核電廠控制棒綜合試驗安全限制研究

徐霞軍，李 偉，袁屹昆，羅 慧

(江蘇核電有限公司，江蘇 連云港 222042)

某核電廠2臺百萬千瓦級壓水堆核電機組已投入商業運行。為提高機組安全性，該核電廠在設計中采取了一系列重要措施，包括安全系統四通道、堆芯熔融物捕集器、全數字化儀控系統、反應堆廠房雙層安全殼等，其安全設計優于當前世界上正在運行的絕大部分壓水堆核電廠，在某些方面已達到國際上第三代核電技術水平。

由于控制棒數目較多、控制邏輯復雜，相比其他先進核電廠，該核電廠控制棒綜合試驗占用大修主線時間比較長，影響了整體大修進度，有必要對其進行分析論證。

1 控制棒綜合試驗

控制棒綜合試驗是對控制棒和棒控棒位系統進行的綜合測試，是在機組每次換料大修期間、反應堆換料后首次啟動之前，用于保證控制棒和棒控棒位系統在機組啟動和功率運行期間安全穩定運行的一項工作，是機組大修后臨界的先決條件之一，也是國家核安全局重點監督的項目之一。

控制棒綜合試驗內容包括：

(1) 控制棒單棒試驗，用以測量每束控制棒的特性參數；

(2) 控制棒成組試驗，用以測試控制棒組在手動、半自動、自動等模式下的特性參數和控制邏輯;

(3) 控制棒落棒試驗，用以測量控制棒在機組全流量狀態下的落棒時間。

核電廠大修中，控制棒綜合試驗時間安排如下:

(1) 單棒試驗安排在機組冷態(溫度低于60℃)下進行，不需占用大修主線；

(2) 控制棒成組試驗和落棒試驗安排在反應堆熱態(溫度高于270 ℃)下進行，需要占用大修主線27 h；

(3) 在機組從冷態到熱態的加熱過程(至少30h)中不安排控制棒試驗。

2 控制棒綜合試驗安全限制

2.1 安全限制對試驗時間的影響

核電廠大修中，控制棒綜合試驗的安全限制：

(1) 在機組加熱過程中禁止成組提升控制棒；

(2) 在成組提升控制棒過程中，每提升堆芯高度的10%，應停頓60s；

(3) 最多允許1組控制棒在堆芯的上限位，另一組控制棒不超過堆芯高度的60 %，其余控制棒應全部處于控制棒的下限位；

(4) 試驗過程中，如果堆外核測系統顯示反應堆周期低于60s，應暫停提升控制棒。

在控制棒綜合試驗過程中，上述2～4條安全限制的目的在于限制控制棒的提升速率和數量，對占用大修主線時間的影響不大。第1條安全限制決定了控制棒成組試驗和落棒試驗只能安排在機組熱態(大修主線)下進行，這是控制棒綜合試驗占用大修主線時間的根本原因。

2.2 安全限制分析

第1條安全限制的根本目的是，在反應堆臨界前的控制棒試驗過程中，控制正反應性的引入速度，保證堆芯次臨界度處于安全限值內。第1條安全限制實際上是針對正反應性引入的一個定性規定。

核電廠技術規格書規定了核電機組在各個不同狀態的運行限值和安全限值，是核電機組運行所必須遵守的最終安全規范。在該核電廠的技術規格書中，根據反應堆的不同狀態，對于增值系數(反應性)均有明確的限值要求，而反應性可以通過理論計算得出。如果計算得出在機組加熱過程中進行控制棒成組試驗的次臨界度滿足技術規格書的限值要求，即可考慮在一回路加熱過程中安排控制棒成組試驗，這將極大地優化大修主線時間。

3 安全限制的分析論證

3.1 技術規格書的規定

對應于反應堆不同狀態，技術規格書對增值系數的限值要求如表1所示。

表1 技術規格書的限值要求

增值系數K和反應性ρ的對應換算關系為：

ρ=1-1/K 。

由上述對應關系可以得出，當機組處于冷態、加熱和熱態時，技術規格書對反應性的限值要求：

(1) 冷態下，ρ<-2 %；

(2) 加熱過程中，ρ<-2 %；

(3) 熱態下，ρ<-1 %。

反應性(負值)越小，堆芯次臨界度越大，反應堆越安全。

3.2 加熱過程成組提升控制棒可行性分析

在機組加熱過程中，按照安全限制第3條的規定，將價值最大的2組控制棒一組提到堆芯上限位，另一組提到60 %堆芯高度，反應性最大值仍然小于-16 %，完全滿足技術規格書中在加熱過程中反應性小于-2 %的要求。

