反應堆控制原理

1、反應堆控制原理,核反應堆控制的物理基礎,1中子與原子核的相互作用 在核反應堆中，核燃料存放的區(qū)域是反應堆的心臟，稱為堆芯；在這里，有大量的中子在飛行，不斷地與各種原子核發(fā)生碰撞。碰撞的結果，或是中子被散射，或中子被原子核所吸收。這就意味著在反應堆內可能發(fā)生多種不同類型的核反應,2核反應截面和核反應率 (1)微觀截面 假定有一束平行中子，其強度為i，該中子束垂直打在一個面積為1m2、厚度為x m的薄靶上，靶內核密度是n，靶后放一個中子探測器，見圖51。由于中子在穿過靶的過程中會與靶核發(fā)生吸收或散射反應，使探測器測到的中子束強度i減??；記 i = i - i ，實驗表明,2)宏觀截面 工程實踐上要

2、處理的是中子與大量原子核發(fā)生反應的問題，所以又引入一個新的物理量：宏觀截面，符號為，定義是： =n,3)中子通量與核反應率密度 核反應率密度是單位時間內在單位體積中發(fā)生的核反應的次數(shù)。核反應率密度一般用r表示。為了導出r的表達式，定義另一個重要的物理量：中子通量 = nv 式中 n中子密度，即單位體積中的中子數(shù)目； v中子飛行的速度。 由此可見，中子通量是單位體積中所有中子在單位時間內飛行的總路程。利用中子通量和宏觀截面，就可以來計算核反應率密度： r=,上式是非常有用的，例如，已經知道了堆芯中核燃料的濃度和分布，就可以算出堆芯的宏觀裂變截面f；如果還知道了堆芯的中子通量 ，就可利用上式計算出

3、每秒鐘在每立方厘米堆芯體積內發(fā)生多少次裂變反應，進而可以算出堆芯的發(fā)熱強度等?？傊@個公式使我們可以從宏觀上了解核反應的強度,3截面隨中子能量變化的規(guī)律 核截面的數(shù)值決定于入射中子的能量和靶核的性質。大體上存在三個區(qū)域。 首先是低能區(qū)(一般e1ev)，在該能區(qū)吸收截面隨中子能量的減小而逐漸增大。 接著是中能區(qū)(1ev e 1x103ev)，在此能區(qū)內許多重元素核的截面出現(xiàn)了許多峰值，這些峰一般稱為共振峰。 在e 10 kev以后的區(qū)域，那里的截面一般小于10靶，而且截面隨能量的變化也趨于平滑,4中子的慢化 從上面介紹的核燃料微觀裂變截面隨中子能量變化的規(guī)律可知，低能中子引發(fā)燃料核裂變的“能力

4、”大大高于高能中子，然而，核燃料原子核裂變時放出的都是高能中子，其平均能量達2mev，最大能量可達10 mev。要建造低能中子引發(fā)裂變的反應堆，就一定要設法讓中子的能量降下來。這可以通過向堆中放置慢化劑，讓中子與慢化劑核發(fā)生散射反應來實現(xiàn)。 必須采用輕元素作為慢化劑，核反應堆中常用的慢化劑有水(氫)、重水(氘)和石墨(碳)等,慢化能力： s 慢化比： s a 每次散射碰撞后中子損失的能量 s慢化劑的宏觀散射截面 a為慢化劑的中子吸收截面,好的慢化劑小僅應該具有較大的慢化能力，還應該具有較大的慢化比。在幾種常用慢化劑中，水的慢化能力最強，故用水作為慢化劑的反應堆芯體積可以做得較小。但水的慢化比最

5、小，這是因為它的中子吸收截面較大，所以水堆必須用濃縮鈾作為燃料,5核反應堆臨界條件 自續(xù)鏈式裂變反應是核反應堆的物理基礎，當一個燃料核俘獲一個中子產生裂變后，平均可放出2.5個中子，即第二代中于數(shù)目要比第一代多，粗粗看來鏈式反應自續(xù)下去似乎是不成問題的，但實際情況并非如此,核反應堆內鏈式反應自續(xù)進行的條件用有效增殖系數(shù)k來表示： k=系統(tǒng)內中子的產生率系統(tǒng)內中子的消失率 系統(tǒng)內中子的消失率系統(tǒng)內中于的吸收率+系統(tǒng)內中子的泄漏率 若k 1，則堆芯內中子數(shù)目將隨時間而不斷減少，鏈式反應不能自己延續(xù)下去。此時反應堆的狀態(tài)稱為次臨界狀態(tài)。 若k 1，則堆芯內的中子數(shù)目將隨時間而不斷地增加，稱這種狀態(tài)為

