1、第5章 核电厂反应堆控制系统5.1压水堆反应性系数和自稳特性5.2压水堆核电厂稳定运行方案5.3压水堆核电厂负荷运行方式5.4 反应堆控制的物理基础5.5 反应性控制5.6 控制棒组件及其驱动机构5.7 压水堆功率分布控制5.8 反应堆功率水平控制5.1压水堆反应性系数和自稳特性 在反应堆运行过程中，由于核燃料的不断消耗和裂变产物的不断积累，反应堆内的反应性就会不断减少； 反应堆功率变化也会引起反应性变化。 为使反应堆在运行过程中能补偿上述效应引起的反应性损失，反应堆的初始燃料装载量必须比维持临界所需的量多得多，使堆芯寿命初期具有足够的剩余反应性。 为补偿反应堆的剩余反应性，在堆芯内必须引入适
2、量的可随意调节的负反应性。此种受控的反应性既可用于补偿堆芯长期运行所需的剩余反应性，也可用于调节反应堆的功率水平，还可作为停堆手段。 在压水堆引起反应性变化的主要是燃料、慢化剂和毒物。1） 慢化剂温度系数 慢化剂水的温度升高时，水膨胀，密度减小，慢化能力减弱，使反应性变小，故温度系数是负的。由于压水堆是载硼运行，温度升高时，硼毒作用将随硼密度减小而下降，使反应性增大，故硼酸的反应性温度系数是正的，如果硼酸浓度足够大，慢化剂温度系数将变为正的。而压水堆在功率运行时，要求慢化剂温度系数是负的，该温度效应响应时间较长(约几秒)。因此，在反应堆温度效应反馈中起决定作用。5.1压水堆反应性系数和自稳特性
3、5.1.1 压水堆的温度系数压水堆的温度系数2)燃料温度系数 燃料反应性温度效应主要是由U238的共振吸收随温度变化引起的。燃料温度的上升导致燃料有效吸收截面增大，中子吸收增大，所以， U238的燃料温度系数总是负的。并且响应时间仅零点几秒。5.1压水堆反应性系数和自稳特性5.1.1 压水堆的温度系数压水堆的温度系数3)毒物对反应性的影响 在核裂变过程中，生成了能吸收大量热中子的裂变碎片氙和钐等。氙和钐吸收大量热中子而引起反应性的变化，称为中毒效应。中毒过程较复杂，在一定频率范围内又可能引起氙振荡。由于振荡频率低，约为0.22周天，可手动控制消除。中毒的影响需要在功率变化几小时后才能明显表现出
4、来，对功率调节系统的特性影响不大。5.1压水堆反应性系数和自稳特性5.1.1 压水堆的温度系数压水堆的温度系数5.1压水堆反应性系数和自稳特性5.1.2 压水堆的自稳特性压水堆的自稳特性 影响反应堆动态特性的主要因素是燃料温度系数和慢化剂温度系数。压水堆温度系数总是设计成负的。这个内部负反馈作用使反应堆具有自稳自调特性。 所谓自稳性是指反应堆出现内、外扰动时，反应堆能维持原功率水平的特性。5.1压水堆反应性系数和自稳特性5.1.2 压水堆的自稳特性压水堆的自稳特性自稳性：指反应堆出现内、外扰动时，反应堆能维持原功率水平的特性。 例如，当反应堆引入一个正的反应性扰动pex时，反应堆中子通量将突然
5、增加n ，燃料温度增加Tf ，慢化剂平均温度跟着增加Tavg ，由于温度效应产生一个负反应性，抵消了正反应性扰动的作用，最后，中子通量基本上能恢复到初始值。5.1压水堆反应性系数和自稳特性5.1.2 压水堆的自稳特性压水堆的自稳特性 自调性：是指负荷变化时，反应堆自身能迅速达到热平衡。 例如：汽轮机负荷功率汽机转速汽机调节阀开度蒸汽流量蒸汽压力Ps和蒸汽温度Ts均都Tavg反应性中子通量n 燃料温度Ts Tavg 反应性反应堆功率与负荷要求一致。从而反应堆功率稳定在一个与负荷功率相一致的新的功率水平。5.2压水堆核电厂稳定运行方案 核电厂稳态运行方案：指反应堆及动力装置在稳态运行条件下，以负荷
6、功率或反应堆功率为核心，各运行参数，如，温度、压力和流量等应遵循的一种相互关系的特性。 核电厂的输出功率PH与蒸汽发生器一次侧和二次侧的温度差有如下联系： 式中，(UA)S蒸汽发生器一次侧到二次侧的等效传热系数W；Tavg、Tc和Th分别为一回路冷却剂平均温度、堆进口温度和堆出口温度，；Ts蒸汽发生器二次侧蒸汽温度，。 5.2压水堆核电厂稳定运行方案 反应堆输出功率Pn可表示为 式中，F一回路冷却剂流量，Kgs： Cp冷却剂水的比热，JKg。 核电厂运行的目标是使Pn=Ph。为进行这种调节，应选择能反映堆功率与负荷二者之差的量作为主调节量。 核电厂稳态运行控制方案一般有三种：Tavg恒定运行模
