压水堆核电机组超功率风险控制

压水堆核电机组超功率风险控制

肖文超

（台山核电合营有限公司 广东 台山 529000）

摘要：压水堆核电机组运行控制的一项重大任务就是避免反应堆超功率。反应堆超功率有两种可能的原因，反应堆本身的控制异常导致核功率异常上涨超功率或二回路热功率的异常上涨导致核功率超限。这两大类故障模式又分别包含多种可能的故障原因。压水堆核电机组的运营过程中为避免反应堆超功率有一系列成熟的管理措施和技术手段。

关键词：压水堆核电机组；核功率；热功率；超功率；风险控制。

前言

压水堆核电机组运行过程中面临的一项大的风险是反应堆超功率，反应堆超功率可能直接导致包容放射性的三道屏障的失效，导致发生严重的事故，因此设计上为避免反应堆超功率在控制和保护上设置了多道屏障，核电机组运行过程中的控制焦点之一也是把反应堆的功率控制在预期范围内。本文简述反应堆超功率可能的原因及避免超功率的控制手段。

反应堆超功率可能的原因有两个方面，一种是反应堆本身的核功率控制异常导致核功率上涨超功率；另一种原因是机组的二回路（也就是汽轮发电机组及其辅助设施）缺陷或控制失误导致热功率超功率，在堆跟机模式下热功率超限会导致反应堆超功率。以下从这两个方面分别从日常运行和瞬态这两种工况来介绍核电机组超功率的原因及控制手段。

1. 超核功率

核功率超功率的风险主要是达到核功率高停堆阈值后反应堆自动停堆。日常运行期间大致有以下场景可能导致核功率接近或达到停堆保护阈值。

1. 甩负荷或停机停堆后再次升回满功率。反应堆内氙毒（Xe）的积累使得堆芯径向中子通量展平，中子泄漏增多，堆外核功率仪表测量值会明显增大，核热功率偏差增大，在热功率未达100%时核功率达到停堆阈值导致停堆。应对这种情况有以下管理或技术手段：通过设置临时监视阈值和偏差阈值等手段始终保持对核功率和热功率及两者的偏差监视； 核热功率偏差大时，避免仅参考热功率就升到满功率；怀疑仪表故障时，及时校核反应堆的堆外核功率测量仪表。

2. 控制棒棒组不在其参考值。当最为接近核功率探测器的控制棒组不在其参考位置时，其棒位影响泄漏出堆芯的中子数量进而影响核功率仪表的测量值，若棒位过高，导致堆外核功率仪表测量值偏大，可能导致达到停堆保护阈值。应对这种情况的控制手段通常是：保持对核、热功率的持续监视；避免氙毒或过量硼化导致堆芯外围的控制棒位置过高，当其位置偏高时及时通过稀释进行压制以避免核功率偏高。

3. 定期的堆芯物理试验的参数校刻期间可能因参数设置导致核功率高而自动停堆。避免这种事件的发生必须在防人因失误方面下大力气，通常有以下管理手段：试验过程中始终保持对核、热功率的持续监视；作业期间使用监护操作等防人因失误工具。

4. 可能导致超核功率的操作失误、设备异常及瞬态：（1）误稀释或自动补给偏稀释：这种异常会向反应堆引入正反应性，导致核、热功率均上升，也可能导致功率的变化速率超出限制要求。避免发生这种异常的管理和控制手段通常为：所有反应性相关操作必须严格遵守反应性操作相关要求；保持对核、热功率及堆芯冷热的持续监视；当自动补给启动后要及时检查自动补给动作及控制棒动作和堆芯冷热情况，一旦发生异常，立刻按照预先准备的预案进行干预。（2）操作控制棒时棒位设置错误。控制棒棒位设置异常，当插棒设置成提棒时会快速向反应堆引入正反应性，导致核、热功率均上升，也可能导致功率的变化速率超出限制要求。避免发生这种失误的管理和控制手段通常为：所有控制棒相关操作必须严格遵守反应性操作相关要求，由高岗位或管理人员进行监护操作。（3）汽轮机功率等参数设置错误。这样的失误会导致机组的核功率热功率跟随汽轮机功率快速上升。避免发生这类失误的方法也是管理上的严格要求、监护操作。

