反应堆控制原理.ppt

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1、反应堆控制原理,核反应堆控制的物理基础,1中子与原子核的相互作用 在核反应堆中，核燃料存放的区域是反应堆的心脏，称为堆芯；在这里，有大量的中子在飞行，不断地与各种原子核发生碰撞。碰撞的结果，或是中子被散射，或中子被原子核所吸收。这就意味着在反应堆内可能发生多种不同类型的核反应。,2核反应截面和核反应率 (1)微观截面 假定有一束平行中子，其强度为I，该中子束垂直打在一个面积为1m2、厚度为X m的薄靶上，靶内核密度是N，靶后放一个中子探测器，见图51。由于中子在穿过靶的过程中会与靶核发生吸收或散射反应，使探测器测到的中子束强度I减小；记 I = I - I ，实验表明：,(2)宏观截面 工程实

2、践上要处理的是中子与大量原子核发生反应的问题，所以又引入一个新的物理量：宏观截面，符号为，定义是： =N,(3)中子通量与核反应率密度 核反应率密度是单位时间内在单位体积中发生的核反应的次数。核反应率密度一般用R表示。为了导出R的表达式，定义另一个重要的物理量：中子通量 = nv 式中 n中子密度，即单位体积中的中子数目； v中子飞行的速度。 由此可见，中子通量是单位体积中所有中子在单位时间内飞行的总路程。利用中子通量和宏观截面，就可以来计算核反应率密度： R= ,上式是非常有用的，例如，已经知道了堆芯中核燃料的浓度和分布，就可以算出堆芯的宏观裂变截面f；如果还知道了堆芯的中子通量 ，就可利用

3、上式计算出每秒钟在每立方厘米堆芯体积内发生多少次裂变反应，进而可以算出堆芯的发热强度等。总之，这个公式使我们可以从宏观上了解核反应的强度。,3截面随中子能量变化的规律 核截面的数值决定于入射中子的能量和靶核的性质。大体上存在三个区域。 首先是低能区(一般E1eV)，在该能区吸收截面随中子能量的减小而逐渐增大。 接着是中能区(1eV E 1x103eV)，在此能区内许多重元素核的截面出现了许多峰值，这些峰一般称为共振峰。 在E 10 keV以后的区域，那里的截面一般小于10靶，而且截面随能量的变化也趋于平滑。,4中子的慢化 从上面介绍的核燃料微观裂变截面随中子能量变化的规律可知，低能中子引发燃料

4、核裂变的“能力”大大高于高能中子，然而，核燃料原子核裂变时放出的都是高能中子，其平均能量达2MeV，最大能量可达10 MeV。要建造低能中子引发裂变的反应堆，就一定要设法让中子的能量降下来。这可以通过向堆中放置慢化剂，让中子与慢化剂核发生散射反应来实现。 必须采用轻元素作为慢化剂，核反应堆中常用的慢化剂有水(氢)、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损失的能量 s慢化剂的宏观散射截面 a为慢化剂的中子吸收截面。,好的慢化剂小仅应该具有较大的慢化能力，还应该具有较大的慢化比。在几种常用慢化剂中，水的慢化能力最强，故用水作为慢化剂的反应堆芯体积可以做得较

5、小。但水的慢化比最小，这是因为它的中子吸收截面较大，所以水堆必须用浓缩铀作为燃料。,5核反应堆临界条件 自续链式裂变反应是核反应堆的物理基础，当一个燃料核俘获一个中子产生裂变后，平均可放出2.5个中子，即第二代中于数目要比第一代多，粗粗看来链式反应自续下去似乎是不成问题的，但实际情况并非如此。,核反应堆内链式反应自续进行的条件用有效增殖系数K来表示： K=系统内中子的产生率系统内中子的消失率 系统内中子的消失率系统内中于的吸收率+系统内中子的泄漏率 若K 1，则堆芯内中子数目将随时间而不断减少，链式反应不能自己延续下去。此时反应堆的状态称为次临界状态。 若K 1，则堆芯内的中子数目将随时间而不

