一種核電廠首次裝料啟動(dòng)試驗(yàn)分析*

奚偉紋，趙 劍，陶 建，任文星

（上海核工程研究設(shè)計(jì)院有限公司，上海 200233）

核電廠調(diào)試階段劃分為四個(gè)部分：準(zhǔn)備階段（0階段）、預(yù)運(yùn)行試驗(yàn)階段（A階段）、啟動(dòng)試驗(yàn)階段（B階段）和功率提升試驗(yàn)階段（C階段）。堆芯首次裝料屬于B階段，其完成標(biāo)志著反應(yīng)堆正式進(jìn)入帶核運(yùn)行狀態(tài)。目前，核電廠反應(yīng)堆在設(shè)計(jì)上可分為有外加中子源和無外加中子源兩種。為便于裝料和啟動(dòng)過程中對堆芯實(shí)施有效監(jiān)測，大部分壓水堆設(shè)計(jì)安裝了外加中子源，為反應(yīng)堆裝料和啟動(dòng)提供一個(gè)初始中子水平。文章就某采用有源裝料方式的核電廠的首次裝料程序、裝料核安全以及裝料過程中的核監(jiān)測進(jìn)行闡述。

1 核電廠首次裝料程序

首次裝料目的是將燃料組件按照事先確定的堆芯裝料順序安全、準(zhǔn)確地裝入堆芯預(yù)定的位置，并符合規(guī)定的方向。某核電廠堆芯裝載157個(gè)燃料組件，每個(gè)燃料組件按17×17方陣排列，包含264個(gè)的燃料棒；組件的中心位置設(shè)置1個(gè)空的導(dǎo)向管，用于放置堆內(nèi)測量儀器，其余24個(gè)位置為控制棒導(dǎo)向管；首次裝料堆芯燃料U-235富集度為0.74%～4.235%。該核電廠首次裝料按下述步驟執(zhí)行。

首先，驗(yàn)證中子探測器可運(yùn)行，將3個(gè)臨時(shí)堆芯裝料探測器分別裝入堆芯的指定位置，并記錄臨時(shí)堆芯裝料探測器及反應(yīng)堆外4個(gè)永久安裝的源量程探測器的本底計(jì)數(shù)率。

然后，將包含初級中子源的第一組燃料組件裝入反應(yīng)堆，并依次靠近每個(gè)臨時(shí)堆芯裝料探測器和堆外布置的源量程探測器來進(jìn)行中子響應(yīng)檢查，將第一組燃料組件安裝在規(guī)定位置，在源量程探測器和臨時(shí)堆芯裝料探測器上獲取中子通量基準(zhǔn)讀數(shù)。

接著，將剩下的156組燃料組件按照裝料順序表確定的順序依次裝入堆芯。每一組燃料組件從燃料廠房傳送到安全殼廠房時(shí)，應(yīng)嚴(yán)格檢查傳送燃料組件的編號、燃料類型，確認(rèn)與裝料順序表編號一致。

最后，當(dāng)燃料裝入堆芯后，再次對照裝料順序表檢查確認(rèn)。在裝入每一組燃料組件的過程中，使用源量程探測器和臨時(shí)堆芯裝料探測器進(jìn)行中子計(jì)數(shù)率監(jiān)測，并定期對RCS進(jìn)行取樣分析，保證裝料過程中反應(yīng)堆始終處于次臨界。

2 裝料期間核安全

為保證該核電廠在裝料期間的核安全，需注意以下要求：

（1）反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)和換料水池的硼濃度應(yīng)維持在2600～2900mg/L，以保證反應(yīng)堆滿裝載期間有足夠的安全裕度。

（2）裝料期間定期進(jìn)行硼濃度取樣分析。假如反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)硼濃度少于2600mg/L或顯示不明原因，這就可能導(dǎo)致硼稀釋的水注入而使換料水池水位增加，應(yīng)立即停止裝料并開始緊急硼化直到分析確定反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)的硼濃度大于或等于2600mg/L。假如對反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)連續(xù)2次取樣發(fā)現(xiàn)硼濃度減少量超過20mg/L，應(yīng)立即停止裝料操作，在硼濃度減少的原因得到解釋后再繼續(xù)裝料操作。

