三门核电厂堆芯轴向功率分布的控制策略及异常分析

三门核电厂堆芯轴向功率分布的控制策略及异常分析
摘要：压水堆核电机组堆芯轴向功率分布控制的有效性直接关系到机组运行的
安全性和经济性。

三门核电是采用AP1000技术的第三代压水堆核电机组，其运
行控制模式与传统压水堆存在较大的差异，这也给堆芯轴向功率分布控制带来了
新的挑战。

本文介绍了AP1000机组机械补偿（MSHIM）运行策略下的轴向功率
分布控制特点，同时结合三门核电实际运行过程中遇到的轴向功率分布控制异常
问题，给出对应的原因分析和应对建议。

关键词：AP1000；轴向偏移；功率分布；MSHIM
1.引言
堆芯轴向功率分布是反应堆核设计及安全分析假设的输入条件，并与堆芯线功率密度直
接相关，因此良好的堆芯轴向功率分布控制，是压水堆核电机组安全稳定运行的前提。

国际
上不乏由于反应堆轴向堆芯功率分布异常而影响电站运行安全性与经济性的例子，据EPRI的
统计结果，在2000至2004年间，国际范围内多个核电厂出现轴向功率分布异常案例。

本文
介绍了AP1000核电机组堆芯功率分布控制的特点，同时结合三门1号机组首循环观察到的
轴向功率分布异常现象，予以评估分析并给出控制措施，为后续识别、预防和应对类似问题
提供参考和借鉴。

2.轴向功率分布简介
2.1轴向功率分布表征
压水堆中通常使用轴向偏移（Axial Offset，简称AO）来表征轴向功率分布不均匀的程度，轴向偏移（AO）定义为堆芯上半部与下半部功率的差与反应堆总功率之比（单位：%），即：其中，PT、PB分别为堆芯上、下部功率。

2.2轴向功率分布异常的定义
反应堆在运行过程中，出现堆芯轴向功率分布的实测值与预测值之间偏差较大的情况
（大于3%），称为轴向功率分布异常。

为方便后续描述，引入以下概念：
√M-AO：在标准状态下（参考棒位、满功率、平衡氙），基于在线堆芯功率分布监测系
统（BEACON），测量计算得到的AO。

√P-AO：堆芯核设计（在标准状态下）预测得到的AO。

√D-AO：M-AO与P-AO的偏差。

正的D-AO表示实测AO比预测AO更正，功率分布向堆
芯上部倾斜；负的D-AO表示实测AO比AO更负，功率分布向堆芯下部倾斜。

由于制造公差、设计偏差等因素，M-AO与P-AO存在一定差异，但偏差通常不超过3%（在核设计时已考虑3%的不确定性）。

如果|D-AO|>3%，则此偏差不能仅认为是设计中的不
确定性，必须进行额外地分析评估。

2.3 AP1000机组轴向功率分布控制要求
反应堆平衡状态下的轴向功率分布，对于安全分析是一项十分重要的参数，因为不同轴
向功率分布对于机组状态的响应是不同的，它决定了机组对于运行瞬态的响应，也直接影响
事故分析的结果。

因此，机组在实际运行过程中维持轴向功率分布与堆芯核设计的轴向功率
分布一致是十分必要且重要的工作，如此才能确保机组在面对运行瞬态时能够按照预期的方
向响应，也确保事故分析的假设得到满足。

西屋在MSHIM运行策略中明确，为确保AP1000反应堆现有安全分析的有效性，每一循环的轴向功率分布异常必须控制在如下范围内：
1.|D-AO|超过3%的时间不超过62EFPD（等效满功率天）；
2.|D-AO|超过4%的时间不超过31EFPD；
3.|D-AO|在任何时间不应超过5%。

2.4 AP1000机组AO控制特点分析
AP1000型机组采用全新的MSHIM控制策略，在该策略下AO控制与传统电厂有较大的
差异。

MSHIM使用高、低价值的控制棒组合对反应性进行机械调节，取代日常频繁调节可溶
硼的方式，这要求控制棒组长期处于堆内，导致控制棒组所在燃料组件轴向燃耗分布不均匀，在受压制组件上部产生燃耗阴影。

轴向燃耗阴影进一步导致组件轴向功率分布偏离，更易产
生轴向功率分布异常。

MSHIM策略下一回路平均温度（即功率）与AO的独立控制，由M棒组（主要由低价
值的灰棒组成）对一回路冷却剂平均温度进行控制，由AO棒组（高价值的黑棒）对AO进
行控制。

