压水反应堆启动和停堆

John A. Bernard 轻水反应堆启动/停堆 第 1 页 共 1 页 轻水反应堆启动/停堆 Dr. John A.Bernard MIT 核反应堆实验室 John A. Bernard 轻水反应堆启动/停堆 第 2 页 共 2 页 轻水反应堆核电站启动 －轻水堆电站启动指的是所有运行系统（堆芯、主回路、稳压器、蒸 汽发生器、汽轮机、冷凝器等）从冷态停止状态到热态运行状态的过 程。临界的实现是这个过程的主要部分。然而电站加热过程中压力和 温度的协调、蒸汽的产生等也对电站安全非常重要。 －每个电站都有独特的特性，这也给启动流程带来了轻微的差 别。这里介绍的是 70 年代的西屋压水堆，随后是沸水堆的信息。启 动的细微过程细节是不重要的，这里需要学到的课程是：压力和温度 整体控制的必要性，观察加热限值和达到临界的约束条件。 John A. Bernard 轻水反应堆启动/停堆 第 3 页 共 3 页 压水反应堆 －和压水堆相关的题目包括： 和温度、压力和反应性条件相关的系统和部件。 核仪表 启动的限制状态（压力/温度） 启动流程 启动过程中的操作和安全要素 John A. Bernard 轻水反应堆启动/停堆 第 4 页 共 4 页 压水堆原理图 John A. Bernard 轻水反应堆启动/停堆 第 5 页 共 5 页 温度控制 －在一般运行条件下，通过平衡堆芯产生热和汽轮机输出能量来控制 温度。 －启动过程中，温度可以通过以下控制： 1稳压器的再循环（加热，打开卸压阀） 2运行主泵（摩擦热损失可以带来一个缓慢的加热过程） 3将反应堆堆芯在一个低功率下临界运行。 John A. Bernard 轻水反应堆启动/停堆 第 6 页 共 6 页 压力控制 －在一般运行环境下，压力是通过位于主回路和堆芯容器上方的稳压 器产生的。冷却剂在稳压器内沸腾从而把压力传递到过冷的主回路 中。稳压器是 680F，主回路是 650F。（住：一种常见的错误观念是主 泵提供压力，实际上主泵的作用是提供流动能量。） －启动过程中，压力能通过以下控制： 1人工操作充压和卸压系统。 2稳压器加热器。 3稳压器排放速率（产生气泡） 4稳压器喷淋（充满气泡） John A. Bernard 轻水反应堆启动/停堆 第 7 页 共 7 页 压水堆反应性控制 有四种可用设备来控制反应性，包括： 1可移动的控制棒 a全长度停堆棒：它们在启动时一般提出堆芯，并在运行时保持 这个状态，它们的功能是在突然的正反应性引入情况下保护堆 芯。 b全长度控制棒：它们用来产生次临界增殖并达到临界。它们也 被用来补偿启动时温度变化带来的负反应性，操作反应堆每分 钟提高 5％，补偿反应堆功率变化时引起的反应性变动。 2部分长度控制棒：它们用来调节功率分布，不是一次性全插入的。 3 可溶毒物（硼酸）：它们用来控制缓慢而长时间的反应性变化如燃 耗，长寿命裂变产物的积累，反应堆加热时的反应性效应，氙毒等。 John A. Bernard 轻水反应堆启动/停堆 第 8 页 共 8 页 压水堆反应性控制（续） 4负的慢化剂温度系数：这是一个设计特性，在一般状态下提供被动 安全性。堆芯是欠慢化的，这时中子不是充分热化的。如果功率升高， 冷却剂温度上升且密度下降，这样热化的中子更少，就产生了负的反 应性导致功率下降。负的慢化剂温度系数使反应堆具有自调节能力。 （注：压水堆燃料中包含可燃毒物。这是一种设计特性，减少了对控 制棒的需求。然而可燃毒物不能用来控制反应堆。） John A. Bernard 轻水反应堆启动/停堆 第 9 页 共 9 页 压水堆核监测仪表 －对压水堆而言，所有的探测器都填充了气体并布置在堆芯外面。有 三组探测器以覆盖整个量程。 a）两个源量程探测器布置在堆芯中部高度平面的两边位置。 这些通常是裂变室并运行在脉冲模式。探测器可以同时接收伽 马射线和中子。由于中子脉冲的高度大于伽马射线，可以设定 一个阈值电压把伽马从探测器信号中除去，这是很重要的，因 为在一个停堆的反应堆上伽马计数会增大中子通量约 1％。