AP1000 控制棒交换逻辑简析
（中核集团三门核电有限公司，浙江 三门 317112）
摘 要：AP1000 采用先进的机械补偿控制策略，在基本负荷运行期间需要一直有控制棒位于堆芯，以便进行反应性补偿。但这也带来了燃耗、控制棒寿命、控制棒磨损不均匀等问题，需要周期性的对位于堆芯内的控制棒进行交换。文章简要介绍了两种控制棒的交换方式，并根据它们的优缺点，提出一些运行建议。
关键词：AP1000；机械补偿；燃耗阴影；控制棒交换1.引言AP1000 采用机械补偿控制策略（MSHIM）来控制反应堆运行期间堆芯反应性的变化，这就要求在带基本负荷运行期间，都必须有控制棒始终位于堆芯中，以在需要时提供所需的反应性补偿，而不用改变反应堆冷却剂中的硼浓度。这些位于堆芯中的控制棒会消耗得更快并产生局部燃耗阴影，如果放任不管，将会导致控制棒消耗不均匀，影响控制棒的寿命；另外，燃耗阴影也会导致径向峰值功率因子超出安全分析的假设，引起安全裕度下降。因此，在反应堆带基本负荷运行的情况下，需要周期性的交换位于堆芯内的 MA、MB、MC、MD 控制棒，能够均匀控制棒的消耗和磨损，同时也能消除控制棒长期插入导致的燃料阴影，展平径向功率分布。
2.AP1000 控制的分类和棒序
2.1 控制棒的分类
AP1000 控制棒按照功能分为调节棒组和停堆棒组，其中调节棒组又分为 M 棒组和 AO 棒组。M 棒组中的 MA、MB、MC、MD 四个子组的材料为钨，价值较低，称为“灰棒”；M1 和 M2 两个子组的材料为银-铟-铬合金，价值较高，称为“黑棒”；AO 棒组和停堆棒组的材料均为银-铟-铬合金，即“黑棒”。设计上，M 棒组主要用于调节反应堆功率和平均温度的变化，AO 棒组主要用于控制堆芯轴向偏移，停堆棒组用于确保反应堆停堆所必须的负反应性。
2.2 控制棒的棒序
AP1000 的调节棒组设置了两种控制棒的插入/提升棒序，用二进制代码 SEQ 表示。当 SEQ=1 时，控制棒的插入顺序为 MA、MB、MC、MD、M1、M2；当 SEQ=0 时，插入顺序为 MD、MC、MB、MA、M1、M2，控制棒在插入和提升时，设置了叠步，以均匀反应性的引入。
3.控制棒交换逻辑
AP1000 针对不同的运行工况，设计了两种不同的控制棒交换逻辑（CREL）方案，即 CASE1 和 CASE2。当灰棒在堆芯处于同一轴向高度时，使用 CASE1 逻辑进行交换，当灰棒在堆芯中处于不同轴向位置时，使用 CASE2 方案来交换控制棒的插入顺序。控制棒交换逻辑自动化程度较高，当操纵员选择“开始”执行控制棒交换时，交换逻辑系统（ELS）会首先进行“允许条件”的评估，如果条件允许，则控制棒交换逻辑（CREL）会自动选择 CASE1 交换或 CASE2 交换。
3.1 CASE1 交换逻辑
CASE1 控制棒交换逻辑用于所有的控制棒均在同一轴向高度的情况，只是交换控制棒的插入顺序，不移动控制棒，整个交换过程只需数分钟，即如果当前的插入顺序为 SEQ1，则交换之后的插入顺序变为SEQ0，相反则变为 SEQ1。
3.2 CASE2 交换逻辑
CASE2 交换逻辑用于控制棒处于堆芯的不同高度的情况，在交换过程中需要控制棒的真实动作。在交换过程中，控制棒需要成对进行交换，以降低对堆芯反应性的扰动，即 MA 棒组和 MD 棒组进行交换（A→D），MB 棒组和 MC 棒组进行交换（B→C）。因此 CASE2 的控制棒交换逻辑相对较复杂，整个过程大约需要 30 分钟，是控制棒交换逻辑的重点内容。其大致过程为：
1)判断允许条件：M 棒组不在同一堆芯轴向高度、反应堆平均温度（Tavg）处于稳定状态、AO 棒组和 M 棒组无动作命令、AO 棒组位于正常运行带范围内。
2)向操纵员显示：M 棒组当前插入顺序和交换后的插入顺序、需要交换的灰棒组件。
