CN88100686A - 一种检测抗反应元件跌落到核电站反应堆中的方法及具有此种防跌落保护的电站 - Google Patents

Abstract

本发明改善了检测一个控制棒集束跌落到核裂变电站反应堆中的方法。首先监测核功率(3)的变化，其次监测至少一个在反应堆外部的并对反应堆控制有影响的参数(1、2)的变化。当检测出上述功率的迅速降低(12j)，而没有同时检测到一个可能导致上述功率降低的外界参数和变化(12a、12b、…12n)时，就认为发生了一个集束的跌落事故。本发明应用于电力生产部门。

Description

本发明涉及到当抗反应元件，即吸收中子元件，跌落到一个核裂变电站反应堆的芯部时进行检测的方法。

本发明特别适用于检测“控制棒集束”中的一个集束的跌落，该控制棒集束用于调节和控制核功率，即核反应所产生的功率。这种控制棒集束分布在堆芯水平部分的上方。它们在位于堆芯上方的适当的机械装置控制下，可沿上下两个方向垂直运动，以便使其吸收棒在较大或较小的程度上***到堆芯中。

为安全起见，装设有位置检测器，随时可指示出每个集束的位置。遗憾的是，这些检测器实际上只能处于面对集束所连接其上的悬挂元件的位置，而不能面对集束本身。因此，一个连接的故障可能导致一个集束意外跌落，而这样的跌落不能被上述检测器指示出来。

这种跌落引起局部核功率的降低，从而导致堆芯总功率的降低。由于存在功率调节回路，上述功率降低可通过其它控制棒集束的提升迅速地得到补偿。然而，除了其它的缺点外，还会出现中子流的畸变，它减慢了在跌落集束附近的燃料单元的燃烧速度，并加快了其它燃料单元的燃烧速度。此外，对于核反应可能采取措施的余地也减少了。这就是为什么在发生这种意外跌落时希望能尽快和尽量可靠地检测出来，以便施行反应堆的紧急停运，然后再重建正常的运行状态。

在先前的电站中，进行这种检测所用的检测装置也同时用于检测其它类型的故障。更确切地说，这些装置检测由于汽穴的出现而产生的过高温度;这些汽穴沿着组成燃料单元的棒出现在堆芯的不同部位。当一个集束意外跌落时，开始时核功率上升到某一水平;这样，沿着一个燃料单元出现了过高的温度或汽穴，该燃料单元的燃烧由于中子流的畸变而加速。于是，不同种类的自动保护装置便可使反应堆紧急停运。然后确定停堆的原因，并在反应堆恢复运行之前补救事故的后果。

这种方法是有缺点的，特别是如果跌落集束的抗反应性相当低时，需要相当长的时间才能使核功率上升到足够高的水平去启动上述的停堆过程。这样，某些燃料元件的燃耗率可能与正常值有很大差别。

本发明的一个特定的目的是对于一个抗反应元件（例如一个控制棒集束）的跌落提供更快速更确切的检测，即使由于跌落集束的位置和/或由于它较低的抗反应率，使跌落的集束只引起核功率的微小变化。本发明的另一目的是借助于这种检测，对核电站的反应堆提供更好的保护，以防止在这样的跌落发生后核反应继续以正常方式运行而造成破坏性的后果。

本发明的目的也在于以一种简单而廉价的方式实现这些结果，它可避免一些不利的副作用，特别是避免核电站中反应堆不必要的紧急停运。

为了满足这些目的，本发明特别提供了一种方法用来检测一个抗反应元件跌落到核电站的反应堆中。该方法的特点在于，首先，在一个调节核功率的回路的控制下监测反应堆核功率的变化;其次，至少 用一个与反应堆外部事件有关的外界参数计算功率参考值，该值提供给上述调节回路以便控制反应堆。根据以下条件可检测出上述跌落事故：检测出上述功率的迅速降低，而未检测出外界参数的较大变化，这些参数的变化与功率迅速降低之间有预定的时间关系。

当然，这样一种时间关系必须适合于被选出用于监测的每一个外界参数。该时间关系的选择为的是表明：核功率的降低是外界参数变化的结果。“结果”这个词用来包括两种情况：一种情况是，它是由上述变化直接引起的;另一种情况是，它是由与上述变化相同的固有原因引起的。这种适当的时间关系常常是简单的：在两个事件之间的时间间隔应该小于一个预定值。

