秦山第二核電廠反應堆冷卻劑中10B豐度對反應堆監督的影響分析

劉 臻，王澄瀚

(中核核電運行管理有限公司，浙江 海鹽 314300)

硼酸是一種可溶性的化學補償反應性毒物，通常加入反應堆一回路冷卻劑中用以控制堆芯的反應性。硼有兩種穩定的同位素10B和11B，天然硼中10B豐度數值并不固定，依產地的不同，該數值有所區別，比較常用的數值為19.8%。

國內核電廠在近年的反應堆運行過程中，陸續發現一些與10B豐度變化相關的現象。對此，核電廠和設計院等業內單位對冷卻劑中的10B豐度變化開展了一系列的研究工作[1-2]。同時，部分核電廠也逐步開展了對冷卻劑中10B豐度進行測量的工作[3]。

秦山第二核電廠也對冷卻劑中的10B豐度變化進行了持續的分析和研究，本文簡要論述了秦山第二核電廠堆芯冷卻劑中10B豐度的變化對堆芯監督的影響及解決。

1 原理

硼酸參與反應性控制主要是利用10B的核特性，10B的熱中子吸收截面很大，約為3 800靶，其核反應為10B(n，α)7Li，在有些情況下10B吸收中子后，放出兩個α粒子形成氚。這兩個核反應都會消耗10B，而11B則基本不會消耗。秦山第二核電廠機組采用基負荷運行模式，一般不參與調峰，因此堆芯功率較為穩定，只有在調門試驗等需要降功率的情況下才會向堆芯注入硼酸，這樣冷卻劑中的硼酸相對封閉，其在經過堆芯時會不斷與中子發生核反應，最終使得10B豐度逐漸減小。

堆芯硼濃度的化學取樣測量采用的是酸堿中和滴定分析原理[4]，分析得出的結果是硼的濃度。由于10B豐度的變化，該測量硼濃度就與我們想要知道的真實的“硼濃度”產生偏差，并對硼濃度監督產生一定影響。特別是實施長循環后，由于堆芯燃耗加深，運行時間變長，10B豐度的變化對堆芯監督的影響會更大。

2 10B豐度變化對臨界硼濃度監督的影響及解決

首先，秦山第二核電廠在多個燃料循環中，都曾出現過堆芯測量臨界硼濃度與理論預計值的偏差接近或超過±50×10-6驗收準則的現象。

其次，堆芯測量臨界硼濃度與理論預計值偏差的變化趨勢曲線，如果不考慮10B豐度變化的因素，多呈現出拱形曲線。圖1是秦山第二核電廠某循環的硼跟蹤曲線。

事實上，不論是堆芯測量臨界硼濃度與理論預計值偏差較大，還是堆芯測量臨界硼濃度與預計值偏差曲線呈現“拱形”，都不能反應出硼在堆芯真實的情況，主要原因就在于冷卻劑中10B豐度變化。

圖1 堆芯臨界硼濃度跟蹤曲線Fig.1 Critical boron concentration follow up curve

秦山第二核電廠使用的硼酸為沒有進行10B富集的天然硼，堆芯核設計中使用的10B豐度值為19.8%。在反應堆運行過程中，冷卻劑中的10B豐度會有一定變化，從而偏離了19.8%的理論值。

10B豐度的變化與運行過程相關，機組在運行過程中停堆或者負荷變化次數多，則硼化量較多，10B豐度的變化就小一些，否則10B豐度的變化就大。

解決10B豐度對堆芯臨界硼濃度監督影響的方法主要有兩種。

第一種方法是考慮10B燃耗和化容系統的硼化數據后，對10B豐度進行理論計算，給出考慮了10B豐度后的理論預計硼濃度。對秦山第二核電廠臨界硼濃度超過驗收準則的運行工況重新計算后，堆芯測量臨界硼濃度與理論預計值偏差都小于50×10-6。

根據考慮了10B豐度的理論預計硼濃度重新繪制堆芯臨界硼濃度跟蹤曲線后，曲線也不存在“拱形”的狀況。圖2是對圖1的數據重新計算和繪制的曲線。該曲線更能反應出堆芯臨界硼濃度的實際運行情況。

圖2 考慮理論10B豐度變化的堆芯臨界硼濃度跟蹤曲線Fig.2 Critical boron concentration follow up curve considered calculated 10B abundance

解決10B豐度對堆芯臨界硼濃度監督影響的第二種方法是對冷卻劑中的實際10B豐度進行測量。

為測量冷卻劑劑中的10B豐度，秦山第二核電廠引入了電感耦合等離子體質譜儀[3]。該設備對冷卻劑中的10B豐度測量具有分析精度較高、測量速度滿足現場需求的特點，可用于工程實踐。

目前秦山第二核電廠已經建立了定期進行10B豐度測量的工作。表1是部分測量結果。

表1 秦山第二核電廠某循環10B豐度測量結果

表1的數據也表明，在機組運行中，冷卻劑中的10B豐度有比較大的變化。

通過測量得到10B豐度后，可通過式(1)對測量臨界硼濃度進行修正[5]。

(1)