6、断地增加，称这种状态为超临界状态。 根据述讨论，反应堆能维持自续链式裂变反应的临界条件是 K 1 即核反应推处于临界状态，这时核反应堆芯部的大小称为临界尺寸(或临界体积)。在临界情况下反应堆所装载的核燃料量叫做临界质量。,控制棒组件,1.结构 控制捧组件是一种快速控制反应性的工具，在正常运行时用于调节反应堆功率，在事故工况下快速引入负反应性，使反应推紧急停堆，保证核安全。图中示出控制棒组件的结构。控制棒组件由星形架和吸收剂棒组成。,压水堆,压水堆核电站采用以稍加浓缩的铀作为核燃料、加压轻水作为慢化剂和冷却剂的热中子核反应堆堆型。,为保证反应堆能安全可系地运行，必须具备一整套相适应的控制保护系统

7、，去执行下列任务： 1启动、停维以及改变反应堆的功率 通过直接控制反应堆内的中子数目来改变反应堆的有效增殖系数K有效。 当反应堆启动和提高功率时使K有效略大于1，则反应堆超临界，中子数目增加，核反应增多，功率就上升，直至达到所要求的功率水平时，再维持 K有效1。 当反应堆降功率或停堆时，使K有效1反应堆处于次临界。中子数目减少，功率下降，直至达到所需功率或完全停堆。,反应堆控制原理,2.抵消过剩反应性 如果要反应堆在稳定状态下工作，必须保持K有效等于1。也就是说必须维持反应堆处于临界状态。但是，如果一个堆建成时正好是临界，那么它就不能维持多久，因为燃料的消耗、裂变产物的积累会使K有效降低。因此

8、建造一个反应堆应根据所要求的运行期限，第一次装入堆内的裂变燃料远比最小临界质量多得多，这样，反应堆在开始时， K有效1，需要用控制棒、固体可燃毒物等来抵消这部分过剩反应性。以后随着运行过程逐步地将控制棒提出，来释放过剩反应性，到运行周期末需换料，并向堆内补进新燃料。,3.维持功率水平 由于运行时的各种原因，会使反应堆功率偏离指定值。为了维持一定功率水平，用控制库的自动调节来抵消各种引起功率波动的因 素。 4.保证堆的安全 反应堆在运行过程中可能会发生事故或出现某种紧急情况，控制保护系统应能快速动作，及时制止事故的发生和发展，以保证反应堆安全。,由于反应堆内原子核反应速率非常快，一般的加料、卸料

9、等机械办法是来不及控制核反应的，主要是通过控制堆内中子数目以改变反应堆的原子核裂变数的方法来进行控制。通常采用下述几种控制方法： (1)增加或减少核燃料； (2)增加或减少慢化剂； (3)增加或减少反射层； (4)增加或减少中子吸收剂，包括控制棒和固体可燃毒物等。,最常用的方法是采用控制棒的方法。即用一种或几种中子吸收截面很大的物质，如硼、镉、钆、银铟镉等材料制成吸收棒，直接通过快速传动机构插入或抽出堆芯来改变中子数目。 反应堆的控制过程中，由于参数多、时间短，准确性要求高。因此，一般都设计成手动、自动相互独立的两种控制系统，以确保安全可靠。,PID（比例积分微分）英文全称为Proportio

10、n Integration Differentiation,反应堆控制系统,反应堆控制系统(RRC)的功能是： (1)在稳态运行期间，维持主要运行参数尽可能接近核电站设计所要求达到的最优值，使电厂的输出功率维持在所要求的范围内； (2)使核蒸汽供应系统(NSSS)能适应正常运行的各种瞬态工况，根据电网的要求和运行的需要，改变系统的运行状态，保持操作上的灵活性； (3)在运行的瞬态或设备故障时，保持电厂主要参数在允许的范围内，以尽可能减少反应堆保护系统的动作。,为了满足上述要求，核蒸汽供应系统配置了以下主要控制系统 反应堆功率调节系统； 反应堆平均温度调节系统； 稳压器压力控制系统； 稳压器水位

11、调节系统； 蒸汽发生器水位调节系统； 蒸汽排放控制系统。,核电站的控制模式,控制模式指反应堆操作时采用的方案，按照这种方案，运行人员在确保整个装置安全运行在允许范围内的同时，能够使机组所发功率很好地适应电网需求。 压水堆核电站在发展初期是带基本负荷运行的，即连续以可行的最大功率运行，因而所考虑的控制模式是采用强吸收中子的调节棒组黑棒束，它能以较大的功率变化速度进行调节，但引起的中子注量率密度畸变将是很大的。当核电发展到在电力生产中占相当份额时，核电机组必须参与实时的发电功率与用电负荷相平衡的精细调节，即要求核电站参与电网的负荷跟踪，实现调峰运行。,为了提高电厂的灵活性，大亚湾核电站采用了一种称