考慮極限情況，在加熱過程中，所有10組控制棒均提出堆芯，依靠硼效應，試驗所得的反應堆反應性最大值為-7.93 %，依然滿足技術規格書中在加熱過程中反應性小于-2 %的要求。

3.3 安全限制的量化

基于理論計算和實際參數記錄，對控制棒綜合試驗的安全限制進行量化分析，可以得出：在機組加熱過程中，成組提升控制棒(一組提到堆芯上限位，另一組提到60 %堆芯高度)是可行的，在此期間安排控制棒成組試驗和落棒試驗是滿足核安全要求的。

為了保證核安全，在試驗過程中應制定比技術規格書限值更為嚴格的反應性限值規定。對原有安全限制進行量化，第1第安全限制可修改為：在試驗過程中，如果反應性大于-10 %，立即停止提升控制棒。

4 應用效果和評價

4.1 應用效果

在電廠第3次大修中，依據新的安全限制，在機組加熱過程中安排了控制棒成組試驗和落棒試驗。實施效果如下：

（三）充分發揮資本市場作用，促進房地產市場平穩過渡。 資金定價缺乏市場化機制，資產荒及高杠桿是導致資金嚴重趨“炒”避“住”，資金大量涌入制造炒房市場的重要原因。應完善多層次資本市場體系，創造多元化投資渠道和多樣化投資工具，促進資金供求匹配，完善涉及房地產金融工具的杠桿制度。繼續擴大房地產租賃領域資產證券化，綜合考慮REITs（房地產信托投資基金）產權結構、稅務安排、信托（SPV）管理辦法等，實現長租公寓領域金融創新，同時防止實施過程中出現新的風險。

(1) 在機組加熱過程進行的控制棒成組試驗中，反應性始終小于-22 %，周期為無窮大，滿足次臨界度要求，見表2；

表2 試驗實際參數與技術規格書要求比較

(2) 在4臺主泵全部啟動后(一回路全流量)，進行控制棒落棒試驗中，反應性始終小于-14 %，周期為無窮大，滿足次臨界度要求；

(3) 控制棒成組試驗和落棒試驗均安排在一回路加熱時進行，沒有占用大修主線；

(4) 在一回路全流量(加熱過程中)時測得的落棒時間與熱態下測得的落棒時間基本一致。

經過后續物理試驗和機組運行考驗，控制棒系統運行正常，未出現影響機組安全穩定運行的缺陷。

相對于此前大修控制棒綜合試驗要占用大修主線27 h，電廠第3次大修在沒有減少試驗項目、滿足技術規格書限值規定的條件下，未占用大修主線，縮短了大修工期，提高了電廠經濟效益，增加了電廠負荷因子。

按照新的安全限制，控制棒綜合試驗在最近的4次大修中均未占用大修主線時間，每年可為電廠創造數千萬元的直接經濟效益。

相對于國內同類核電廠，該核電廠控制棒數目最多、控制邏輯最復雜，然而經過改進后，控制棒綜合試驗占用大修主線時間卻最短。

4.2 應用評價

經專家組鑒定，對項目給出如下鑒定意見：

(1) 在國內外同類核電廠中首次對控制棒綜合試驗限制條件進行量化。考慮冷卻劑溫度、堆芯硼酸濃度和控制棒位置等參數對反應堆反應性的影響，對堆芯反應性進行了量化計算，將原來定性的限制條件定量化，提供了一種基于反應性定量控制的新型試驗方法；

(2) 以新的量化條件為依據，創造了國內、國際同類核電廠中將控制棒成組試驗和落棒試驗均安排在機組加熱狀態進行，而不占用大修主線時間的先例；

(3) 該成果達到了國際先進水平。