秦山CANDU6重水堆應用RBGSS技術的可行性分析

劉忠國，王文聰，史星金，馮進軍

(1.中核核電運行管理有限公司， 浙江314300；2. 環境保護部核與輻射安全中心, 北京100082)

秦山CANDU6重水堆應用RBGSS技術的可行性分析

劉忠國1，王文聰1，史星金1，馮進軍2

(1.中核核電運行管理有限公司， 浙江314300；2. 環境保護部核與輻射安全中心, 北京100082)

RBGSS技術將為CANDU6重水堆提供另外一種進入保證停堆狀態的方法。本文介紹了RBGSS的技術方案，分析了RBGSS技術的優勢，結合秦山CNADU6反應堆的運行實踐，探討了RBGSS技術在機組大修和小修過程中的應用方法，評價了RBGSS技術的安全性和經濟性。最后討論了RBGSS可能存在的問題。

CANDU6; OPGSS; RBGSS; 臨界

秦山CANDU6重水堆是中國大陸目前唯一一座投入商業運行的重水堆核電機組，重水既作慢化劑又作冷卻劑，使用天然鈾燃料，采用不停堆在線換料的運行方式。CANDU6重水堆進入保證停堆狀態GSS(Guaranteed shutdown state)的方法一般是通過將高濃度硝酸釓溶液注入慢化劑使之過度中毒實現的，簡稱OPGSS(Over Poisoned GSS)。在反應堆啟動階段，通過慢化劑凈化系統的凈化樹脂除去慢化劑的毒物，逐步使反應堆達到臨界狀態。

1 背景

目前秦山CANDU6重水堆大修過程中一般是通過觸發2號停堆系統(Shut down system #2,簡稱SDS#2)來進入GSS狀態，慢化劑中硝酸釓濃度一般大于13.0 ppm。在后續反應堆達臨界期間，將慢化劑毒物濃度從13.0 ppm除到反應堆臨界需要的時間超過18h，這在一定程度上延長了機組啟動的時間。

國外研究機構開發了一種新的GSS技術，即Rod Based GSS(簡稱RBGSS)，將所有控制棒插入堆芯，用控制棒的反應性價值使反應堆達到GSS狀態。相比較傳統的OPGSS，由于需要去除的毒物較少，可以快速達到臨界，從而縮短機組啟動時間。

2 RBGSS實施方案介紹

CANDU6反應堆堆芯采用水平壓力管式的布置方式，堆芯有380根水平布置的燃料通道，每個燃料通道裝12個燃料棒束，每個燃料棒束由37根天然鈾燃料元件組成。堆芯活性區長約6.0m，堆芯380個燃料通道內重水冷卻劑的流量為雙向交錯式，相鄰通道的冷卻劑流量方向相反。

CANDU6重水堆的控制棒包括停堆棒、機械吸收棒和調節棒，圖1所示為CANDU6重水堆反應性控制機構布置圖。其中停堆棒是空心的鎘圓柱體，共28根，分成兩組，每組14根，其總的反應性價值約為-80mk。機械吸收棒的材料和結構與停堆棒一致，共4根，分成2組，每組2根，其總的反應性價值約為-9mk。調節棒由一定數量的鈷棒組成，共21根，分成7組，其總的反應性價值約為-15mk。停堆棒和機械吸收棒是不進行更換，而鈷調節棒在每次大修期間都需要進行更換，用新的鈷棒(材料為59Co)替換在堆內經過中子輻照的舊鈷棒(材料為60Co)。

在反應堆正常運行時，調節棒是插入堆芯的，目的是展平反應堆中子通量分布，或者補償反應堆重新啟動時的氙毒，或者在無法在線換料時為反應堆提供后備反應性。而停堆棒和機械吸收棒是拔出堆芯的，便于在緊急情況下向堆芯提供負反應性。

RBGSS的技術方案：將所有停堆棒、機械吸收棒和調節棒全部鎖定在堆芯中。同時為保證足夠的停堆深度，需要在慢化劑中加入約2.0 ppm的硝酸釓毒物。

RBGSS實施期間，為了保證反應堆的安全，必須保證2號停堆系統SDS#2可用。

RBGSS解除過程中，為了補償停堆棒和機械吸收棒的反應性價值，需要在拔棒前加入一定量的毒物(硝酸釓濃度約3.0 ppm)，此時慢化劑內硝酸釓濃度為5.0 ppm。然后利用凈化床除去慢化劑內的毒物，逐漸使反應堆達到臨界狀態。