12、为“G模式”的运行模式，其特点： (1)在控制棒组件中有一些称为“灰棒”的棒束，这种棒束由8根Ag-In-Gd吸收棒和16根不锈钢棒组成，而黑棒束由24根Ag-In-Cd吸收棒组成。灰棒共有两组，其中G1组由4个灰棒束组成，G2组由8个灰棒束组成。 (2)有两个调节系统，其中一个为开环调节回路，它跟踪汽轮发电机组功率顺序地调节棒组G1，G2，N1，N2；另一个回路通过调节R棒组来控制反应堆平均温度。,在负荷跟踪运行时，功率调节棒组G1，G2，N1，N2依次插入堆芯并有一定的重叠(图)，它们的位置取决于根据汽轮发电机组功率转换而来的整定值，而可溶硼用于补偿因氙、燃耗引起的慢反应性变化。由平均温度

13、调节系统控制的R棒组的作用则是补偿由于弱的氙变化或因灰棒组整定不准确而产生的剩余反应性变化，以及限制轴向功率偏差。然而，R棒组的移动被限制在一个调节带内，以免引起过度的轴向功率畸变。一旦R棒组的移动超出调节带，运行人员必须改变硼浓度，以使R棒回到调节带内。,G模式的优点是，任何一种负荷跟踪形式均不需要运行人员的干预，且对功率分布不会 产生轴向振荡。 其缺点是，由于硼和棒束的作用清楚地分开，所以不允许负荷降低后用控制棒补偿由氙变化引起的功率效应，这一缺点导致运行灵活性大为降低，尤其在反应堆循环末期紧急停堆后需要重新启动的时候。,反应堆功率调节系统,反应堆功率调节系统是反应堆功率的开环调节系统，它

14、使反应堆的功率迅速跟踪二回路的功率。它根据二回路的工况、控制模式和方式在几个二回路功率需求值中选出一个作为跟踪的功率，加上校正因子，作为功率整定值，然后将其转换为棒位整定值。棒位实际值与整定值比较，其偏差的极性和大小决定了功调棒组G1，G2，N1N2的移动方向和速度。 四组控制棒按叠步程序一直移动到棒位偏差进入死区为止。图921示出反应堆功率调节系统工作原理。,1二回路功率选择 有可能作为功调棒组跟踪的二回路功率需求信导和选用条件如下所述。 (1)最终功率整定值 它是在汽轮机旁路系统GCT投入运行时设置的。当汽轮机脱扣、超高压断路器断开或GCT置P模式时，就要选择它作为反应堆功率的整定值。前两

15、种瞬态发生说明汽轮机的功率需求突然减少，这时反应堆仍然维持一定的高于汽轮机需求的功率，多余的功率由排故系统排出。当汽轮机恢复用汽或用汽量增加时，先不改变反应堆功率，而是通过减少排放功率来满足汽轮机蒸汽需求的变化，直到汽轮机功率增加到比最终功率整定值大时，再改选汽轮机功率以跟踪之。这种运行方式的特点是比较好地保证汽轮机恢复或增加用汽时的负荷跟踪性能。至于这两种瞬态发生后最终功率整定值是多大，则视瞬态前汽轮机功率而定。如果瞬态发生前汽轮机功率大于或等于30 Pn ，最终功率整定值就是30Pn否则最终功率整定值即取瞬态发生前的汽轮机功率值。,如果预计两种瞬态之一发生后汽轮机短时不会恢复或增加用汽，则

16、应手动转为其他运行方式以降低反应堆功率，如改选GCT压力模式。GCT压力模式是用调节蒸汽压力的方法来调节平均温度和反应堆功率的一种运行方式，常用于低负荷时升、降反应堆功率。此时最终功率整定值就是压力整定值对应的功率值。,(2)汽轮机负荷参考值 它是汽轮机调节系统投自动模式时由操纵员设置的电功率。汽轮机调节系统按此参数调节进汽量以使发电机产生与之相等的有功功率。反应堆功率调节系统选择这个信号据此移动功率调节棒，调节反应堆功率。由此可见，在汽轮机调节系统和堆功率调节系统均投自动时，堆功率与二回路功率在时间上的关系与其说是“跟踪”，不如说是“同时”。两个调节系统同时动作，使整个机组能快速响应电网负荷

