秦二廠2號(hào)機(jī)組氙振蕩抑制方法研究

沈亞杰，高永恒，詹勇杰，楊　嗣，王澄瀚，劉　臻，王勇智

秦二廠2號(hào)機(jī)組氙振蕩抑制方法研究

沈亞杰，高永恒，詹勇杰，楊嗣，王澄瀚，劉臻，王勇智

（中核核電運(yùn)行管理有限公司，浙江 嘉興 314300）

氙振蕩是大型熱中子反應(yīng)堆不可忽視的問(wèn)題，劇烈的氙振蕩給軸向功率控制帶來(lái)嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。本文通過(guò)對(duì)秦二廠2號(hào)機(jī)組的氙振蕩進(jìn)行研究分析，發(fā)現(xiàn)振蕩發(fā)散和收斂規(guī)律，即在氙振蕩過(guò)程中，若動(dòng)棒操作引起軸向功率偏差Δ變化與當(dāng)前Δ的變化趨勢(shì)相反，可以有效地抑制氙振蕩，否則將加劇氙振蕩。并以秦二廠3號(hào)機(jī)組的氙振蕩中衰減和加劇過(guò)程進(jìn)行驗(yàn)證該規(guī)律。最后，對(duì)氙振蕩的抑制方法提出幾點(diǎn)合理建議，為機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行提供了重要保障。

反應(yīng)堆；氙振蕩；軸向功率控制；

秦山第二核電廠4臺(tái)機(jī)組都屬于CNP600堆型，采用Mode A控制模式。在該控制模式下，由控制棒和硼濃度共同調(diào)控反應(yīng)堆的功率變化。正常運(yùn)行模式下，徑向功率分布變化較小[1]。而軸向功率分布則經(jīng)常受到運(yùn)行過(guò)程中變量影響，如氙毒，堆芯溫度，控制棒位置和堆芯功率等[2-4]。軸向功率分布發(fā)生變化時(shí)，堆芯上下部的氙毒也會(huì)發(fā)生變化，從而導(dǎo)致軸向功率偏差Δ發(fā)生振蕩（即氙振蕩），對(duì)核電機(jī)組安全穩(wěn)定地運(yùn)行帶來(lái)一定的風(fēng)險(xiǎn)。

氙振蕩一般發(fā)生于高中子注量率的大型熱中子反應(yīng)堆中，徑向氙振蕩收斂，且其穩(wěn)定性隨著堆芯燃耗加深而增加；軸向氙振蕩方面的穩(wěn)定性隨堆芯燃耗的加深或堆芯功率的升高而降低[5]。因此，軸向氙振蕩是大型熱中子反應(yīng)堆中值得研究和探討的問(wèn)題。本文討論的氙振蕩都為軸向氙振蕩。抑制氙振蕩的通用策略主要有：當(dāng)氙振蕩振幅較小時(shí)，采用稀釋、硼化的方式，朝著平衡冷熱的方向操作，即利用堆芯上下部燃耗不同而導(dǎo)致慢化劑溫度系數(shù)的不同的原理來(lái)控制Δ的變化；當(dāng)氙振蕩振幅較大時(shí)，抑制氙振蕩最有效的方法是調(diào)節(jié)控制棒，且需要在合適的時(shí)機(jī)進(jìn)行動(dòng)棒，否則可能會(huì)加劇振蕩[6]。動(dòng)棒的時(shí)機(jī)一般為：發(fā)現(xiàn)Δ較快速趨正時(shí)下插控制棒，趨負(fù)時(shí)提升控制棒，插棒幅度不宜過(guò)大，保證Δ靠近Δref，可有效地抑制Δ的振蕩[7]。

本文通過(guò)秦二廠2號(hào)機(jī)組運(yùn)行過(guò)程中氙振蕩成功抑制的實(shí)例，研究分析如何正確地采用控制棒抑制氙振蕩，并以秦二廠3號(hào)機(jī)組的氙振蕩中衰減和加劇過(guò)程進(jìn)行驗(yàn)證。