3 大修期間應用RBGSS

3.1 RBGSS實施流程

目前秦山重水堆的大修周期是兩年，而SDS#2毒物注入試驗的試驗周期也是兩年，所以每次大修中SDS#2毒物注入試驗是必須進行的，因此RBGSS在大修期間的實施流程如下：

? 使用SDS#2停堆；

? 復位SDS#2，隔離慢化劑凈化系統，建立OPGSS；

? 在OPGSS狀態下，實施SOR棒、MCA棒的檢修和鈷調節棒的更換；

? 過渡到RBGSS：插入SOR棒和MCA棒，投用慢化劑凈化系統，將慢化劑毒物濃度除到5.0 ppm，隔離慢化劑凈化系統，建立RBGSS；

?在RBGSS狀態下繼續開展大修工作；

?退出RBGSS，投用慢化劑凈化系統，除毒達臨界。

RBGSS在大修中的實施流程圖見圖2。

圖2 大修中RBGSS的實施流程Fig.2 Implement flow of RBGSS used in long time outage

3.2 RBGSS效益分析

根據前期調研，并結合秦山重水堆實際運行狀況，機組大修期間實施RBGSS存在如下效益。

3.2.1 節省反應堆達臨界期間的除毒時間

CANDU6重水堆慢化劑凈化系統簡圖[1]見圖3。

圖3 CANDU6反應堆慢化劑凈化系統簡圖Fig.3 Diagram of CANDU6 reactor moderator purification system

考慮凈化床的凈化效率為100%，則慢化劑毒物濃度的變化趨勢如下：

C(t)=C0×exp(-λ t)

=0.0135 95×F (h-1)

式中：

F——凈化系統的凈化流量，kg/s；

C0——凈化開始時的毒物濃度，ppm；

t——凈化系統的工作時間，h；

C(t)——t時刻的毒物濃度，ppm。

根據秦山重水堆的運行經驗，目前OPGSS大修期間慢化劑硝酸釓毒物濃度一般為在13.0ppm左右。根據上述公式，若重水堆慢化劑凈化速率以慢化劑凈化系統最大流量10kg.s-1進行除毒，半減期為5.1h，從13.0ppm除到臨界狀態對應的1.0ppm約需18.8h。如果采用RBGSS技術，開始達臨界時硝酸釓毒物濃度約5.0ppm，同樣降低到1.0ppm，僅需要11.8h，從而節省7.0h的除毒時間。

3.2.2 緩解事故工況下的后果

某些事故工況下(如慢化劑pH值升高)可能導致硝酸釓的析出或沉淀。由于RBGSS期間慢化劑的毒物濃度小于OPGSS，所以硝酸釓的析出或沉淀事故導致的反應性增加要小。同時由于RBGSS期間慢化劑的毒物濃度遠小于OPGSS，發生堆內LOCA時毒物稀釋的影響也更小。

3.2.3 減少材料降級

對于RBGSS，較低的慢化劑硝酸釓濃度意味著慢化劑酸性減小，因而慢化劑系統設備的材料降級更少。

3.2.4 減少使用啟動儀表的可能性

根據秦山CANDU6重水堆技術規格書的要求，當反應堆功率降到2×10-7FP(FullPower)時，需投用專門在低功率下監測反應堆功率的啟動儀表，并將啟動儀表信號作為停堆信號連接到1號停堆系統。OPGSS期間慢化劑硝酸釓濃度在13.0ppmGd，根據目前的運行實踐，一般在停堆約18d后就需要投用啟動儀表。在目前的反應堆達臨界過程中，啟動儀表探頭重定位、斷開啟動儀表和1#停堆系統的連接以及相關試驗耗時一般需8h。

如果采用RBGSS，達臨界前慢化劑硝酸釓控制在5.0ppm左右，根據估算，在停堆后約30d后需要投用啟動儀表。目前秦山重水堆的大修從停堆到啟動儀表斷開一般約30d，正好不需要投用啟動儀表，從而節省8.0h的啟堆時間。

