反应堆停堆系统工作原理
基本内容
反应堆停堆系统(reactor trip system)将控制棒快速插入堆芯，迫使反应堆处于次临界状态，最终停闭反应堆的系统。反应堆停堆系统是反应堆保护系统的组成部分。快速停堆可以防止反应堆状态参数超出安全限值，减缓事故后果。
组成及工作原理 反应堆停堆系统由两部分组成，即停堆信号部分及停堆执行部分。图1为典型的反应堆停堆系统的工作原理。
前一部分除过程仪表外属于反应堆保护系统本身的保护逻辑系统，用来对接受的保护参数进行符合逻辑处理。对反应堆起动保护的参数，一般采用“二取一”符合逻辑；对于其他保护参数，均采用“四取二”或“三取二”符合逻辑。这样，拒动概率和误动概率可很低，并保证足够的安全性和可靠性。为了在不同反应堆功率水平下完成相应的保护动作，反应堆保护系统的逻辑部分设有允许信号和禁止信号，以允许或禁止保护系统的某些功能。例如，中子功率测量有三个不同量程，与此相应设有相对应的超功率保护，在正常起动中，操纵员必须手动闭锁相应的保护信号。而禁止信号用来及时限制堆功率，以避免停堆。有两类禁止信号：一类闭锁控制棒，另一类针对汽轮机，例如，降低汽轮机负荷，或闭锁部分旁路阀的打开。
停堆执行部分包括停堆继电器、停堆断路器、控制棒驱动机构、控制棒及其连接部件。当接到停堆信号后，停堆断路器脱扣，触头打开，切断控制棒驱动机构的电源，控制棒便依靠重力自动落入堆芯。为可靠起见，停堆断路器采取断电脱扣的方式，并外加通电脱扣。
图1中所示的停堆断路器触头矩阵采用“二取一”的符合逻辑的配置，这种配置目前在世界上使用最为广泛，有较好的安全性。当停堆断路器试验或维修时，可由旁路断路器替代工作，不影响反应堆的正常运行。80年代初，有些核电厂的停堆断路器的触头矩阵采用“四取二”符合逻辑的配置，这种配置不但安全性较好，而且一个停堆断路器误动作不会引起误停堆，故其可靠性也较好。
早期的保护系统其逻辑单元采用磁性元件。随着电子器件可靠性的提高，大部分核电厂采用集成电路固态元件，现已开始采用基于微处理器的反应堆保护系统。
反应堆停堆系统采用手动和自动相结合的在线试验方式。自动检查采用编码的脉冲进行，以适应对符合电路的测试。脉冲的宽度一般比较小，约几十微秒，目的是使停堆执行部分来不及响应，以免造成误停堆。
反应堆稳定性(reactor stability)一座反应堆受到某种扰动后，偏离其原来的平衡状态，而趋向于新的平衡状态的属性。保证反应堆具有自稳定性，是核电厂安全设计原则之一。在反应堆发展过程中，曾由于设计不当，发生过反应堆功率共振的不稳定性问题。例如，美国的实验性快中子增殖反应堆EBR-Ⅰ，由于机械设计上的原因，产生了由燃料棒弯曲引起瞬时正反应性反馈和由上部结构板弯曲和膨胀引起的滞后负反应性反馈，从而引起反应堆功率共振，导致反应堆堆芯烧毁。在美国的实验性沸水反应堆EBWR上，也曾出现过类似的功率共振现象。
对于压水堆核电厂，为了保证反应堆具有自稳定性，功率系数必须是负的，即要求燃料反应性温度系数是负的，还要求自热态零功率至满功率，慢化剂反应性温度系数不出现正值。对于具有负的反应性反馈特性的反应堆，当反应性有一正扰动时，堆的功率上升，通过负的反应性温度反馈，给反应性正扰动以反向补偿，反之亦然。
上述第一种负反馈的机理是这样的，功率变化引起燃料温度变化，燃料温度变化继而引起中子共振吸收率的改变，从而产生反应性反向补偿，这种效应称为多普勒效应，燃料反应性温度系数的绝对值大小表征了多普勒效应的强弱。由于燃料温度变化对功率变化的响应是瞬时的，所以多普勒效应是瞬发的。对于压水堆，以低富集度的铀(235U富集度约为3%~4%)作核燃料，因此多普勒效应总是负的。第二种负反馈机理是，由功率变化引起慢化剂密度变化，继而使慢化剂吸收中子能力和慢化中子能力发生变化，从而产生反应性反向补偿。由于热量从燃料到冷却剂(也是慢化剂)有一热传递过程，所以这种反向补偿效应对扰动来说有一时间滞后。为了使慢化剂反应性温度系数是负的，在压水堆核电厂的设计中采取了一些相应措施：一是堆芯结构选取欠慢化的紧栅格；二是冷却剂中的可溶硼浓度必须加以限制，一般在1300×10~1400×10以下。除了在核设计方面做了上述考虑外，在反应堆的机械和结构上也做了相应的考虑。因此，目前的压水堆核电厂具有良好的自稳定性能。
另外，在大型核电厂的核设计中，还须考虑对氙致功率振荡所具有的稳定性。由于裂变产物碘、氙和功率扰动的相互作用，使功率峰在反应堆堆芯内有规律地移动，形成功率振荡。如果振荡是发散的，并且不及时地加以控制，则会危及反应堆堆芯安全。氙致功率振荡方式有径向、轴向和方位角方向上振荡。在核设计中，选取恰当的反应堆堆芯高度—直径比以及使反应堆具有良好的负反应性反馈效应，都会对功率振荡起阻尼作用。一般来说，径向功率振荡不易发生，方位角方向上振荡只有在控制棒作违禁移动的激励下才能发生，发生可能性较大的是轴向功率振荡。由于氙致功率振荡的过程是很缓慢的，利用反应堆内、外探测器监测以及控制棒移动，能有效地加以控制和抑制。