实际功率运行过程中，M棒组的动作会对堆芯AO产生影响（如图1所示），因此
需要频繁对AO进行控制，否则堆芯AO将很可能偏离正常运行范围。

三门核电1号机组是全球首台AP1000型机组，在调试过程中，首次到达满功率即出现
轴向功率分布异常的现象，D-AO达5.1%。

表1给出了接下来两个月的AO测量值与核设计预测值的偏差对比：
基于表1数据可以看出，无论是|D-AO|>3%的累积时间，还是|D-AO|>4%的累积时间，
均没有超出MSHIM控制策略要求的区间范围，同时堆芯的功率峰因子始终维持在设计要求
限值内。

因此，三门1号机组首循环寿期初出现的D-AO现象未对安全分析造成影响。

3.2 D-AO的原因分析
三门核电1号机组正式商运前，在不同功率平台需要开展大量的调试试验，堆芯AO自
动控制投入较晚，致使控制棒组长期处于较深的插入深度，AO长期处于偏负（相较于核设
计值）的状态导致轴向功率分布偏离预期。

AP1000核设计采用的参考棒位（以顺序1为例）为：MA=90swd，
MB=MC=MD=M1=264swd（即全提位置），AO=250swd。

而在调试期间，为配合调试试验，
经常需要将两组以上的M棒插到堆底，以保证足够的反应性调节能力，避免频繁调硼影响试验执行。

同时为确保AO控制的灵活性，AO棒组长期处于较深的棒位。

较深的插入棒位抑制了堆芯上部功率，堆芯AO向负的方向偏移较多。

当机组调试结束、回到满功率稳定运行状态、控制棒处于参考棒位附近时，上部被压制的燃耗得到释放，功率
向向堆芯上部倾斜，由此出现AO向正方向偏离的情况（即 D-AO>3%）。

3.3应对措施
对于已出现较大D-AO的三门核电1号机组，后续满功率运行的堆芯AO被严格控制在目标AO的±1%范围内。

该目标AO基于BEACON模拟计算得出，要求能够准确反映当前堆芯在参考棒位下的真实AO值。

同时增加目标AO的更新频度，当最新计算的目标AO和机组设置的目标AO偏差超过0.5%时，即对机组的目标AO进行更新，从而保证堆芯轴向功率分布的合理性，避免AO棒组插入堆芯过深。

随着燃耗加深，三门1号机堆芯D-AO逐渐减少，并最终回到3%（核设计不确定性）的范围内。

基于1号机组出现堆芯轴向功率分布异常的经验，2号机组在调试阶段通过以下几项措施对AO 控制进行了优化：
1.低功率（25%RTP以下）没有AO控制要求时，尽量将AO棒组置于较高的棒位；
2.25%-50%RTP之间，通过手动控制方式，以核设计提供的P-AO作为机组AO控制的目标值，尽量维持堆芯AO在技术规格书限制的范围内（-5%，+3%）；
3.50%RTP以上，通过手动或自动控制方式，以核设计提供的P-AO 作为机组AO控制的目标值，尽量维持AO在控制带内（±1%）；
4.增加调硼的频率，尽量避免M棒组插入过深。

通过上述措施，减少了2号机组调试期间对堆芯下部功率的压制，成功避免了轴向功率分布异常的出现。

三门核电2号机组达到满功率后AO趋势如下：
表2 三门核电2号机组AO趋势
此外，为消除反应堆轴向功率分布异常的风险或将其威胁降至最低，保障机组运行的安全性和经济性，三门核电进一步制定了如下的控制措施：
1.在换料设计阶段，通过对上一循环堆芯运行历史的精确跟踪与模拟计算，获得下一循环堆芯的准确响应，包括准确的AO预测值，确保下一循环安全分析要求得到满足；
2.在堆芯出现D-AO 之前，必定先出现燃料组件内D-AO 的现象，因此通过定期比较组件内AO 测量值（M-AO）与预测值（P-AO）的符合性，提前发现反应堆轴向功率分布异常。

4.结论
轴向功率分布异常是国际上较普遍的一个问题，而AP1000机组由于MSHIM运行控制策略的应用，进一步加深了轴向功率分布异常出现的风险。

三门核电1号机组由于调试期间控制棒组插入较深，导致寿期初轴向功率分布异常的出现，后续通过更为严格的堆芯AO控制策略，成功抑制了D-AO的进一步增大，避免对机组运行与安全风险造成较大的影响。

同时2号机组针对性采取了一系列AO控制优化措施，有效避免了轴向功率分布异常现象的发生。

本文所述的AO异常分析和控制措施也可为其它压水堆核电机组的轴向功率分布控制提供参考和借鉴。

参考文献
[1]杜超，AP1000 堆芯的燃耗阴影效应及其控制策略，核科学与工程，2016年,第36卷增刊：75－83（期刊文章类）.
[2]EPRI, PWR Axial Offset Anomaly Guidelines, Final Report, June 2004.。