源 量程探测器一般覆盖 6个量级，在反应堆临界时使用，在高功 率运行后后将关闭，这是为了防止对电路的损害。源量程监测 设备可以用来预测反应堆功率和周期，当周期太短时会自动关 闭反应堆。 John A. Bernard 轻水反应堆启动/停堆 第 10 页 共 10 页 压水堆核监测仪表（续） b）两个中间量程探测器和源量程设备放置在同样位置。这些设备通 常是电离室。伽马信号也是同样被鉴别掉了。中间量程探测器能够覆 盖八个量级，在反应堆临界但还没有到达加热点时发挥作用，并在到 达后关闭。它们和源量程仪表一样，用来预测反应堆功率和周期，当 周期太短时会自动关闭反应堆。 c)四个功率量程监测器布置在堆芯四角。每个探测器由一个和堆芯一 样高的无补偿电离室组成。探测器同时测量到伽马射线和中子，这在 功率量程是允许的，因为在功率运行的范围内伽马射线和中子通量是 成比例的。功率量程探测器覆盖 4个量级。它的内部电极分成两个相 等的部分从而可以分别提供堆芯上半部和下半部的信息。这些数据可 以用来确定堆芯上部和下部产生的功率份额并确定用来降低功率峰 因子的可移动控制棒的位置。功率量程仪表提供功率水平和反应堆周 期的信息，在短周期和高功率时自动停堆。 John A. Bernard 轻水反应堆启动/停堆 第 11 页 共 11 页 压水堆中核仪表的范围和位置 （由Masche改编而来） （由于版权问题，图被删掉） John A. Bernard 轻水反应堆启动/停堆 第 12 页 共 12 页 启动的限制条件 －一般的运行限制条件，如线功率密度和避免包壳和芯块的反应，在 所有状态下都有效。在启动过程中，运行限制更加严格，需要观察以 下量： 最大压力以避免脆性断裂。 最小温度以保护临界安全（这表明了需要一个负的反应性 慢化剂温度系数）。 最小压力以保护主泵。 John A. Bernard 轻水反应堆启动/停堆 第 13 页 共 13 页 避免脆性断裂的最大压力 －反应堆压力容器由碳钢制成，碳钢有一个体心栅格结构这样可能会 脆性锻炼。就是说容器温度在某个数值以下而压力高于某个值，容器 可能断裂失效（灾难性的）而不是延伸。失效模式从延伸转为断裂的 温度被称为无延塑性转换温度 NDT。它是反应堆容器材料和材料受 到的中子注量的数。NDT会随着容器受到的注量上升而上升。 －一回路系统所允许的最大压力由压力容器钢的韧性决定。如果温度 降低，所允许的压力也降低，因为容器钢在低温下更不容易延伸。在 加热和冷却时的受力是不一样的，这样就有两条分离的压力温度限制 曲线。 John A. Bernard 轻水反应堆启动/停堆 第 14 页 共 14 页 加热和冷却时的受力 加热： 热端 容器壁 冷端 内表面 外表面 上图的点代表了金属栅格中的原子。壁内部的原子在膨胀但被壁 内其他原子的化学键所阻挡，这样内壁的原子就出于压缩状态。 冷却时： 冷却时发生相反的事情，内壁的原子倾向于压缩，但由于壁中间 部分的原子作用而被阻挡，这一部分的原子仍然是热态因为还没有时 间让热量传递出来，这样这些原子的距离还很源，内壁就还处于拉紧 状态。 John A. Bernard 轻水反应堆启动/停堆 第 15 页 共 15 页 压力容器的内侧受力 在压力容器内壁面角方向的受力由三个因素贡献： a）压力因素：内部压力使容器壁的角方向处于拉伸状态而轴方向处 于压缩状态。 角方向的压强由内表面的面积缩小引起（每单位面积的受力是压强） b）热因素：加热时时压缩，冷却时是拉伸。 c）累计疲劳：内壁面是拉伸力。 John A. Bernard 轻水反应堆启动/停堆 第 16 页 共 16 页 压力容器的内侧壁面净受力 加热时： 冷却时： 冷却时的净压力更受限制，这是压水堆“热冲击”的基础 John A. Bernard 轻水反应堆启动/停堆 第 17 页 共 17 页 慢化剂反应性温度系数 －慢化剂的作用是将裂变中产生的快中子热化。如果是欠慢化的堆芯 可以有负的慢化剂反应性温度系数从而加强安全性。