次臨界或低功率啟動工況下控制棒組失控抽出事故DNBR裕量分析

毛玉龍，程艷花，崔大偉，趙常有，陳 軍

(中科華核電技術研究院，廣東 深圳 518026)

次臨界或低功率啟動工況下控制棒組失控抽出事故定義為RCC-P Ⅱ類事故(中等頻率事故)?？刂瓢艚M件的抽出使得堆芯反應性失控增加，堆芯功率瞬時劇增，堆芯徑向和軸向功率峰值因子迅速增大，在熱停堆擴展狀態(tài)下導致堆芯可能發(fā)生DNB。

由于該事故瞬態(tài)工況的惡劣性，一直是傳統(tǒng)壓水堆核電廠安全分析的極限事故之一[1]。本文結合典型三環(huán)路壓水堆核電廠研發(fā)項目，分析熱停堆狀態(tài)下不同停堆棒組組合對DNBR裕量的影響，提出熱停堆狀態(tài)下停堆棒組布置的優(yōu)化建議。

1 分析方法

1.1 反應堆保護

控制棒組件失控抽出導致的堆芯功率劇增通過多普勒效應的負反饋作用限制。

反應堆保護通過功率量程高中子通量的低整定值提供。核功率峰值觸發(fā)的反應堆跳堆，用于確保燃料的完整性。在瞬態(tài)分析中，除功率量程高中子通量觸發(fā)停堆外，其他所有的反應堆保護都保守性地不予考慮。

1.2 計算方法

本事故采用三/一維中子學模型和熱工模型弱耦合的分析方法。三維SMART和一維ESPADON中子學程序用于計算中子學參數(shù)，包括抽出棒組價值、反應性引入速率、熱通道焓升因子FΔH。熱工水力瞬態(tài)CANTAL程序用于計算堆芯瞬態(tài)過程中反應性引入和一回路熱工水力特性參數(shù)。子通道熱工水力程序FLICA Ⅲ-F用于驗證DNBR的準則。

1.3 計算假設

計算假設：1) G1、G2、N1、N2、R(SA)控制棒組完全插入；2) 臨界堆芯；3) 初始功率為10-13FP；4) 冷卻劑流量為兩臺泵運行時的流量；5) 初始冷卻劑入口溫度為熱態(tài)零功率值加上最大穩(wěn)態(tài)控制和測量誤差；6) 初始穩(wěn)壓器壓力考慮熱停擴展狀態(tài)時的壓力。

該事故所研究的事件為堆芯初始狀態(tài)下所有可能抽出的兩組棒失控抽出。瞬態(tài)起始時兩組棒處于完全插入的位置，假設兩組棒以完全疊步的最大速度抽出。該假設會得到非常保守的反應性引入速率，遠高于實際零功率時的反應性引入速率。

2 初始停堆SA棒組狀態(tài)對DNBR裕量的影響

在事故進程中，假設兩組棒失控抽出，引起堆芯功率徑向分布不均勻，其不均勻性與初始堆芯控制棒組的狀態(tài)相關。

本文就堆芯處于熱停狀態(tài)時，對SA棒組的初始狀態(tài)位置進行敏感性分析?？紤]SA棒組初始分別位于堆芯內部(全部插入)和堆芯外部(全部抽出)兩種狀態(tài)下，事故瞬態(tài)過程對最小DNBR的影響。

2.1 SA棒組位置對堆芯徑向功率峰值的影響

在分析堆芯徑向功率分布時，考慮所有可能的兩組棒失控抽出，以得到包絡的堆芯徑向功率峰值因子。這部分中子學參數(shù)通過SCIENCE程序進行分析。

當SA棒組初始位于堆內時，形成堆芯最高徑向功率峰值的棒組組合為N1和SA。初始時刻與棒組失控抽出后的堆芯徑向功率分布示于圖1。由圖1a可知，由于初始狀態(tài)下抽出組合有3束棒圍繞堆芯中功率較高的組件(圖1a中虛線框)，其抽出后會在所在區(qū)域釋放出大量正反應性，導致附近組件的功率升得更高，熱組件功率份額可達2.340 8(圖1b中實線框)，增加約58%。

當SA棒組初始位于堆外時，形成堆芯最高徑向功率峰值的棒組組合為N1和G1。初始時刻與棒組失控抽出后的堆芯徑向功率分布示于圖2。由圖2a可知，初始時刻由于SA棒組抽出，堆芯中心區(qū)域的組件功率份額較高。由于抽出組合(N1和G1)時只有兩束N1棒距離堆芯熱組件區(qū)域位置較近(圖2a中虛線框)，因此，其抽出后對堆芯熱組件區(qū)域的功率影響相對較小，熱組件功率份額為2.174 4(圖2b中實線框)，增加約24%。