6、超臨界狀態(tài)。 根據(jù)述討論，反應堆能維持自續(xù)鏈式裂變反應的臨界條件是 k 1 即核反應推處于臨界狀態(tài)，這時核反應堆芯部的大小稱為臨界尺寸(或臨界體積)。在臨界情況下反應堆所裝載的核燃料量叫做臨界質量,控制棒組件,1.結構 控制捧組件是一種快速控制反應性的工具，在正常運行時用于調節(jié)反應堆功率，在事故工況下快速引入負反應性，使反應推緊急停堆，保證核安全。圖中示出控制棒組件的結構?？刂瓢艚M件由星形架和吸收劑棒組成,壓水堆,壓水堆核電站采用以稍加濃縮的鈾作為核燃料、加壓輕水作為慢化劑和冷卻劑的熱中子核反應堆堆型,為保證反應堆能安全可系地運行，必須具備一整套相適應的控制保護系統(tǒng)，去執(zhí)行下列任務： 1啟動、

7、停維以及改變反應堆的功率 通過直接控制反應堆內的中子數(shù)目來改變反應堆的有效增殖系數(shù)k有效。 當反應堆啟動和提高功率時使k有效略大于1，則反應堆超臨界，中子數(shù)目增加，核反應增多，功率就上升，直至達到所要求的功率水平時，再維持 k有效1。 當反應堆降功率或停堆時，使k有效1反應堆處于次臨界。中子數(shù)目減少，功率下降，直至達到所需功率或完全停堆,反應堆控制原理,2.抵消過剩反應性 如果要反應堆在穩(wěn)定狀態(tài)下工作，必須保持k有效等于1。也就是說必須維持反應堆處于臨界狀態(tài)。但是，如果一個堆建成時正好是臨界，那么它就不能維持多久，因為燃料的消耗、裂變產物的積累會使k有效降低。因此建造一個反應堆應根據(jù)所要求的運

8、行期限，第一次裝入堆內的裂變燃料遠比最小臨界質量多得多，這樣，反應堆在開始時， k有效1，需要用控制棒、固體可燃毒物等來抵消這部分過剩反應性。以后隨著運行過程逐步地將控制棒提出，來釋放過剩反應性，到運行周期末需換料，并向堆內補進新燃料,3.維持功率水平 由于運行時的各種原因，會使反應堆功率偏離指定值。為了維持一定功率水平，用控制庫的自動調節(jié)來抵消各種引起功率波動的因 素。 4.保證堆的安全 反應堆在運行過程中可能會發(fā)生事故或出現(xiàn)某種緊急情況，控制保護系統(tǒng)應能快速動作，及時制止事故的發(fā)生和發(fā)展，以保證反應堆安全,由于反應堆內原子核反應速率非?？?，一般的加料、卸料等機械辦法是來不及控制核反應的，主

9、要是通過控制堆內中子數(shù)目以改變反應堆的原子核裂變數(shù)的方法來進行控制。通常采用下述幾種控制方法： (1)增加或減少核燃料； (2)增加或減少慢化劑； (3)增加或減少反射層； (4)增加或減少中子吸收劑，包括控制棒和固體可燃毒物等,最常用的方法是采用控制棒的方法。即用一種或幾種中子吸收截面很大的物質，如硼、鎘、釓、銀銦鎘等材料制成吸收棒，直接通過快速傳動機構插入或抽出堆芯來改變中子數(shù)目。 反應堆的控制過程中，由于參數(shù)多、時間短，準確性要求高。因此，一般都設計成手動、自動相互獨立的兩種控制系統(tǒng)，以確保安全可靠,pid（比例積分微分）英文全稱為proportion integration diffe

10、rentiation,反應堆控制系統(tǒng),反應堆控制系統(tǒng)(rrc)的功能是： (1)在穩(wěn)態(tài)運行期間，維持主要運行參數(shù)盡可能接近核電站設計所要求達到的最優(yōu)值，使電廠的輸出功率維持在所要求的范圍內； (2)使核蒸汽供應系統(tǒng)(nsss)能適應正常運行的各種瞬態(tài)工況，根據(jù)電網的要求和運行的需要，改變系統(tǒng)的運行狀態(tài)，保持操作上的靈活性； (3)在運行的瞬態(tài)或設備故障時，保持電廠主要參數(shù)在允許的范圍內，以盡可能減少反應堆保護系統(tǒng)的動作,為了滿足上述要求，核蒸汽供應系統(tǒng)配置了以下主要控制系統(tǒng) 反應堆功率調節(jié)系統(tǒng)； 反應堆平均溫度調節(jié)系統(tǒng)； 穩(wěn)壓器壓力控制系統(tǒng)； 穩(wěn)壓器水位調節(jié)系統(tǒng)； 蒸汽發(fā)生器水位調節(jié)系統(tǒng)； 蒸

