介紹了先進(jìn)三代核電機(jī)組如何在低中子注量率的情況下通過堆外核測(cè)量系統(tǒng)源量程探測(cè)器監(jiān)視反應(yīng)堆達(dá)臨界，并對(duì)其達(dá)臨界過程中探測(cè)器的計(jì)數(shù)率變化進(jìn)行比照、分析。通過分析發(fā)現(xiàn)，在低中子注量率情況下，利用反應(yīng)堆啟動(dòng)率(或周期)的變化能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)反應(yīng)堆臨界實(shí)現(xiàn)與否的判斷。同時(shí)，利用相對(duì)中子源不同位置的探測(cè)器計(jì)數(shù)率的變化規(guī)律，能夠監(jiān)測(cè)反應(yīng)堆逼近臨界的程度。這一反應(yīng)堆達(dá)臨界方式可以在諸如無源啟動(dòng)等低中子注量率情況下得到應(yīng)用。
0 引 言
目前，我國(guó)正在推進(jìn)先進(jìn)三代核電機(jī)組的建設(shè)和運(yùn)行。三門核電廠和海陽(yáng)核電廠共計(jì) 4 臺(tái)先進(jìn)核電機(jī)組已全部正式商運(yùn)，“華龍一號(hào)”、“國(guó)和一號(hào)”等先進(jìn)核電機(jī)組也正在積極籌建中。以在運(yùn)行的先進(jìn)三代核電機(jī)組為例，在首堆裝料時(shí)， 裝載入 2 組含有 252Cf 材料的初級(jí)中子源組件，同時(shí)機(jī)組設(shè)計(jì)有 4 套源量程探測(cè)器用于裝料和啟動(dòng)，由于這些因素使得該型機(jī)組在首次臨界時(shí)具有一些特殊的特性。本文以國(guó)內(nèi)某核電機(jī)組首次達(dá)臨界和再啟動(dòng)情況為例，闡述某型先進(jìn)三代核電機(jī)組反應(yīng)堆首次達(dá)臨界的特性，并簡(jiǎn)要分析這些特性可借鑒的意義，以期為其他在運(yùn)行或建設(shè)機(jī)組提供參考。
全球首臺(tái)AP1000核電站
1 先進(jìn)三代核電機(jī)組反應(yīng)堆達(dá)臨界概述
1.1 首次達(dá)臨界
核電機(jī)組反應(yīng)堆達(dá)臨界操作并不追求確切的理論臨界點(diǎn)，而是以實(shí)現(xiàn)工程達(dá)臨界為目的。基于這一目的，核電機(jī)組反應(yīng)堆在達(dá)臨界，特別是臨界判斷方面有一些特殊的要求。依據(jù)機(jī)組調(diào)試規(guī)范要求，反應(yīng)堆首次達(dá)臨界時(shí)采用稀釋硼濃度達(dá)臨界的方式實(shí)現(xiàn)。
鑒于某型先進(jìn)三代核電機(jī)組反應(yīng)性控制特點(diǎn)[1]，該型反應(yīng)堆設(shè)計(jì)有 69 組控制棒，分成 3 類控制棒組，分別為停堆棒組(SD1~SD4)、控制棒組(M2、M1、MA~MD)以及軸向偏移控制棒(AO 棒)。控制棒組中 MA~MD 為灰棒，使用24 根鎢棒作為吸收體材料，反應(yīng)性價(jià)值遠(yuǎn)小于其他控制棒組。由于其棒微分和積分價(jià)值較小，因此，一般不作為試驗(yàn)時(shí)的先導(dǎo)棒組。
1.1.1 首次達(dá)臨界的流程首次達(dá)臨界的流程為：①提出 4 組 SD 棒;②稀釋反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)(RCS)硼濃度至預(yù)計(jì)臨界硼濃度+150 mg/L;③全提 AO 棒，再全提 M2\M1\MA~MD 棒組，達(dá)到控制棒全提(ARO)狀態(tài);④通過稀釋硼濃度直到反應(yīng)堆出現(xiàn)臨界特征后，停止稀釋;⑤宣布反應(yīng)堆臨界;⑥通過 AO 棒控制中子注量率達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定的工程達(dá)臨界點(diǎn)[約為 0.001%額定熱功率(RTP)水平];⑦實(shí)施低功率物理試驗(yàn)內(nèi)容。