2. 超热功率

热功率超功率的风险：一是超过热功率限制运行一级阈值触发热功率高闭锁升功率、闭锁提棒、防止稀释等动作、达到限制运行二级阈值则触发热功率高自动降低发电机功率（甩负荷），违反运行技术规范要求；二是热功率高达到反应堆保护阈值后导致反应堆停堆。日常运行期间大致有以下场景可能导致机组热功率达到限制运行阈值或反应堆停堆保护阈值。

1. 最终热阱（对于核电机组来水通常是海水）温度升高。海水温度波动造成二回路真空变化影响汽轮机效率，可能造成热功率超功率。避免因热阱温度升高导致机组超功率，一是在监视方面要运用DCS特点通过设置临时阈值提醒手段来始终保持对热功率和真空的监视；同时根据热功率趋势适当降低电功率以避免接近保护阈值。

2. 机组满功率状态进行二回路主给水泵的切换操作。这种操作有以下两大风险：一是暖泵不足或冷态启动导致给水温度降低，造成堆芯过冷超功率；二是由于百万千瓦级别的核电机组其二回路主给水泵功率非常大，泵组启动期间可能造成电压波动进而造成反应堆的主泵转速波动，导致机组功率变化速率超过运行技术规范的控制。要避免发生此类情况，必须保持对核、热功率的持续监视； 二回路主给水泵的备用泵保持暖泵状态；启停主给水泵前，可以根据汽轮发电机组的控制特性将其供汽阀门固定在恒定开度，泵组启动稳定后再恢复自动控制；满功率进行此类泵的切换后关注给水温度的变化，如果预期热功率上涨，则提前适当降低功率。

3. 二回路蒸汽量异常增加。导致二回路蒸汽量增加的原因有多种，主要是蒸汽管线泄漏或蒸汽排放阀的失控开启。二回路蒸汽回路泄漏，蒸汽量增加会导致堆芯温度降低，温度降低对反应堆引入正反应性，导致核、热功率上升。人为误操作或设备故障导致蒸汽排放阀门开启，排出额外蒸汽，也相当于蒸汽的外漏，向反应堆引入正反应性，导致核、热功率上升。实际机组的运营活动中为避免发生和应对这种瞬态主要通过以下管理和控制手段：设置临时监视阈值等保持对机组核、热功率的持续监视，及时发现功率上涨；保持对堆芯冷热的持续监视；一旦发现有蒸汽泄漏时及时隔离泄漏或降低汽轮机功率以避免热功率超限。

4. 二回路抽气再热相关系统疏水切换失败导致二回路效率降低进而导致机组热功率超限。主要包括以下几种故障类型：抽气再热系统加热器壳侧的疏水泵跳泵导致应急疏水阀开启，或者应急疏水阀自身故障失控开启导致二回路效率下降；加热器/再热器隔离导致二回路效率下降。这种故障模式的避免方法及应对手段如下：持续监视各个疏水泵的运行状态，满功率时若发现跳泵立即手动降低发电机功率；发现抽气再热系统加热器隔离后立即以最大允许速率降低发电机功率；机组满功率时若发现抽气再热系统应急疏水阀开启立即手动降低发电机功率。

5. 汽轮发电机组背压上涨导致效率降低，可能导致机组热功率超限。背压上涨有多种可能的原因，最主要有以下三种：一是冷凝器及相连真空系统存在泄漏，二是提供海水持续冷却低压缸排汽的泵组故障跳闸或出力降低，三是持续抽出凝汽器不凝结气体的抽气系统存在缺陷导致抽气效率降低，进而导致背压上涨。应对背压上涨的手段如下：持续监视冷凝器真空情况；根据真空情况适时投入备用前置抽气器和真空泵；根据真空情况适时主动降低机组电功率以避免热功率超限。

作者简介：肖文超，男，1985-，工程师，现从事核电厂运行控制工作。