在这样的状态 下，慢化剂的升温会导致负反应性，因为慢化剂碰撞而热化中子减少， 这个过程是： 其中 P是堆芯功率，TH和 TC是热端和冷端温度，Pd是指定温度， p是密度，k是反应性。 在反应堆的运行中关于温度有两个安全限制。第一个是慢化剂反应性 温度系数在反应堆开始临界前必须等于零或是负的。第二，如果慢化 剂反应性温度系数是正的，反应堆必须处于次临界状态，离临界的距 离必须等于或者大于可能引入的反应性。 （注：对这些有些例外。一些电站运用的技术可以允许刚临界时 有很小的正慢化剂反应性温度系数，但所有电站在正常允许温度必须 是负的慢化剂反应性温度系数） John A. Bernard 轻水反应堆启动/停堆 第 18 页 共 18 页 临界的最小温度 －在压水堆中，保持负的慢化剂反应性温度系数是和可溶毒物（硼酸） 共存的。 －慢化剂温度的提升会导致碰撞从而减少裂变产生的高能中子和慢 化剂核的碰撞，这样会减少反应性。但是慢化剂中含可溶硼会减弱这 一负效应。当慢化剂因为温度升高碰撞时，一些可溶硼会被排出堆芯， 这样会带来一个正的反应性效应。当电站在运行时（547F），由于水 分子减少带来的慢化减少比由于可溶硼的吸收减少多，这样净的效应 还是负的。然而，当温度较低时，吸收的减少会导致反应性系数变正。 这个转换点就是临界时的最低允许温度。在数值上，压力较低时是大 约 325F。这个温度是压力的函数，因为冷却剂密度会受到压力一定 的影响，这样硼溶度也和压力有关。当压力提高时，电站必须在更高 的温度运行以保证在温度升高时慢化的减少是主要效应。 John A. Bernard 轻水反应堆启动/停堆 第 19 页 共 19 页 主泵运行的最小压力 －净正吸水水头（NPSH）的定义是泵的吸水位置的压力和泵的水流 温度下的饱和压力的差。如果正的很多，一般的泵都可以工作，否则 泵内的水会出现闪蒸使泵内充满气态。这样就有一个最小压力以保证 主泵正常运行。这个最小压力会睡着电站温度上升而升高，因为饱和 压力会随着温度提高。 John A. Bernard 轻水反应堆启动/停堆 第 20 页 共 20 页 压水堆的温度压力限制图 John A. Bernard 轻水反应堆启动/停堆 第 21 页 共 21 页 压力和温度限制曲线的解释 －脆化断裂：有两条曲线显示最大压力以避免出现脆化断裂，一条用 于加热时而另一条用于冷却时。用于冷却的限制更多，因为这时热、 压力和疲劳的效应都是拉伸的。一回路系统压力任何时候都必须保持 在适当的曲线下面。当压力容器发生中子损伤后脆化断裂曲线将向右 偏离并且限制更为严格。 －临界安全：有一条曲线限制了临界运行时的最小温度。如果反应堆 是临界的，系统温度必须保持在曲线的右边这样慢化剂反应性温度系 数才是负的。这样失压和控制棒弹棒事故的危害会小一些。 －主泵：有一条曲线显示了主泵运行时的最小压力。电站压力应该保 持在这条曲线上方。（注：这个曲线对应标定的速度，如果主泵速度 降低，限制可以宽松些。） John A. Bernard 轻水反应堆启动/停堆 第 22 页 共 22 页 压水堆启动序列 1执行临界前检查 2调整蒸汽反射器水化学状态 3通过充/放系统调整一回路的压力温度控制 4打开稳压器加热器并打开卸压阀以提升稳压器温度 5将氮气充入稳压器形成充汽空间，这样可以减少压力波动 6如果处于 NPSH曲线上方，打开主泵，使用泵能量提高一回路温度 保持在最小临界许可温度上 7调节一回路的水化学 8减少可溶硼溶度以可能达到临界 9在稳压器产生蒸汽泡（270F，400psi） 10将蒸气发生器水位排干到运行范围 11再循环冷凝器热阱以消除分层 12 先提出全长度停堆棒再提出全长度控制棒以使反应堆临界，后者 可用来产生次临界增殖 John A. Bernard 轻水反应堆启动/停堆 第 23 页 共 23 页 压水堆启动序列（续） 13移动控制棒以达到每分钟 0.5量级的启动速度。使临界数据在 10-8 安，提升功率到加热点（1％-3％） 14使用反应堆对一回路升温，速度是每小时 50F。抽走冷却剂以补偿 密度变化 15 当一回路温度超过 400F，打开主蒸汽隔离阀的旁路允许蒸汽进入 二回路，开始对汽轮机加热 16 继续对一回路升温加压。