1.1.2 判斷臨界特征 判斷臨界特征主要包括：
①反應(yīng)堆中間量程探測(cè)器顯示有約 0.2 dpm(1dpm 表示每分鐘發(fā)生 1 次衰變)的穩(wěn)定正啟動(dòng)率;②反應(yīng)性儀有穩(wěn)定指示約 35 pcm ( 1 pcm=10-5)的正反應(yīng)性;③源量程計(jì)數(shù)率出現(xiàn)明顯的指數(shù)增長(zhǎng)。
1.2 再啟動(dòng)達(dá)臨界
機(jī)組壽期運(yùn)行過程中反應(yīng)堆再啟動(dòng)達(dá)臨界與首次達(dá)臨界略有不同，可以采用提棒達(dá)臨界的方式進(jìn)行達(dá)臨界操作。
根據(jù)運(yùn)行規(guī)程，反應(yīng)堆再啟動(dòng)達(dá)臨界操作流程為：①提出 SD 棒組;②預(yù)稀釋 RCS 至預(yù)期臨界硼濃度;③提出 AO 棒至預(yù)期臨界棒位;④提出 M2 棒組至全提;⑤疊步提出 M 棒組，直至反應(yīng)堆出現(xiàn)臨界特征;⑥繼續(xù)提升控制棒，提升反應(yīng)堆功率至指定低功率平臺(tái)。
1.3 臨界操作特點(diǎn)
基于核電機(jī)組不尋求絕對(duì)臨界點(diǎn)的特點(diǎn)，其反應(yīng)堆達(dá)臨界操作也相對(duì)更為簡(jiǎn)潔。硼濃度稀釋達(dá)臨界時(shí)，通過小流量稀釋(約 6 m3/h 速率)硼濃度的方式不斷地緩慢地向反應(yīng)堆添加正反應(yīng)性，直至反應(yīng)堆堆芯出現(xiàn)正的啟動(dòng)率，停止稀釋硼濃度操作。隨后，利用當(dāng)前正的啟動(dòng)率(周期) 使反應(yīng)堆中子注量率不斷上升，達(dá)到一定的程度后確保堆外核測(cè)量系統(tǒng)更為精確地指示。
在反應(yīng)堆再啟動(dòng)達(dá)臨界過程中，由于先前機(jī)組運(yùn)行數(shù)據(jù)的積累，以及堆芯在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)堆芯反應(yīng)性的有效計(jì)算，能夠得到較為精確的控制棒臨界棒位。在提棒達(dá)臨界階段，以逐步小量提出控制棒的方式，使反應(yīng)堆不斷逼近微超臨界，并在達(dá)到這一狀態(tài)且核實(shí)安全無誤后，即可向目標(biāo)功率提升反應(yīng)堆功率。這一臨界方式能夠高效地實(shí)現(xiàn)反應(yīng)堆臨界運(yùn)行。
2 首次達(dá)臨界及再啟動(dòng)達(dá)臨界數(shù)據(jù)及分析
2.1 首次達(dá)臨界數(shù)據(jù)及分析
先進(jìn)三代核電機(jī)組反應(yīng)堆設(shè)計(jì)有 4 列堆外核測(cè)量系統(tǒng)，其中包括源量程(SR)測(cè)量系統(tǒng)，分別布置在堆芯內(nèi)的 0°、90°、180°、270°方向上。因此，相較于其他國(guó)內(nèi)在役核電廠的核電機(jī)組， 該機(jī)組有額外的 2 個(gè) SR 探測(cè)器可用于反應(yīng)堆臨界啟動(dòng)中子注量率計(jì)數(shù)監(jiān)督。