17、需求的变化。,(3)汽轮机开度参考值 它是汽轮机调节系统处于非限荷方式时直接决定进汽阀开度的百分数蒸汽流量信号。它包括汽轮机手动控制信息，还包括负荷速降信息(负荷速降就是以200FPmin的速率降功率)。反应堆功率调节系统在汽轮机调节系统投手动时和负荷速降时选择它，就可以位功率调节棒的动作与进汽阀同步。,(4)蒸汽流量限值和进汽压力限值 在某些时候，根据安全、计划或试验的要求，必须把汽轮机功率限制在某一数值以下。 限制汽轮机功率的方法有两个， 其一是限制汽轮机蒸汽流量，即由操纵员设定一个蒸汽流量 的最高值； 其二是限制汽轮机进汽压力，即由操纵员设定一个进汽压力的最高值。当正常方式下得到的汽轮机

18、开度参考值比蒸汽流量限值或进汽压力限值对应的蒸汽流量高时，汽轮机调节系统即转为限荷方法：取起限制作用的那个限值(即蒸汽流量限值与进汽压力限值对应的流量值中的最低值)去计算进汽阀开度，使汽轮机功率等于所限定的功率。反应堆功率调节系统也选这两个限值的最低值来调节堆功率，使堆功率与汽轮机功率相匹配。,(5)频率控制和频率贡献 这两个都是频率调节信号，在一定条件下特其加到所选功率信号中，以便响应频率波动。,2功率校正因子 功率校正因子是利用主控室P7台上的一个开关引入的，它给操纵员提供了临时改变功调棒位的手段，在运行中非常有用。例如在功调棒手动自动切换中，为了使切换后无扰动，就要用它使功率调节棒位与其

19、整定值一致。,3摔位整定位与实际值 函数发生器1把功率整定值转换为棒位整定值。棒位实际值由叠步计数器给出。发生紧急停堆后，叠步计数器被复零，以后每提升功调棒一个叠步加1，插入一个叠步减1。所以叠步计数器的数值即代表功率调节棒的实际登步棒位。,6，方问、速度信号 函数发生器3按棒位偏差信号的极性和大小生成移动功率调节棒的方向和速度传导。当偏差增大到超出死区和回环以后，产生的速度信号是固定的，即每分钟60步。回环为1步，死区的大小决定于功率整定值，由函数发生器2给出，在低负荷时为士1步，高负荷时为i 3步。设置死区和回环的目的是为了减少控制棒的频繁移动。死区随负荷改变是对调节系统的优化，它使功调棒

20、位引起的负荷偏差与汽轮机进汽阀位引起的负荷偏差相当。例如，假定汽轮机进汽阀的实际位置与理论位置的偏差引起的负荷偏差为0.25FP，这,时就没有必要使功率调节棒位对于负荷的精度高于0.25FP。在允许的负荷偏差一定的情况下，高负荷时允许的死区比低负荷时大，因为高负荷时功率调节棒的微分价值比低负荷时小。速度信号是模拟信号，方向信号是逻辑信号。插棒的方向信号在输出之前先经过一个与门，只有在平均温度低于其整定值的数值小于允许值(随负荷而变）时才能生效，以防在平均温度过低时插入功率调节棒。,5时序信号 控制棒驱动机构电源将向、速信号转换为时序电流信号，送往控制棒驱动机构三个线圈 (图922)，从而使控制

21、棒提升或插入。时序信号的频率取决于速度信号的大小，设计极限为每分钟72步用于刻度试验，每步为15875mm。,平均温度调节系统,1功能 用调节R棒的方法保持一回路平均温度尽可能接近由负荷决定的整定值；在稳态和暂态过程中，协助功率调节棒补偿功率亏损；补偿硼浓度变化引起的反应性变化，减少铂向功率偏差。,2平均温度调节的物理机理 二回路功率P2由下式决定： P2 K(TBV一Tv) 其中TBV为一回路平均温度， Tv为蒸汽发生器内饱和蒸汽温度，K为比例系数。 由该式可见，增加一回路平均温度和降低蒸汽发生器蒸汽温度都可以使二回路功率增加。大亚湾核电站平均温度整定曲线如图923所示，平均温度调节系统在二