7、式，蒸汽发生器蒸汽压力Ps恒定运行模式和Tavg随功率变化运行模式。5.2.1冷却剂平均温度恒定的运行方式冷却剂平均温度恒定的运行方式5.2压水堆核电厂稳定运行方案 Tavg恒定运行模式是指压水堆核电厂一次冷却剂平均温度Tavg 在整个功率范围内保持恒定不变的运行方式。 用P1表示一回路的输出功率，P2表示二回路的输出功率。当一次冷却剂流量保持不变时，则有： 式中K是与蒸发器热交换系数和热交换面积有关的常数， Tavg是一回路冷却剂平均温度，Ts是蒸汽发生器出口的蒸汽温度。 图表示出Tavg恒定的运行模式。这种运行方式的优点是适应反应堆的自调特性，稳定性好。另外，由于Tavg恒定，冷却剂容积变
8、化小，稳压器的尺寸相对可以小。522 蒸汽压力恒定的运行方式蒸汽压力恒定的运行方式 蒸汽压力恒定是指在整个运行过程中，蒸汽发生器的蒸汽压力Ps，保持不变。5.2.3 冷却剂平均温度随功率线性变化的运行方式冷却剂平均温度随功率线性变化的运行方式 平均温度随功率成线性变化的程序运行方式是一种热和机械制约之间的折衷方式。现在，大多数压水堆核电厂均采用此种稳态运行方案，Tavg随功率的变化可由下式描述： 式中， Tav0为零功率时的平均温度： K为Tavg与功率成函数关系的斜率。 此种运行方式之所以为一折衷方案，是因为它把在上述方案中二回路的全部负担，由一回路、二回路共同承担。其最大的优点是不致于造成
9、对二回路系统、设备的限制太厉害。5.3 压水堆核电厂负荷运行方式压水堆核电厂负荷运行方式 核电厂负荷运行方式主要有两种：基本负荷(模式A)运行方式和负荷跟踪(模式G)运行方式。5.3.1 基本负荷基本负荷(模式模式A)运行方式运行方式 汽轮机的功率跟随反应堆的功率运行，即“机跟堆”运行方式。这种方式由于从电力系统向反应堆没有反馈回路，控制系统较简单。“机跟堆”模式是在低功率或事故工况下的一般控制模式。反应堆功率被控制到由操纵员设定的功率点。5.3.1 基本负荷基本负荷(模式模式A)运行方式运行方式5.3.2 负荷跟踪负荷跟踪(模式模式G)运行方式运行方式 根据设计的需要，负荷是变动的。要求反应
10、堆适应负荷变化的要求。这是一种“堆跟机”的运行方式。这种自动跟踪负荷的控制方式，具有从电力系统向反应堆自动反馈回路，控制系统较为复杂。5.3.2 负荷跟踪负荷跟踪(模式模式G)运行方式运行方式5.3 压水堆核电厂负荷运行方式压水堆核电厂负荷运行方式 在机组采取比较缓慢的负荷跟踪运行时，可以采用模式A。这种情况下调硼操作所排出的慢化剂数量比采用模式G要少得多。而在快速的负荷跟踪运行时，情况正好相反。在燃料循环末期，用模式A不可能进行快速的负荷跟踪运行。 模式A适合于带基本负荷运行的机组，功率调节性能较差，但在运行过程中设备受到的热应力较小，这将无疑地有利于安全和机组的寿命。 采用模式G功率调节系
11、统操作方式，可以使机组具有灵活的功率调节性能。在任何情况下机组可以参与负荷跟踪和电网调频运行。 模式A和模式G两种运行模式在给定功率范围内具有不同的功率变化速率。运行中，两种运行模式可以根据工况要求相互转换。5.4 反应堆控制的物理基础5.4.1 有效增殖系数和反应性 通常把反应堆活性区中某一代中子数与前一代中子数之比称为反应堆的有效增殖系数，用Keff表示。当Keff=1时，反应堆为临界状态，功率水平不变； 当Keff1时，为超临界状态，功率水平增大； 当Keff1时，为次临界状态，功率水平减小。5.4 反应堆控制的物理基础5.4.1 有效增殖系数和反应性 在讨论反应堆控制问题时，常用反应性
