320MW壓水反應(yīng)堆無(wú)外加中子源啟動(dòng)分析

張衛(wèi)前，方 旭

中核核電運(yùn)行管理有限公司，浙江海鹽 314300

1 次級(jí)中子源的作用

中子源組件分為初級(jí)中子源和次級(jí)中子源兩種。中子源組件的主要作用是在反應(yīng)堆初次啟動(dòng)或停堆后重新啟動(dòng)時(shí)將反應(yīng)堆達(dá)到臨界前的中子通量提高到足夠的起始水平，使源量程核測(cè)儀器能有比較好的統(tǒng)計(jì)特性測(cè)出此中子水平，使反應(yīng)堆啟動(dòng)時(shí)的中子通量增長(zhǎng)的全過(guò)程置于核儀表的監(jiān)督之下，保證反應(yīng)堆安全啟動(dòng)。初級(jí)中子源組件用于反應(yīng)堆首循環(huán)啟動(dòng)，而次級(jí)中子源組件則用于后續(xù)循環(huán)的啟動(dòng)。所以壓水堆核電廠的換料堆芯通常使用次級(jí)中子源，次級(jí)源棒含有一種穩(wěn)定材料（Sb-Be），它在反應(yīng)堆運(yùn)行時(shí)因受中子轟擊被活化。在低中子通量期間，諸如堆芯換料和反應(yīng)堆隨后啟動(dòng)時(shí)，它就成為中子源了。啟動(dòng)中子源在反應(yīng)堆物理啟動(dòng)過(guò)程中還將預(yù)測(cè)達(dá)到臨界的條件，例如對(duì)某種給定的棒位，預(yù)測(cè)達(dá)到臨界時(shí)的硼濃度。

隨著技術(shù)發(fā)展，國(guó)外許多核電站已取消了二次中子源，僅依靠堆內(nèi)已輻照燃料組件自發(fā)產(chǎn)生的中子為堆外核測(cè)系統(tǒng)提供必要的中子計(jì)數(shù)率監(jiān)測(cè)；一廠320MW機(jī)組核電機(jī)組的第十一燃料循環(huán)在無(wú)二次中子源的情況下成功實(shí)施堆芯裝料和反應(yīng)堆啟動(dòng)。

2 一廠320MW機(jī)組中子源介紹

對(duì)于壓水堆核電廠，在反應(yīng)堆裝料和啟動(dòng)過(guò)程中通常采用源量程探測(cè)器進(jìn)行堆芯臨界安全監(jiān)督。核安全導(dǎo)則HAD103/02 3.3.3.3對(duì)反應(yīng)堆裝料、初始臨界過(guò)程的堆芯安全監(jiān)督有明確的要求，即反應(yīng)堆“在逼近臨界之前，必須校準(zhǔn)用于反應(yīng)堆啟動(dòng)的中子監(jiān)測(cè)儀器，并必須得到所要求的最小中子計(jì)數(shù)率，若有需要，可使用堆芯中子源”。一般來(lái)講，源量程探測(cè)器的靈敏度相對(duì)來(lái)說(shuō)比較低（一廠320MW機(jī)組源量程靈敏度為8 （n/ s ）×cm2 ），對(duì)于首次裝料的堆芯次臨界度較深，尤其是堆芯裝料期間（反應(yīng)堆冷停堆工況）次臨界度非常深，堆芯在沒(méi)有外加中子源的情況下，堆芯中子水平小于源量程的探測(cè)下限，這對(duì)于核電廠的臨界安全監(jiān)督來(lái)說(shuō)存在一定的盲區(qū)。因此核電站通常采用的做法是在堆芯裝入中子源以提高堆芯初始穩(wěn)定的中子水平，使源量程處于正常監(jiān)測(cè)范圍。

