長燃料循環中間量程補償電壓設置優化

周 磊，吳小璇，徐 飄，陳子鳴，沈 聰, 許 進

(中核核電運行管理有限公司，浙江 海鹽 314300)

對于壓水堆機組, P6信號由中間量程確定。方家山機組實施長燃料循環后P6信號觸發較晚，影響大小修關鍵路徑。中間量程為γ補償電離室，偏安全考慮，γ補償電壓一般處于欠補償狀態，中間量程測量值受γ強度影響較大。此機組為三環路加壓型輕水反應堆，機組內部裝載有次級中子源。機組自第4循環實施長燃料循環，使用低泄露裝載方案。

1 原因分析

1.1 長燃料循環裝料方案影響

方家山機組從第四循環開始采用低泄露裝料方案，即在相同核功率工況下泄露的中子數更少，對應的中間量程電流值也更低。因此，長循環后，P6信號對應的中間量程電流值有所降低，如表1所示。表2整理了U1C1-C4停堆后，P6信號觸發的時間列表。

表1 P6信號對應中間量程電流值

表2 P6信號觸發用時

將方家山1號機組C3/C4循環，停堆時IR/SR信號對應停堆時間作圖，如圖1所示。

圖1 U1C3/C4循環停堆SR/IR信號

1.2 γ光子能量的影響

對于γ光子能量，主要由次級中子源的伽馬能量Et(S)，累計裂變產物衰變γ光子能量Et(decay)，裂變反應γ光子能量E(f)組成。

1.2.1 次級中子源的伽馬能量Et(S)

表3 次級中子源γ光子強度

由于次級中子源在堆芯內輻照一定時間后達到穩定狀態。故停堆之后，伽馬光子的釋放率為：Ct(S)=C0(S)×e-λt。由于C0(S)=7.12×1015/s,平均每個伽馬光子能量為0.978MeV，故次級中子源釋放的γ光子能量為(MeV/s)：Et(S)=0.978×7.12×1015×e-λt=6.96×1015×e-λt

1.2.2 累計裂變產物衰變γ光子能量Et(decay)

表4 累計裂變產物

此處得到的份額是平衡狀態的份額，并非初始的裂變份額。

停堆之后，上述的59種核素的伽馬放射性為：

式中：∑fΦ——總的裂變次數；

γi，λi，Ei——第i中裂變產物的裂變份額、衰變常數、每次衰變的γ光子能量；

Et(decay)——衰變產物總的衰變γ光子能量。

此處忽略裂變產物級聯衰變。

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1.2.3 裂變反應γ光子能量E(f)

停堆后堆芯內部仍然會有次臨界增值，有少量的核裂變，核裂變產生的新的裂變產物仍然會以其固有的衰變屬性繼續衰變，直至穩定。235U裂變反應大概有1200余種裂變產物。初始裂變產額大于0.01%的裂變產物約有274種。表5計算了裂變產額大于0.1%的69種裂變產物的基本信息。

表5 裂變產物

對產額大于0.01%的裂變產物進行衰變γ能量計算，考慮級聯衰變，每次裂變產生的裂變產物衰變約釋放5.6 MeV的γ光子能量。對1200余種裂變產物進行計算，考慮級聯衰變，每次裂變產生的裂變產物衰變約釋放約7.0 MeV的γ光子能量。故每次裂變的裂變產物全部衰變的γ能量如下：

E(γ能量)=E(瞬發γ能量)+E(緩發γ能量)=14 MeV。根據方家山機組U1C5啟動階段的數據：SR=10 000 cps時，IR=1.38×10-10A；IR=5.32×10-4A,PR=30.43%FP；PR=100%FP，中子通量為2.6×1017m2·s-1,堆芯內裂變數9.05×1019s-1,推導數據如表6所示。

表6 裂變反應釋放γ光子能量

故當SR=1000 cps時，E(f)=1.00×1013MeV/s。

1.2.4 總的γ光子能量影響

總的γ光子能量為(MeV/s)：Et(S)=Et(decay)+Et(S)+E(f)。

表7 停堆后γ光子能量

裝料啟堆后，約2/3的舊燃料組件入堆，大修時間為30 d左右。將反應堆啟動及停堆時的γ光子能量曲線作圖，如圖2所示。

從圖2可得，停堆之后10 h的衰變γ光子能量比啟動階段的衰變γ光子能量剛好大10倍。

圖2 啟動/停堆γ光子能量曲線

2 方案實施

2.1 中間量程補償電壓早期設置

對于方家山1號機組的中間量程負補償高壓設置為10 V左右，啟動和停堆時的數據如圖3所示。

圖3 U1C3/C4啟動及停堆SR&IR信號

從上圖可以看出， C3C4兩個循環的啟動和停堆階段相比，IR與SR的重疊性相差很大。及啟動和停堆當SR=1000 cps時，IR電流值相差可達4倍。

2.2 中間量程補償電壓優化設置

中間量程由兩個電離室組成：外環電離室內壁涂硼，稱正電離室；內環電離室不涂硼，稱負電離室。外電離室測量中子和γ光子共同作用產生正電流，內電離室測量γ光子產生負的電流。

設正電離室產生電流：I+=In+K+×Iγ，負電離室產生電流：I-=K-×Iγ，則輸出總電流：I=I++I-=In+(K+-K-)×Iγ。日常運行工況中，為了安全考慮，中間量程設置為欠補償狀態，即K+-K->0。所以當Iγ增多，In不變的情況下，輸出電流I就會越大。根據圖3，由于停堆10 h與啟動階段相比，Iγ相差較大。為使得I=In+(K+-K-)×Iγ盡量地接近In，就應使得K+-K-盡可能地接近0。故第4循環停堆后，重新設定中間量程負高壓，由之前的10 V更新為15 V左右。對方家山U1C5循環啟動及小修停堆的SR/IR與U1C4循環做圖，如圖4所示。

從圖4可得，調整中間量程補償電壓后，U1C5循環啟動及小修停堆階段，源量程與中間量程的重疊性較好。且U1C5小修停堆過程中，P6信號也在停堆之后6 h之內出現，不再耽誤關鍵路徑。

圖4 U1C4/C5啟動及停堆SR&IR信號

3 結論

1)由于停堆10 h與啟堆時，堆芯γ光子的能量相差10倍。中間量程作為γ補償電離室，受γ光子強度影響較大。所以啟動及停堆階段，同樣源量程計數會出現不同的中間量程電流值。

2)適當提高中間量程負補償高壓，可以減小γ光子對中間量程測量結果的影響。

3)由于中間量程過補償在實際工作中有安全隱患，故持續調整中間量程補償電壓時，應該注意和啟動階段時的中間量程電流值做對比。即在停堆和啟動階段，當SR均為同一值時，將停堆后的IR計數略設置為大于啟動時的IR計數即可。