1 氙振蕩的機(jī)理及危害

1.1 氙振蕩的機(jī)理

氙在反應(yīng)堆中的產(chǎn)生機(jī)理如下[8,9]：

在點(diǎn)堆模型中，135I和135Xe的微分方程如下：

（2）

其中：()——時(shí)刻的135I的濃度，cm-3；

γI——135I的裂變份額，%；

Xe——135Xe的裂變份額，%；

I——135I的衰變常數(shù)；

Xe——135Xe的衰變常數(shù)；

()——堆芯中子注量率，cm-2·s-1；

f——裂變宏觀截面，cm-1；

aXe——135Xe的微觀吸收截面，cm-2。

135Xe的直接裂變產(chǎn)額僅為0.23%，但是135I直接裂變產(chǎn)額高達(dá)6.39%。135Xe的產(chǎn)生量主要來(lái)源于135I的衰變，半衰期約為6.7 h。135Xe消耗是通過(guò)衰變和（n，r）兩個(gè)途徑，該兩個(gè)途徑在在1013cm-2·s-1量級(jí)時(shí)消耗量相當(dāng)。由于衰變具有一定的滯后性，故當(dāng)堆芯功率發(fā)生改變，即發(fā)生改變時(shí)，135Xe的消耗途徑（n，r）會(huì)隨改變迅速響應(yīng)，而135Xe的生成途徑（135I的-衰變）和消耗途徑（135Xe的-衰變）響應(yīng)相對(duì)滯后。

由于135Xe的產(chǎn)生和消耗對(duì)于的響應(yīng)不同步，當(dāng)反應(yīng)堆內(nèi)的中子注量率分布發(fā)生傾斜時(shí)，在中子注量率減小的區(qū)域，氙濃度最初將增大；而在中子注量率增大的區(qū)域，它的濃度將減小。氙濃度分布的這種變化將隨局部區(qū)域內(nèi)的中子注量率的增大（或減小）而增強(qiáng)（或減弱）該區(qū)域的增殖能力，這就強(qiáng)化了中子注量率的傾斜程度。在中子注量率發(fā)生傾斜的幾個(gè)小時(shí)之后，在高中子注量率區(qū)域，碘濃度的升高增大了氙的生成率，這將引起該區(qū)域增殖能力的減弱；在低中子注量率區(qū)域，氙濃度因碘濃度的降低而減小，最終引起該區(qū)域增殖能力的增強(qiáng)。這樣，中子注量率變化就沿著原來(lái)相反的方向進(jìn)行，并重復(fù)地下去，就形成了功率密度、中子注量率和135Xe濃度的空間振蕩，簡(jiǎn)稱氙振蕩[10-12]。

1.2 氙振蕩的危害

氙振蕩會(huì)引起軸向功率變差Δ周期性振蕩。當(dāng)Δ偏離Δref±3%FP，則會(huì)引起主控預(yù)警；當(dāng)Δ偏離Δref±5%FP時(shí)，則要求在連續(xù)12小時(shí)內(nèi)累計(jì)計(jì)時(shí)不得超過(guò)1小時(shí)。此外，氙振蕩會(huì)使反應(yīng)堆熱管位置轉(zhuǎn)移和功率密度峰因子改變，并使局部區(qū)域的溫度升高，若不加控制甚至?xí)谷剂显刍浑袷幰矔?huì)使堆芯中溫度場(chǎng)發(fā)生交替地變化，加劇堆芯材料溫度應(yīng)力的變化，使材料過(guò)早地?fù)p壞[13-15]。因此，為了保證機(jī)組安全穩(wěn)定地運(yùn)行，氙振蕩必須被及早發(fā)現(xiàn)并加以正確的干預(yù)手段。

