壓水堆核電廠堆芯裝料臨界安全監(jiān)督試驗

朱元武

（中核核電運行管理有限公司，浙江 海鹽 314300）

在核燃料組件裝入堆芯的過程中，對堆芯必須進行有效地臨界安全監(jiān)督，以確保裝料操作過程中，反應堆始終處于次臨界狀態(tài)，確保燃料組件在堆芯的位置和方向與經(jīng)批準的設計堆芯裝載圖保持一致，同時避免燃料組件發(fā)生機械損傷。

1 裝料前的準備

（1）所有電廠系統(tǒng)均已達到堆芯裝料所需的狀態(tài)，裝卸料機正常可用；

（2）堆芯裝載圖和堆芯裝料程序已經(jīng)經(jīng)主管領導和國家核安全局審批通過；

（3）一回路硼濃度CB≥2100ppm；

（4）壓力容器水位>19.5m，水溫為10℃～60℃，且水質(zhì)良好；

（5）RPN 核儀表系統(tǒng)的兩個源量程和音響裝置都正?？捎?；

（6）硼表、溫度表可用；

（7）源量程保護整定值按要求完成設定；

（8）裝料所需的臨界安全監(jiān)督控制臺與RX 反應堆廠房、KX 燃料廠房之間的通訊已經(jīng)建立，并保證裝料過程中可以實時聯(lián)絡；

（9）堆芯裝料模擬板準備完畢并處于可用狀態(tài)；

（10）堆內(nèi)臨時增設的水下照明設備、取樣裝置和水溫測量裝置正常、可靠；

（11）對于首次堆芯的裝料，為了在整個裝料過程中始終保證堆芯有可靠可信的臨界安全監(jiān)督，在堆芯可增加了3 套臨時計數(shù)裝置。這3 套裝置的工作特性已檢驗校正完畢，可投入使用。

2 臨界安全監(jiān)督的原理

裝料期間，堆芯應始終處于次臨界狀態(tài)。此時如果堆內(nèi)沒有外中子源，則次臨界堆內(nèi)的中子密度將衰減至零。如果堆內(nèi)有一個外中子源，則中子密度將在一個與次臨界度相關的通量水平上穩(wěn)定。假設外中子源發(fā)射的中子數(shù)是恒定的，即：中子源每θ 秒（θ=中子代時間）發(fā)出一批中子，每批中子數(shù)為s 個。這樣中子從第一代開始反應堆內(nèi)中子數(shù)為s 個，在第二代開始就有（s+skeff）個中子，第三代開始就有(s+skeff+skeff2)個中子，依此類推，到第n 代時反應堆內(nèi)的中子總數(shù)應為：

因為次臨界堆芯的keff值小于1，當n 很大時，此等比級數(shù)之和為一有限值：

事實上，式（2）也可以從點堆動力學方程推導得到。由此可以看出，隨著燃料組件裝載數(shù)的增加，keff逐漸增大，中子計數(shù)率也在增加。下圖為有外中子源時次臨界堆芯反應堆中子相對水平的變化，不同的曲線與不同的keff相對應?？梢钥吹狡胶庵蹬ckeff值有關，keff值大，平衡值大，并且達到平衡值較慢。所以，在反應堆裝料監(jiān)督過程中，利用中子源來增高堆內(nèi)的中子數(shù)，以使反應堆始終保持在次臨界狀態(tài)上。

圖1

3 臨界安全監(jiān)督的方法

為了確保在整個裝料過程中不發(fā)生意外臨界事故，在燃料組件按裝料順序裝入堆芯的過程中，實施臨界安全監(jiān)督。監(jiān)督方法是在堆芯每裝入一組燃料組件后，用中子探測器所探測的中子計數(shù)率的倒數(shù)與燃料組件的裝載數(shù)作圖進行次臨界的監(jiān)督。通常采用堆外核測量系統(tǒng)中的源量程測量通道的計數(shù)率（首循環(huán)堆芯還在堆芯臨時增設的中子探測器的中子計數(shù)），進行1/M 倒計數(shù)率外推來實施臨界安全監(jiān)督。其監(jiān)督過程主要如下：

