均 温度，。由于慢化剂温度系数与堆芯硼浓度、燃耗、功率水平、慢化剂温度和氙状态有关，只有对标准工况下的行上列因素的一系列终正即对计算图表进行多次插值才能进获得测量工况下的慢化剂温度系数 反应堆运行跟踪分析在核电站常规运行中，记录了大量有关反应堆运行功率、临界硼浓度、冷却剂温度、控制捧捧位和轴向功率偏差等实测数据。利用这些运行参数，对反应堆运行进行跟踪分析，不仅可验证堆物理计算方法和程序而且对于预示反应堆的运行状态和燃耗寿期，研究核电 站的负荷跟踪能力和安全裕量，指导反应堆运行和换料设计部具有重要意义。用于反应堆运行跟踪分析的计算机程序，要求具有足够的计算精度和速度，一般采用等效轴向一维扩散程序，例如，这些程序能够处理慢化剂温度、功率多卜勒效应、氙和钐等非线性反馈，模拟控制捧的运动，描述燃料的燃耗“观伪燃耗”模型宏（对氙和钐的燃耗则采取显式处理）而。这类跟踪分析程序应具有对反应堆参数，例如硼浓度、控制捧棒位、轴向功率偏差等进行搜索的能力，并可用来研究反应堆运行模式和控制策略。 为了适应于跟踪分析，特别是在用三维节块程序进行跟踪计算时必须对大量的反应堆运行史和测量数据进行处理。这种处理的原则通常是根据反应堆运行的功率水平、捧位、硼浓度、燃耗和运行时问，将其等效处理成能合理反映真实运行状态又不致于计算量过大的 第六图书馆 檀 动 力 工 程 若干反应堆运行状态。例如根据反应堆运行功率将其分成若干等效运行功率段，对应每一运行段根据实测值确定每功率段的硼浓度、捧位、冷却荆温度和运行时问然后用跟踪分析程序对处理后的反应堆运行史进行计算分析井将计算结果与实测值进行比较。表列出了一 些重要参数可接受的计算偏差。表重要参数与可接受的计弗偏差 负荷跟踪研究随着能源系统中峻成份的增加核电站的负荷跟踪 重要参数临界礴浓度徽分酮浓度 偏差土 重要螽数 偏差 单束悻限讣价值士 土）慢化荆温度系暂 控柳悻积分值 土组件功辜井布， 士土） 能力变得越来越重要。核电站必须成为整个动力系统的注：功睾水平。为 组成部份，满足整个系统的负荷跟踪要求。通过手动调节蒸汽发生器定值或通过电网控制中心可睫核电站产生期望的电力输出。反应堆控制系统控制反应堆功率跟踪蒸汽发生器的输 出，使其产生足够合格品质的蒸汽供给透平机组。通过改变堆芯的控制吸收体量可改变 反应堆功率。与此同时，反应堆功率的变化伴随着由燃料多勒效应、冷却刺温度效应和瞬态氙中毒所产生的反应性变化，最终的功率水平将是这些因素的综合效应。负荷跟踪运行的物理分析必须研究这些反应性效应与吸收体（溶硼、控制捧等）引入之间的平衡吸收可的体的引入对堆性能的影响，确保负荷跟踪运行的安全。，反应性变化 在功率变化瞬态中，瞬态氙反应性特性足影响运行的主要因素。在功率提升过程中，氙毒反应性经历从零增长达到平衡的过程。对于一十级的反应堆最大氙反应性积 累可达到。这个过程大约在阶跃提升功率小时后达到平衡氙中毒对于降功率运行瞬态由于中子通量的下降，氙反应性在其平衡值上首先增加达到峰值后再下降到平衡值下或者接近于零。一般约氙反应性达到峰值取决于最终的功率水平在停堆以后（反应堆满功率运行足够长时间即 后，立即停堆）反应堆的最大反应性损失可能大于（为“坑”）称碘。因此，在接近反应堆寿朗末，堆芯剩余反应性已很，不可能在任何时刻克服此时的、 瞬态氙毒反应性，使反应堆的负荷跟踪能力受到限制。这种限制的程度取决于燃耗期和瞬态前、后的功率水平围示对表反应堆寿期末，反应堆从满功率稳定运行阶跃降到不同功率水平后，由于峰值氙中毒对返回到额定功率的时间和提升功率速率的限制在功率瞬态中由于燃料温度、冷却剂。 时间 囝 反应堆寿剐术泞堆后，提升功率的限制 温度的变化产生相应的反应性变化相对比较简单易于用吸收体管理来补偿，吸收体管理 为了使核电站具有台适的负荷跟踪能力和空转备用能力（ 第六图书馆 章宗耀：棱电站反应堆运行物理丹析 ），对核电站的设计和运行提出了新的要求。负荷跟踪能力是陵电站按照预期的日负荷需求改变功率水平的能力。而是在日负荷循环中对于一个不可预朗的系统需求的响应，从某一部份功率水平快速地将功率增加到菜一较高功率水平的能力。