任春明 徐良劍 李沛穎

（1.中國核動力研究設(shè)計(jì)院，四川 成都 610213；2.中國核動力研究設(shè)計(jì)院<核反應(yīng)堆系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)國家級重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室>，四川 成都 610213）

0 引言

核電廠堆芯測量系統(tǒng)（RIC）的功能是提供反應(yīng)堆堆芯中子注量率分布、堆芯出口以及反應(yīng)堆壓力容器上封頭腔室內(nèi)反應(yīng)堆冷卻劑溫度和反應(yīng)堆壓力容器水位的測量數(shù)據(jù)。 作為RIC 組成部分的溫度測量系統(tǒng)，其主要功能是提供堆芯出口溫度分布、最高溫度以及過冷裕度；輔助功能是探測徑向功率傾斜以及控制棒失步；在事故工況下，運(yùn)行人員和安全工程師使用該系統(tǒng)提供的最大堆芯出口溫度（Tric，max）和飽和溫差（ΔTsat）為依據(jù)進(jìn)行判斷、決策和控制，所以要求該系統(tǒng)所提供的溫度能夠反映堆芯出口的實(shí)際溫度。堆芯出口溫差報(bào)警的主要目的是提醒操縱員堆芯功率和/或流量分布出現(xiàn)異常， 或者堆芯出口溫度測量系統(tǒng)出現(xiàn)故障，需要操縱員采取相應(yīng)的糾正行動。 國家環(huán)境保護(hù)總局核與輻射安全中心評審者認(rèn)為：堆芯出口溫差報(bào)警定值應(yīng)該是一個優(yōu)化值，既要盡快對出現(xiàn)的堆芯異常情況和堆芯出口溫度測量系統(tǒng)故障情況提供報(bào)警，又要盡量避免出現(xiàn)誤報(bào)警[1]。 響應(yīng)此觀點(diǎn)，本文以海南昌江核電廠1&2 號機(jī)組長循環(huán)換料堆芯燃料管理論證階段（HNLCS）堆芯出口溫差報(bào)警定值為例，闡述了定值優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法和過程。

1 RIC 溫度測量系統(tǒng)

海南昌江核電廠1&2 號機(jī)組堆芯出口溫度測量由30 支布置在燃料組件出口處和2 支布置在反應(yīng)堆壓力容器上封頭腔室內(nèi)的熱電偶來實(shí)現(xiàn)。所有熱電偶通過反應(yīng)堆壓力容器頂蓋上的四個貫穿管座引出。溫度測量系統(tǒng)是冗余的，所有測量通道上的設(shè)備分為A系列和B 系列。 所屬的熱電偶布置圖如圖1 所示。

布置的堆芯出口熱電偶被分為3 個區(qū)域 （見圖1），每個區(qū)域內(nèi)的溫度測量最大值和最小值的差值即為該區(qū)域的堆芯出口溫差，進(jìn)而分別與堆芯出口溫差報(bào)警定值比較，判斷是否發(fā)出報(bào)警。

圖1 RIC 熱電偶布置圖

2 H N LC S 堆芯出口溫差報(bào)警定值

HNLCS 堆芯出口溫差報(bào)警定值為34.6℃，該定值在以下兩項(xiàng)求和之后保留一位小數(shù)確定：

各燃料循環(huán)全堆芯出口（燃料組件出口）溫差的包絡(luò)值：28.4℃。

溫差測量偏差：6.16℃。

首先， 采用SMART 程序進(jìn)行的燃料管理理論計(jì)算給出了第5 至第10 循環(huán)壽期初氙不變 （BOL）、壽期初氙平衡（BLX）和壽期中（MOL）三種燃耗下的堆芯出口溫度分布。 SMART 程序是采用閉式通道熱工水力模型的三維程序，不考慮通道之間的交混效應(yīng)。

之后，儀控專業(yè)確定堆芯出口溫度測量不確定為3.08℃。 堆芯出口溫度最大值考慮+3.08 的測量偏差，最小值考慮-3.08 的測量偏差，因此，溫差測量偏差考慮為6.16℃（=3.08℃×2）。

3 H N LC S 堆芯出口溫差報(bào)警定值優(yōu)化

根據(jù)對HNLCS 堆芯出口溫差報(bào)警定值確定過程的分析，可從3 方面對定值進(jìn)行優(yōu)化：

（1）堆芯出口溫差計(jì)算優(yōu)化：采用開式通道熱工水力模型程序計(jì)算堆芯出口溫度分布；分區(qū)域且只考慮熱電偶位置處的堆芯出口溫度；

（2）溫差測量偏差優(yōu)化：采用概率論方法處理；

（3）分區(qū)域設(shè)置報(bào)警定值：各熱電偶分區(qū)采用不同的報(bào)警定值。

3.1 堆芯出口溫差計(jì)算優(yōu)化

HNLCS 堆芯出口溫差報(bào)警定值確定過程中，采用閉式通道模型（未考慮通道間交混）計(jì)算的堆芯出口溫度分布， 而海南昌江核電廠1&2 號機(jī)組采用AFA 3G 燃料組件，為平行開式通道堆芯，相鄰?fù)ǖ乐g存在著能量和質(zhì)量傳遞。 因此，可以根據(jù)壽期初氙不變（BOL）、壽期初氙平衡（BLX）和壽期中（MOL）三種燃耗下的堆芯徑向功率分布，采用開式通道熱工水力模型程序FLICA III-F 計(jì)算堆芯出口溫度分布。FLICA III-F 程序能夠計(jì)算在分離通道內(nèi)或相連通道內(nèi)流體的穩(wěn)態(tài)流動和瞬態(tài)流動，確定相鄰子通道間的質(zhì)量和能量交換。