一廠320MW機(jī)組首循環(huán)堆芯裝載采用初級(jí)中子源釙-鈹源（Po-Be）和次級(jí)中子源銻-鈹源（Sb-Be）。第一次換料后，初級(jí)中子源從反應(yīng)堆中取出，只留下次級(jí)中子源。在前九次換料后的反應(yīng)堆啟動(dòng)采用的次級(jí)中子源銻-鈹源（Sb-Be），其工作原理是：124Sb是由天然銻（57.2%121Sb，42.8%123Sb）經(jīng)中子照射后產(chǎn)生，核反應(yīng)式為123Sb（n，γ）124Sb。123Sb的熱中子俘獲截面為60.9×10-23m2，124Sb在衰變的過(guò)程中放射伽馬射線轟擊Be原子核產(chǎn)生中子。124Sb的半衰期為60.9天。因?yàn)?24Sb的半衰期較短，為了維持中子源強(qiáng)度，必須對(duì)之進(jìn)行重復(fù)照射，才能滿足換料后反應(yīng)堆啟動(dòng)過(guò)程中的臨界安全監(jiān)督源量程計(jì)數(shù)要求。

3 一廠320MW機(jī)組源量程儀表

一廠320MW機(jī)組的源量程儀表由兩個(gè)獨(dú)立的通道組成，無(wú)論從實(shí)體上還是功能上，兩個(gè)通道完全相同。源量程中子通量水平的指示范圍為100至106cps（計(jì)數(shù)/秒），源區(qū)段啟動(dòng)速率的指示范圍為-80s→∞→+20s（e倍周期）。

每個(gè)源量程通道把來(lái)自含硼計(jì)數(shù)管探測(cè)器的中子脈沖放大到可使用的水平，相關(guān)運(yùn)行規(guī)程《核電廠啟動(dòng)—從冷停堆至100%額定功率》中要求反應(yīng)堆在啟動(dòng)前確認(rèn)至少有一個(gè)源量程通道的指示值大于0.5CPS，即至少源量程儀表指示為1CPS。

4 無(wú)次級(jí)中子源啟動(dòng)

4.1 背景及風(fēng)險(xiǎn)

中核核電運(yùn)行管理有限公司一廠320MW機(jī)組在第十燃料循環(huán)卸料后，對(duì)兩組次級(jí)中子源（銻-鈹源）檢查后發(fā)現(xiàn)存在破損現(xiàn)象，致使次級(jí)中子源在第十一燃料循環(huán)無(wú)法回堆進(jìn)行使用。

反應(yīng)堆的啟動(dòng)是一種特別的動(dòng)態(tài)過(guò)程。當(dāng)反應(yīng)堆的反應(yīng)性大到一定程度時(shí)，堆功率會(huì)以很快的速率上升，在某種條件下，甚至達(dá)到不可控制的程度。因此，監(jiān)測(cè)和控制反應(yīng)性的增長(zhǎng)是反應(yīng)堆啟動(dòng)過(guò)程中最為重要的環(huán)節(jié)。而反應(yīng)堆無(wú)次級(jí)中子源啟動(dòng)過(guò)程有一個(gè)超越臨界點(diǎn)的很大盲區(qū)，在此過(guò)程中，由于堆芯中子通量不能得到有效監(jiān)督，引入不安全因素。沒(méi)有人能排除由于人員的誤操作，設(shè)備和儀表的故障，或預(yù)測(cè)情況不準(zhǔn)確等原因引起的短周期事故的可能性。而且短周期事故一旦發(fā)生，也因?yàn)闆](méi)有檢測(cè)，沒(méi)有有效的手段防止事故的發(fā)展。

4.2 核安全法規(guī)規(guī)定

在國(guó)家核安全局頒布的安全法規(guī)和導(dǎo)則中，我們沒(méi)有發(fā)現(xiàn)在反應(yīng)堆啟動(dòng)中必須采用中子源的硬性規(guī)定。但在HAF（核安全法規(guī)）文件中，不乏看到有關(guān)中子源的條文。例如：HAF0303的3.4.17條：反應(yīng)堆堆芯中子通量監(jiān)測(cè)：“應(yīng)對(duì)為對(duì)反應(yīng)堆包括啟動(dòng)和停堆工況在內(nèi)的所有功率水平進(jìn)行充分監(jiān)測(cè)的儀表要求做出規(guī)定。這些可能包括，關(guān)于為提供必要的最小功率水平而采用的中子源和關(guān)于中子探測(cè)器靈敏度的規(guī)定?！憋@然，不采用中子源，就不能對(duì)整個(gè)啟動(dòng)過(guò)程的功率水平進(jìn)行充分的監(jiān)測(cè)。

4.3 可借鑒的經(jīng)驗(yàn)

1）國(guó)際上經(jīng)驗(yàn)