这也是不言而喻的：“迅速的”和“大的”在这里具有定量的意义，它取决于本发明所应用的具体电站：如果功率的下降率落于这样一个范围，即那种须被检测出的意外跌落之后的功率下降范围，则这样的功率降低在这里就认为是“迅速的”。而外界参数的变化速度和/或变化幅度能导致上述核功率的迅速下降，则此外界参数的变化被认为是“大的”。

而且必须明白，上述的参数功率值本身可以根据本发明作为一个外界参数，因为它是外界参数的代表，是从外界参数导出的。

本发明也提供一种核电站，它有一个受到保护的反应堆，防止因抗反应元件的跌落而损坏。该反应堆包括：

一个包含裂变燃料单元的堆芯，用以维持提供核功率的核反应;

一个冷却流体回路，它有一个支路通过上述堆芯，以热的形式使功率转移，并使上述热量能在反应堆的外部使用;

测量装置用于连续测量反应堆当前的核功率;

抗反应调节元件，适用于正反两方向减少上述功率;以及

调节驱动装置，由上述功率测量装置所控制，以便使上述调节元件在较大或较小程度上***到上述堆芯中;这取决于当前的核功率是否大于或小于一个功率参考值。以这样一种方式构成了核功率的调节回路，并能通过改变上述参考值使反应堆受到控制。上述回路的任何反应都导致在功率可能恢复稳定以前，出现暂时的功率变化。

至少有一个抗反应元件悬挂在进入堆芯的一个通道的上方;这样，上述元件的意外跌落使其***到堆芯中，因而引起核功率迅速降低;随之而来的是上述调节回路的反应，这种反应伴随着核功率在回复到其稳定值以前出现的暂态变化，该稳定值是在发生跌落前的功率数值;

上述反应堆还包括一个反应堆停运信号控制下的停堆装置;以及

故障检测装置，在堆芯中发生故障后，用来发出反应堆停运信号，特别是在一个抗反应元件跌落时，用于保护反应堆免受损坏;如果该事故未被补救，而上述核反应继续进行下去，就会导致反应堆损坏。

上述电站进一步包括：

一个功率输出装置，它接受来自上述冷却流体回路另一支路的输入热功率，并向负荷提供可变的和/或可中断的输出功率;以及

至少一个核功率调节***，它接受反应堆外部的参数值，例如与上述功率输出装置的运行有关的参数，并产生相应的上述功率参考值，以使当前核功率与上述参数的变化持续地相一致;如果这种变化足够大，它就能引起核功率的迅速变化。

上述核电站的特点在于：其故障检测装置包括一个专门用于检测一个抗反应元件跌落的回路，该回路适用于首先检测核功率的迅速降低;其次检测至少一个外界参数的上述大的变化;当核功率的降低被检测出，而在与该功率降低有关的一个预定时间关系中，没有这种外界参数的变化，该回路就提供一个反应堆停运信号。

根据本发明，伴随着意外跌落而出现的功率迅速降低的现象，可用来可靠地检测这样一种跌落，只要当这样的功率降低被检测到时，能够确定这种功率的变化是否是由于一个外界参数的任何较大的变化组成了暂态功率变化的一部分所造成的。

更确切地说，这样的认识使我们有可能根据一个功率下降率的门限值来启动停堆过程;该门限值足够低，保证任何抗反应元件的危险跌落都能导致停堆，即使所述的元件具有相当低的抗反应率。这种认识使我们有可能消除由于选择如此低的门限值所带来的危险;这种危险是：外界参数相当大的变化将导致无意义的紧急停堆，这对于核电站的利用是破坏性的。

这种认识的合理性在于：有可能简单地并且以一个有限的误差范围建立起某些外界参数较大的容易检测的变化，同由此引起的核功率迅速降低之间所存在的时间关系。

按照本发明，下列附加的配置也应优先选用：

上述用于检测跌落事故的回路包括：

一个核功率监测回路，包括微分元件，它接受一个代表上述功率的测量信号，并输出一个对时间求导的微商信号;以及

门限值元件，它接受上述微商信号并在核功率下降率大于一个给定速度时输出一个代表核功率快速降低的信号;