3)操纵员“确认”之后，执行 MA 和 MD 棒组交换：先确认插入更深的棒组，如果 SEQ=1，则 MA 棒组插入更深，否则 MD 棒组插入更深。
4)确认 MA 和 MD 棒组是否同时移动：如果 MA 和 MD 棒组的不锈钢部分均完全插入堆芯，那么可以同时向相反的方向移动 MA 棒组和MD 棒组。如果 MA 棒组的不锈钢部分完全插入堆芯，而 MD 棒组的不锈钢部分未完全插入堆芯，则先将 MD 棒组的不锈钢部分完全插入堆芯，然后再同时向相反的方向移动 MA 棒组和 MD 棒组。
5)如果 MA 棒组和 MD 棒组移动过程中，Tavg 的变化超过预定的范围，则暂停 MA 和 MD 棒组移动，直到 AO 棒组自动将 Tavg 恢复到控制带内。
6)MA 棒组和 MD 棒组移动结束后，向操纵员显示：MA 和 MD 的初始棒位和最终棒位，操纵员“确认”后，继续进行 MB 和 MC 棒组交换。
7)判断MB 和MC棒组是否在同一轴向位置：如果在同一轴向位置，则直接向操纵员显示 MB 和 MC 的初始棒位和最终棒位，操纵员“确认”
后，控制棒交换完成。
8)如果 MB 和 MC 不在同一轴向位置，则先判断谁插入更深：如果SEQ=1，则 MB 棒组插入更深，否则 MC 棒组插入更深。
9)确认 MB 和 MC 棒组是否同时移动：如果 MB 和 MC 棒组的不锈钢部分均完全插入堆芯，那么可以同时向相反的方向移动 MB 棒组和MC 棒组。如果 MB 棒组的不锈钢部分完全插入堆芯，而 MC 棒组的不锈钢部分未完全插入堆芯，则先将 MC 棒组的不锈钢部分完全插入堆芯，然后再同时向相反的方向移动 MB 棒组和 MC 棒组。
10)如果 MB 棒组和 MC 棒组移动过程中，Tavg 的变化超过预定的范围，则暂停 MB 和 MC 棒组移动，直到 AO 棒组自动将 Tavg 恢复到控制带内。
11)MB 棒组和 MC 棒组移动到要求位置后，向操纵员显示：MB 和MC 的初始棒位和最终棒位，操纵员“确认”后，向操纵员显示：初始和交换后的控制棒插入顺序、初始和交换后的需求棒位，操纵员“确认”后，控制棒交换完成。
4.控制棒交换逻辑系统特点
控制棒交换是 AP1000 独有设计，该系统有如下特点：
1)自动化程度较高：具有在获得操纵员确认后，能够自动选择交换方式、判断插入顺序、执行棒位互换、切换新的插入顺序，并在交换过程中自动控制一回路平均温度，并可以自动应对小范围的甩负荷。
2)涉及的硬件设备较少：涉及设备只有交换逻辑柜和一些外部接口，逻辑柜一用一备，可靠性高。
3)信号处理方式简单：Tavg、核功率、温度控制偏差等输入信号直接来自反应堆功率控制系统等的现成数据，不需要复杂计算。
4)操纵员参与程度较高：存在大量人机对话，便于操纵员了解交换过程，出现瞬态或异常时及时采取措施进行响应。
5)控制棒交换期间，交换逻辑控制器取代反应堆功率控制系统来控制一回路平均温度，给机组的安全、稳定运行带来了一定挑战。
5.结论
控制棒交换是 AP1000 采用机械补偿控制策略的直接结果，是AP1000 特有的控制运行方式。机组商运后，通过实践证明，控制棒交换逻辑的设计能够满足机组运行的需要，控制棒交换能够自动完成，期间未遇到大的机组瞬态。但由于 CASE2 交换方式耗时较长，遇到故障的概率较大，不能掉以轻心，需要提前做好应对，才能保证机组安全、稳定运行。
参考文献
[1]APP-PLS-J1-035 AP1000 Control Rod Exchange Logic FunctionalRequirements R3[2]APP-GW-F4R-001 AP1000 压水堆控制棒机械补偿运行和控制策略R2[3]SMG-FSAR-GL-700 三门核电一期工程 1&2 号机组最终安全分析报告技术规格书 R3