在WWER俄式壓水堆和CANDU重水堆上，很多機(jī)組均不設(shè)置外加中子源。對(duì)于不采用外加中子源的情況，核電廠在裝料與啟動(dòng)過(guò)程中會(huì)形成的啟動(dòng)盲區(qū)，如果在裝料與啟動(dòng)過(guò)程中采用高效的中子探測(cè)器，通過(guò)必要的安全分析，加強(qiáng)技術(shù)和行政管理措施，同樣可以把反應(yīng)堆安全的啟動(dòng)起來(lái)。

2）國(guó)內(nèi)經(jīng)驗(yàn)

秦山核電廠在1998年第四次換料大修時(shí)，由于吊蘭改造，停堆換料時(shí)間長(zhǎng)達(dá)417天，由于次級(jí)中子源銻-鈹源（Sb-Be）的半衰期為60.9天，接近7個(gè)半衰期，所以在裝料時(shí)的次級(jí)中子源強(qiáng)度僅為原來(lái)的1%左右，對(duì)反應(yīng)堆裝料及啟動(dòng)帶來(lái)一定的影響。后電廠采用增加兩套高效臨時(shí)中子計(jì)數(shù)裝置在裝料期間對(duì)堆芯安全進(jìn)行監(jiān)督，實(shí)際上在裝料過(guò)程中雖然兩套高效臨時(shí)中子計(jì)數(shù)裝置替代了兩套源量程作為臨界安全監(jiān)測(cè)手段，但堆芯在完成裝料后兩套源量程計(jì)數(shù)已經(jīng)有一定的計(jì)數(shù)響應(yīng)，并在反應(yīng)堆達(dá)到熱停堆工況時(shí)中子計(jì)數(shù)率分別達(dá)到1.141和1.628，滿足HAD103/02 3.3.3.3最小中子計(jì)數(shù)率的要求。在其后的反應(yīng)堆啟動(dòng)過(guò)程中，臨時(shí)中子計(jì)數(shù)裝置撤出，是依靠源量程探測(cè)器安全順利地將反應(yīng)堆引入臨界狀態(tài)。這種采用高效中子探測(cè)器的方法在工程上比較容易實(shí)現(xiàn)，能夠滿足法規(guī)對(duì)堆芯中子通量監(jiān)測(cè)的最小值要求，但是這種做法要求反應(yīng)堆有備用的堆外探測(cè)器安裝孔道和電纜貫穿件孔道。表1為第五燃料循環(huán)反應(yīng)堆裝料和臨界試驗(yàn)前源量程的響應(yīng)。

由于第五燃料循環(huán)與后續(xù)燃料循環(huán)的裝料模式?jīng)]有本質(zhì)性的差別都采用了部分低泄漏的布料方案，唯有不同的是第五燃料循環(huán)的次級(jí)中子源的強(qiáng)度衰減成只有原強(qiáng)度的1%左右，可以這樣認(rèn)為第五燃料循環(huán)基本上是無(wú)外加中子源的啟動(dòng)，源量程計(jì)數(shù)主要來(lái)源于輻照后燃料組件的貢獻(xiàn)，。

表1 第五燃料循環(huán)反應(yīng)堆裝料和臨界試驗(yàn)前源量程的響應(yīng)

4.4 第十一燃料循環(huán)無(wú)外加中子源采取的措施

由于兩組次級(jí)中子源（銻-鈹源）的破損致使次級(jí)中子源在第十一燃料循環(huán)無(wú)法回堆進(jìn)行使用，一廠320MW機(jī)組在取消次級(jí)中子源進(jìn)行換料后反應(yīng)堆啟動(dòng)中，為保證整個(gè)過(guò)程中堆芯的安全，采取了多種措施。

細(xì)致的安全分析：對(duì)在反應(yīng)堆無(wú)源狀況下的堆芯裝料和反應(yīng)堆啟動(dòng)過(guò)程中可能發(fā)生的各種預(yù)計(jì)事件和設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故，進(jìn)行了細(xì)致的安全分析并采取了相應(yīng)的對(duì)策。包括可能發(fā)生的換料期間的硼誤稀釋事故，啟動(dòng)過(guò)程中的過(guò)稀釋，反應(yīng)堆臨界和低功率下控制棒組的失控提升都進(jìn)行了評(píng)價(jià)，結(jié)果表明，這些事故的后果可通過(guò)技術(shù)的、行政的手段來(lái)避免。