11、汽排放控制系統(tǒng),核電站的控制模式,控制模式指反應堆操作時采用的方案，按照這種方案，運行人員在確保整個裝置安全運行在允許范圍內的同時，能夠使機組所發(fā)功率很好地適應電網需求。 壓水堆核電站在發(fā)展初期是帶基本負荷運行的，即連續(xù)以可行的最大功率運行，因而所考慮的控制模式是采用強吸收中子的調節(jié)棒組黑棒束，它能以較大的功率變化速度進行調節(jié)，但引起的中子注量率密度畸變將是很大的。當核電發(fā)展到在電力生產中占相當份額時，核電機組必須參與實時的發(fā)電功率與用電負荷相平衡的精細調節(jié)，即要求核電站參與電網的負荷跟蹤，實現(xiàn)調峰運行,為了提高電廠的靈活性，大亞灣核電站采用了一種稱為“g模式”的運行模式，其特點： (1)在控

12、制棒組件中有一些稱為“灰棒”的棒束，這種棒束由8根ag-in-gd吸收棒和16根不銹鋼棒組成，而黑棒束由24根ag-in-cd吸收棒組成?；野艄灿袃山M，其中g1組由4個灰棒束組成，g2組由8個灰棒束組成。 (2)有兩個調節(jié)系統(tǒng)，其中一個為開環(huán)調節(jié)回路，它跟蹤汽輪發(fā)電機組功率順序地調節(jié)棒組g1，g2，n1，n2；另一個回路通過調節(jié)r棒組來控制反應堆平均溫度,在負荷跟蹤運行時，功率調節(jié)棒組g1，g2，n1，n2依次插入堆芯并有一定的重疊(圖)，它們的位置取決于根據(jù)汽輪發(fā)電機組功率轉換而來的整定值，而可溶硼用于補償因氙、燃耗引起的慢反應性變化。由平均溫度調節(jié)系統(tǒng)控制的r棒組的作用則是補償由于弱的氙變

13、化或因灰棒組整定不準確而產生的剩余反應性變化，以及限制軸向功率偏差。然而，r棒組的移動被限制在一個調節(jié)帶內，以免引起過度的軸向功率畸變。一旦r棒組的移動超出調節(jié)帶，運行人員必須改變硼濃度，以使r棒回到調節(jié)帶內,g模式的優(yōu)點是，任何一種負荷跟蹤形式均不需要運行人員的干預，且對功率分布不會 產生軸向振蕩。 其缺點是，由于硼和棒束的作用清楚地分開，所以不允許負荷降低后用控制棒補償由氙變化引起的功率效應，這一缺點導致運行靈活性大為降低，尤其在反應堆循環(huán)末期緊急停堆后需要重新啟動的時候,反應堆功率調節(jié)系統(tǒng),反應堆功率調節(jié)系統(tǒng)是反應堆功率的開環(huán)調節(jié)系統(tǒng)，它使反應堆的功率迅速跟蹤二回路的功率。它根據(jù)二回路的

14、工況、控制模式和方式在幾個二回路功率需求值中選出一個作為跟蹤的功率，加上校正因子，作為功率整定值，然后將其轉換為棒位整定值。棒位實際值與整定值比較，其偏差的極性和大小決定了功調棒組g1，g2，n1n2的移動方向和速度。 四組控制棒按疊步程序一直移動到棒位偏差進入死區(qū)為止。圖921示出反應堆功率調節(jié)系統(tǒng)工作原理,1二回路功率選擇 有可能作為功調棒組跟蹤的二回路功率需求信導和選用條件如下所述。 (1)最終功率整定值 它是在汽輪機旁路系統(tǒng)gct投入運行時設置的。當汽輪機脫扣、超高壓斷路器斷開或gct置p模式時，就要選擇它作為反應堆功率的整定值。前兩種瞬態(tài)發(fā)生說明汽輪機的功率需求突然減少，這時反應堆仍

