1、第5章 核電廠反應堆控制系統5.1壓水堆反應性系數和自穩特性5.2壓水堆核電廠穩定運行方案5.3壓水堆核電廠負荷運行方式5.4 反應堆控制的物理基礎5.5 反應性控制5.6 控制棒組件及其驅動機構5.7 壓水堆功率分布控制5.8 反應堆功率水平控制5.1壓水堆反應性系數和自穩特性 在反應堆運行過程中，由于核燃料的不斷消耗和裂變產物的不斷積累，反應堆內的反應性就會不斷減少； 反應堆功率變化也會引起反應性變化。 為使反應堆在運行過程中能補償上述效應引起的反應性損失，反應堆的初始燃料裝載量必須比維持臨界所需的量多得多，使堆芯壽命初期具有足夠的剩余反應性。 為補償反應堆的剩余反應性，在堆芯內必須引入適

2、量的可隨意調節的負反應性。此種受控的反應性既可用于補償堆芯長期運行所需的剩余反應性，也可用于調節反應堆的功率水平，還可作為停堆手段。 在壓水堆引起反應性變化的主要是燃料、慢化劑和毒物。1） 慢化劑溫度系數 慢化劑水的溫度升高時，水膨脹，密度減小，慢化能力減弱，使反應性變小，故溫度系數是負的。由于壓水堆是載硼運行，溫度升高時，硼毒作用將隨硼密度減小而下降，使反應性增大，故硼酸的反應性溫度系數是正的，如果硼酸濃度足夠大，慢化劑溫度系數將變為正的。而壓水堆在功率運行時，要求慢化劑溫度系數是負的，該溫度效應響應時間較長(約幾秒)。因此，在反應堆溫度效應反饋中起決定作用。5.1壓水堆反應性系數和自穩特性

3、5.1.1 壓水堆的溫度系數壓水堆的溫度系數2)燃料溫度系數 燃料反應性溫度效應主要是由U238的共振吸收隨溫度變化引起的。燃料溫度的上升導致燃料有效吸收截面增大，中子吸收增大，所以， U238的燃料溫度系數總是負的。并且響應時間僅零點幾秒。5.1壓水堆反應性系數和自穩特性5.1.1 壓水堆的溫度系數壓水堆的溫度系數3)毒物對反應性的影響 在核裂變過程中，生成了能吸收大量熱中子的裂變碎片氙和釤等。氙和釤吸收大量熱中子而引起反應性的變化，稱為中毒效應。中毒過程較復雜，在一定頻率范圍內又可能引起氙振蕩。由于振蕩頻率低，約為0.22周天，可手動控制消除。中毒的影響需要在功率變化幾小時后才能明顯表現出

4、來，對功率調節系統的特性影響不大。5.1壓水堆反應性系數和自穩特性5.1.1 壓水堆的溫度系數壓水堆的溫度系數5.1壓水堆反應性系數和自穩特性5.1.2 壓水堆的自穩特性壓水堆的自穩特性 影響反應堆動態特性的主要因素是燃料溫度系數和慢化劑溫度系數。壓水堆溫度系數總是設計成負的。這個內部負反饋作用使反應堆具有自穩自調特性。 所謂自穩性是指反應堆出現內、外擾動時，反應堆能維持原功率水平的特性。5.1壓水堆反應性系數和自穩特性5.1.2 壓水堆的自穩特性壓水堆的自穩特性自穩性：指反應堆出現內、外擾動時，反應堆能維持原功率水平的特性。 例如，當反應堆引入一個正的反應性擾動pex時，反應堆中子通量將突然

5、增加n ，燃料溫度增加Tf ，慢化劑平均溫度跟著增加Tavg ，由于溫度效應產生一個負反應性，抵消了正反應性擾動的作用，最后，中子通量基本上能恢復到初始值。5.1壓水堆反應性系數和自穩特性5.1.2 壓水堆的自穩特性壓水堆的自穩特性 自調性：是指負荷變化時，反應堆自身能迅速達到熱平衡。 例如：汽輪機負荷功率汽機轉速汽機調節閥開度蒸汽流量蒸汽壓力Ps和蒸汽溫度Ts均都Tavg反應性中子通量n 燃料溫度Ts Tavg 反應性反應堆功率與負荷要求一致。從而反應堆功率穩定在一個與負荷功率相一致的新的功率水平。5.2壓水堆核電廠穩定運行方案 核電廠穩態運行方案：指反應堆及動力裝置在穩態運行條件下，以負荷