反應(yīng)堆裝料控制及加強(qiáng)監(jiān)督：在反應(yīng)堆裝料過(guò)程中，取消原來(lái)的裝料程序中先裝入帶中子源組件的步驟，事實(shí)證明即使沒(méi)有外加中資源，源流程探測(cè)器也會(huì)有一定響應(yīng)。同時(shí)在裝料過(guò)程中提高了硼濃度取樣的分析頻度，在每一組燃料裝入后，增加了在線硼濃度計(jì)、堆芯溫度、換料水池水位的監(jiān)督要求，結(jié)合各種監(jiān)督結(jié)果，輔以源量程探測(cè)器數(shù)據(jù)，確保了整個(gè)裝料過(guò)程是安全可控的。

周密的運(yùn)行操作控制及應(yīng)急預(yù)案：為確保安全，運(yùn)行一處編寫(xiě)了《冷停到熱停期間的反應(yīng)性管理（無(wú)外加中子源）》臨時(shí)運(yùn)行規(guī)程，將采取下列措施與手段控制堆芯臨界的安全風(fēng)險(xiǎn)，并說(shuō)明了出現(xiàn)異常時(shí)的處理方法。

4.4.1 關(guān)注重點(diǎn)

1）主控室增設(shè)兩套臨時(shí)堆芯源量程計(jì)數(shù)檢測(cè)裝置，并確保計(jì)數(shù)檢測(cè)裝置已經(jīng)檢驗(yàn)合格，可正常工作；

2）停堆工況下，主控室定時(shí)抄表，認(rèn)真監(jiān)視源量程計(jì)數(shù)率、停冷系統(tǒng)壓力、流量和溫度、安全殼堆腔坑、污水坑水位等參數(shù)。一旦發(fā)現(xiàn)源量程計(jì)數(shù)率異常上升，應(yīng)立即停止其它引入正反應(yīng)性的操作，查明原因；

3）反應(yīng)堆的中子通量在源量程范圍內(nèi)時(shí)，不能同時(shí)使用兩種以上的方法（升溫、提棒、稀釋）來(lái)改變反應(yīng)性；

4）為防止意外硼稀釋事件，在上充運(yùn)行的運(yùn)行環(huán)路必須運(yùn)行，否則及時(shí)切換上充管線運(yùn)行環(huán)路；

5）在啟動(dòng)不工作環(huán)路的主泵前30分鐘以內(nèi)，必須查定不工作環(huán)路中的硼濃度大于或等于工作環(huán)路中的濃度;啟動(dòng)不工作環(huán)路的主泵前30分鐘以內(nèi)，必須查定反應(yīng)堆次臨界度至少為1%△K／K ；

6）當(dāng)兩臺(tái)主泵停止運(yùn)轉(zhuǎn)后，而反應(yīng)堆冷卻劑又被停冷系統(tǒng)所冷卻，這樣在反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)中就會(huì)形成溫度分布的不均勻。同樣，在穩(wěn)壓器形成汽腔前，如溫差較大，不能啟動(dòng)主泵；

7）在啟動(dòng)不工作環(huán)路的主泵前30分鐘以內(nèi)，必須查定不工作環(huán)路冷段溫度不低于工作環(huán)路冷段溫度11℃。在啟動(dòng)不工作環(huán)路的主泵前30分鐘以內(nèi)，必須查定反應(yīng)堆次臨界度至少為1%△K/K。

4.4.2 監(jiān)視

1）對(duì)源量程通道功能進(jìn)行檢查，冷停到熱停過(guò)程中每24小時(shí)進(jìn)行一次檢查。以保證至少有兩個(gè)源量程中子通量測(cè)量通道在工作，且每個(gè)探測(cè)器有連續(xù)可見(jiàn)的指示信號(hào)及音響信號(hào)；

2）確認(rèn)R18硼濃度計(jì)標(biāo)定工作已結(jié)束，儀表投入使用；

3）至少每2小時(shí)一次，由下列參數(shù)確定停堆深度：

（1）反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)硼濃度；

（2）控制棒位置；

（3）反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)平均溫度。

4）至少每天驗(yàn)證一次從硼酸箱流道的溫度是≥18℃，并驗(yàn)證一次流道中每只閥門(mén)（手動(dòng)的、動(dòng)力操作的或自動(dòng)的）都各自處在它們正確的位置上；