（3）裝料期間至少有2個(gè)監(jiān)測中子注量率的源量程探測器正常運(yùn)行，嚴(yán)密監(jiān)視堆芯倍增因子的變化。

（4）臨時(shí)堆芯裝料探測器中子計(jì)數(shù)率在除去本底值的情況下應(yīng)不小于0.5個(gè)/s計(jì)數(shù)。

（5）若所有中子探測器顯示讀數(shù)同時(shí)意外地增長了2倍，或者任一測量通道中子計(jì)數(shù)率意外地增長了5倍（移動(dòng)中子源或堆芯裝料探測器位置改變引起的計(jì)數(shù)率變化除外），應(yīng)立即停止裝料操作，并查清原因。

（6）裝料期間反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)溫度應(yīng)低于48.9℃，若反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)溫度發(fā)生非預(yù)期的增加，應(yīng)立即停止裝料操作，并查清原因。

（7）首次裝料期間，正常余熱排出系統(tǒng)（RNS）需投入運(yùn)行，對堆芯的硼水進(jìn)行循環(huán)攪拌，減小清水意外流入堆芯導(dǎo)致反應(yīng)堆局部臨界的可能性。

（8）化容系統(tǒng)的硼酸儲(chǔ)存箱應(yīng)為首次裝料提供應(yīng)急硼化水，以防意外臨界事故，且裝料期間應(yīng)每隔12h驗(yàn)證至少有1條硼注入管道可運(yùn)行，并驗(yàn)證非硼化水源流道已隔離。

3 裝料期間核監(jiān)測

在裝料期間，為防止堆芯出現(xiàn)意外臨界，必須監(jiān)視堆內(nèi)中子增殖的變化。某核電廠采用中子計(jì)數(shù)裝置來對中子進(jìn)行監(jiān)測，并繪制計(jì)數(shù)率倒數(shù)曲線來核實(shí)下一個(gè)燃料組件入堆的安全性。其首次裝料采用有源裝料，裝入初級中子源是為了在達(dá)到法規(guī)要求的情況下對堆芯進(jìn)行有效監(jiān)測。

3.1 中子源組件

核反應(yīng)堆堆芯設(shè)置中子源組件的目的是提供一個(gè)基礎(chǔ)中子水平，以保證探測器的運(yùn)行狀態(tài)和響應(yīng)堆芯增殖中子的可靠性。該核電廠反應(yīng)堆堆芯首次裝載裝有4組中子源組件，即2組初級中子源組件和2組次級中子源組件。其中，每組初級中子源組件包含1根初級中子源棒和一定數(shù)量的可燃毒物棒，次級中子源組件包含1組對稱分布的二次中子源棒。

該核電廠次級中子源采用銻-鈹源（Sb-Be）。其工作原理是反應(yīng)堆在功率運(yùn)行時(shí)，中子注量率達(dá)到一定水平會(huì)激活銻，銻進(jìn)行γ衰變，能量足夠高的γ射線可引起鈹發(fā)生反應(yīng)釋放一個(gè)中子，化學(xué)反應(yīng)式如下：

根據(jù)設(shè)計(jì)，124Sb的半衰期約為60d，故為了維持源強(qiáng)，須對之進(jìn)行持續(xù)照射。

3.2 核監(jiān)測儀表

裝料期間用4個(gè)永久安裝的源量程探測器和3個(gè)臨時(shí)堆芯裝料探測器進(jìn)行監(jiān)測。源量程中子探測器類型為BF3中子計(jì)數(shù)管，裝料期間源量程探測器連接到電廠的數(shù)據(jù)處理與顯示系統(tǒng)，自動(dòng)監(jiān)測裝料期間中子計(jì)數(shù)率。臨時(shí)裝料探測器主要采用3He中子計(jì)數(shù)管或BF3中子計(jì)數(shù)管，在該核電廠首次裝料過程中，從3臺(tái)臨時(shí)裝料探測器讀取中子計(jì)數(shù)，繪制計(jì)數(shù)率倒數(shù)曲線。