至少一个外界参数监测回路，每个这样的回路都包括微分器件，它接受代表该参数的测量信号，并输出一个微商信号;以及

门限值元件，它接受每个上述微商信号，并在任何微商信号超出预定范围时提供一个代表外界参数较大变化的信号;以及

一个逻辑回路，其输入端连接到上述监测回路，以便在接受到代表核功率快速下降的信号，而没有接受到代表外界参数较大变化的信号时，提供上述反应堆停运信号。

上述用于检测跌落事故的回路包括许多用于监测外界参数的回路，每个都检测相应的外界参数的变化。

上述逻辑回路，包括把来自上述监测回路的输出信号进行逻辑加工的元件。

上述用于检测跌落事故的回路包括至少一个延迟回路，将测量信号或由至少一个外界参数的测量信号所导出的信号进行延迟，以便提供至少一个代表外界参数较大变化的信号;该信号相对于另一个未延迟的代表同样参数较大变化的信号来说被延迟了。

当上述代表当前核功率快速降低的信号出现，而上述代表外界参数较大变化的延时信号和未延时信号没有同时出现时，上述逻辑回路给出上述反应堆停运信号。

上述配置使得有可能在一个外界参数的变化和某些核功率降低的阶段之间考虑一个合理的时间间隔;核功率的降低是由上述参数变化引起的。

本发明特别适用于有名的压水堆（PWR）型核电站，它具有下列配置：

上述冷却流体回路包括若干冷却回路，其中每个回路包括一个主 加压水回路和一个副水汽回路;主回路冷却上述堆芯，副回路包括凝汽器和蒸汽发生器中的支路;蒸汽发生器由上述主回路加热;上述每个回路包括一个循环水泵;

上述测量核功率的装置是对中子流敏感的测量盒，安置在上述堆芯中;

上述抗反应调节元件是控制棒集束;每个集束包括许多垂直悬挂的棒，这些棒在较大或较小的程度上***到上述堆芯的通道中：上述每个集束同时构成了一个抗反应元件，它可能遭受意外的脱落事故;

上述功率输出装置至少包括一台汽轮机，由来自至少一个上述副冷却流体回路的蒸汽所驱动，并带动一台交流发电机;

上述负荷是由上述交流发电机供电的电力网络;

装设在上述冷却流体的副回路中的控制装置，用来控制汽轮机进汽口处的蒸汽压力，作为汽轮机转速和/或交流发电机出口处电气状态的函数;以这样的方式构成汽轮发电机组的调节回路;以及

电路断开装置，如果发生电网故障或对电站运行必要时，将交流发电机与电网解列。

按照常规，在这样一个电站中：

冷却流体回路包括二到四个冷却环路;

量测核功率的测量盒沿着堆芯的两条正交直径对称安装，以及

上述故障检测装置特别包括检测堆芯中过高的温度和/或过重的蒸汽的装置。（按照本发明，除了上述检测过高温度和/或过重蒸汽的装置外，还装设了上述检测意外跌落事故的装置。）

在这样一个电站中，本发明使在发生一个控制棒集束跌落时能首先可靠地停止反应堆运行，即使该集束具有相当低的抗反应率或者该 集束的位置对于核功率降低只能引起较小的变化。同时，本发明也有可能避免无意义地停止反应堆运行，尤其在下列情况下：

当电站主动地或自动地与电网解列时;

当电网遭受一个电气故障，要求电站迅速作出反应，但不要求解列时;或

当汽轮切机时，即由于异常情况自动装置关闭了汽轮机的供应。

本发明更适用于这种情况：上述用在主冷却流体回路中的泵被一台由上述交流发电机供电的马达所驱动，以致该泵的转速随着上述发电机和汽轮机的转速而变化。在这种情况下，上述检测跌落事故的回路若包括两个用于监测外界参数较大变化的回路，看来是有益的;其中一个回路检测汽轮机进汽口处的蒸汽压力;另一个回路检测上述主回路中泵速的变化。

下面参照附图给出一个如何实施本发明的不受限制的例子。应该注意到，在本例中采用了按照本发明如上所述的优选配置。也应该明白，所描述和示出的项目，只要不超出本发明的范围，可以用具备同样技术功能的其它项目所代替。

