功率量程K参数变化趋势预测与分析

功率量程K参数变化趋势预测与分析

丁兆建，阳珍妮，袁潇

广西防城港核电有限公司，广西 防城港，538000

摘要：在反应堆正常运行过程中，电厂会通过K参数对RPN系统功率量程显示核功率值进行校正，该试验作为一个非周期试验项目，反应堆工程师应该关注换料循环中核功率显示值以及K参数的变化趋势，以便更合理的规划试验安排。通过采用核设计报告中堆芯外围组件功率的变化对本循环核功率显示值以及K参数的变化趋势预测，并采用了国内某CPR1000核电机组的实际数据验证了预测方法的正确性。因此，本文中提到的核功率及K参数的趋势预测方法能够作为现场参考使用。

关键词：核功率；K参数；外围组件；趋势预测

0引言

在反应堆正常运行中，通过堆外核仪表系统来监测堆芯功率，为操纵员实时显示堆芯功率值，并实现反应堆保护功能。堆外核仪表系统主要通过功率量程探测泄漏到压力容器外的中子，再通过实时计算得到反应堆内的功率，通常称之为核功率值。

核功率值作为反应堆超功率保护的重要信号之一，在反应堆运行过程中需要保证其有足够的测量精度，通常情况下需要控制核功率显示值与较为准确的热功率显示值之间的偏差在1.5%的满功率以下。因此在反应堆的功率运行期间，电厂会每天对核功率与热功率显示值的偏差进行跟踪和计算，当偏差达到1.5%时，需要对核功率进行校准，即调节K参数使功率量程指示的核功率与热功率相等，以满足核功率测量精度要求。

在反应堆运行过程中，核功率与热功率之间的偏差随时间并不是呈线性变化的，导致现场试验人员无法对偏差进行准确的预估，以合理的安排现场试验。通过研究，泄漏到压力容器外的中子主要受反应堆外围组件功率的影响，同时在换料设计时会计算得到不同反应堆不同燃耗下的组件功率分布，因此，本文将基于换料设计计算结果中组件功率分布数据对整个换料循环下的核功率变化趋势以及K参数的变化趋势进行预测，为后续试验的安排提供一定的依据。

1  核功率的计算模型

国内某核电机组反应堆外侧布置有4个功率量程，每个功率量程由6个电离室组成，高度覆盖整个堆芯高度。功率量程通过测量泄漏到堆外的中子转换为电流值，根据下式完成核功率值的计算。

（1）

其中：

为功率量程通道号，

为功率量程核功率增益系数

为堆芯上部电流修正系数

为功率量程上部三节电离室平均电流

为堆芯下部电流修正系数

为功率量程下部三节电离室平均电流

反应堆的功率与堆芯中的裂变反应率成正比[1]，即：

（2）

其中：

为的裂变反应率

为的宏观截面

为的原子核数目

为微观截面

为反应堆中子通量密度

随着反应堆中裂变反应的进行，原子数目不断减少导致的宏观截面减小，此时为了保证堆芯内总的裂变反应率不变需要在反应堆内维持一个更高的中子通量，堆芯中子通量的变大使得泄漏到压力容器之外的中子数量变多。功率量程电离室测量到的电流与泄漏到反应堆外的中子数量成线性关系，导致探测探测到的电流也增大，此时必须设置一个更小的K参数，使得核功率值更接近真实值。

2  核功率变化趋势的预测

由于功率量程是根据泄漏中子间接完成反应堆功率的计算和测量，探测器测量的泄漏中子主要受靠近探测器位置组件功率影响，探测器相邻燃料组件对探测器测量影响的权重如图1所示。

图1 探测器相邻燃料组件权重分布图（四分之一对称）

由于中子通量与功率为线性关系，根据换料设计报告中对循环中不同燃耗下的燃料组件的归一化功率计算结果与探头贡献因子相乘，得到RPN功率量程测量到的功率水平，分别对换料设计报告中不同燃耗下的组件归一化功率与探头贡献因子计算得到理论的核功率值，换料设计报告中理论计算时堆芯功率为满功率，设定K参数的目的是对核功率显示进行校准，以和堆芯真实功率一致，因此在满功率运行的情况下，K参数与理论的核功率值之间呈倒数关系，理论核功率值随燃耗的变化以及K参数随燃耗的变化趋势如图2所示。

图2  理论核功率及K参数变化趋势

根据变化趋势可以看出，在寿期中之前随着燃耗的加深，堆外探测器测量得到的核功率值逐渐减小，寿期中之后随着燃耗的加深，堆外探测器测量得到的核功率逐渐增加。其原因是在换料设计时，为了抑制低泄漏装载的高功率峰因子，在堆芯内部燃料组件中布置的钆棒数量较多，外围燃料组件为少钆棒或无钆棒的燃料组件。在反应堆的运行过程中，随着毒物的消耗不断释放反应性，堆芯内部燃料组件释放的正反应性大于外围组件的。这样在寿期中之前，随着反应堆的运行，堆芯内部燃料组件的相对功率会逐渐增大，外围燃料组件的相对功率会减小。在寿期中之后，钆棒逐渐消耗殆尽，释放的正反应性无法弥补燃耗的影响，导致堆芯内部燃料组件的相对功率会逐渐减小，相反外围燃料组件的相对功率会逐渐增大。

3  理论趋势与实际试验结果对比

根据公式1可以知道，核功率的计算公式中存在3个修正系数，其中和需定期根据堆芯真实功率进行修正，同时设定K参数为1。通过获取试验时的燃耗数据，采用插值的方式理论计算对应燃耗下的理论核功率及K参数，并与实际试验结果对比。

4  结论

通过上述比较，可以看出在寿期的后半段吻合度还是比较高，但寿期的前半段的吻合度稍差。主要是由于理论数据的燃耗间隔为1000-3000MWd/tU，在相邻两个燃耗之间的时间点采用线性插值的方法进行计算，而实际上外围组件的功率随燃耗并非严格的线性变化，尤其在寿期中期钆峰转折点处，甚至可能出现计算与实际趋势相反的情况。另外在反应堆实际运行过程中，核功率指示还会受氙振荡和一回路平均温度影响，当一回路过热时核功率值显示偏大，一回路过冷时核功率值显示偏小。而理论计算中则始终认为一回路平均温度与参考温度是一致的。

综上，整体来说理论曲线与实际试验曲线吻合度还是较为理想的，而且具体的试验执行条件以现场为准，进行理论的曲线拟合主要是通过理论数据预测大致的K参数走势，也可以供电厂专业人员对反应堆运行的各个阶段K参数确认试验的执行频率有大致的了解。

参考文献

[1]谢仲生. 核反应堆物理分析[M]. 西安：西安交通大学出版社，2004:210 - 217