3.3 核監(jiān)測原理

對于堆內(nèi)有中子源的反應(yīng)堆，根據(jù)反應(yīng)堆動(dòng)態(tài)方程，反應(yīng)堆在次臨界狀態(tài)下，堆內(nèi)中子密度有如下分布方程：

式中：N為堆內(nèi)的中子注量率；S為中子源強(qiáng)度；keff為反應(yīng)堆有效增值系數(shù)，(1-keff)為反應(yīng)堆的次臨界度。

將式（1）寫成倒數(shù)形式，則有：

由式（2）可以看出，當(dāng)1/N→0（即N→∞）時(shí)，keff→1，反應(yīng)堆便達(dá)到臨界。隨著裝載燃料組件數(shù)量增加，中子計(jì)數(shù)率也將增加，取中子計(jì)數(shù)率倒數(shù)對裝載的燃料組件數(shù)作圖，便可監(jiān)督堆芯趨于臨界的趨勢。

定義中子計(jì)數(shù)率倒數(shù)為1/M：

式中：C0為裝入中子源后各中子探測器的中子計(jì)數(shù)率基準(zhǔn)讀數(shù)；Ci為裝入第i個(gè)燃料組件后中子探測器的中子計(jì)數(shù)率。首次裝料過程中，在每次裝入1個(gè)燃料組件后，取中子探測器的中子計(jì)數(shù)率倒數(shù)與裝載燃料組件數(shù)作圖，對堆芯進(jìn)行臨界監(jiān)督。

（1）本底計(jì)數(shù)率確定。在首次裝料前，需要驗(yàn)證臨時(shí)堆芯裝料探測器和源量程探測器可運(yùn)行，確認(rèn)臨時(shí)堆芯裝料探測器A、B和C已經(jīng)分別裝入堆芯指定位置，測量臨時(shí)堆芯裝料探測器及源量程探測器的本底計(jì)數(shù)（每臺(tái)探測器進(jìn)行3次60s計(jì)數(shù)），并分別計(jì)算每臺(tái)探測器的本底計(jì)數(shù)率均值。

（2）基準(zhǔn)計(jì)數(shù)率確定。裝有初級中子源的第一組燃料組件安裝在堆芯指定位置后，在源量程探測器和臨時(shí)堆芯裝料探測器上取3次60s計(jì)數(shù)，求其平均值減去之前測得的本底計(jì)數(shù)率即得到每個(gè)探測器的中子基準(zhǔn)計(jì)數(shù)率C0。

（3）中子計(jì)數(shù)率倒數(shù)對裝載燃料組件數(shù)繪圖。對于每個(gè)臨時(shí)堆芯裝料探測器和源量程探測器，在插入每一組燃料組件后，應(yīng)記錄中子計(jì)數(shù)率Ci，并取中子計(jì)數(shù)率倒數(shù)1/M對裝載的燃料組件數(shù)作圖，始終對堆芯進(jìn)行臨界監(jiān)測。中子計(jì)數(shù)率倒數(shù)曲線見圖1（圖中3條曲線是由于臨時(shí)堆芯裝料探測器在堆芯位置不同而得出的）。

圖1 計(jì)數(shù)率倒數(shù)曲線

4 結(jié)束語

首次裝料是按照事先設(shè)計(jì)的裝料順序把含有中子源、控制棒、可燃毒物棒及阻力塞的燃料組件從燃料廠房通過燃料運(yùn)輸通道運(yùn)送到安全殼廠房，并準(zhǔn)確安全地裝入反應(yīng)堆壓力容器中。裝料過程中通過臨時(shí)堆芯裝料探測器和源量程中子探測器監(jiān)視反應(yīng)堆中子通量變化，并定期對一回路進(jìn)行硼濃度取樣分析來監(jiān)測堆芯反應(yīng)性，防止堆芯意外臨界，從而保證裝料過程的核安全。首次裝料是對核電廠設(shè)計(jì)安裝的一次較為全面的檢驗(yàn)，是調(diào)試過程中一項(xiàng)具有里程碑性質(zhì)的綜合性試驗(yàn)。