图1、2、3中的曲线表示在发生一个控制棒集束跌落到核电站反应堆中时，不同物理量的变化，作为以秒表示的时间的函数。例如，按照本发明，这些是可分别为汽轮机进汽口处的蒸汽压力，在反应堆冷却回路的主回路中的泵转速，以及反应堆发出的核功率。

图4、5、6中的曲线分别表示同样物理量的变化，发生在由该电站供电的电网中出现故障后，电站自动与电网解列的情况下。

图7、8、9中的曲线分别表示同样物理量的变化，发生在电网中无故障，由电站运行人员的控制将电站解列的情况下。

图10、11、12中的曲线分别表示同样物理量的变化，发生在上述电站中的汽轮机被切除而退出运行的情况下。

图13、14、15中的曲线分别表示同样物理量的变化，发生在电网中出现暂时性故障，不需要将电站解列的情况下。

图16是按照本发明，用于检测一个抗反应元件跌落的回路方框图。

图1、2、3是在一个控制棒集束跌落时，各测量值的曲线;从图中可以看到，在汽轮机进汽口处的蒸汽压力和泵的转速没有变化，而总的核功率下降得非常迅速，在几十秒的时间后，恢复到其原数值。

一个集束的跌落立即被测量盒监测到，以总功率的一种有限的，但非常迅速降低的形式表示出来。跌落的集束引起的功率降低局限在若干个燃料部件中。这一下降使总功率受到几秒钟的影响。此后，核功率调节回路对没有跌落的控制棒集束起作用，以使总功率回到参考值。

图4、5、6表示出与图1、2、3同样的物理量的变化，是在被称为“在电网故障后解列”这样一种电站连接方式的情况，而这种方式是在供电网路中出现故障时自动建立起来的。然后，对核反应堆构成的锅炉功率的需求降至一个很低的非零水平。这个水平选择得足够高，首先满足电站在解列期间的自身需要;其次，一旦电网的故障被切除，就能使电站迅速恢复到电网所要求的功率水平。

图4表示出在汽轮机进汽口处的蒸汽压力发生非常快速的下降。这个压力降落使得汽轮发电机组的转速发生变化，从而引起发电频率的较小变动。这种频率变化导致在主冷却流体回路中泵的转速发生同 样的变化。

图5表示调节反应堆核功率的***使控制棒的位置发生变化以便减少核功率。各种参数的变化，特别是泵速的变化，阻碍核功率的平滑下降，甚至可能在功率下降前，使它在原功率值附近振荡几秒钟，如图6所示。

图7、8、9表示当电站由运行人员解列时同样物理量的变化情况。代表泵速和核功率的曲线与图5和图6的曲线相类似，只是在原点附近的测量值在振荡前没有减小。

图10、11、12是在汽轮机在不需要实行紧急停运情况下被切除而退出运行时的相应曲线。汽轮机的进汽压力开始时迅速降低，然后降低得比较缓慢（图10）。主泵的转速保持恒定，核功率缓慢地下降（图12）。

图13、14、15是在发生一个暂态网络故障，并被快速切除情况下相应的曲线;这种情况不需要将电站解列。汽轮机的进汽压力在网络故障电站与分段隔开时下降得非常之快（图13），但随后就非常迅速地回到它原来的数值。泵速在恢复到它的起始值以前稍许有所降低（图14）。核功率开始时平缓地下降，象泵速一样;然后在返回到它的起始值以前有些振荡（图15）。

图1、2、3表明，在发生一个控制棒集束跌落的情况下，只有核功率是变化的;而在其它的事件中（图4到15），除了核功率变化以外，示出的两个外界参数中至少有一个发生了变化。核功率的变化可能如此之大，以致于导致反应堆的紧急停运。为了避免这种不希望产生的停堆的缺点，本发明指出：在曲线上每一点的导数值都应该计算出来，并且应将这些计算值与预定的门限值进行比较。

当且仅当核功率的导数信号达到相当的门限值，才启动一个紧急停堆的过程。

图16是一个适合于实施根据本发明的方法所采用回路的方框图。

可用的测量信号是主泵转速1、在汽轮机进汽口处的蒸汽压力2、以及核功率3。信号1和2表示两个参数，它们对反应堆来说被认为是“外界的”参数。这三个信号分别加在三个微分器电路4a、4b和4c的输入端，它们构成了上面的微分元件。