反應(yīng)堆在啟動(dòng)之前 SR 探測(cè)器計(jì)數(shù)率相對(duì)較低，在試驗(yàn)開始之前，接近初級(jí)中子源的 2 個(gè) SR 探測(cè)器(SRA/B)的有效計(jì)數(shù)率約為 2~3 s-1，而遠(yuǎn)離初級(jí)中子源的 2 個(gè) SR 探測(cè)器(SRC/D)有效計(jì)數(shù)率接近于 0。在臨界試驗(yàn)過程中，通過對(duì) 4 個(gè) SR 探測(cè)器計(jì)數(shù)率的監(jiān)督，可以觀測(cè)到反應(yīng)堆首次達(dá)臨界的有關(guān)特性。
以下以反應(yīng)堆首次達(dá)臨界實(shí)際過程為例，對(duì)臨界數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。
由圖 1 可知，在 4 組 SD 棒提出期間，SRA/B 計(jì)數(shù)率變化極小，略微有上升趨勢(shì)。SRC/D 計(jì)數(shù)率基本保持不變(C 探測(cè)器本底較高)。因此，在較深的次臨界以及中子注量率極低的情況下， SR 探測(cè)器計(jì)數(shù)率基本保持不變。
在完成 SD 棒提出之后，反應(yīng)堆開始向超出預(yù)期臨界硼濃度(150 mg/L)的目標(biāo)稀釋，圖 2 為整個(gè)硼濃度稀釋期間 SR 探測(cè)器計(jì)數(shù)率的變化情況。由圖 2 可知，在稀釋期間，SRA/B 計(jì)數(shù)率開始增加，而 SRC/D 計(jì)數(shù)率依然保持不變。
在完成首次稀釋之后，逐步提出控制棒組至ARO 狀態(tài)。圖 3 是提出 AO 及所有控制棒期間的SR 探測(cè)器計(jì)數(shù)率趨勢(shì)圖。由圖 3 可知，在整個(gè)提棒期間，SRA/B 計(jì)數(shù)率繼續(xù)微弱增長(zhǎng)，而 SRC/D 計(jì)數(shù)率依然保持在原值附近波動(dòng)。
圖 4 是稀釋達(dá)臨界期間 SR 探測(cè)器計(jì)數(shù)率趨勢(shì)圖，其中橫坐標(biāo)單位采用了壓縮方法，在 100 min 之前為每 10 min 數(shù)據(jù)間隔，100 min 之后為每 1 min 的數(shù)據(jù)間隔。試驗(yàn)時(shí)，前半程稀釋速率約為 15 m3/h，后半程稀釋速率約為 5 m3/h。由圖4 可知，在稀釋過程中，SRA/B 計(jì)數(shù)率前期緩慢增加，在稀釋至約 136 min 時(shí)，SRA/B 計(jì)數(shù)率出現(xiàn)明顯變化，其增長(zhǎng)速率開始增加。根據(jù)硼濃度推算，此時(shí)離設(shè)計(jì) ARO 臨界狀態(tài)的次臨界深度
(即遠(yuǎn)離臨界的程度，通常用硼濃度來表征)約為-230 mg/L，離堆芯實(shí)際次臨界深度約為-300mg/L。隨后，在慢速稀釋條件下，SRA/B 計(jì)數(shù)率出現(xiàn)明顯指數(shù)增長(zhǎng)，現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)到反應(yīng)性儀出現(xiàn)正的反應(yīng)性指示，在滿足臨界判斷條件的情況下， 于 147 min 時(shí)終止稀釋，反應(yīng)堆臨界。反應(yīng)堆臨界時(shí)刻的 SR 探測(cè)器計(jì)數(shù)率僅約 200 s-1，中子注量率很低。
