反應堆停堆系統工作原理是將控制棒快速插入堆芯，迫使反應堆處於次臨界狀態，最終停閉反應堆的系統。
基本介紹
- 中文名：反應堆停堆系統工作原理
- 組成部分：停堆信號部分及停堆執行部分
反應堆停堆系統(reactor trip system)將控制棒快速插入堆芯，迫使反應堆處於次臨界狀態，最終停閉反應堆的系統。反應堆停堆系統是反應堆保護系統的組成部分。快速停堆可以防止反應堆狀態參數超出安全限值，減緩事故後果。
組成及工作原理 反應堆停堆系統由兩部分組成，即停堆信號部分及停堆執行部分。圖1為典型的反應堆停堆系統的工作原理。
圖1 反應堆停堆系統工作原理圖
前一部分除過程儀表外屬於反應堆保護系統本身的保護邏輯系統，用來對接受的保護參數進行符合邏輯處理。對反應堆起動保護的參數，一般採用“二取一”符合邏輯；對於其他保護參數，均採用“四取二”或“三取二”符合邏輯。這樣，拒動機率和誤動機率可很低，並保證足夠的安全性和可靠性。為了在不同反應堆功率水平下完成相應的保護動作，反應堆保護系統的邏輯部分設有允許信號和禁止信號，以允許或禁止保護系統的某些功能。例如，中子功率測量有三個不同量程，與此相應設有相對應的超功率保護，在正常起動中，操縱員必須手動閉鎖相應的保護信號。而禁止信號用來及時限制堆功率，以避免停堆。有兩類禁止信號：一類閉鎖控制棒，另一類針對汽輪機，例如，降低汽輪機負荷，或閉鎖部分旁路閥的打開。
停堆執行部分包括停堆繼電器、停堆斷路器、控制棒驅動機構、控制棒及其連線部件。當接到停堆信號後，停堆斷路器脫扣，觸頭打開，切斷控制棒驅動機構的電源，控制棒便依靠重力自動落入堆芯。為可靠起見，停堆斷路器採取斷電脫扣的方式，並外加通電脫扣。
圖1中所示的停堆斷路器觸頭矩陣採用“二取一”的符合邏輯的配置，這種配置在世界上使用最為廣泛，有較好的安全性。當停堆斷路器試驗或維修時，可由旁路斷路器替代工作，不影響反應堆的正常運行。80年代初，有些核電廠的停堆斷路器的觸頭矩陣採用“四取二”符合邏輯的配置，這種配置不但安全性較好，而且一個停堆斷路器誤動作不會引起誤停堆，故其可靠性也較好。
早期的保護系統其邏輯單元採用磁性元件。隨著電子器件可靠性的提高，大部分核電廠採用積體電路固態元件，現已開始採用基於微處理器的反應堆保護系統。
反應堆停堆系統採用手動和自動相結合的線上試驗方式。自動檢查採用編碼的脈衝進行，以適應對符合電路的測試。脈衝的寬度一般比較小，約幾十微秒，目的是使停堆執行部分來不及回響，以免造成誤停堆。
反應堆穩定性(reactor stability)一座反應堆受到某種擾動後，偏離其原來的平衡狀態，而趨向於新的平衡狀態的屬性。保證反應堆具有自穩定性，是核電廠安全設計原則之一。在反應堆發展過程中，曾由於設計不當，發生過反應堆功率共振的不穩定性問題。例如，美國的實驗性快中子增殖反應堆EBR-Ⅰ，由於機械設計上的原因，產生了由燃料棒彎曲引起瞬時正反應性反饋和由上部結構板彎曲和膨脹引起的滯後負反應性反饋，從而引起反應堆功率共振，導致反應堆堆芯燒毀。在美國的實驗性沸水反應堆EBWR上，也曾出現過類似的功率共振現象。
對於壓水堆核電廠，為了保證反應堆具有自穩定性，功率係數必須是負的，即要求燃料反應性溫度係數是負的，還要求自熱態零功率至滿功率，慢化劑反應性溫度係數不出現正值。對於具有負的反應性反饋特性的反應堆，當反應性有一正擾動時，堆的功率上升，通過負的反應性溫度反饋，給反應性正擾動以反向補償，反之亦然。
上述第一種負反饋的機理是這樣的，功率變化引起燃料溫度變化，燃料溫度變化繼而引起中子共振吸收率的改變，從而產生反應性反向補償，這種效應稱為都卜勒效應，燃料反應性溫度係數的絕對值大小表征了都卜勒效應的強弱。由於燃料溫度變化對功率變化的回響是瞬時的，所以都卜勒效應是瞬發的。對於壓水堆，以低富集度的鈾(235U富集度約為3%~4%)作核燃料，因此都卜勒效應總是負的。第二種負反饋機理是，由功率變化引起慢化劑密度變化，繼而使慢化劑吸收中子能力和慢化中子能力發生變化，從而產生反應性反向補償。由於熱量從燃料到冷卻劑(也是慢化劑)有一熱傳遞過程，所以這種反向補償效應對擾動來說有一時間滯後。為了使慢化劑反應性溫度係數是負的，在壓水堆核電廠的設計中採取了一些相應措施：一是堆芯結構選取欠慢化的緊柵格；二是冷卻劑中的可溶硼濃度必須加以限制，一般在1300×10~1400×10以下。除了在核設計方面做了上述考慮外，在反應堆的機械和結構上也做了相應的考慮。因此，目前的壓水堆核電廠具有良好的自穩定性能。
另外，在大型核電廠的核設計中，還須考慮對氙致功率振盪所具有的穩定性。由於裂變產物碘、氙和功率擾動的相互作用，使功率峰在反應堆堆芯內有規律地移動，形成功率振盪。如果振盪是發散的，並且不及時地加以控制，則會危及反應堆堆芯安全。氙致功率振盪方式有徑向、軸向和方位角方向上振盪。在核設計中，選取恰當的反應堆堆芯高度—直徑比以及使反應堆具有良好的負反應性反饋效應，都會對功率振盪起阻尼作用。一般來說，徑向功率振盪不易發生，方位角方向上振盪只有在控制棒作違禁移動的激勵下才能發生，發生可能性較大的是軸向功率振盪。由於氙致功率振盪的過程是很緩慢的，利用反應堆內、外探測器監測以及控制棒移動，能有效地加以控制和抑制。