导数信号9和10来自电路4a和4b的输出端，首先加到各自的延迟电路5a和5b，其次加到各自的一对门限值继电器6e与6f以及6g与6h。不言而喻，这些继电器构成了如前所述的门限值元件。

在电路5a和5b输出端延迟了的导数信号7和8同样加到成对的门限值继电器6a与6b以及6c与6d。来自微分器电路4c输出端的导数信号11加到一个门限值继电器6j上。

门限值继电器各自发送具有0值或1值的信号值。7、8、9和10中的每一个信号都加到一对门限值继电器上，为的是检测超出正门限值（+）和负门限值（-）的偏差，在正负门限值之间，信号的值为零。来自门限值继电器的每个信号12a、12b、12c、12d、12e、12f、12g和12h加到一个或非（NOR）逻辑电路13的各个输入端上。当且仅当电路13的任何输入信号都不是1时，该电路产生一个逻辑“1”的输出。当信号11低于一个负的门限值时，来自门限值继电器6j的输出信号12j被置于1。

来自电路13的输出信号和来自门限继电器6j的输出信号分别 加到一个与门（AND）14的输入端上。当加到与门的两个输入信号都在“1”状态时，输出信号15同样是“1”状态，这个信号被用作为反应堆的紧急停运信号。

给定各种信号的持续时间后，可以得出，在预定的时间限度内，不论泵速信号或汽轮机进汽口汽压信号在哪个时刻变化，这些信号的导数的变化是与核功率变化在同一时刻借助于门限值继电器一起考虑。例如，参照图6，信号9、10和11在时刻t1起作用，而延迟信号7和8与信号11一起在时刻t2起作用。

Claims (7)

1、一种检测一个抗反应元件跌落到核电站反应堆中的方法；该方法的特点在于，首先，在一个调节核功率的回路控制下监测反应堆核功率的变化；其次，至少有一个与反应堆外部事件有关的外界参数受到监测，并用来计算功率参考值：该值提供给上述调节回路，以便控制反应堆；根据以下条件可检测出上述跌落事故；检测出上述功率的迅速降低，而未检测出外界参数的较大变化，这些参数的变化与功率迅速降低有预定的时间关系。

2、一个核电站，具有防止抗反应元件跌落的反应堆，上述反应堆包括：

一个含有裂变燃料单元的堆芯，用以维持提供核功率的核反应;

一个冷却流体回路，它有一个支路通过上述堆芯，以热的形式转移上述功率，并使上述热量能在反应堆的外部使用;

测量装置用于连续测量反应堆当前的核功率;

抗反应调节元件，适用于正反两方向减少上述功率;以及

调节驱动装置，由上述功率测量装置所控制，以便使上述调节元件在较大或较小程度上***到上述堆芯中;这取决于当前的核功率是否大于或小于一个功率参考值。以这样一种方式构成了核功率的调节回路，并能通过改变上述参考值使反应堆受到控制。上述回路的任何反应都导致在功率可能恢复稳定以前，出现暂时的功率变化。

至少有一个抗反应元件悬挂在进入堆芯的一个通道的上方;这样，上述元件的意外跌落使其***到堆芯中，因而引起核功率迅速降低;随之而来的是上述调节回路的反应，这种反应伴随着核功率在回复到其稳定值以前出现暂态变化，该稳定值是在发生跌落前的功率数值;

上述反应堆还包括一个反应堆停运信号控制下的停堆装置;以及

故障检测装置，在堆芯中发生故障后，用来发出反应堆停运信号，特别是在一个抗反应元件跌落时，用于保护反应堆免受损坏;如果该事故未被补救，而上述核反应继续进行下去，就会导致反应堆损坏。

上述电站进一步包括：

一个功率输出装置，它接受来自上述冷却流体回路另一支路的输入热功率，并向负荷提供可变的和/或可中断的输出功率;以及

至少一个核功率调节***，它接受反应堆外部的参数值，例如与上述功率输出装置的运动有关的参数，并产生相应的上述功率参考值，以使当前核功率与上述参数的变化持续地相一致;如果这种变化足够大，它就能引起核功率的迅速变化。

