尹志涛　严峰鹤

【摘 要】本文简要对基于MSHIM运行控制模式下负荷跟踪运行过程的堆芯物理特性进行分析，总结出核电厂编制负荷跟踪运行反应性管理计划的策略与建议，保证堆芯安全和负荷跟踪的顺利实施。

【关键词】核电厂；MSHIM；负荷跟踪

中图分类号： TM623 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2018）36-0020-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.36.009

Analysis of Physical Characteristics of Nuclear Power Plant Load Tracking Based on MSHIM Control Mode

YIN Zhi-tao1 YAN Feng-he2

（1.China Nuclear Liaoning Nuclear Power Co.， Ltd， Xingcheng Liaoning， 125112， China；

2.Nuclear and Radiation Safety Center， Ministry of Environmental Protection， Beijing 100082， China）

【Abstract】This paper briefly analyzes the core physical characteristics of the load tracking operation process based on the MSHIM operation control mode， and summarizes the strategies and recommendations for the nuclear power plant to prepare the load tracking operation reactive management plan to ensure the safe implementation of core safety and load tracking.

【Key words】Nuclear power plant； MSHIM； Load tracking

0 引言

核電厂在基负荷模式下运行具有最大的经济效益，并且在反应堆控制上也易于实现。但是随着核电市场份额的逐渐增大，以及风能、光伏等间歇性供电能源的并网，核电厂被要求更多的参与电网调峰，这对核电厂的运行控制方式以及负荷跟踪运行能力提出了要求。

机械补偿控制策略（MSHIM），通过先进电厂控制系统可以执行多种类型的负荷跟踪模式。负荷跟踪运行期间由于功率变化及氙毒影响，同时控制棒较深的插入堆芯，将导致堆芯功率峰因子安全裕量降低。因此负荷跟踪运行过程中物理特性的分析，对物理人员制定反应性管理计划具有重大意义，保证堆芯安全和负荷跟踪运行的顺利完成。

1 MSHIM控制模式

核电厂功率的改变将引起燃料和慢化剂温度、氙浓度和氙分布，以及轴向功率分布的改变。核电厂应采用合理的运行控制模式补偿堆芯反应性的变化，控制堆芯轴向功率分布在合理的范围之内。目前核电厂运行控制模式主要包括：A模式、G模式和MSHIM（机械补偿控制）模式。MSHIM（机械补偿）模式是美国第三代核电厂的控制模式。它以常轴向偏移控制方式为基础，采用两种功能独立的控制棒组（M棒组和AO棒组）分别进行堆芯反应性和轴向功率偏移的控制。M棒组采用价值相对较低的灰棒进行堆芯反应性控制，AO棒组采用价值相对较高的黑棒进行堆芯轴向功率部分的控制。核电厂在负荷跟踪运行模式下，灰控制棒组依照一定策略较为精确地控制堆芯慢化剂平均温度，快速补偿因燃料温度、慢化剂温度和氙变化等因素引起的反应性变化。AO棒组自动控制功率变化过程中堆芯轴向通量偏差在所要求的带宽内。在负荷跟踪运行中，MSHIM模式依靠控制棒进行堆芯功率水平和轴向功率分布的自动精确控制，不需要或者很少进行堆芯硼浓度的调节，极大地减轻了操纵员的负担。

在标准的基于MSHIM运行的核电厂中，堆芯中共有69个控制棒束组件，根据这69个控制棒束组件执行的功能，将其分为AO、M和SD共3个控制棒组。用于调整堆芯轴向的功率分布的轴向偏移控制棒组为AO棒组，共9个控制棒束。用于补偿因温度、功率或者氙毒变化引起的反应性变化的冷却剂温度反应性控制棒组为M棒组，共28个控制棒束，其中棒组MA、MB、MC、MD各4个，黑棒组M1和M2分别为4个和8个。停堆棒组SD棒组，共32个控制棒束，其中SD1、SD2、SD3、SD4各8个。堆芯中控制棒布置见图1。

2 负荷跟踪运行分析

2.1 物理特性分析

负荷跟踪运行降功率时，M棒将会下插以进行一回路平均温度的控制。功率降低将导致堆芯轴向偏差（AFD）向正方向偏移，为保持堆芯AFD在TAFD的调节带内，AO棒也将逐步下插。AO棒的下插同时也会引入负反应性，进一步降低一回路平均温度。如果堆芯功率降低速率较慢（小于0.5%/min），堆芯中氙含量将持续增加，可能会出现堆芯降功率的同时M棒组在逐步提升的现象。