15、然維持一定的高于汽輪機需求的功率，多余的功率由排故系統(tǒng)排出。當汽輪機恢復用汽或用汽量增加時，先不改變反應堆功率，而是通過減少排放功率來滿足汽輪機蒸汽需求的變化，直到汽輪機功率增加到比最終功率整定值大時，再改選汽輪機功率以跟蹤之。這種運行方式的特點是比較好地保證汽輪機恢復或增加用汽時的負荷跟蹤性能。至于這兩種瞬態(tài)發(fā)生后最終功率整定值是多大，則視瞬態(tài)前汽輪機功率而定。如果瞬態(tài)發(fā)生前汽輪機功率大于或等于30 pn ，最終功率整定值就是30pn否則最終功率整定值即取瞬態(tài)發(fā)生前的汽輪機功率值,如果預計兩種瞬態(tài)之一發(fā)生后汽輪機短時不會恢復或增加用汽，則應手動轉為其他運行方式以降低反應堆功率，如改選gct壓

16、力模式。gct壓力模式是用調節(jié)蒸汽壓力的方法來調節(jié)平均溫度和反應堆功率的一種運行方式，常用于低負荷時升、降反應堆功率。此時最終功率整定值就是壓力整定值對應的功率值,2)汽輪機負荷參考值 它是汽輪機調節(jié)系統(tǒng)投自動模式時由操縱員設置的電功率。汽輪機調節(jié)系統(tǒng)按此參數(shù)調節(jié)進汽量以使發(fā)電機產生與之相等的有功功率。反應堆功率調節(jié)系統(tǒng)選擇這個信號據(jù)此移動功率調節(jié)棒，調節(jié)反應堆功率。由此可見，在汽輪機調節(jié)系統(tǒng)和堆功率調節(jié)系統(tǒng)均投自動時，堆功率與二回路功率在時間上的關系與其說是“跟蹤”，不如說是“同時”。兩個調節(jié)系統(tǒng)同時動作，使整個機組能快速響應電網負荷需求的變化,3)汽輪機開度參考值 它是汽輪機調節(jié)系統(tǒng)處于非

17、限荷方式時直接決定進汽閥開度的百分數(shù)蒸汽流量信號。它包括汽輪機手動控制信息，還包括負荷速降信息(負荷速降就是以200fpmin的速率降功率)。反應堆功率調節(jié)系統(tǒng)在汽輪機調節(jié)系統(tǒng)投手動時和負荷速降時選擇它，就可以位功率調節(jié)棒的動作與進汽閥同步,4)蒸汽流量限值和進汽壓力限值 在某些時候，根據(jù)安全、計劃或試驗的要求，必須把汽輪機功率限制在某一數(shù)值以下。 限制汽輪機功率的方法有兩個， 其一是限制汽輪機蒸汽流量，即由操縱員設定一個蒸汽流量 的最高值； 其二是限制汽輪機進汽壓力，即由操縱員設定一個進汽壓力的最高值。當正常方式下得到的汽輪機開度參考值比蒸汽流量限值或進汽壓力限值對應的蒸汽流量高時，汽輪機調

18、節(jié)系統(tǒng)即轉為限荷方法：取起限制作用的那個限值(即蒸汽流量限值與進汽壓力限值對應的流量值中的最低值)去計算進汽閥開度，使汽輪機功率等于所限定的功率。反應堆功率調節(jié)系統(tǒng)也選這兩個限值的最低值來調節(jié)堆功率，使堆功率與汽輪機功率相匹配,5)頻率控制和頻率貢獻 這兩個都是頻率調節(jié)信號，在一定條件下特其加到所選功率信號中，以便響應頻率波動,2功率校正因子 功率校正因子是利用主控室p7臺上的一個開關引入的，它給操縱員提供了臨時改變功調棒位的手段，在運行中非常有用。例如在功調棒手動自動切換中，為了使切換后無擾動，就要用它使功率調節(jié)棒位與其整定值一致,3摔位整定位與實際值 函數(shù)發(fā)生器1把功率整定值轉換為棒位整定

19、值。棒位實際值由疊步計數(shù)器給出。發(fā)生緊急停堆后，疊步計數(shù)器被復零，以后每提升功調棒一個疊步加1，插入一個疊步減1。所以疊步計數(shù)器的數(shù)值即代表功率調節(jié)棒的實際登步棒位,6，方問、速度信號 函數(shù)發(fā)生器3按棒位偏差信號的極性和大小生成移動功率調節(jié)棒的方向和速度傳導。當偏差增大到超出死區(qū)和回環(huán)以后，產生的速度信號是固定的，即每分鐘60步?；丨h(huán)為1步，死區(qū)的大小決定于功率整定值，由函數(shù)發(fā)生器2給出，在低負荷時為士1步，高負荷時為i 3步。設置死區(qū)和回環(huán)的目的是為了減少控制棒的頻繁移動。死區(qū)隨負荷改變是對調節(jié)系統(tǒng)的優(yōu)化，它使功調棒位引起的負荷偏差與汽輪機進汽閥位引起的負荷偏差相當。例如，假定汽輪機進汽閥的