由此可看出，當SA棒組初始位于堆芯外部時，由于形成堆芯最高徑向功率峰值的抽出棒組距離堆芯熱組件的區(qū)域相對較遠，因此，其抽出后對堆芯徑向功率峰值的影響相對較弱，從而可帶來有利的熱工安全裕量。

2.2 SA棒組位置對堆芯功率和軸向功率分布的影響

控制棒組失控抽出后的堆芯功率和軸向功率分布，主要與抽出棒組和停堆棒組的價值相關。棒組價值的計算采用SCIENCE程序。

本文中，具有最大價值的棒組組合均來自R和N1。當SA棒組初始位于堆芯內部時，R和N1棒組抽出后引入的正反應性為3 126 pcm；而SA棒組初始位于堆芯外部時，R和N1棒組抽出后引入的正反應性為3 091 pcm。

a——堆芯初始狀態(tài)；b——N1和SA棒組抽出圖中方框代表燃料組件，顏色越深，代表組件的功率份額越大；方框中的數(shù)字和字符分別為燃料組件的功率份額、控制棒的類型和抽出棒位

a——堆芯初始狀態(tài)；b——N1和G1棒組抽出

當控制棒組失控抽出后堆芯核功率劇增，將觸發(fā)堆芯高中子通量低整定值(35%FP)跳堆。當SA棒組初始位于堆芯外部時，跳堆后將會引入更多的負反應性(表1)。對于次臨界或低功率啟動工況下控制棒組失控抽出事故，由于最小DNBR一般發(fā)生在停堆棒組開始下落后的0.1～0.3 s內，此時位于堆外的停堆棒組尚處于堆芯的上部區(qū)域，而此時功率峰值主要集中在堆芯底部，因而，不同的SA棒組位置下位于堆外的停堆棒組引入的反應性對堆芯底部徑向和軸向功率分布影響很小。

在這兩種情況下，由于抽出棒組的價值基本接近(相差約1%)且均以相同的最大速率抽出，因此，抽出棒組對堆芯功率和軸向功率分布的影響基本相同。SA棒組初始位于堆芯內部和外部時，通過熱工水力瞬態(tài)程序CANTAL計算可知，瞬態(tài)過程中最大的熱功率份額分別為0.292 5和0.291 1，各自對應的堆芯軸向功率分布示于圖3。

表1 停堆棒組反應性引入

圖3 堆芯軸向功率分布

2.3 SA棒組位置對DNBR裕量的影響

在分析事故最終的熱工安全裕量時，同時考慮最大徑向功率峰值因子和瞬態(tài)過程中最高的堆芯功率份額與對應的軸向功率分布，以包絡所有抽出棒組的分析工況。

綜合上述分析，考慮SA棒組初始位于堆芯內部和堆芯外部兩種狀態(tài)下，事故瞬態(tài)過程中主要的堆芯中子學參數(shù)和熱工參數(shù)結果列于表2。

表2 事故瞬態(tài)過程中主要的堆芯中子學參數(shù)和熱工參數(shù)

由表2可知，在SA棒組初始位于堆芯外部時，通過堆芯子通道熱工水力程序FLICA Ⅲ-F分析可知，由于棒組抽出后的堆芯徑向核焓升因子相對較低，從而可帶來約14%的DNBR安全裕量。

2.4 SA棒組位置對堆芯熱停狀態(tài)硼濃度的影響

當堆芯處于熱停堆狀態(tài)時，如果將SA棒組抽出到堆芯外部，彌補其抽出導致的堆芯正反應性的引入，需要向堆芯注硼。在保證堆芯相同的停堆深度下，由SCIENCE程序分析可知，SA棒組抽出后，堆芯的硼濃度需由1 396 ppm增加到1 486 ppm，增加90 ppm。

3 結論

典型三環(huán)路壓水堆核電廠的次臨界或低功率啟動工況下控制棒組失控抽出一直是Ⅱ類事故分析的卡關事故。本文重點分析了熱停堆狀態(tài)下不同停堆棒組組合對瞬態(tài)過程中堆芯關鍵中子學參數(shù)和熱工狀態(tài)參數(shù)的影響。通過增加堆芯硼濃度維持堆芯足夠停堆深度的前提下，將SA棒組初始提出到堆芯外部，從而可降低事故進程中的堆芯徑向功率峰值因子，獲得較為顯著的DNBR安全裕量。

參考文獻：

[1] 魯劍超. 次臨界或低功率啟動工況下控制棒組件失控抽出事故分析，CNIC-01775，SINRE-0113[R]. 北京：原子能出版社，2004.