22、回路功率变化时调节R棒位以使平均温度满足这种关系。只要平均温度等于由二回路功率决定的整定值，即满足图923所示的关系，我们就说一回路功率与二回路功率匹配。平均温度调节系统的干扰量很多，如二回路功率、硼浓度等，但主要的是二回路功率。当二回路功率改变时，如果不作任何调整，则会引起平均温度反向变化。平均温度变化又会,3温度调节棒R的棒位 平均温度调节棒R棒是黑棒，插入堆芯过深会引起严重的通量畸变。不管功率水平如何，R棒只能插入少许，通常控制在堆芯顶部一个24步的范围内，称此范围为调节带。大范围内的反应性变化已由功率调节棒补偿，燃耗和员毒引起的慢性反应性变化可用调节硼浓度的办法补偿，因此需用R棒补偿的

23、反应性变化并不大，24步的调节带范围在正常情况下 是足够了。在运行中，如果R棒超过调节带上限，则靠减少硼浓度(稀释)使其返回调节带；如果R棒超过调节带下限，则靠增加硼浓度(硼化)使其返回调节带。调节带上限由实验确定，要求该处R俸的微分价值25pcm。除了调节平均温度外，R棒还有两种作用：一是在阶跃负荷变化、厂用负荷运行或大于2一3Pnmin的线性负荷变化中协助功调棒P2是控制铀向功率分布。这两种情况下， R棒均有可能超出调节带。,4平均温度调节系统工作原理 平均温度调节系统工作原理示于固924，其要点是按综合温度偏差的极性和大小控制R棒的移动方向和速度(R棒的移动趋向于减少综合温度偏差)，一直

24、移动到使进入死区范围以内，从而使平均温度等于或近似等于整定位，达到堆功率与二回路功率匹配或近似匹配的目的。 (1)平均温度整定值 平均温度速定值Tml5函数发生器1根据二回路功率P2计算出来的汽压力代表的汽轮机功率和最终功率整定值中的最大值。,(2)功率失配变化串 当二回路功率突然变化时，会造成一、二回路功率的短时失配。由于测量和传递的延误，平均温度测量值来不及反应实际平均温度的变化，造成闭环通道动作延缓。为了提高调节速度，特设置了开环通道。开环通道取功率失配变化率信号，并考虑了功率失配大小(函数发生器3在功率失配大时输出的K2值大，增大开环通道的作用)和二回路功率大小(函数发生器2在二回路功

25、率大时输出的K1小，以增加调节系统稳定性)。当开环通道出现故障时，可用转换开关只将其切除，引入“0”信号到偏差生成环节。,铟（英文：indium） 拼音：yn化学式：IN 元素用途：质软，能拉成细丝。纯态的金属铟几乎没有什么商业价值，主要用于制造合金，以降低金属的熔点。铟银合金或铟铅合金的导热能力高于银或铅。铟箔往往插入核反应堆中以控制核反应的进行，铟箔在反应堆中与中子反应后便呈现放射性，其呈现放射性的速度，可作为测量和反应进行的一个有价值的参数。,钆 拼音:g 元素符号： Gd 英文名： Gadolinium 中文名： 钆 相对原子质量： 157.25 常见化合价： +3 钆的两种同位素都是最有效的中子吸收剂，虽然因稀少而限制了其应用，但它们常用于制造核反应堆中的控制棒，起作用在于吸收中子从而有效的终止核反应堆中的链式反应的进行。,镉（g ，音隔） 元素符号：Cd元素类型：金属元素相对原子质量：112.4原子序数：48英文名称，CADMIUM，源kadmia，“泥土”的意思，1817年发现。和锌一同存在于自然界中。它是一种吸收中子的优良金属，制成棒条可在原子反应炉内减缓核子连锁反应速率。,核工业硼-10同位素是高效的热中子吸收剂。因此在核电站中它是安全和控制系统中所不可缺少的。特殊级（）硼酸用于核工业，它能够增加硼-10比例。,