当堆芯功率降到目标功率之后，氙含量将会慢慢达到峰值，M棒组将一直上提，以补偿氙毒积累引入的负反应性。M棒组的棒位会比负荷跟踪开始时的棒位要高。此时应关注M棒组棒位，应在其达到提升限（先导棒150步）之前，对硼浓度进行稀释。

在升功率至满功率过程中，M棒组将逐步提出堆芯，升功率将导致堆芯轴向偏差向负方向偏移，AO棒组需逐步提出堆芯以保持AFD在TAFD的调节带内。如果堆芯功率提升速率比较慢（小于0.5%/min），氙的消耗效应可能会导致堆芯升功率的同时，M棒组在逐步插入堆芯。在稳定满功率阶段堆芯氙浓度达到最小值，M棒组达到最低棒位。功率上升引入的负的轴向通量偏差以及M棒组插入过深，可能会导致AO棒组全提，而失去对堆芯AFD的控制能力。在返回满功率以后，AO棒通常会慢慢达到最高的位置。

在整个负荷跟踪过程中，M棒组移动范围较大，AO棒同时也会达到较高位置而有可能提出堆芯，因此在负荷跟踪前M棒组的初始棒位和TAFD的重新设定就显得尤为重要。

2.2 TAFD的设定

如上所述，当恢复至满功率后，可能导致AO棒组全提而失去堆芯AFD的控制能力。因此，应采取相应的措施来防止AO棒组全提。主要有两种方式：

（1）调硼。当恢复至满功率时，通过硼化来防止M棒组过深插入堆芯，避免AO棒组的全提。

（2）调整TAFD整定值。在负荷跟踪开始前，可将PLS中TAFD整定值调整为更负的值。AO棒控制更负的TAFD时，将更多的插入堆芯，以此避免AO棒的全提。AP1000允许在进行负荷改变或负荷跟踪期间，进行TAFD值的重新设定。新的TAFD值是根据参考棒位利用堆芯计算软件计算的，其值比基负荷下TAFD的值偏倚约-3%到-5%。调整成新的TAFD值后可在整个过程中实现AO棒对AFD的控制能力。

2.3 M棒的最佳初始棒位

相对于基荷运行，负荷跟踪时控制棒的移动频率和移动幅度会大幅增加。为避免负荷跟踪时M棒组频繁达到或接近提出限或插入限，需设定M棒组的初始棒位。该棒位的设定应确保M棒组在负荷跟踪过程中具备足够的堆芯功率控制能力。

初始棒位的设定应满足在氙浓度达到峰值时，M棒组棒位应确保距离提升限（150步）有足够的裕量。同时应确保M棒组在升功率后氙浓度达到最小时不会达到插入限。在实际负荷跟踪运行过程中，M棒组若接近其插入限或提出限时需进行调硼。

负荷跟踪过程中，M棒组的移动与功率变化速率、功率亏损、氙价值等因素有关，没有单一的初始棒位能够满足所有类型的负荷跟踪瞬态。因此对于特定的负荷跟踪，需通过BEACON系统进行堆芯计算，得出M棒组的最佳初始棒位。

2.4 功率峰因子

负荷跟踪运行过程中功率变化、氙毒及控制棒较深的插入堆芯等影响，会导致功率峰因子增加，使其安全裕量变小。因此在负荷跟踪运行中需时刻关注PLHR、DNBR和FΔh3个值的功率裕量，防止其超出限值。表示方便本文中用MPM（Minimum Power Margin）来表示PLHR、DNBR和FΔh三个参数中功率裕量的最小值。只要保证MPM的功率大于0，便可保证堆芯的安全。

综上所述，负荷跟踪反应性管理策略的制定应充分考虑负荷跟踪开始前的初始棒位和TAFD值。在负荷跟踪运行过程中，应时刻注意M棒组棒位、AO棒组棒位及堆芯安全参数MPM等。

3 总结

基于MSHIM运行控制模式是一种先进的控制模式，通过反应堆控制系统维持反应堆正常运行，同时可保证核电厂具有良好的负荷跟踪运行性能，反应堆工程师在进行负荷跟踪运行反应性管理策略制定时，需详细分析堆芯物理行為，综合考虑本文中提到的各种因素和限值影响，以保证堆芯安全和负荷跟踪运行的顺利实施。

【参考文献】

[1]叶青，杨波，汤春桃，党哈雷，等.负荷跟踪机械补偿运行策略研究[J].核科学与工程，2016年8月：Vol.34，No.4（459-464）.