上述核电站的特点在于：其故障探测装置包括一个专门用于检测一个抗反应元件跌落的回路，该回路适用于首先检测核功率的迅速降低;其次检测至少一个外界参数的上述大的变化;当核功率的降低被检测出，而在与该功率降低有关的一个预定时间关系中，没有这种外界参数的变化，该回路就提供一个上述反应堆停运信号（15）。

3、根据权利要求2，该电站的特点在于，具有上述用于检测跌落事故的回路，其中包括：

一个核功率监测回路，包括微分元件（4c），它接受一个代表上述功率（3）的测量信号，并输入一个对时间求导的微商信号（11）;以及

门限值元件（6j），它接受上述微商信号，并在核功率下降率大于一个预定速率时输出一个代表核功率快速降低的信号（12j）;

至少一个外界参数监测回路，每个这样的回路都包括微分器件（4a、4b），它接受代表该参数的测量信号（1、2），并输出微商信号（9、10）;以及

门限值元件（6e、6f、6g、6h），它们接受每个上述微商信号，并在任何微商信号超出预定范围时提供代表外界参数较大变化的信号（12e、12f、12g、12h）;以及

逻辑电路（13、14），其输入端连接到上述监测回路，以便在接受到代表核功率快速下降的信号（或经一延时后的信号），而没有接受到代表外界参数较大变化的信号（或经延时后的信号）时，提供上述反应堆停堆信号（15）。

4、根据权利要求3，该电站的特点在于，上述用于检测跌落事故的回路包括许多用来监测外界参数的电路（4a、4b、6e、6f、6g、6h），每个回路检测相应的外界参数的变化;

上述逻辑回路（13、14）包括把来自上述监测回路的输出信号进行逻辑加的元件（13）。

5、根据权利要求3，该电站的特点在于，上述用于检测跌落事故的电路包括至少一个延迟元件（5a，5b），将测量信号或由至少一个上述外界参数的测量信号（1、2）所导出的信号（9、10）进行延迟，以便提供至少一个代表外界参数较大变化的信号（12a、12b、12c、12d）;该信号相对于另一个代表同样参数较大变化的未延迟信号（12e、12f、12g、12h）来说被延迟了;

当代表当前核功率快速降低的上述信号（12j）出现，而代表外界参数较大变化的上述延时信号和未延迟信号没有同时出现时，上述逻辑电路（13、14）给出上述反应堆停运信号（15）。

6、根据权利要求4，在该电站中：

上述冷却流体回路包括若干冷却回路，其中每个回路包括一个主加压水回路和一个副水汽回路;主回路冷却上述堆芯，副回路包括凝汽器和蒸汽发生器中的支路;蒸汽发生器由上述主回路加热;上述每个回路包括一个循环水泵;

上述测量核功率的装置是对中子流敏感的测量盒，安置在上述堆芯中;

上述抗反应调节元件是控制棒集束;每个集束包括许多垂直悬挂的棒，这些棒在较大或较小的程度上***到上述堆芯的通道中;上述每个集束同时构成了一个抗反应元件，它可能遭受意外的脱落事故;

上述功率输出装置至少包括一台汽轮机，由来自至少一个上述副冷却流体回路的蒸汽所驱动，并带动一台交流发电机;

上述负荷是由上述交流发电机供电的电力网络;

装设在上述冷却流体副回路中的控制装置，用来控制汽轮机进汽口处的蒸汽压力，作为汽轮机转速和/或交流发电机出口处电气状态的函数;以这样的方式构成汽轮发电机组的一个调节回路;以及

电路断开装置，如果发生电网故障或对电站运行有必要，用该装置将交流发电机与电网解列。

7、根据权利要求6，该电站中，上述用在主冷却流体回路中的泵被一台由上述交流发电机供电的马达所驱动，以致于该泵的转速随着上述发电机和汽轮机的转速而变化;

上述电站的特点在于，上述用于检测跌落事故的回路包括两个上述用来监测外界参数较大变化的回路;其中一个回路（4b、6g、6h）检测在汽轮机进汽口处的蒸汽压力的变化，另一个回路（4a、6e、6f）检测在上述主回路中泵速的变化。

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