另一方面，HNLCS 堆芯出口溫差報(bào)警定值確定過程中，采用了全堆芯出口溫差包絡(luò)值，而海南昌江核電廠1&2 號機(jī)組在30 個燃料組件出口布置了熱電偶測量溫度，且被分為3 個區(qū)域。因此，堆芯出口溫差包絡(luò)值可分別計(jì)算各區(qū)域內(nèi)熱電偶布置處的燃料組件出口溫度差值。

表1 中，“閉式通道全堆芯” 為HNLCS 各燃料循環(huán)全堆芯燃料組件出口溫度計(jì)算結(jié)果；“開式通道全堆芯”“開式通道熱電偶處燃料組件（邊緣區(qū)）”和“開式通道熱電偶處燃料組件（中心區(qū)）”為采用開式通道熱工水力模型程序計(jì)算的堆芯出口溫度分布，分別給出了各燃料循環(huán)全堆芯、邊緣區(qū)域熱電偶處和中心區(qū)域熱電偶處燃料組件出口溫度計(jì)算結(jié)果。

表1 堆芯出口溫差理論計(jì)算值

從表1 可知，采用開式通道熱工水力模型程序計(jì)算的各燃料循環(huán)全堆芯燃料組件出口溫差包絡(luò)值相對采用閉式通道的減小3.3℃， 而僅考慮熱電偶布置處的燃料組件時，中心區(qū)域和邊緣區(qū)域的燃料組件出口溫差包絡(luò)值進(jìn)一步減小為23.3℃和11.1℃。

3.2 溫差測量偏差優(yōu)化

溫度測量偏差為±3.08℃，堆芯出口溫度最大值考慮+3.08 的測量偏差， 最小值考慮-3.08 的測量偏差，得到溫差測量偏差為6.16℃的方法是相當(dāng)保守的。

假設(shè)溫度測量不確定性為均勻分布，而兩個獨(dú)立的，均勻分布的總和產(chǎn)生對稱的三角分布。

根據(jù)如下三角形分布的概率密度函數(shù)，容易得到溫差測量偏差在±4.814℃范圍內(nèi)的概率是95%。

在確定堆芯出口溫差報(bào)警定值時，可采用概率論方法確定的4.814℃作為溫差測量偏差。

結(jié)合采用開式通道熱工水力模型程序計(jì)算的各燃料循環(huán)全堆芯燃料組件出口溫差包絡(luò)值25.1℃，可采用30.0℃（≈25.1+4.814℃）作為堆芯出口溫差報(bào)警定值。

3.3 分區(qū)域設(shè)置報(bào)警定值

如圖1 所示，布置的堆芯出口熱電偶被分為3 個區(qū)域，每個區(qū)域內(nèi)的溫度測量最大值和最小值的差值即為該區(qū)域的堆芯出口溫差，與堆芯出口溫差報(bào)警定值比較，判斷是否發(fā)出報(bào)警。目前設(shè)計(jì)中，不同區(qū)域的堆芯出口溫差報(bào)警定值是同一數(shù)值。

而根據(jù)表1 可知， 對于中心區(qū)域和邊緣區(qū)域，區(qū)域的堆芯出口溫差是相當(dāng)大的，可以通過控制邏輯修改，不同區(qū)域設(shè)置不同的報(bào)警定值，以判斷堆芯出口溫差是否超出預(yù)期。

4 結(jié)論

采用閉式通道熱工水力程序計(jì)算的各燃料循環(huán)全堆芯燃料組件出口溫度偏差包絡(luò)值與兩倍的溫差測量偏差之和確定堆芯出口溫差報(bào)警定值的方法較為保守。 本文以海南昌江核電廠1&2 號機(jī)組為例，提出了采用開式通道熱工水力模型程序計(jì)算的各燃料循環(huán)全堆芯燃料組件出口溫差包絡(luò)值與概率論方法確定溫差測量偏差確定堆芯出口溫差報(bào)警定值，以及通過控制邏輯修改對不同熱電偶分布區(qū)域設(shè)置不同的報(bào)警定值的方法，更好達(dá)到報(bào)警設(shè)置的目的，即盡快對出現(xiàn)的堆芯異常情況和堆芯出口溫度測量系統(tǒng)故障情況提供報(bào)警，又盡量避免出現(xiàn)誤報(bào)警。