1.3 氙振蕩的表征

氙振蕩會(huì)引起堆芯軸向功率偏差Δ振蕩，一般氙振蕩的劇烈程度用Δ的振幅來(lái)表征，Δ定義為：

其中：H、B——堆芯上部、下部相對(duì)功率；

r——當(dāng)前堆芯功率。

2　氙振蕩事件概述、序列和分析

2.1 事件概述

2017年5月18日，堆芯物理監(jiān)督人員發(fā)現(xiàn)秦二廠2號(hào)機(jī)組軸向功率偏差Δ存在較明顯的周期性波動(dòng)，同時(shí)運(yùn)行人員反饋Δ控制困難，機(jī)組存在超出運(yùn)行帶的風(fēng)險(xiǎn)。經(jīng)確認(rèn)，機(jī)組存在一定程度的氙振蕩。為保證機(jī)組運(yùn)行安全，有必要及早進(jìn)行人為干預(yù)，以消除氙振蕩。5月19日17：00左右，在現(xiàn)場(chǎng)物理人員的指導(dǎo)下，主控操縱員手動(dòng)提升2步控制棒組，以干預(yù)和抑制氙振蕩。后續(xù)對(duì)堆芯監(jiān)督確認(rèn)，經(jīng)過(guò)這次干預(yù)后堆芯氙振蕩已基本消除。本次氙振蕩曲線如圖2所示。

2.2 事件序列

本次氙振蕩事件序列如下：

（1） 5月13日前后，2號(hào)機(jī)組處于長(zhǎng)燃料循環(huán)第2個(gè)過(guò)渡循環(huán)的壽期末運(yùn)行階段，正常滿功率運(yùn)行，堆芯燃耗約14 000 MWd/tU，堆芯硼濃度約230×10-6，D棒約209步，Δref為-2.0%FP，Δ約-1.2%FP；

圖2 機(jī)組氙振蕩曲線

（2） 5月14日晚至15日凌晨期間，機(jī)組多次稀釋，同時(shí)伴隨控制棒組動(dòng)作（14日21：40稀釋1 000 L水，D棒組提升1步；15日02：45稀釋1 000 L水，D棒組下插1步；15日06：00稀釋1 000 L水，D棒組下插1步）；Δ相應(yīng)有明顯波動(dòng)；

（3） 5月18日前后，物理與運(yùn)行人員相繼發(fā)現(xiàn)2號(hào)機(jī)組存在氙振蕩；

（4） 5月19日13：00，物理人員根據(jù)氙振蕩的特征，制定了抑制措施，第一個(gè)實(shí)施最佳時(shí)機(jī)為當(dāng)日17：00，第二個(gè)時(shí)間點(diǎn)為次日7：00左右；

（5） 5月19日17：00，物理與運(yùn)行人員共同實(shí)施抑制措施，手動(dòng)提升控制棒D棒組2步（當(dāng)時(shí)一回路溫度偏低）；

（6） 5月20日07：00，初步確認(rèn)堆芯氙振蕩已基本消除，不需實(shí)施第二次干預(yù)操作；

（7） 5月22日09：00，經(jīng)過(guò)48小時(shí)觀察，確認(rèn)氙振蕩消除。

2.3 事件分析

從歷史數(shù)據(jù)趨勢(shì)判斷，秦二廠2號(hào)機(jī)組氙振蕩起始于5月14日15：00和21：50的兩次提D棒。這兩次提D棒和對(duì)應(yīng)的Δ變化趨勢(shì)如圖3中的動(dòng)棒操作1區(qū)域所示。經(jīng)過(guò)提升2步D棒后，Δ從-1.5%FP左右變化到-0.2%FP左右。后續(xù)幾次不恰當(dāng)?shù)目刂瓢魟?dòng)作加劇了氙振蕩，不恰當(dāng)?shù)目刂瓢魟?dòng)作與Δ變化如圖3中的動(dòng)棒操作2區(qū)、3區(qū)、4區(qū)域所示。

