模擬機上首次臨界試驗演練淺析

安 娜

（海南核電有限公司 海口）

一、前言

反應堆首次臨界是海南昌江核電廠一個重大節點。由于電廠是新建電廠，多數物理人員對首次臨界試驗僅具備理論知識，而缺乏實際操作經驗。由于公司培訓處模擬機已投入使用，經協商最終確定物理人員從6月10日至13日在模擬機上演練首次臨界試驗全過程，以發現并解決可能出現的各種問題。由于海南昌江核電機組與秦山二期擴建機組堆芯相近，所以本次使用秦山二期4號機組的設計報告及試驗規程來試驗。考慮人員數量和試驗時間等實際情況，分別在模擬機上進行3次獨立的達臨界過程，并保證3次數據不關聯。

二、演練實施

按照實施流程，在完成工前會、人員分配、堆芯狀態檢查、保護參數設置等工作后開始進行試驗。3次試驗堆芯起始狀態均為一回路硼濃度 CB=1500×10-6，D 棒棒位 D=100 step，S、C、B、A棒位：S=C=B=A=225 step。

1.達臨界

（1）第一次臨界。臨界前期工作按規程實施，見表1。本次臨界按照4號機組理論數據臨界，預計理論臨界硼濃度CB=1288×10-6，臨界棒位 D=150 step。從初始狀態 CB=1500×10-6，D=100 step開始稀釋逼近臨界，稀釋過程觀察外推臨界表格1a中的1/M值和△CB值。以下兩個條件有一個達到時，應立即停止任何稀釋動作：①當1/M≈0.08時；②前硼濃度距離預計臨界棒位的外推臨界硼濃度還有30×10-6時。

在外推臨界表格1b中的1/M為0.088時停止稀釋，堆芯穩定后開始提升D棒組逼近臨界。提D棒組時主要觀察RPN源量程和中間量程的倍增周期，當觀測到倍增周期穩定在某一段數據內變化（如120～160 s，或180～240 s等），則反應堆已達到超臨界。到達超臨界時：D=177 step，穩定的倍增周期T=192 s，根據啟動物理試驗理論數據報告給出的倍增周期與反應性的關系曲線和數據表，計算臨界棒位，即倍增周期192 s對應反應性27.44 pcm，查設計報告D棒在當前狀態下的價值，當下插5步時，引入約27.44 pcm的反應性，即下插D棒至172 step，臨界棒位D=172 step；堆芯到達臨界。

（2）第二次臨界。通過第一次臨界發現4號機理論數據不可信，且模擬機給出的堆芯狀態存在不確定因素。第二次臨界重新調整了模擬機狀態，同時依照1/M外推法并參考模擬機自帶的反應性儀對堆芯盲開，最終得到對應堆芯特性的臨界硼濃度值。試驗流程與第一次臨界相同，此處不再贅述。

表1 第一次臨界狀態點

試驗初始狀態：D=100 s，CB=1500×10-6。

稀釋結束時，D=100 s，CB=1196×10-6。

到達超臨界時：D=152 step，穩定的倍增周期T=240 s。

根據啟動物理試驗理論數據報告給出的倍增周期與反應性的關系曲線和數據表計算臨界棒位，當倍增周期240 s對應下插D棒步數為6步，下插D棒至146 step堆芯到達臨界狀態。臨界硼濃度=1196×10-6，臨界棒位 D=146 step。

（3）第三次臨界。此次臨界目的是驗證第二次臨界的數據是否準確反應了堆芯狀態。考慮臨界后的零功率性能試驗需要測量D棒組上末端價值，而此數據要求＜50 pcm，為節約時間省略硼化提棒過程，同時觀察設計報告偏離真實值的情況，在第二次臨界數據的基礎上，將預計臨界棒位調整為197 step，此棒位對應的理論積分價值=16.91 pcm，＜30 pcm，符合要求。從146 step到197 step的反應性差值△ρ≈144 pcm，此時的硼微分價值約為10 pcm/（1×10-6），折算此時對應的臨界硼濃度CB=1196+144/10=1210.4×10-6，所以將第三次預計臨界硼濃度假定為1210，D=197 step。