12、p这个术语。 反应堆偏离临界程度的参数。从这个意义上说反应堆控制是通过调节其有效增殖系数，即调节反应性来实现的。当反应性为正时，反应堆功率增大：反应性为负时，堆功率减小；反应性为零时，堆功率不变。5.5 反应性控制 反应性控制，就是采取各种有效的控制方式，在确保安全的前提下，控制反应堆的剩余反应性。 所谓剩余反应性，就是当反应堆堆芯中没有控制毒物时的反应性。用控制毒物补偿剩余反应性，这样，就可通过调节反应堆堆芯中毒物的多少达到控制剩余反应性的目的，以满足反应堆长期运行的需要。 另外，通过控制组件适当的空间布置和最佳的提棒程序，使反应堆在整个堆芯寿期内，保持平坦的功率分布，使功率峰因子尽可能的小
13、。在外界负荷变化时，可通过控制棒调节反应堆功率，以适应外界负荷的变化。在反应堆出现事故时，能通过保护系统迅速落棒停堆，并保持一定的停堆浓度。5.5 反应性控制 反应性控制方法 对动力堆，通常新堆芯的剩余反应性很大。如果只用控制棒组件来补偿剩余反应性，就需要很多控制棒，这在工程上很难实现，也不经济。所以，常用控制棒组件、加装可燃毒物棒和在冷却剂中加入硼酸等联合的控制方法。 a)控制棒 控制棒是由中子吸收材料(80Ag，15%In，5Cd)制成的棒状控制元件。用于控制反应堆快速的反应性变化。 5.5 反应性控制b)慢化剂中可溶性毒物控制 慢化剂中可溶性毒物控制也称化学与容积控制。其方法是在慢化剂中
14、加入一定浓度的可溶性中子吸收剂10B。通过调节溶液中硼酸浓度或溶液总体积来补偿反应性。硼酸浓度控制有自动补偿、稀释、快速稀释和加浓等方式。控制方式根据如下原则选择： 伴随着反应堆的启动运行，由于从冷态到热态运行中的温度变化以及燃耗、中毒等引起的比较缓慢的反应性下降，采用稀释的方法调节； 停堆、换料及补偿氙的衰变引起的反应性增加，需要加浓调节。5.5 反应性控制c)可燃毒物棒控制 慢化剂中硼的浓度是有限制的。因此压水堆用在堆内装入中子吸收截面较大的物质，把它作为固定不动的控制棒装入堆芯，用以补偿堆芯寿命初期的剩余反应性。这种物质称为可燃性毒物，一般为含硼玻璃棒。 在首次燃料循环开始时，它具有降低
15、对慢化剂中硼酸浓度的要求的作用。在第一寿期终了换料时，可燃毒物棒就去掉。可燃毒物棒在堆芯内是尽可能均匀地布置在没有控制棒的导向管内。 压水堆还进行燃料浓缩度控制。即238U燃料具有三种不同的浓缩度。例如：反应堆外围区燃料的浓缩度最大为3.1，中心区组件成棋盘形，浓缩度有2.1和2.6两种。这样安排能调节并展平径向中子通量密度。5.6 控制棒组件及其驱动机构控制棒组件及其驱动机构5.6.1控制棒组件控制棒组件（1）功能）功能（2）反应性价值）反应性价值（3）布置）布置（4）重叠运行）重叠运行5.6 控制棒组件及其驱动机构控制棒组件及其驱动机构5.6.2驱动机构驱动机构5.6 控制棒组件及其驱动机
16、构控制棒组件及其驱动机构5.6.2驱动机构驱动机构控制棒控制棒提升时提升时各线圈各线圈通断顺序通断顺序5.6.3控制棒位置监测系统控制棒位置监测系统5.6 控制棒组件及其驱动机构控制棒组件及其驱动机构5.6.3控制棒位置监测系统控制棒位置监测系统5.7 压水堆功率分布控制压水堆功率分布控制5.7 压水堆功率分布控制压水堆功率分布控制5.7 压水堆功率分布控制压水堆功率分布控制5.8 反应堆功率水平控制5.8.1 冷却剂平均温度调节系统冷却剂平均温度调节系统任务：通过调节R棒组的位置来调节反应堆冷却剂的平均温度，使它与平均温度程序整定值相等。系统包括两部分：平均温度控制回路：闭环调节功率失配通道：开环调节5.8 反应堆功率水平控制5.8.1 冷却剂平均温度调节系统冷却剂平均温度调节系统5.8 反应堆功率水平控制5.8.1 冷却剂平均冷却剂平均温度调节系统温度调节系统5.8 反应堆功率水平控制5.8.1 冷却剂平均温度调节系统冷却剂平均温度调节系统5.8.2功率调节系统功率调节系统
