壓水堆核電廠換料后反應堆首次臨界試驗稀釋均勻標準優化研究

洪志強,郭遠熊,葉鑒堯

(大亞灣核電運營管理有限責任公司,廣東 深圳518124)

反應堆首次臨界試驗是核安全重要監督項目之一[1],反應堆臨界意味著堆芯開始具備了對外輸出能量的能力。大型壓水堆電站,由于后備反應性較大,在慢化劑中加入了大量的中子毒物硼核素,以抵消較大的后備反應性。在反應堆啟動臨界試驗時,首先要稀釋硼濃度,待硼濃度均勻后,進行中子計數倒數的外推臨界試驗[2]。在硼濃度稀釋到一定程度后,再提控制棒使反應堆臨界,得到臨界棒位和臨界硼濃度。統計中國廣核某核電基地反應堆啟動臨界試驗數據結果表明,臨界試驗時,按臨界試驗的技術程序規定,停止硼稀釋后,歷史平均實際硼稀釋均勻時間需要1.6 h,最大時間需要3.7 h才能達到程序規定的稀釋均勻標準,嚴重浪費了核電廠大修關鍵路徑工期成本,影響經濟效益,增加了堆芯反應性敏感操作的風險。調研國內多個核電基地在逼近臨界試驗過程中,均有滿足反應堆一回路冷卻劑與穩壓器之間的硼濃度偏差|CB-LOOP-CB-PRES|＜20×10-6的要求,與核行業協會標準NB/T 20144—2012中的做法一致。然而法國EDF現行做法中,在逼近臨界的過程中并沒有必須滿足|CB-LOOP-CB-PRES|＜20×10-6的稀釋均勻標準。本文分析稀釋均勻標準的本質是確保堆芯反應性已處于穩定狀態,以便后續提棒尋找臨界棒位;梳理了所有事故分析中關于硼濃度偏差的報告,確認對傳統稀釋均勻標準的小幅優化不會改變任何事故分析假設,事故安全分析結果不受影響。因此本文在保證核臨界安全[3]的前提下,通過物理分析論證,對傳統的稀釋均勻標準進行優化,縮短啟動物理試驗工期[4]。

1 傳統稀釋均勻標準

中國廣核某核電基地機組換料大修后堆芯首次臨界試驗的技術程序規定,停止硼稀釋后執行稀釋均勻標準是需要等待時間30 min且穩壓器中硼濃度(CB-PRES)與反應堆一回路冷卻劑濃度(CB-LOOP)的偏差|CB-LOOP-CB-PRES|＜20×10-6。

2 優化方案分析

2.1 反應堆中子注量率走勢分析

反應堆啟動物理試驗逼近臨界過程中,為了實現穩定的臨界棒位和臨界狀態,避免臨界后控制棒棒位的不必要往復調整帶來關鍵路徑時間增加,須在提棒達臨界操作之前確保堆芯反應性已處于穩定狀態,在線連續監測的堆芯中子通量水平保持穩定則表征堆芯反應性已處于穩定狀態[5],而硼濃度偏差由于受局部采樣點、采樣頻率、分析誤差等因素影響,其偏差大小與堆芯真實反應性是否處于穩定狀態并不存在必然關系,將過于嚴格的硼濃度偏差|CB-LOOP-CB-PRES|＜20×10-6作為允許提棒達臨界操作的前提標準不合理,將給試驗帶來不必要的等待時間。

經統計分析,在硼濃度稀釋均勻化過程中,中子注量率走勢曲線在較短的時間內就已穩定走直,如圖1所示。中子注量率走勢不再變化表征堆芯反應性達到穩定,因而可判斷反應堆一回路已經滿足均勻條件。從圖1看出,機組在19:01停止稀釋,在19:16時,即停止硼稀釋后等待均勻時間15 min就已達到反應性穩定要求,滿足上提R棒尋找臨界棒位的條件。但現場為執行現有技術程序中的稀釋均勻標準,滿足硼濃度偏差|CB-LOOP-CB-PRES|＜20×10-6的要求,實際等待均勻時間為102 min。