初始狀態：CB=1500×10-6，D=100 step。

試驗中，在稀釋到1209×10-6時，外推臨界硼濃度為1166×10-6，見表 2，即相差 43×10-6約 430 pcm，假設此時停止稀釋，需要用提升控制棒抵消430 pcm的反應性，而此時參考設計報告，棒位從100 step到堆頂僅有435.91 pcm，分析認為設計報告不完全適用于堆芯，有可能控制棒完全提出還無法臨界，再重新插棒進行稀釋浪費時間，且430 pcm留有的余量足夠大，稍作稀釋不會稀釋達臨界。雖然繼續稀釋會使達臨界棒位變低，但基于以上原因考慮，保守決策，決定繼續稀釋。稀釋結束時CB=1196×10-6，開始提棒達臨界，超臨界時：D=148 step，穩定的倍增周期=280 s，根據啟動物理試驗理論數據報告給出的倍增周期與反應性的關系曲線和數據表，計算臨界棒位：倍增周期280 s對應反應性19.27 pcm，臨界棒位D=144 step；下插D棒至144 step，堆芯達臨界。最終臨界點臨界硼濃度=1196×10-6，臨界棒位D=144 step，與第二次臨界點非常接近。

表2 臨界狀態點情況分析表

2.堆外探測器的線性與重疊及零功率物理試驗范圍確定

在第三次達臨界之后，進行了源量程與中間量程、中間量程與功率量程的重疊與線性測量。通過引入不少于80 s的倍增周期，使中子通量呈指數上漲，此時配合教控機上模擬顯示的通量、溫度和反應性曲線觀測多普勒點的出現。

當核加熱現象出現時，中間量程電流值：7.558×10-8A；零功率物理試驗的上限閾值為：Idoppler=7.558×10-8A，零功率物理試驗期間，中子通量不允許超越該水平。因此，實際零功率物理試驗上限控制在Idoppler/5=1.51×10-8A的水平上（推薦），以保留足夠裕量。需要說明的是，模擬機無法給出RPN功率量程六節電離室的電流和信號，所以試驗中選取的以上信號為中間量程電流信號。

三、演練過程和結果的評價

1.堆芯狀態差異

堆芯燃料組件的富集度、不同富集度組件的數量、組件位置、燃耗和方位等是影響首次臨界理論數據的關鍵因素。模擬機模擬的堆芯狀態不是依照秦山二期四號機組的初始狀態模擬的，其給出的初始狀態包含有150 MWD/tU燃耗且無法消除，以致堆芯和報告不匹配，所以第一次臨界完全參照二期的設計報告來實施是不合適的，后續再用臨界結果驗證設計報告更無意義。

此外，第一次達臨界操作前，教員將模擬機從某一堆芯狀態調整至臨界硼濃度CB=1288×10-6，臨界棒位D=150 step。與實際臨界硼濃度CB=861×10-6，臨界棒位D=172 step偏差十分嚴重。分析認為：教員只是單純地將模擬機數據調整至臨界硼濃度CB=1288×10-6，臨界棒位D=150 step，而機組實際臨界硼濃度和臨界棒位仍為模擬機前一個狀態下的臨界硼濃度和臨界棒位。為此，重新對模擬機狀態進行了設置。在第二次、第三次臨界過程中，將秦山二期擴建四號機組的設計報告僅作參考，重點關注1/M外推臨界硼濃度，同時參考模擬機自帶的反應性儀示數，最終順利臨界。

2.數據信號處理差異

由于模擬機沒有提供端口連接反應性儀、四筆記錄儀、八筆記錄儀等物理試驗設備，試驗過程觀察數據需要將所需數據由模擬機給出并組態并分屏顯示，組態數據包括：1號源量程計數率及其倍增周期、2號源量程計數率及其倍增周期、1號中間量程電流及其倍增周期、2號中間量程電流及其倍增周期、冷卻劑平均溫度、D棒棒位，同時還需要分屏顯示出控制棒位置圖、RPN源量程、中間量程圖及功率量程圖，還有REA系統圖用于顯示一回路、穩壓器等系統的硼濃度等。以上數據還需要模擬機教員手動儲存，否則試驗后無法獲取數據用來處理。