4 小修期間應用RBGSS

4.1RBGSS實施流程

根據目前秦山重水堆運行實踐，機組小修期間一般采用兩種重新達臨界方式：第一種方式是反應堆先進入GSS狀態，在GSS狀態下進行小修，小修后通過除毒方式達臨界；第二種方式是反應堆不進入GSS，直接通過氙毒衰減來達臨界，然后在低功率臨界狀態下進行小修工作。由于第二種方式不進入GSS，這種情況下RGBSS和OPGSS都可以不用，所以本文僅針對需要進入GSS狀態的小修進行分析。

目前秦山重水堆的小修一般不需要通過SDS#2脫扣進入來GSS狀態，而是利用毒物添加系統向慢化劑內加毒的方式來實現的。根據秦山重水堆技術規格書的要求，如果采用OPGSS，平衡堆芯加壓狀態下GSS要求的硝酸釓毒物濃度為9.1ppm，冷態卸壓狀態下GSS要求的硝酸釓毒物濃度為4.3ppm；而如果采用RBGSS，要求的慢化劑內硝酸釓毒物濃度為5.0ppm，因此，如果停堆期間堆芯狀態為加壓狀態，則可以使用RBGSS；如果停堆期間堆芯狀態為冷態卸壓狀態，則無實施RBGSS的必要，以下僅針對堆芯加壓狀態下實施RBGSS進行評估。

RBGSS在小修期間的實施流程如下：

? 建立RBGSS：插入SOR棒和MCA棒，利用毒物添加系統向慢化劑內加毒，使慢化劑內硝酸釓毒物濃度達到約5.0ppm，隔離凈化系統；

? 在RBGSS期間開展小修工作；

? 退出RBGSS，除毒達臨界。

RBGSS在小修中的實施流程圖見圖4。

圖4 小修中RBGSS的實施流程Fig.4 Implement flow of RBGSS used in short time outage

4.2 RBGSS效益分析

根據前期調研，并結合秦山重水堆實際運行狀況，小修期間實施RBGSS存在如下效益：

4.2.1 節省反應堆達臨界期間的除毒時間

根據4.1節的描述，如果采用OPGSS，平衡堆芯加壓狀態下GSS要求的硝酸釓毒物濃度為9.1 ppm。根據3.2.1節慢化劑毒物濃度變化的公式，以慢化劑凈化系統最大流量10kg·s-1進行除毒，從9.1 ppm除到臨界狀態對應的1.0 ppm約需16.3h。如果采用RBGSS技術，開始達臨界時硝酸釓毒物濃度約5.0 ppm，同樣降低到1.0 ppm，僅需要11.8h，從而節省4.5h的除毒時間。

4.2.2 減少凈化樹脂消耗量

由于RBGSS期間慢化劑毒物濃度小于OPGSS，達臨界期間消耗的凈化樹脂量也相應地減少，可以減少放射性固體廢物的產生量。

4.2.3 緩解事故工況下的后果

某些事故工況下(如慢化劑pH值升高)可能導致硝酸釓的析出或沉淀。由于RBGSS期間慢化劑的毒物濃度小于OPGSS，所以硝酸釓的析出或沉淀事故導致的反應性增加要小。同時由于RBGSS期間慢化劑的毒物濃度遠小于OPGSS，發生堆內LOCA時毒物稀釋的影響也更小。

4.2.4 減少材料降級

對于RBGSS，較低的慢化劑硝酸釓濃度意味著慢化劑酸性減小，因而慢化劑系統設備的材料降級更少。

5 RBGSS經濟性分析

5.1 實施RBGSS的總節省時間估算

根據前面的分析，采用RBGSS的效益除了緩解事故工況后果、減少材料降級和凈化樹脂消耗以外，在經濟上主要體現在節省啟堆時間，根據前面的分析，對比OPGSS，采用RBGSS將節省的時間如下：