由圖 4 還可見，SRD 在稀釋約 20 min 時(shí)，探測(cè)器計(jì)數(shù)率開始明顯增長(zhǎng)，根據(jù)硼濃度推算，此時(shí)的次臨界深度約為 1000 mg/L。隨后，隨著硼濃度的不斷降低，SRD 計(jì)數(shù)率繼續(xù)增高，在稀釋約 135 min 時(shí)，SRC/D 的計(jì)數(shù)率完成對(duì) SRA/B 的追趕，此時(shí)及隨后 4 個(gè)探測(cè)器的計(jì)數(shù)率基本相當(dāng);這一轉(zhuǎn)折點(diǎn)的次臨界深度約為-300 mg/L。
停止稀釋之后，由于正反應(yīng)性存在，反應(yīng)堆中子注量率不斷增長(zhǎng)，直至增長(zhǎng)到達(dá) SR 探測(cè)器需要被閉鎖，此時(shí)，中間量程 IR 探測(cè)器已經(jīng)有明顯可靠的指示，隨后，通過下插 AO 棒，控制 IR 探測(cè)器中子注量率水平在試驗(yàn)要求的范圍內(nèi)。圖5 是停止稀釋至閉鎖 SR 探測(cè)器期間的SR 探測(cè)器計(jì)數(shù)率趨勢(shì)圖。由圖 5 可知，在宣布反應(yīng)堆臨界后，反應(yīng)堆有效可控地以恒定速率提升中子注量率水平。
在其他機(jī)組的首次達(dá)臨界過程中，觀察到了以上同樣的現(xiàn)象，同樣出現(xiàn)了低中子注量率臨界、4 個(gè) SR 計(jì)數(shù)率趨勢(shì)變化相同的情況。
2.2 再啟動(dòng)達(dá)臨界數(shù)據(jù)及分析
反應(yīng)堆再啟動(dòng)達(dá)臨界可以選擇提棒達(dá)臨界方式。本文以該核電機(jī)組在運(yùn)行 30 MW·d/t(U)之后的再啟動(dòng)達(dá)臨界為例，對(duì)機(jī)組運(yùn)行一定時(shí)間， 堆芯組件經(jīng)過一定時(shí)間輻照之后再次臨界的特性進(jìn)行分析。
圖 6 是經(jīng)過一段時(shí)間運(yùn)行后，反應(yīng)堆再啟動(dòng)臨界提棒達(dá)臨界過程數(shù)據(jù)趨勢(shì)圖。再啟動(dòng)達(dá)臨界使用提棒達(dá)臨界的方式，在提出控制棒之前，首先將反應(yīng)堆硼濃度預(yù)先稀釋至預(yù)計(jì)臨界硼濃度; 隨后，再不斷提出 AO 和 M 棒組使反應(yīng)堆向微超臨界逼近。接近臨界時(shí)，控制棒的提出要相對(duì)謹(jǐn)慎，以小步數(shù)提出控制棒，直至反應(yīng)堆出現(xiàn)不超過 0.5 dpm 的正啟動(dòng)率，或反應(yīng)堆 SR 探測(cè)器計(jì)數(shù)率出現(xiàn)明顯的指數(shù)增長(zhǎng)。出現(xiàn)這一情況后，達(dá)到臨界即可繼續(xù)提出控制棒，提升中子注量率至預(yù)先設(shè)定的范圍內(nèi)。之前的稀釋過程中，因較深的次臨界度關(guān)系，SR 探測(cè)器計(jì)數(shù)率并沒有大的變化。圖 6 中的數(shù)據(jù)均是完成稀釋后，控制棒提出過程中的 SR 探測(cè)器的中子計(jì)數(shù)率數(shù)據(jù)。
對(duì)圖 6 進(jìn)行分析，在提出 AO 和 M2 過程中， SR 探測(cè)器計(jì)數(shù)率變化不大;在隨后的 M1 棒組以及其后的 MD 棒組提出過程中，SR 探測(cè)器計(jì)數(shù)率增長(zhǎng)趨勢(shì)明顯增加。根據(jù)核實(shí)報(bào)告數(shù)據(jù)推算，此時(shí) M1 棒組提出后堆芯次臨界度約為-300 mg/L。提出控制棒至達(dá)到微超臨界之后，反應(yīng)堆以穩(wěn)定的指數(shù)增長(zhǎng)趨勢(shì)安全提升中子注量率。
另外，可以在提棒達(dá)臨界過程中觀察到遠(yuǎn)離SR 的 SRC/D 計(jì)數(shù)率追趕 SRA/B 計(jì)數(shù)率的趨勢(shì)。在提出 M1 棒組之后， SRC/D 計(jì)數(shù)率基本與SRA/B 保持一致。