5）至少每3天一次證實(shí)上面要求的硼酸駁運(yùn)泵是可運(yùn)行的：

（1）由控制室進(jìn)行泵的啟動(dòng)（除非泵已經(jīng)處于運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)）；

（2）校驗(yàn)在小流量再循環(huán)流動(dòng)情況下，泵出口壓力可達(dá)～O.78MPa；

（3）使泵至少運(yùn)轉(zhuǎn)15分鐘以檢驗(yàn)運(yùn)行情況。

6）至少每24小時(shí)一次取樣分析主系統(tǒng)，換料水箱，硼酸儲(chǔ)存箱的硼濃度，并報(bào)告主控室值長(zhǎng)。

4.4.3 異常處理

1）中間量程啟動(dòng)率大于零或源量程啟動(dòng)率大于零，手動(dòng)安注進(jìn)入EOP 直至F.R-S2，但B入口條件不適用；

2）功率量程＞5%核功率，手動(dòng)安注進(jìn)入EOP 直至F.R-S1，但B入口條件不適用；

3）若核測(cè)系統(tǒng)故障則進(jìn)入QYG.04.07《核測(cè)系統(tǒng)故障》。

4.5 裝料過(guò)程源量程顯示

由裝料期間源量程響應(yīng)趨勢(shì)圖可以看出，在初始裝料期間只有源量程儀表A通道SR-A有指示，源量程儀表B通道SR-B沒(méi)有指示。在裝料40步后由于電纜通道信號(hào)干擾，SRB計(jì)數(shù)異常，停止裝料，處理后繼續(xù)裝料。在裝料110步左右，SRB出現(xiàn)正常顯示約1.5CPS。

圖1 裝料過(guò)程中源量程計(jì)數(shù)

表2 裝料過(guò)程中源量程計(jì)數(shù)

由上述圖表中數(shù)據(jù)可知，在堆芯滿裝載后兩個(gè)源量程通道的計(jì)數(shù)均已經(jīng)滿足核安全導(dǎo)則HAD103/02 3.3.3.3最小中子計(jì)數(shù)率的要求，反應(yīng)堆無(wú)外加中子源的啟動(dòng)只要在過(guò)程中加強(qiáng)堆芯參數(shù)并按照《冷停到熱停期間的反應(yīng)性管理（無(wú)外加中子源）》及《第十一燃料循環(huán)首次臨界試驗(yàn)》進(jìn)行即可保證安全啟動(dòng)。

圖2 無(wú)外加中子源提棒達(dá)臨界過(guò)程中的外推圖

4.6 提棒臨界過(guò)程中的外推圖

由于堆芯滿裝載時(shí)兩個(gè)源量程計(jì)數(shù)已經(jīng)滿足最小計(jì)數(shù)要求，且反應(yīng)堆在升溫升壓至熱態(tài)零功率時(shí)，SR-A和SR-B計(jì)數(shù)率分別達(dá)到了4.4/4.8CPS。從外推臨界過(guò)程圖可以看出無(wú)次級(jí)中子源和有次級(jí)中子源的臨界過(guò)程并無(wú)太大的不同，反應(yīng)堆在全程可監(jiān)視的狀態(tài)下啟動(dòng)，安全、可靠。

5 結(jié)論

通過(guò)實(shí)踐證明，一廠320MW機(jī)組在取消用于堆芯裝料和啟動(dòng)的次級(jí)中子源后，針對(duì)中子通量水平低于源量程探測(cè)下限這一情況，可以通過(guò)采用高效中子探測(cè)器，通過(guò)細(xì)致的風(fēng)險(xiǎn)分析、加強(qiáng)其他安全參數(shù)檢測(cè)、嚴(yán)格控制反應(yīng)性引入量及其他行政手段，來(lái)彌補(bǔ)堆芯裝料過(guò)程中源量程探測(cè)器監(jiān)測(cè)盲區(qū)的問(wèn)題，在核電廠的裝料和啟動(dòng)過(guò)程中可以確保堆芯安全。此舉還可為減少放射性廢物產(chǎn)生，降低中子源破損引起的輻射劑量風(fēng)險(xiǎn)做出貢獻(xiàn)。