式中：

CBR——經過10B豐度修正的臨界硼濃度，10-6；

CBM——測量臨界硼濃度，10-6；

AB10R——堆芯冷卻劑中的實際10B豐度，無量綱；

AB10D——堆芯設計時使用的10B豐度，無量綱。

通過10B豐度修正的測量臨界硼濃度，與理論預計值進行比較和進行臨界硼濃度跟蹤曲線的繪制，可得到更接近實際情況的結果。圖3使用表1的數據進行計算后，兩者的比較。

圖3 經實測10B豐度修正后的臨界硼濃度偏差Fig.3 Critical boron concentration deviation follow up curve considered measured 10B abundance

3 10B豐度變化對堆芯壽期預測的影響及解決

通過硼降速率的計算，并結合冷卻劑中臨界硼濃度的外推是堆芯壽期預測的一種常用手段。該方法可以和燃耗外推相結合共同預測堆芯壽期，為停堆換料大修計劃提供依據。

腎臟病變：腎病引起的水腫有急有慢，急性病相對容易治療，慢性腎病則往往積重難返。故及時發現、及時治療非常重要，必要時還需腎臟穿刺以明確診斷、指導治療。腎臟病患者的日常飲食亦要加以調養，癥狀較輕且合并血漿蛋白降低時，不妨多吃一些高蛋白食物，如魚、蛋和奶等（而中重癥腎病特別是合并尿毒癥的患者則需限制蛋白的攝入）；蘿卜、冬瓜和絲瓜等也有明顯的利尿作用。

但是由于10B豐度在壽期中的不同，一方面使堆芯測量臨界硼濃度“失真”，另一面也使硼降速率“失真”，使得利用硼濃度外推預測的堆芯壽期與實際壽期產生較大偏差，也與燃耗外推的結果產生較大的偏差。

表2列出了秦山第二核電廠某循環的堆芯壽期預測。

表2 堆芯壽期預測

可見，基于硼濃度外推得到的停堆日期有較大波動，而且在壽期中與實際結果偏差較大。建議將硼濃度外推預測的堆芯壽期作為參考，而主要使用燃耗外推結果作為依據。

4 10B豐度變化對反應堆恢復臨界計算的影響及解決

4.1 10B豐度變化對反應性平衡計算臨界參數的影響及解決

反應堆恢復臨界時，需要預先計算臨界棒位和臨界硼濃度。使用反應性平衡計算臨界參數是常用的做法。

若堆芯冷卻劑中10B豐度偏離19.8%較多，則在堆芯臨界硼濃度較高時，進行反應性平衡計算時需要考慮停堆過程。因為在停堆過程中如果向堆芯注入了硼酸，則會改變堆芯冷卻劑中的10B豐度，特別是冷停堆，停堆時會向堆芯注入大量的硼酸，冷卻劑中的10B豐度改變較大，若在反應性平衡計算中不考慮10B豐度的變化，則計算得到的臨界硼濃度會偏大。

解決這一問題需要考慮停堆過程中由于硼化導致的冷卻劑中10B豐度的改變?？梢栽谕６亚昂屯６押蠓謩e測量冷卻劑中的10B豐度，也可以測量其中的一次，然后使用考慮10B豐度的硼化公式[2]計算另一次的10B豐度。

得到停堆前和停堆后的10B豐度后，對臨界硼濃度進行修正，即可得到更準確的恢復臨界硼濃度。

表3計算了假設秦山第二核電廠某循環在不同燃耗下停堆后，使用反應性平衡計算的臨界硼濃度由于10B豐度的因素造成的偏差。

表3 使用反應性平衡計算的臨界硼濃度

4.2 10B豐度變化對程序計算臨界參數的影響及解決

恢復臨界時，計算臨界參數的另一種方法是使用程序計算。

使用程序計算的堆芯臨界硼濃度是否考慮10B燃耗，對計算結果影響很大。表4是ORIENT[6]程序計算的秦山第二核電廠某循環不同燃耗下的臨界硼濃度。

表4 ORIENT計算的臨界硼濃度

表4的計算僅考慮了10B燃耗，而未考慮堆芯的硼化。實際上由于機組在功率運行過程中，存在硼化情況，所以實際的臨界硼濃度往往介于表4的兩個硼濃度之間。若不知道堆芯冷卻劑中的實際10B豐度，事實上很難用程序計算得到較為準確的恢復臨界硼濃度。

解決該問題的方法為測量堆芯冷卻劑中的10B豐度和考慮停堆過程中10B豐度的變化。

使用冷卻劑中的10B豐度修正堆芯臨界硼濃度，并與程序計算的結果比較，得到程序臨界計算偏差；根據停堆后冷卻中10B豐度的變化，修正程序恢復臨界硼濃度計算結果?？紤]這兩個因素后，使用程序即可計算得到較為準確的恢復臨界硼濃度。

5 結論

經過本文分析，結論如下：

1)堆芯冷卻劑中10B豐度的變化對臨界硼濃度監督有較大影響，需要通過10B豐度的測量或者考慮10B燃耗的理論預計硼濃度用于硼濃度監督；

2)堆芯冷卻劑中10B豐度的變化對使用硼降速率預測循環壽期產生不利影響，建議將硼濃度外推預測的堆芯壽期作為參考，而主要使用燃耗外推結果作為依據；

3)堆芯冷卻劑中10B豐度的變化對反應堆恢復臨界硼濃度的計算有較大影響，因此計算中需要考慮停堆前的10B豐度和停堆硼化后的10B豐度。