到达 1900psia 时，打开高压注入系统， 到达 2250psia 时，将稳压器加热/释放功能置于自动位置。将核仪表 切换到运行模式以校正因为冷却剂加热引起的中子衰减。提升功率到 10％并打开主蒸汽阀门 17将蒸汽发生器和二回路补给泵置于自动模式 18调节控制棒或可溶硼以补偿短寿命裂变产物如氙的积累 19 调节控制棒或可溶硼以补偿燃料燃耗。全长度控制棒部分插入以 提供改变负载时调节反应堆功率的能力。使用部分长度控制棒校正功 率分布。 John A. Bernard 轻水反应堆启动/停堆 第 24 页 共 24 页 启动过程中的操作要素 －核测量仪表：压水堆的核测量仪表布置在堆芯外面，这样测量的就 是中子泄漏通量。这个通量会受到堆芯容器内的水削弱。削弱的程度 核仪表的读数就和水温变化相关。仪表是在热态运行是标定的，这样， 除非应用了校正，当堆芯处于冷态时，仪表显示的功率值小于实际功 率。 －稳压器水位：指示的水位需要随着电站升温过程中水密度的变化而 校正。同时，也不可能把水从稳压器抽走的够快以允许每小时 50F的 温升速率。 －蒸汽发生器水位：启动过程中蒸汽发生器水位损伤已经是电站停堆 的一个主要原因。水位控制器使用三个信号：蒸汽流量，补水流量和 测量水位。低功率时，蒸汽流量信号不规则且水位控制器不能自动运 行。人工操作也是一个问题，因为有两个不寻常的效应：收缩和膨胀。 如果蒸汽流量提高，预示着水位也会提高。操作员应该提高补给流量， 但是他可能会错误的降低流量，因为有瞬态收缩效应。 John A. Bernard 轻水反应堆启动/停堆 第 25 页 共 25 页 U型管蒸汽发生器 John A. Bernard 轻水反应堆启动/停堆 第 26 页 共 26 页 膨胀和收缩 蒸汽发生器水位的膨胀和收缩指的是当换热管区域气泡形成或者破 灭时，下降段水位暂时的变化。比如当蒸汽泡破裂时，两相混合流所 占的体积就会突然减少，这些体积从而被下降段的液态填满，这样从 下降段获得的测量水位就会下降虽然蒸汽发生器内部的液体总数增 多了。这个现象指的时水位膨胀，收缩指的是相反的效应。 －膨胀和收缩都是因为补给流量、蒸汽流量或一回路温度的变化引起 的。 －膨胀和收缩引起的困难： 潜在的传热管裸露 ＝》热传递的损失 潜在的水容量减少 ＝》汽轮机损坏 用于控制水化学的试剂析出 ＝》传热管上的材料损伤 John A. Bernard 轻水反应堆启动/停堆 第 27 页 共 27 页 补给水流量阶越提高引起的蒸汽发生器 水位膨胀效应 John A. Bernard 轻水反应堆启动/停堆 第 28 页 共 28 页 启动过程中的安全要素 －有一些压水堆启动过程中独特的安全要素 －临界加热时损失一回路系统压力。电站必须处于临界以给加热提供 必要的能量。低压停堆和安全注入系统都不会工作。这样在启动时出 现压水损失就不会有自动保护。 －低于加热点时连续的控制棒弹出。因为慢化剂没有同时加热，也没 有负反应性反馈，这样是很危险的。 －当高于加热点但仍处于低功率时一条蒸汽管道破裂。这会立刻降低 二回路蒸汽压力，引起蒸汽流量提高从而冷却一回路并引起正反应 性。功率会快速提升。这就是为什么蒸汽是通过旁路阀引入二回路而 不是打开主蒸汽隔离阀。 －一根控制棒卡棒。这是很要紧的，因为控制棒不能到达正确位置会 导致电站到达满功率时出现不正确的线功率密度。 －功率分布。见下页图 John A. Bernard 轻水反应堆启动/停堆 第 29 页 共 29 页 控制棒位置对功率形状的影响 John A. Bernard 轻水反应堆启动/停堆 第 30 页 共 30 页 沸水反应堆启动 －和沸水堆相关的题目包括： 用于反应性调节的系统和部件 核监测仪表 启动流程 启动时的限定状态 注：沸水堆和压水堆不同的地方在于压力是从堆芯的沸腾过程中产生 的，这样就没有一个单独的压力控制系统。 