背景

核电机组由于其技术和经济特性要求，适于承担系统基本负荷，国内已投产的核电机组也基本运行在负荷曲线的基荷部分，不参与电网调峰。未来10年，中国积极推进核电建设，预计2020年核电装机规模将达到7000万-8000万kW，广东、浙江、福建、海南4省的核电装机比例将分别达到19%,22%，21%和29%。随着装机比例的提高，核电机组的负荷跟踪能力，日益成为影响系统安全经济运行、电网及电源结构发展，乃至核电自身发展的重要因素。根据国家核电发展规划，压水堆核电技术是未来发展的主流。在广泛调查研究的基础上，对压水堆核电机组功率调节方式、负荷跟踪技术的演进以及主要堆型的负荷跟踪能力进行了综述，并介绍了国外核电机组参与负荷跟踪的实际经验。

压水堆核电机组功率调节的主要手段

核电机组的负荷跟踪能力，是通过调节核反应堆输出功率来实现的。压水堆核电机组调节功率主要有调节硼浓度和调节控制棒位置两种手段。调低硼浓度或提升控制棒在堆芯的位置，均可使反应堆功率上升；反之，则降低反应堆功率。硼浓度的变化速度较慢，因而调节反应堆功率的速度也较慢。另外，堆功率要进行频繁的升降时，如果单独以调节硼浓度的方式来跟踪这种升降，则要对一次冷却剂进行频繁的稀释和硼化，这样会产生大量待回收的硼溶液，使硼回收系统难以应付。因此，调节硼浓度这一方式，不能满足快速功率调节的要求，只能进行较缓慢的堆功率调节。控制棒调节功率的速度比较快，但在运行中，当功率控制棒从堆芯底部开始向上抽出，特别是当功率棒长期插入堆芯时，会导致堆芯轴向功率分布不平衡，由此还会引起堆芯轴向核燃料消耗程度不平衡等问题。因此使用该手段也有一系列的约束。压水堆核电机组负荷跟踪能力的演进，主要是基于对第2种调节手段的改进实现的。

压水堆核电机组负荷跟踪技术的演进

从“机跟堆”到“堆跟机”

电力系统生产和消费实时平衡的特点，要求并网的所有发电机组协调发电功率，实时跟踪负荷变化。在这种协调中，会对核电站的发电功率产生一定的约束。对于这种约束，可以有两种处理方式，即核电站有以下两种运行模式。

（1）“机跟堆”模式

“机跟堆”模式不要求核电机组参与负荷调节。这种模式下，反应堆能输出多少功率的能量，发电机就向电网输出相应的电量。它优先考虑核电站，有利于核电站安全、经济地运行，而不要求反应堆功率做频繁调节。但这种模式对并网的其他发电机组不利，特别是缺乏合理的调峰辅助服务补偿机制的情况下，难以调动其他机组参与负荷调节的积极性。

（2）“堆跟机”模式

“堆跟机”模式要求核电机组在一定范围内调节发电功率，以跟踪电力系统负荷变化。它对核电站的反应堆功率调节系统提出了更高的要求，要求反应堆功率能够跟随核电站发电机功率的变化。反应堆这种频繁的功率变化对于其运行会产生一定的不利影响，需要采用相应的技术措施来解决。

世界上早期建造的核电站，基本上都采用“机跟堆”模式，即核电站不参与电网的功率调节。但随着核电的发展，核电机组单机容量越来越大，核电装机比例逐步提高，如果核电机组不跟随电网的需求来调节发电功率，会给电网运行带来较大的困难，核电机组不得不逐步改用“堆跟机”模式。例如，韩国近些年自主研发的APR1400型核电机组，采用了“堆跟机”模式的设计理念，具备一定的负荷跟踪能力。可见，核电装机比例的提高，客观上要求对核电调峰技术进行改进，从“机跟堆”到“堆跟机”的模式演变有其客观必然性。

从A模式到U模式

早期建造的压水堆核电站，其各组功率控制棒都由同一种材料制造，其吸收中子的能力较强，称为R型控制棒。所有控制棒组的移动基本上是同步的、同幅的，这种控制模式称为A模式。在这种模式下，为避免控制棒快速移动而引起堆芯轴向功率分布不平衡，反应堆功率的变化速度不能太快，而且堆功率的调整会引起对一次冷却剂硼浓度的调节，产生大量待处理的硼溶液。因此，在A控制模式下，核电机组难以进行快速的功率调节，难以适应“堆跟机”的模式。

为了使压水堆核电站能够跟踪电网负荷的变化，快速改变反应堆功率，后期的压水堆核电站以G型控制棒替代了部分原有的R型控制棒组。G型控制棒组的特点是:它吸收中子的能力比R型棒组较弱，而且各组G型控制棒组的移动不完全同步。这些特点使G型控制棒组在移动时，不会造成堆芯功率在轴向分布的严重畸变，不需要调节一次冷却剂的硼浓度来配合功率调节。因而，通过G型控制棒调节反应堆功率，即G模式，可以达到较高的速度，满足“堆跟机”的要求。

从G模式到不调硼调峰

在G模式中，硼浓度调节只用于补偿负荷跟随引起的氛毒反应性慢变化，对调节棒组插入只起微调作用。但在寿期末由于硼浓度低，调硼时废水产生量急剧上升使调硼系统无法承受，使负荷跟踪成为不可能。这一缺点使得G模式的负荷跟随能力只在80%的循环寿期内有效，即采用G模式的核电站循环寿期末尾的20%没有负荷跟踪能力。

为了克服这个困难，美国用户要求文件URD和欧洲用户要求文件EUR都要求新一代核电站具有不调硼负荷跟踪的能力。西屋公司在20世纪90年代初开发了具有不调硼负荷跟随能力的MSHIM(Mechanical Shim)运行模式。MSHIM控制系统由两组独立的控制棒组成，分别为轴向偏移(AO)棒组和M棒组。MSHIM负荷跟踪运行时，两组控制棒可提供足够的反应性价值以补偿瞬态反应性效应，而无需调节可溶硼。

现在已经知道的满足不调硼负荷跟随的堆型有：AP600， AP1000和Svstem80+。根据相关研究成果，M310型压水堆可以通过技术改造，实现不调硼负荷跟踪。