6、功率或反應堆功率為核心，各運行參數，如，溫度、壓力和流量等應遵循的一種相互關系的特性。 核電廠的輸出功率PH與蒸汽發生器一次側和二次側的溫度差有如下聯系： 式中，(UA)S蒸汽發生器一次側到二次側的等效傳熱系數W；Tavg、Tc和Th分別為一回路冷卻劑平均溫度、堆進口溫度和堆出口溫度，；Ts蒸汽發生器二次側蒸汽溫度，。 5.2壓水堆核電廠穩定運行方案 反應堆輸出功率Pn可表示為 式中，F一回路冷卻劑流量，Kgs： Cp冷卻劑水的比熱，JKg。 核電廠運行的目標是使Pn=Ph。為進行這種調節，應選擇能反映堆功率與負荷二者之差的量作為主調節量。 核電廠穩態運行控制方案一般有三種：Tavg恒定運行模

7、式，蒸汽發生器蒸汽壓力Ps恒定運行模式和Tavg隨功率變化運行模式。5.2.1冷卻劑平均溫度恒定的運行方式冷卻劑平均溫度恒定的運行方式5.2壓水堆核電廠穩定運行方案 Tavg恒定運行模式是指壓水堆核電廠一次冷卻劑平均溫度Tavg 在整個功率范圍內保持恒定不變的運行方式。 用P1表示一回路的輸出功率，P2表示二回路的輸出功率。當一次冷卻劑流量保持不變時，則有： 式中K是與蒸發器熱交換系數和熱交換面積有關的常數， Tavg是一回路冷卻劑平均溫度，Ts是蒸汽發生器出口的蒸汽溫度。 圖表示出Tavg恒定的運行模式。這種運行方式的優點是適應反應堆的自調特性，穩定性好。另外，由于Tavg恒定，冷卻劑容積變

8、化小，穩壓器的尺寸相對可以小。522 蒸汽壓力恒定的運行方式蒸汽壓力恒定的運行方式 蒸汽壓力恒定是指在整個運行過程中，蒸汽發生器的蒸汽壓力Ps，保持不變。5.2.3 冷卻劑平均溫度隨功率線性變化的運行方式冷卻劑平均溫度隨功率線性變化的運行方式 平均溫度隨功率成線性變化的程序運行方式是一種熱和機械制約之間的折衷方式。現在，大多數壓水堆核電廠均采用此種穩態運行方案，Tavg隨功率的變化可由下式描述： 式中， Tav0為零功率時的平均溫度： K為Tavg與功率成函數關系的斜率。 此種運行方式之所以為一折衷方案，是因為它把在上述方案中二回路的全部負擔，由一回路、二回路共同承擔。其最大的優點是不致于造成

9、對二回路系統、設備的限制太厲害。5.3 壓水堆核電廠負荷運行方式壓水堆核電廠負荷運行方式 核電廠負荷運行方式主要有兩種：基本負荷(模式A)運行方式和負荷跟蹤(模式G)運行方式。5.3.1 基本負荷基本負荷(模式模式A)運行方式運行方式 汽輪機的功率跟隨反應堆的功率運行，即“機跟堆”運行方式。這種方式由于從電力系統向反應堆沒有反饋回路，控制系統較簡單。“機跟堆”模式是在低功率或事故工況下的一般控制模式。反應堆功率被控制到由操縱員設定的功率點。5.3.1 基本負荷基本負荷(模式模式A)運行方式運行方式5.3.2 負荷跟蹤負荷跟蹤(模式模式G)運行方式運行方式 根據設計的需要，負荷是變動的。要求反應

10、堆適應負荷變化的要求。這是一種“堆跟機”的運行方式。這種自動跟蹤負荷的控制方式，具有從電力系統向反應堆自動反饋回路，控制系統較為復雜。5.3.2 負荷跟蹤負荷跟蹤(模式模式G)運行方式運行方式5.3 壓水堆核電廠負荷運行方式壓水堆核電廠負荷運行方式 在機組采取比較緩慢的負荷跟蹤運行時，可以采用模式A。這種情況下調硼操作所排出的慢化劑數量比采用模式G要少得多。而在快速的負荷跟蹤運行時，情況正好相反。在燃料循環末期，用模式A不可能進行快速的負荷跟蹤運行。 模式A適合于帶基本負荷運行的機組，功率調節性能較差，但在運行過程中設備受到的熱應力較小，這將無疑地有利于安全和機組的壽命。 采用模式G功率調節系