20、實際位置與理論位置的偏差引起的負荷偏差為0.25fp，這,時就沒有必要使功率調節(jié)棒位對于負荷的精度高于0.25fp。在允許的負荷偏差一定的情況下，高負荷時允許的死區(qū)比低負荷時大，因為高負荷時功率調節(jié)棒的微分價值比低負荷時小。速度信號是模擬信號，方向信號是邏輯信號。插棒的方向信號在輸出之前先經過一個與門，只有在平均溫度低于其整定值的數(shù)值小于允許值(隨負荷而變）時才能生效，以防在平均溫度過低時插入功率調節(jié)棒,5時序信號 控制棒驅動機構電源將向、速信號轉換為時序電流信號，送往控制棒驅動機構三個線圈 (圖922)，從而使控制棒提升或插入。時序信號的頻率取決于速度信號的大小，設計極限為每分鐘72步用于刻

21、度試驗，每步為15875mm,平均溫度調節(jié)系統(tǒng),1功能 用調節(jié)r棒的方法保持一回路平均溫度盡可能接近由負荷決定的整定值；在穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)過程中，協(xié)助功率調節(jié)棒補償功率虧損；補償硼濃度變化引起的反應性變化，減少鉑向功率偏差,2平均溫度調節(jié)的物理機理 二回路功率p2由下式決定： p2 k(tbv一tv) 其中tbv為一回路平均溫度， tv為蒸汽發(fā)生器內飽和蒸汽溫度，k為比例系數(shù)。 由該式可見，增加一回路平均溫度和降低蒸汽發(fā)生器蒸汽溫度都可以使二回路功率增加。大亞灣核電站平均溫度整定曲線如圖923所示，平均溫度調節(jié)系統(tǒng)在二回路功率變化時調節(jié)r棒位以使平均溫度滿足這種關系。只要平均溫度等于由二回路功率決定

22、的整定值，即滿足圖923所示的關系，我們就說一回路功率與二回路功率匹配。平均溫度調節(jié)系統(tǒng)的干擾量很多，如二回路功率、硼濃度等，但主要的是二回路功率。當二回路功率改變時，如果不作任何調整，則會引起平均溫度反向變化。平均溫度變化又會,3溫度調節(jié)棒r的棒位 平均溫度調節(jié)棒r棒是黑棒，插入堆芯過深會引起嚴重的通量畸變。不管功率水平如何，r棒只能插入少許，通?？刂圃诙研卷敳恳粋€24步的范圍內，稱此范圍為調節(jié)帶。大范圍內的反應性變化已由功率調節(jié)棒補償，燃耗和員毒引起的慢性反應性變化可用調節(jié)硼濃度的辦法補償，因此需用r棒補償?shù)姆磻宰兓⒉淮螅?4步的調節(jié)帶范圍在正常情況下 是足夠了。在運行中，如果r棒超過

23、調節(jié)帶上限，則靠減少硼濃度(稀釋)使其返回調節(jié)帶；如果r棒超過調節(jié)帶下限，則靠增加硼濃度(硼化)使其返回調節(jié)帶。調節(jié)帶上限由實驗確定，要求該處r俸的微分價值25pcm。除了調節(jié)平均溫度外，r棒還有兩種作用：一是在階躍負荷變化、廠用負荷運行或大于2一3pnmin的線性負荷變化中協(xié)助功調棒p2是控制鈾向功率分布。這兩種情況下， r棒均有可能超出調節(jié)帶,4平均溫度調節(jié)系統(tǒng)工作原理 平均溫度調節(jié)系統(tǒng)工作原理示于固924，其要點是按綜合溫度偏差的極性和大小控制r棒的移動方向和速度(r棒的移動趨向于減少綜合溫度偏差)，一直移動到使進入死區(qū)范圍以內，從而使平均溫度等于或近似等于整定位，達到堆功率與二回路功率匹配或近似匹配的目的。 (1)平均溫度整定值 平均溫度速定值tml5函數(shù)發(fā)生器1根據(jù)二回路功率p2計算出