以上現(xiàn)象在機(jī)組燃耗約為 635 MW·d/t(U)之后的再啟動(dòng)臨界過程中依然能夠觀察到。
2.3 達(dá)臨界數(shù)據(jù)分析結(jié)論
根據(jù)以上分析可知，機(jī)組反應(yīng)堆達(dá)臨界過程有如下特性：
(1)在次臨界深度較深時(shí)，SR 探測(cè)器計(jì)數(shù)率的變化不明顯。
(2)在次臨界深度較深時(shí)，遠(yuǎn)離初級(jí)中子源的 2 個(gè) SR 探測(cè)器的計(jì)數(shù)率明顯低于靠近初級(jí)中子源的 2 個(gè)探測(cè)器，而當(dāng) 4 個(gè)探測(cè)器數(shù)據(jù)基本相當(dāng)時(shí)，反應(yīng)堆已逼近臨界。
(3)反應(yīng)堆達(dá)臨界時(shí)的中子注量率水平比較低，特別是首次達(dá)臨界時(shí)，約為 200～300 s-1;再啟動(dòng)達(dá)臨界點(diǎn)的 SR 探測(cè)器計(jì)數(shù)率也僅在 800～ 1000 s-1 左右。
(4)出現(xiàn)臨界特征之后，繼續(xù)提升中子注量率至合理的工程臨界點(diǎn)，而后再記錄堆芯臨界棒位和硼濃度，這一臨界方式能高效可控地實(shí)現(xiàn)反應(yīng)堆臨界。
針對(duì)以上特性可以發(fā)現(xiàn)：無論是硼濃度稀釋達(dá)臨界還是提棒達(dá)臨界方式，反應(yīng)堆都能從極低的中子注量率下安全地實(shí)現(xiàn)臨界，這與機(jī)組特殊的臨界判斷和實(shí)現(xiàn)方式有一定關(guān)系。反應(yīng)堆并不刻意追求臨界點(diǎn)，而是以控制臨界時(shí)刻的正啟動(dòng)率(周期)范圍為目的，這使得反應(yīng)堆能夠更為靈活地控制反應(yīng)堆中子注量率，從而高效實(shí)現(xiàn)工程臨界。
另外，利用 4 個(gè) SR 探測(cè)器的數(shù)據(jù)之間的偏差能夠有效地輔助對(duì)反應(yīng)堆臨界狀態(tài)的分析和判斷，為傳統(tǒng)的以倒計(jì)數(shù)率監(jiān)督為手段的臨界監(jiān)督方式提供了額外的監(jiān)督手段。
3 結(jié) 論
本文主要介紹了先進(jìn)三代核電機(jī)組反應(yīng)堆首次達(dá)臨界的試驗(yàn)方法和再啟動(dòng)達(dá)臨界的操作方法，同時(shí)簡(jiǎn)要闡述了該型機(jī)組堆外核測(cè)量系統(tǒng) SR 探測(cè)器相關(guān)設(shè)計(jì)特性，并以已運(yùn)行機(jī)組首次達(dá)臨界和再啟動(dòng)達(dá)臨界實(shí)際經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)其達(dá)臨界的特性進(jìn)行了分析，得出以下結(jié)論：
(1)該機(jī)組反應(yīng)堆在低中子注量率情況下實(shí)現(xiàn)了臨界。該低中子注量率臨界的實(shí)踐可以作為其他諸如無源啟動(dòng)等低中子注量率反應(yīng)堆臨界情況的參考。
(2)機(jī)組采用 4 套 SR 探測(cè)器進(jìn)行臨界監(jiān)督， 靠近初級(jí)中子源的 2 套探測(cè)器和遠(yuǎn)離初級(jí)中子源的 2 套探測(cè)器之間的偏差變化，在一定程度上表征了低中子注量率臨界情況下臨界逼近狀況的變化，可以作為臨界監(jiān)督的輔助手段。
（作者：山東核電有限公司 魏文斌，邢超）