（1）探測器本底計數(shù)率監(jiān)測

在核燃料開始入堆之前，首先進行本底計數(shù)率的測量。通常是所有中子計數(shù)通道設置計數(shù)時間間隔為100 秒，并對每個通道要獲得每100 秒的積分計數(shù)值，對于每個通道計算平均本底計數(shù)值和平均計數(shù)率。但在秦山第二核電廠，由于從電站計算機系統(tǒng)KIT 中，采集到的是中子計數(shù)率值而不是積分計數(shù)，故一般取10 個計數(shù)率的平均值作為平均本底計數(shù)率或是平均計數(shù)率。

一般來說，典型的本底計數(shù)率應小于0.1CPS(即n/s)。如果測量結果比0.1CPS 明顯偏大，要尋找超本底的原因。如果本底計數(shù)比測量總計數(shù)的10%還大，則認為此套測量系統(tǒng)是不可靠的。

電站由以下方法判斷中子計數(shù)裝置工作狀態(tài)是否正常：①幅度比>2(即在用示波器檢測時，有用訊號幅度與噪聲訊號幅度之比大于2)；②計數(shù)率比(通道中子計數(shù)率比本底計數(shù)率至少大一個數(shù)量級)。

（2）基準計數(shù)率測定

按裝料順序表的規(guī)定，在裝料前或帶中子源組件在堆芯移動后，均需重新測量各通道的基準計數(shù)率?；鶞视嫈?shù)率的測量與本底計數(shù)率測量方法一樣，在秦山二期也是取10 次計數(shù)率測量的平均值。嚴格的說，基準計數(shù)率應扣除本底計數(shù)率，計算修正后的各個通道基準計數(shù)NR。

每移動一次帶中子源的組件后，需要重新進行基準計數(shù)的測定。

（3）倒計數(shù)率的測定（1/M 測定）

每當一組燃料組件完全插入，計數(shù)達到穩(wěn)定，對每個測量通道進行至少5 次計數(shù)率測量，計算其平均值Navg，再對該通道進行本底修正（Navg-n），倒計數(shù)率比：

其中n 是每個通道的本底計數(shù)率，NR是每個通道的基準計數(shù)值。在秦山二期中，本底計數(shù)率很小、可以忽略。故有

根據(jù)（2）式可得

其中，Keff0、Keff分別為初始狀態(tài)和組件入堆后的有效增殖系數(shù)。

在平面坐標上以1/M 作為縱坐標，以次臨界度（1-Keff）作為橫坐標（如前所述，次臨界度與入堆燃料組件的數(shù)目成對應關系）。因此，在實際操作時是以入堆燃料組件的數(shù)目NF 為橫坐標，1/M 為縱坐標，進行臨界安全監(jiān)督。這樣就可以得到外推曲線。為了安全起見，要求在監(jiān)督過程中，必須至少有一套獨立的中子計數(shù)系統(tǒng)（首次堆芯裝料時因堆芯增設三套臨時中子計數(shù)裝置，必須至少兩套可用）是可運行的；否則，停止裝料操作。

（4）影響1/M 曲線的因素

理想的1/M 曲線是一條直線，但是實際上1/M 曲線有可能是凹形的也可能是凸形的，但是最后外推臨界的結果都歸于一點。影響1/M曲線的因素有：

①中子源在堆芯的位置；

②中子探測器（包括堆內(nèi)、堆外）的位置；

③堆芯燃料組件的裝載順序；

④堆芯中子源的強度。

4 安全準則

為了保證裝料的安全，在裝載過程中必須進行中子計數(shù)率的監(jiān)測，若發(fā)生以下任一種情況應該立即停止裝料操作，待查清事故原因或排除故障后，方可繼續(xù)進行：

①任何一個臨時中子計數(shù)通道的中子計數(shù)率突增5 倍以上；

②所有責任通道的中子計數(shù)率增長2 倍以上；

③能正常工作的中子計數(shù)通道不足二個通道時(首次裝料)；

④與一個源量程中子計數(shù)通道相接的撤退報警訊號發(fā)生動作時；

⑤當二個帶初級中子源的組件裝載后，達到每秒0.5 個計數(shù)的中子計數(shù)通道少于2 個時；

⑥倒計數(shù)率比(1/M)明顯不正常時。