在實際反應堆試驗中，也需用KIC系統組態以上所列部分數據，但KIC系統可自動存儲機組運行數據。且四筆記錄儀和八筆記錄儀也會將接入的反應性、通量、溫度、D棒組棒位等信號數據全部自動記錄下來，便于實時數據處理使用。

3.硼濃度顯示差異

在模擬機上進行稀釋操作時，觀察發現某時刻一回路硼濃度讀數是1197×10-6，穩壓器硼濃度讀數1210×10-6；等待一回路攪渾均勻30 min后，一回路硼濃度讀數是1197×10-6，穩壓器硼濃度讀數1206×10-6。在等待均勻的過程中，均勻前后一回路硼濃度讀數基本沒有變化，穩壓器硼濃度降低并向一回路硼濃度靠近。咨詢后得知，模擬機實時反饋的一回路硼濃度為堆芯攪渾均勻后的硼濃度。而在實際堆芯中，硼表讀數與實際硼濃度存在偏差，一回路硼濃度多采用化學分析值。化學分析有滯后性，在等待均勻過程中一回路硼濃度和穩壓器硼濃度都有明顯可見的變化。

4.試驗項目差異

首次臨界試驗中，需要對物理反應性儀進行校核，確定其測量誤差應＜4%。而模擬機上無法連接物理反應性儀。后得知模擬機自帶反應性儀能實時提供堆芯真實反應性，可以利用這個特性來校核模擬機自帶的反應性儀測量誤差。實施方法與校核物理反應性儀相同，只是此種方法不能檢驗物理人員使用物理反應性儀的操作水平，受時間限值，在此次模擬機演練中沒有實施校核反應性儀試驗項目。

5.外推差異

在實際堆芯臨界時，1/M外推法可參考的數據有：根據一回路測量硼濃度外推、根據硼表外推、根據稀釋水量反推硼濃度外推。實際堆芯試驗中，由于一回路測量硼濃度為分析硼濃度，分析耗時，不能用于實時外推。而硼表測量的硼濃度與實際硼濃度存在偏差，外推不準確。考慮到安全性和時效性，使用已知稀釋水量反推堆芯硼濃度，再用此硼濃度進行外推是比較準確和可行的方法。而在模擬機試驗中發現，模擬機上根據稀釋水量反推臨界硼濃度總是比一回路實際硼濃度偏小30～40×10-6，這種情況與實際堆芯不符。造成這種情況，可能有以下原因：

（1）模擬機的稀釋算法和模型包括穩壓器計算和模型，與實際工況不同。

（2）試驗過程中為節省時間，采用“快時因子”選項，類似快進功能一樣將試驗過程提高了5倍，而在讀取數據時沒有取消“快時因子”。假設讀取所有數據需用時30 s，而在模擬機系統里數據已經變化了150 s。

（3）利用的計算公式、理論模型和一回路水裝量與模擬機不同，以及管道殘存量沒有參與計算也可能造成誤差。

（4）觸發了系統動作，沒有注意到改變一回路硼濃度的報警等。

由于模擬機上顯示的一回路硼濃度即為模擬攪渾均勻后的堆芯硼濃度，該值較為準確，在模擬機上亦能實時顯示。基于以上情況，第二、三次臨界過程，1/M外推依照一回路硼濃度反推臨界硼濃度來實施，可滿足試驗要求。

四、結論

通過對試驗觀測到的差異性情況進行分析可知，雖然模擬機演練反應堆首次臨界與真實堆芯的臨界存在較大差異，但均可通過相應手段來減小或祛除這些差異造成的影響，通過這些手段，模擬機演練首次臨界試驗完全可行。在今后的工作應注意：一是考慮將其他物理試驗用模擬機演練，并以此輔助物理人員進行試驗培訓和授權工作；二是考慮對模擬機進行改進，以使其模擬出更符合實際堆芯的狀態。這對公司和個人都具有非常大的意義。