? 對大修而言，如果采用RBGSS，根據3.2節的分析，除毒時間將節省7.0h；減少使用啟動儀表，還可以節省8.0h，總共可以節省15.0h。

? 對堆芯加壓狀態下小修而言，如果采用RBGSS，根據4.2節的分析，除毒時間將節省4.5h。

5.2 RBGSS預期收益

由于小修次數以及小修方式的不確定性，在計算RBGSS的預期收益時，暫不考慮機組小修帶來的經濟收益。對大修而言，根據5.1節的估算，每次大修將節省大修時間15.0h。按目前兩年的大修周期計算，則2臺機組年均節省大修時間為15.0h，機組電功率按720MW[2]計算，年均發電量增加15.0×720/100000=0.108億度。假設廠用電率為7%，燃料成本占發電收益的15%，上網電價按照核電標桿電價0.43元/度[3]計算，則2臺機組年均增加發電效益約0.108×10000×0.93×0.43×0.85=367萬元。

6 應用RBGSS需要關注的問題

根據前期調研的資料，應用RBGSS技術方案可能存在以下兩個問題：

? RBGSS的停堆裕量是否能被NNSA認可

設計上，RBGSS要求達到的次臨界深度僅為-30mk，遠小于OPGSS提供的停堆深度，也小于國際上一般要求的次臨界深度(-50mk)。鑒于加拿大核監管當局已經認可了這種停堆裕量，預計國內核安全監管當局可以認可RBGSS的停堆裕量。

? GSS狀態下能否進行慢化劑除毒操作

根據3.1節大修期間RBGSS的實施流程，在OPGSS向RBGSS過渡期間，需要將慢化劑毒物濃度除到5.0 ppm。但按照目前秦山重水堆的管理規程，GSS狀態下是不允許進行慢化劑除毒操作。因此，若大修期間應用RBGSS，需要改變電站當前運行策略，修改管理規程，允許在GSS狀態下進行除毒操作。不過，查詢HAF102、HAF103和HAD102、HAD103，以及加拿大相關法規，沒有GSS狀態不能進行慢化劑除毒的相關規定。因此，修改電站管理規程，允許GSS狀態下進行慢化劑除毒操作是可行的。

7 結論

本文介紹了RBGSS的技術方案，結合秦山重水堆的運行經驗和實踐，評估了RBGSS技術在大修和小修中應用的流程和效益，評估結果表明：

(1) RBGSS技術應用于秦山CANDU6重水堆，在技術和管理方面都沒有顛覆性問題，機組停堆深度足夠，RBGSS的進入和退出在技術上也可以實現。

(2) 對大修而言，將節省啟堆時間15.0h；對小修而言，將節省啟堆時間4.5h，預計2臺機組應用RBGSS年均增加發電效益約367萬元。

(3) 實施RBGSS還可以減少凈化樹脂消耗量，緩解事故工況下的后果，以及減少材料降級。

[1] 樊申. 反應堆氙中毒停堆且慢化劑加毒時的臨界預計[J]. 中國核工業，2008， 05：108-113.

[2] 張振華. 秦山三期(重水堆)核電站的技術改進[J]. 中國核電，2009，2(4)：292-296

[3] 國家發展改革委.國家發展改革委關于完善核電上網電價機制有關問題的通知.(發改價格[2013]1130號)，2013-06-15.

Feasibility assessment on qinshan CANDU6reactor applying RBGSS technology

LIU Zhong-guo1, WANG Wen-cong1, SHI Xing-jin1, FENG Jin-jun2

(1.CNNP Nuclear Power Operations Management Co. Ltd., Zhejiang 314300, China;2. Nuclear safety center, MEP, Beijing 100082, China)

RBGSS technology may provide another way to approach guaranteed shutdown state for CANDU6 reactor. This paper introduces the technical scheme of RBGSS, asses the advantages of RBGSS. Combining with operating practices of Qinshan CANDU reactor, it discusses the proces for RBGSS to applied in long-time outage and short-time outage, and assess the safety and economy of RBGSS. Finally it discuss the possible problem of RBGSS.

CANDU6； OPGSS； RBGSS； criticality

2016-05-27

劉忠國(1975—)，男，四川梁平人，高級工程師，現從事秦山CANDU6重水堆的換料管理工作

TL364

A

0258-0918(2016)05-0590-05