圖1 RPN源量程中子注量率走勢Fig.1 The neutron flux trend of RPN source

根據多年的RPN源量程中子注量率走勢數據統計,停止硼稀釋后機組中子注量率走勢不再變化的平均時間約18 min,反應堆一回路內的硼濃度已得到均勻良好的水平。

2.2 反應堆停止稀釋后等待均勻時間對一回路硼濃度均勻的影響分析

從評價18 min內一回路攪混均勻次數分析:攪混均勻次數=主泵流量/一回路水裝量,根據中國改進型三環路壓水堆(CPR1000)機組參數,如表1所示。

表1 典型CPR1000機組參數Table 1 Typical CPR1000 unit parameters

按主泵額定轉速理論計算,18 min一回路冷卻劑已攪混次數約106次,結合機組實際運行經驗,機組稀釋/硼化效應帶來的反應性變化在15 min左右即達到新的平衡,一回路已經均勻。因此首次臨界試驗稀釋均勻標準中,設置停止稀釋后一回路均勻時間不少于30 min足夠包絡。

2.3 穩壓器與一回路不同硼濃度偏差的影響分析

穩壓器與一回路冷卻劑在不同的硼濃度偏差限值(CB-限值)下,假定充分攪混均勻后硼濃度偏差變為0,得到平衡后的一回路最終硼濃度C′B-LOOP可用式(1)求得

式中:VPRES——穩壓器體積;

VLOOP——一回路水裝量體積;

ρ——除鹽水密度。

將式(1)簡化后得式(2)

穩壓器與一回路冷卻劑的硼濃度偏差限值對一回路硼濃度的最終改變量ΔCB可通過式(3)算出。

根據熱態零功率工況下,VLOOP≈205 m3,VPRES≈8 m3,表2給出在啟動物理試驗期間,穩壓器與反應堆一回路冷卻劑不同硼偏差對ΔCB的影響。

表2 不同硼濃度偏差限值下ΔC B改變量Table 2 Changes inΔC B under different boron concentration deviation limits

由表2分析結果可知,穩壓器對一回路的硼濃度改變有限。根據現場數據統計發現,機組通常在均勻時間達到30 min后,硼濃度偏差平均已降至約30×10-6左右。當硼濃度偏差從30×10-6降至0×10-6時,對一回路硼濃度的最終影響僅為1.2×10-6。當穩壓器與一回路冷卻劑的硼濃度偏差限值為100×10-6,對一回路的硼濃度改變量為4.0×10-6,相比手動取樣存在的固有0.4%的誤差(以某基地18月換料模式下臨界硼濃度約2 000×10-6計算,對應硼濃度誤差為8×10-6)更小,該偏差不會影響對反應堆臨界條件的判斷。

2.4 優化稀釋均勻標準

綜上分析,當堆芯中子注量率水平保持穩定時,已經滿足提棒達臨界操作的前提要求,但電廠從機組控制的要求出發,增加了量化和多樣性的控制標準,保留了硼濃度偏差并將其適當放寬。根據前文分析穩壓器與一回路冷卻劑的硼濃度偏差為100×10-6時不會影響對反應堆臨界條件的判斷,本文提出了優化方案為“停止硼稀釋后等待均勻時間不少于30 min且-20×10-6＜(CB-PRES-CB-LOOP)＜+100×10-6”。優化后的稀釋均勻標準,可實現堆芯中子注量率走勢不再變化,滿足反應堆一回路均勻,且不降低原有的安全分析要求,避免不必要的大修關鍵路徑等待時間成本,實現可量化執行,便于安全監管。

3 結論

優化后的稀釋均勻標準應用后,有效縮短了大修關鍵路徑上的工期成本,減少了人因工作失誤的風險。預計平均可節省啟動物理試驗工期1 h以上,并將徹底杜絕類似等待均勻時間長達3.7 h的問題,圖2為優化前后等待均勻時間的效果對比。

圖2 優化前后效果對比Fig.2 Comparison of effects before and after optimization

新稀釋均勻優化標準在保證機組安全的前提下,有效減少反應堆達臨界前的一回路均勻等待時間,對核電同行縮短反應堆啟動物理試驗工期,具有良好的借鑒作用。