圖3 氙振蕩初期ΔI和D棒棒位的變化曲線

以動(dòng)棒區(qū)域2為例：此時(shí)，堆芯上部135Xe的生成量應(yīng)大于消耗量，使得135Xe積累，吸收更多中子，從而導(dǎo)致堆芯上部中子注量率h減少，堆芯下部與上部相反，堆芯下部中子注量率b增加，所以Δ向負(fù)變化。此過(guò)程中，采取了兩次插棒動(dòng)作，每次各插一步。使得發(fā)生突變，h減少，b增加。由于135Xe的生成量變化有6.7 h左右的滯后時(shí)間，在動(dòng)棒導(dǎo)致突變的一段時(shí)間里，消耗量變化主要受的影響。故h突然減少，使得135Xe的積累量相應(yīng)增加，吸收中子數(shù)相應(yīng)增加，從而導(dǎo)致堆芯上部中子注量率h進(jìn)一步減少；同理，b的增加，在滯后時(shí)間內(nèi)，堆芯上部中子注量率b進(jìn)一步增加。h和b的變化趨勢(shì)使得Δ往更負(fù)的方向變化，使得氙振蕩加劇。動(dòng)棒操作3和4導(dǎo)致Δ變化區(qū)域與當(dāng)時(shí)Δ本身變化趨勢(shì)相同，都進(jìn)一步加劇氙振蕩。經(jīng)過(guò)觀察分析發(fā)現(xiàn)：2號(hào)機(jī)組氙振蕩的處理過(guò)程中存在明顯的振蕩發(fā)散和收斂規(guī)律，即在氙振蕩過(guò)程中進(jìn)行動(dòng)棒操作，若該動(dòng)棒操作引起Δ變化與當(dāng)前Δ的變化趨勢(shì)相反，可以有效地抑制氙振蕩；若相同，則會(huì)加劇氙振蕩。

抑制氙振蕩的最佳干預(yù)點(diǎn)應(yīng)該是振幅為0的時(shí)間點(diǎn)。因?yàn)樵摃r(shí)間點(diǎn)的Δ變化趨勢(shì)最易判斷，離±5%FP運(yùn)行帶較遠(yuǎn)，具有較高的操作安全裕量，且氙振蕩消除后Δ維持在參考值附近。本次氙振蕩過(guò)程中，物理人員選取振幅為0為干預(yù)點(diǎn)，進(jìn)行動(dòng)棒操作，快速抑制了氙振蕩，效果顯著。

整個(gè)氙振蕩過(guò)程中，軸向功率偏差Δ的波動(dòng)規(guī)律具有明顯的周期性，振幅約為±2.5%FP，振蕩周期約為26 h。最大振幅有短暫時(shí)間超越Δref±3%FP的預(yù)警帶，沒有超越±5%FP，未危及機(jī)組的安全運(yùn)行。

3　秦二廠3號(hào)機(jī)組氙振蕩過(guò)程分析驗(yàn)證

及時(shí)抑制氙振蕩是機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行的重要前提。由于運(yùn)行人員對(duì)氙振蕩的處理經(jīng)驗(yàn)較少，容易出現(xiàn)一些反向操作，使得氙振蕩加劇。秦二廠3號(hào)機(jī)組也曾出現(xiàn)過(guò)比較明顯的氙振蕩現(xiàn)象，由于當(dāng)時(shí)運(yùn)行人員對(duì)于處理氙振蕩的經(jīng)驗(yàn)不足，使得氙振蕩衰減和加劇過(guò)程反復(fù)出現(xiàn)。本文選取其中2段氙振蕩衰減的過(guò)程和1段氙振蕩加劇的過(guò)程進(jìn)行驗(yàn)證振蕩發(fā)散和收斂規(guī)律。