11、統操作方式，可以使機組具有靈活的功率調節性能。在任何情況下機組可以參與負荷跟蹤和電網調頻運行。 模式A和模式G兩種運行模式在給定功率范圍內具有不同的功率變化速率。運行中，兩種運行模式可以根據工況要求相互轉換。5.4 反應堆控制的物理基礎5.4.1 有效增殖系數和反應性 通常把反應堆活性區中某一代中子數與前一代中子數之比稱為反應堆的有效增殖系數，用Keff表示。當Keff=1時，反應堆為臨界狀態，功率水平不變； 當Keff1時，為超臨界狀態，功率水平增大； 當Keff1時，為次臨界狀態，功率水平減小。5.4 反應堆控制的物理基礎5.4.1 有效增殖系數和反應性 在討論反應堆控制問題時，常用反應性

12、p這個術語。 反應堆偏離臨界程度的參數。從這個意義上說反應堆控制是通過調節其有效增殖系數，即調節反應性來實現的。當反應性為正時，反應堆功率增大：反應性為負時，堆功率減小；反應性為零時，堆功率不變。5.5 反應性控制 反應性控制，就是采取各種有效的控制方式，在確保安全的前提下，控制反應堆的剩余反應性。 所謂剩余反應性，就是當反應堆堆芯中沒有控制毒物時的反應性。用控制毒物補償剩余反應性，這樣，就可通過調節反應堆堆芯中毒物的多少達到控制剩余反應性的目的，以滿足反應堆長期運行的需要。 另外，通過控制組件適當的空間布置和最佳的提棒程序，使反應堆在整個堆芯壽期內，保持平坦的功率分布，使功率峰因子盡可能的小

13、。在外界負荷變化時，可通過控制棒調節反應堆功率，以適應外界負荷的變化。在反應堆出現事故時，能通過保護系統迅速落棒停堆，并保持一定的停堆濃度。5.5 反應性控制 反應性控制方法 對動力堆，通常新堆芯的剩余反應性很大。如果只用控制棒組件來補償剩余反應性，就需要很多控制棒，這在工程上很難實現，也不經濟。所以，常用控制棒組件、加裝可燃毒物棒和在冷卻劑中加入硼酸等聯合的控制方法。 a)控制棒 控制棒是由中子吸收材料(80Ag，15%In，5Cd)制成的棒狀控制元件。用于控制反應堆快速的反應性變化。 5.5 反應性控制b)慢化劑中可溶性毒物控制 慢化劑中可溶性毒物控制也稱化學與容積控制。其方法是在慢化劑中

14、加入一定濃度的可溶性中子吸收劑10B。通過調節溶液中硼酸濃度或溶液總體積來補償反應性。硼酸濃度控制有自動補償、稀釋、快速稀釋和加濃等方式。控制方式根據如下原則選擇： 伴隨著反應堆的啟動運行，由于從冷態到熱態運行中的溫度變化以及燃耗、中毒等引起的比較緩慢的反應性下降，采用稀釋的方法調節； 停堆、換料及補償氙的衰變引起的反應性增加，需要加濃調節。5.5 反應性控制c)可燃毒物棒控制 慢化劑中硼的濃度是有限制的。因此壓水堆用在堆內裝入中子吸收截面較大的物質，把它作為固定不動的控制棒裝入堆芯，用以補償堆芯壽命初期的剩余反應性。這種物質稱為可燃性毒物，一般為含硼玻璃棒。 在首次燃料循環開始時，它具有降低

15、對慢化劑中硼酸濃度的要求的作用。在第一壽期終了換料時，可燃毒物棒就去掉。可燃毒物棒在堆芯內是盡可能均勻地布置在沒有控制棒的導向管內。 壓水堆還進行燃料濃縮度控制。即238U燃料具有三種不同的濃縮度。例如：反應堆外圍區燃料的濃縮度最大為3.1，中心區組件成棋盤形，濃縮度有2.1和2.6兩種。這樣安排能調節并展平徑向中子通量密度。5.6 控制棒組件及其驅動機構控制棒組件及其驅動機構5.6.1控制棒組件控制棒組件（1）功能）功能（2）反應性價值）反應性價值（3）布置）布置（4）重疊運行）重疊運行5.6 控制棒組件及其驅動機構控制棒組件及其驅動機構5.6.2驅動機構驅動機構5.6 控制棒組件及其驅動機構控制棒組件及其驅動機構5.6.2驅動機構驅動機構控制棒控制棒提升時提升時各線圈各線圈通斷順序通斷順序5.6.3控制棒位置監測系統控制棒位置監測系統5.6 控制棒組件及其驅動機構控制棒組件及其驅動機構5.6.3控制棒位置監測系統控制棒位置監測系統5.7 壓水堆功率分布控制壓水堆功率分布控制5.7 壓水堆功率分布控制壓水堆功率分布控制5.7 壓水堆功率分布控制壓水堆功率分布控制5.8 反應堆功率