总之，为了使反应堆具有改变功率输出的能力要求提供下三方面的控制：功率水平控制轴向功率分布 和氙控制。功率水平控制属于反应堆输出短朗变化（钟量级）控制由功率水平变化所引分的起的反应性可由控制棒和可溶硼控制。前者控制快速反应性变化，后者补偿较慢的反应性变化。控制短期功率变化的第三种手段是冷却剂温度控制。为了提供优质的蒸汽品质运行中需控制冷却剂平均温度随功率水平改变。控制捧的运动和可溶硼的调整可维持冷却剂温度 于设计值但是在功率瞬态中，也可使冷却温度偏离设计值，利用反馈效应产生期望的功率变化。反应堆的晶大输出功率受到轴向和径向功率峰值的限制，在功率瞬态中功率水平和 功率峰因子。的乘积。不能超过技术舰恪书中规定的设计值才能确保反应堆安全。径向功率分布通常不能由操纵员控制，一旦堆芯设计后，在整个燃耗循环期内基本是常量；与此相反，在功率控制中，操纵员可以通过改变控制棒的位置影响轴向功率分布轴向功率峰因子对短期功率瞬态的影响是相当灵敏的。为了使反应堆给出最大的功率输出，必须控制轴向功率分布在允许的包绍值范围内。轴向功率分布用轴向偏移或）征。核电站（表常采用的常轴向偏移控制方法（）基本原理就是在功率瞬态中维持（在运行的或）图所规定的（，控制带内，严格限制超过控制带但仍在梯形运行图内的运行时间氙） 控制是控制氙中毒的大小和氙的轴向分布双重功能。由于氙变化是一个较缓慢的瞬态，在反应堆大部份寿期内，可用化容系统补偿氙致反应性瞬态。氙的轴向分布由方法控制。总之，功率控制涉及到使用固体控制俸、可溶硼和慢化剂温度改变堆芯反应眭的功率水平，而控制捧的移动必须维持轴向功率分布在运行带内，使总的功率峰固子在设计限值以下。所有这些控制手段构成负荷跟踪中吸收体管理策略。目前大多数饺电站被设计成按基本受荷运行模式（）行但仍具有一定的负运荷循环能力。例如按典型的（）方式进行受荷跟踪但其空转备用一（一”能力受到很大限制。为了提高反应堆的负荷跟踪能力和，反应堆设计上的一个重要变在 化是降低主调节悼组的价值（如通过减少棒组的捧柬数，变捧组在堆芯的位置）一例改般降到，以减小主调节捧下插对轴向功率分布的扰动。这佯，对于给定的 变化，可引入较大的反应性改变堆芯功率。另一个设计变化是加宽带，且向目标值的负方向扩展。负方向宽度与正方向宽度之比为到。控制带的加宽有两个作用：第一允许控制棒较深的插入；第二允许较大的功率，较大的功率峰因子与降低了的面斜捧价值相补偿。设计上的这些改变提高了改变堆芯功率和功率分布控制的灵活性从而提高反应堆受荷跟踪能力和。最近几年提出的运行方式旨在进一步提高压水堆核电站的负荷跟踪能力。 它的主要设计特点是；在堆芯设置若干低价值的灰体捧束，控制反应堆因负荷变化产生的快速、短期的反应性变化；对于长期的氙反应性变化仍用硼控制。主调节棒参与功率微调和慢化剂温度控制。在部份功率运行时，灰体捧组按际定曲线规定的位置插入堆芯补偿功率亏损。由于灰体捧的移动对轴向功率分布产生较小的扰动通过灰体捧价值及其重叠量的优化设计，易于满足功率分布控制的要求。的运行区域比要大且可满 第六图书馆 校 动 力 工 程 足功率峰因子和局部线功率密度的限制。的设计可以将反应堆整个寿期内的负荷跟踪功率变化率提高到每分钟额定功率；并以每分钟额定功率的速率随时返回到满功率运行。 延长循环期为了满足电网的需求，核电站有时希望在反应堆自然循环期末（仍能继续运行，）延长燃耗循环期。为了获得堆芯继续燃耗的反应性可蹦采取以下措施；降低反应堆功率；降低反应堆功率和冷却剂平均温度上述两件方式均使燃料温度和平衡氤中毒降低而获得反应性；第二种方式中冷却剂温度的降低带来较大的反应性增益，而使这种方式更为有效。因为在循环期终点，由于数值很大 的慢化剂负温度系数（一）约和燃料温度系数，同时获得较大的反应性用于延长运行期。对于一个级反应堆在可获得的反应性增益如图所示。 仅仅通过降低运行功率延长燃耗循环期芝属于正常运行规程范围，无需采取特殊措施但这种方式获得的反应性有限，因而延 长的运行期有限。在同时降低运行功率和冷却剂平均温度的运行方式中，由于蒸汽发生器人口温度的降低导致压力的下降等响应，对这种延长循环期运行方式存在