堆芯出口温差报警定值优化设计

任春明 徐良剑 李沛颖

（1.中国核动力研究设计院，四川 成都 610213；2.中国核动力研究设计院<核反应堆系统设计技术国家级重点实验室>，四川 成都 610213）

0 引言

核电厂堆芯测量系统（RIC）的功能是提供反应堆堆芯中子注量率分布、堆芯出口以及反应堆压力容器上封头腔室内反应堆冷却剂温度和反应堆压力容器水位的测量数据。 作为RIC 组成部分的温度测量系统，其主要功能是提供堆芯出口温度分布、最高温度以及过冷裕度；辅助功能是探测径向功率倾斜以及控制棒失步；在事故工况下，运行人员和安全工程师使用该系统提供的最大堆芯出口温度（Tric，max）和饱和温差（ΔTsat）为依据进行判断、决策和控制，所以要求该系统所提供的温度能够反映堆芯出口的实际温度。堆芯出口温差报警的主要目的是提醒操纵员堆芯功率和/或流量分布出现异常， 或者堆芯出口温度测量系统出现故障，需要操纵员采取相应的纠正行动。 国家环境保护总局核与辐射安全中心评审者认为：堆芯出口温差报警定值应该是一个优化值，既要尽快对出现的堆芯异常情况和堆芯出口温度测量系统故障情况提供报警，又要尽量避免出现误报警[1]。 响应此观点，本文以海南昌江核电厂1&2 号机组长循环换料堆芯燃料管理论证阶段（HNLCS）堆芯出口温差报警定值为例，阐述了定值优化设计的方法和过程。

1 RIC 温度测量系统

海南昌江核电厂1&2 号机组堆芯出口温度测量由30 支布置在燃料组件出口处和2 支布置在反应堆压力容器上封头腔室内的热电偶来实现。所有热电偶通过反应堆压力容器顶盖上的四个贯穿管座引出。温度测量系统是冗余的，所有测量通道上的设备分为A系列和B 系列。 所属的热电偶布置图如图1 所示。

布置的堆芯出口热电偶被分为3 个区域 （见图1），每个区域内的温度测量最大值和最小值的差值即为该区域的堆芯出口温差，进而分别与堆芯出口温差报警定值比较，判断是否发出报警。

图1 RIC 热电偶布置图

2 H N LC S 堆芯出口温差报警定值

HNLCS 堆芯出口温差报警定值为34.6℃，该定值在以下两项求和之后保留一位小数确定：

各燃料循环全堆芯出口（燃料组件出口）温差的包络值：28.4℃。

温差测量偏差：6.16℃。

首先， 采用SMART 程序进行的燃料管理理论计算给出了第5 至第10 循环寿期初氙不变 （BOL）、寿期初氙平衡（BLX）和寿期中（MOL）三种燃耗下的堆芯出口温度分布。 SMART 程序是采用闭式通道热工水力模型的三维程序，不考虑通道之间的交混效应。

之后，仪控专业确定堆芯出口温度测量不确定为3.08℃。 堆芯出口温度最大值考虑+3.08 的测量偏差，最小值考虑-3.08 的测量偏差，因此，温差测量偏差考虑为6.16℃（=3.08℃×2）。

3 H N LC S 堆芯出口温差报警定值优化

根据对HNLCS 堆芯出口温差报警定值确定过程的分析，可从3 方面对定值进行优化：

（1）堆芯出口温差计算优化：采用开式通道热工水力模型程序计算堆芯出口温度分布；分区域且只考虑热电偶位置处的堆芯出口温度；

（2）温差测量偏差优化：采用概率论方法处理；

（3）分区域设置报警定值：各热电偶分区采用不同的报警定值。

3.1 堆芯出口温差计算优化

HNLCS 堆芯出口温差报警定值确定过程中，采用闭式通道模型（未考虑通道间交混）计算的堆芯出口温度分布， 而海南昌江核电厂1&2 号机组采用AFA 3G 燃料组件，为平行开式通道堆芯，相邻通道之间存在着能量和质量传递。 因此，可以根据寿期初氙不变（BOL）、寿期初氙平衡（BLX）和寿期中（MOL）三种燃耗下的堆芯径向功率分布，采用开式通道热工水力模型程序FLICA III-F 计算堆芯出口温度分布。FLICA III-F 程序能够计算在分离通道内或相连通道内流体的稳态流动和瞬态流动，确定相邻子通道间的质量和能量交换。

另一方面，HNLCS 堆芯出口温差报警定值确定过程中，采用了全堆芯出口温差包络值，而海南昌江核电厂1&2 号机组在30 个燃料组件出口布置了热电偶测量温度，且被分为3 个区域。因此，堆芯出口温差包络值可分别计算各区域内热电偶布置处的燃料组件出口温度差值。

表1 中，“闭式通道全堆芯” 为HNLCS 各燃料循环全堆芯燃料组件出口温度计算结果；“开式通道全堆芯”“开式通道热电偶处燃料组件（边缘区）”和“开式通道热电偶处燃料组件（中心区）”为采用开式通道热工水力模型程序计算的堆芯出口温度分布，分别给出了各燃料循环全堆芯、边缘区域热电偶处和中心区域热电偶处燃料组件出口温度计算结果。

表1 堆芯出口温差理论计算值

从表1 可知，采用开式通道热工水力模型程序计算的各燃料循环全堆芯燃料组件出口温差包络值相对采用闭式通道的减小3.3℃， 而仅考虑热电偶布置处的燃料组件时，中心区域和边缘区域的燃料组件出口温差包络值进一步减小为23.3℃和11.1℃。

3.2 温差测量偏差优化

温度测量偏差为±3.08℃，堆芯出口温度最大值考虑+3.08 的测量偏差， 最小值考虑-3.08 的测量偏差，得到温差测量偏差为6.16℃的方法是相当保守的。

假设温度测量不确定性为均匀分布，而两个独立的，均匀分布的总和产生对称的三角分布。

根据如下三角形分布的概率密度函数，容易得到温差测量偏差在±4.814℃范围内的概率是95%。

在确定堆芯出口温差报警定值时，可采用概率论方法确定的4.814℃作为温差测量偏差。

结合采用开式通道热工水力模型程序计算的各燃料循环全堆芯燃料组件出口温差包络值25.1℃，可采用30.0℃（≈25.1+4.814℃）作为堆芯出口温差报警定值。

3.3 分区域设置报警定值

如图1 所示，布置的堆芯出口热电偶被分为3 个区域，每个区域内的温度测量最大值和最小值的差值即为该区域的堆芯出口温差，与堆芯出口温差报警定值比较，判断是否发出报警。目前设计中，不同区域的堆芯出口温差报警定值是同一数值。

而根据表1 可知， 对于中心区域和边缘区域，区域的堆芯出口温差是相当大的，可以通过控制逻辑修改，不同区域设置不同的报警定值，以判断堆芯出口温差是否超出预期。

4 结论

采用闭式通道热工水力程序计算的各燃料循环全堆芯燃料组件出口温度偏差包络值与两倍的温差测量偏差之和确定堆芯出口温差报警定值的方法较为保守。 本文以海南昌江核电厂1&2 号机组为例，提出了采用开式通道热工水力模型程序计算的各燃料循环全堆芯燃料组件出口温差包络值与概率论方法确定温差测量偏差确定堆芯出口温差报警定值，以及通过控制逻辑修改对不同热电偶分布区域设置不同的报警定值的方法，更好达到报警设置的目的，即尽快对出现的堆芯异常情况和堆芯出口温度测量系统故障情况提供报警，又尽量避免出现误报警。