John A. Bernard 轻水反应堆启动/停堆 第 31 页 共 31 页 沸水堆示意图 John A. Bernard 轻水反应堆启动/停堆 第 32 页 共 32 页 沸水堆反应性控制 有两个用于反应性控制的机械，包括： 1 可移动的控制棒：每四个组件有一个十字形控制棒。这些含碳 化硼的控制棒由底部插入堆芯。功率变化超过 25％时由这些控制 棒实现。 2 负慢化剂和空泡反应性系数：负慢化剂和空泡反应性反馈系数 包括在运行控制中，使用它们来实现效应 25％的功率变化。提高 再循环泵的速度会提高通过堆芯的冷却剂流量，这样提高了热量 的传输并降低了空泡份额。于是通过堆芯的汽液混合物的平均密 度就提高同时中子慢化增多。最后效应就是在堆芯加入了正的反 应性。反应堆功率会持续升高直到蒸汽产生和燃料温度升高反过 来进行了这个过程。反应堆最后重新在一个更高的功率水平上达 到临界。降低再循环流量会实现相反的效果。 John A. Bernard 轻水反应堆启动/停堆 第 33 页 共 33 页 沸水堆监测仪表 －在沸水堆里面所有探测器都是气体探测器并位于堆芯内部，这是必 要的，因为沸腾过程的影响内部功率可能会出现反常。选择了三组探 测器以覆盖全量程： a）四个源量程探测器布置在堆芯内部，一个负责一边。通常都 是脉冲模式的裂变电离室，作为比例计数器使用。当反应堆到 达一定功率时这些探测器会被提出堆芯。 b）八个中间量程探测器也布置在堆芯内，它们是一些裂变室， 工作在坎贝尔（MSV）模式。 c）功率量程包含了 144－164 个裂变室工作在即时模式。它们 布置在燃料模块内，基本每个模块有一个。 John A. Bernard 轻水反应堆启动/停堆 第 34 页 共 34 页 沸水堆监测仪表（续） 功率量程裂变室一般称为局部功率范围监控器（LPRMs）。有四个监 控器用来提供整个堆芯范围的功率测量数据给一个单独的平均功率 监控器（APRM）。APRM和每个 LPRM的读数比就是每个 LPRM所 在的燃料通道的功率峰因子。这个包括了轴向、径向和局部峰值的因 子不能超过 2.4。（注：平均线功率密度是 6.5kW/foot，最大允许值是 13.6kW/foot）。有一个过程计算机用来计算 APRMs。当这些数据 （LPRMs和 APRMs）确定后，过程计算机用来评价反应堆热限制的 裕量。当移动控制棒会引起这些限制被突破时，会自动阻止控制棒抽 出。 John A. Bernard 轻水反应堆启动/停堆 第 35 页 共 35 页 沸水堆启动 －沸水堆启动的主要步骤包括： 1启动再循环泵，并设定在 28％的指定速度上。 2抽出控制棒使反应堆临界 3进一步抽出控制棒以使反应堆有正周期，功率提升到加热点 上同时给压力容器加压。根据安全限制，电站压力到达 800psia 前功率不能超过 25％。 4当压力超过 800psia时，反应堆功率提升到 55％，对预测的 临界位置和棒位进行检查。 5 提高再循环泵速度直到总堆芯流量到达 100％。这之后，堆 芯功率也由于慢化剂温度空泡反应性系数开始上升，功率最后 稳定在预期值上。 这整个流程大致需要 18 个小时完成，以上简单介绍不包括很多其他 重要因素，比如由于热应力导致的加热限制。 John A. Bernard 轻水反应堆启动/停堆 第 36 页 共 36 页 沸水堆运行曲线 －下页的图显示了沸水堆内热功率和堆芯流量必须遵守的关系。启动 时的初始状态是 0％功率和 36％的流量。（注：流量超过了再循环泵 的速度（28％），这是因为喷射泵的效应。）当临界后，功率和流量一 致沿着 28％的泵速度曲线移动。当沿着线移动时，再循环泵的速度 保持常数，流量随功率的提升是因为自然循环（或者说：热驱动的流 动）。电站压力低于 800psia时不能超越最大功率线，当超过这个压力 后，功率提升到 55％，相应的堆芯流量是 45％。这个点是 28％泵速 度线和设计流量控制线的交点。需要再调整控制棒和再循环泵速度以 使堆芯功率和流量沿着设计流量控制线移动指定获得 100％功率和 100％流量。 John A. Bernard 轻水反应堆启动/停堆 第 37 页 共 37 页 沸水堆热功率和堆芯流量限制图