3.1 氙振蕩衰減過(guò)程

圖4和5是秦二廠3號(hào)機(jī)組氙振蕩的2個(gè)衰減過(guò)程。從圖4可知，經(jīng)過(guò)時(shí)刻1～3的動(dòng)棒操作后，Δ振蕩趨勢(shì)明顯減小，最后基本穩(wěn)定。其中，時(shí)刻1～3的動(dòng)棒操作引起的Δ的變化都與當(dāng)前的Δ變化方向相反。從圖5也知：經(jīng)過(guò)時(shí)刻1～5的動(dòng)棒操作后，Δ振蕩也呈衰減趨勢(shì)，最后基本穩(wěn)定。其中，時(shí)刻1～5的動(dòng)棒操作引起Δ變化也都與當(dāng)前Δ趨勢(shì)相反。

圖4 氙振蕩衰減過(guò)程1

Fig 4The first attenuation process of xenon oscillation

3.2 氙振蕩加劇過(guò)程

圖6為秦二廠3號(hào)機(jī)組氙振蕩的加劇過(guò)程。從圖6可知，經(jīng)過(guò)時(shí)刻1～4的動(dòng)棒操作后，Δ振蕩振幅擴(kuò)大，氙振蕩明顯加劇。其中，時(shí)刻1～4的動(dòng)棒操作引起Δ的變化都與當(dāng)前的Δ變化方向相同。

圖5 氙振蕩衰減過(guò)程2

Fig 5The second attenuation process of xenon oscillation

圖6 氙振蕩加劇過(guò)程

4　結(jié)論

通過(guò)分析處理秦二廠2號(hào)機(jī)組的氙振蕩情況，發(fā)現(xiàn)了實(shí)際過(guò)程中氙振蕩的振蕩發(fā)散和收斂規(guī)律，并通過(guò)理論分析和實(shí)際處理過(guò)程進(jìn)行驗(yàn)證。最后給出抑制氙振蕩的幾點(diǎn)建議：

（1）氙振蕩需要提前手動(dòng)干預(yù)，盡量避免在Δ偏離Δref較大時(shí)干預(yù)，尤其是振蕩的峰谷位置；

（2）振幅為0的位置是最佳的干預(yù)點(diǎn)，該時(shí)間點(diǎn)的Δ變化趨勢(shì)最易判斷，離±5%FP運(yùn)行帶較遠(yuǎn)，具有較高的操作安全裕量，且氙振蕩消除后Δ維持在參考值附近；

（3）氙振蕩抑制方法建議采取多次少量的手動(dòng)調(diào)節(jié)控制棒的模式。

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Study on Preventing Xenon Oscillation of Unit 2 of Qinshan Ⅱ

SHEN Yajie，GAO Yongheng，ZHAN Yongjie，YANG Si，WANG Chenghan，LIU Zhen，WANG Yongzhi

（CNNP Nuclear Power Operation Management Co.Ltd.，Jiaxing of Zhejiang Prov.314300，China）

Xenon oscillation is a problem that cannot be ignored in large thermal neutron reactors. Serious xenon oscillation brings sever challenges for axial power controlling. Through analyzing xenon oscillation of Unit 2 of Qinshan II, the oscillation divergent and convergent law is found. In the process of xenon oscillation, if moving the control rod, which leads to the axial power deviation ΔI changing opposite to the current trend, can effectively prevent xenon oscillation. On the contrary, it may exacerbate xenon oscillation. Then the law is verified by xenon oscillation attenuation and intensification processes of Unit 3 of Qinshan II. Finally, some reasonable suggestions for preventing xenon oscillations are put forward, which provides important guarantee for the safe and stable operation of the unit.

Reactor；Xenon oscillation；Axial power controlling

TL48

A

0258-0918（2022）01-0088-05

2020-10-22

沈亞杰（1991—），男，浙江海鹽人，工程師，碩士，現(xiàn)主要從事反應(yīng)堆物理熱工方面研究