壓水堆核電廠反應堆首次臨界試驗

朱元武

（中核核電運行管理有限公司，浙江 海鹽 314300）

壓水堆核電廠反應堆首次臨界試驗

朱元武

（中核核電運行管理有限公司，浙江 海鹽 314300）

反應堆啟動前，必須按照核安全法規(guī)HAF0304《核電廠調試程序》中規(guī)定的調試試驗項目，對電廠系統(tǒng)如反應性控制棒的功能、保護系統(tǒng)的功能和臨測裝置的功能等進行試驗和檢查，使其滿足核安全的要求。并按照物理試驗質量和安全計劃中的相關要求，完成啟動試驗前的準備工作。

1 啟動試驗目的和內容

反應堆啟動是指將反應堆從次臨界狀態(tài)啟動到臨界狀態(tài)，暨達到自持鏈式裂變反應的過程。堆芯首次臨界物理試驗的目的是在堆芯裝料完成后，引導反應堆首次安全地、順利地達到初始臨界；并在臨界后檢驗堆外探測器（源量程和中間量程通道）的重疊和線性關系、確定零功率物理試驗中子通量水平和校核反應性儀。

壓水堆核電站的首次臨界通常采用提棒、連續(xù)稀釋向臨界逼近，最后分段提棒向超臨界過渡三階段實現(xiàn)。

為使整個臨界過程中能夠隨時掌握反應堆的次臨界狀態(tài)，并預計臨界點，使臨界操作有據(jù)可依，在達臨界的過程中需要進行中子計數(shù)率的測量，并作出中子計數(shù)率的倒數(shù)外推曲線。

由中子動力學方程：

式中：

n──中子密度 n/cm3；

l──中子平均壽命，s；

Ci──第I組緩發(fā)中子的先驅核濃度，N/cm3；

S──外中子源強度，Bq；

λi──第i組緩發(fā)中子先驅核裂變碎片的衰變常數(shù)，1/s。

在反應堆達臨界過程中，若堆內存在外中子源，則處于次臨界狀態(tài)的反應堆也可形成穩(wěn)定的中子分布，即：

這樣，解(式 3)和(式 4)，得：

在（式5）中：1-keff表征反應堆的次臨界度。

可以看出，n 1/（1-keff），當 n →∞ 時，keff→1，反應堆便達臨界。

臨界過程中根據(jù)不同的操作過程和監(jiān)督參數(shù)有不同的外推方法。

1.1 中子計數(shù)率的倒數(shù)外推

可以采用中子倒計數(shù)率（1/M）對控制棒棒位、一回路硼濃度和稀釋水量進行外推。1/M的定義如下：

1/M=N0/Ni

式中，N0：基準計數(shù)率；

Ni：不同棒位、不同硼濃度、不同稀釋水量或不同時間下的計數(shù)率。

理想的1/M曲線是一條直線，但是實際上1/M曲線有可能是凹形的也可能是凸形的。盡管存在這兩種情況，但是最后外推臨界的結果都歸于一點。就外推而言，凹形走向較為安全。影響1/M曲線的因素有：

（1）中子源在堆芯的位置；

（2）中子源強度；

（3）中子探測器的位置。

1.2 相似三角形方法

在圖1中，當控制棒棒位位于h1時，中子計數(shù)率為N1，當控制棒棒位位于h2時，中子計數(shù)率為N2。在這兩個相似三角形中有：

x=a·N1/(N2-N1)

這樣可以求出預計的臨界棒位為：

hc=h2+a·N1/(N2-N1)

圖1 相似三角形方法

由此可以進行如下判斷：

（1）當N2＝2N1，即中子計數(shù)率翻一番時，x=a意味著控制棒再提 a步，反應堆即可達到臨界；

（2）當N2＝3N1，即中子計數(shù)率增長超過一倍時，x=a/2意味著控制棒再提a/2步(小于a步)，反應堆即可達到臨界；

（3）當 N2＝(3/2)N1，即中子計數(shù)率增長沒有超過一倍時，x=2a 意味著控制棒再提2a步(大于a步)，反應堆方可達到臨界。

2 零功率物理試驗范圍的確定

在功率量程通道的線性部分，輸出電流與功率由下式確定：

IPRC=K×W； W為功率水平

但由于此時反應堆功率水平很低（相當電流輸出為10-6A），功率量程通道的電流被本底噪聲所淹沒；

與此相反，中間量程通道靈敏度較高，小功率水平可以測得，它由下式確定：

IIRC=C×W； W為功率水平

因此，可以建立IPRC=F（IIRC）函數(shù)關系式，以確定CNP線性段；X－Y記錄儀分別與PRC和IRC相連接作出一條曲線。由此，確定出系統(tǒng)的本底噪聲水平Φ本底。

這是理論上比較理想的本底噪聲的一種確定方法。它可以在確定堆外核測系統(tǒng)線性和重疊的過程中一起完成。但是對于一個新堆，由于本底水平很低，在確定時還可以通過下述方法進行確定。

圖2 多普勒發(fā)熱點

圖3 多普勒發(fā)熱點中間量程指示

以中間量程通道的對數(shù)電流、平均溫度Tavg和反應性儀指示的反應性隨堆內中子通量變化的曲線為依據(jù)，在臨界狀態(tài)下，反應性儀設置在50pcm檔上，引入一個周期約為100秒左右的正反應性，中子通量水平將緩慢增加，注意觀測反應性信號和中子通量水平的變化。當觀測到反應性記錄儀上的信號指數(shù)下降和中子通量水平不按指數(shù)規(guī)律上升而改變斜率時，表明堆內開始產生核加熱效應，即觀察到多普勒核發(fā)熱點Φ多普勒（見圖2）。當多普勒核發(fā)熱點Φ多普勒測定結束后，就將此通量水平確定為零功率物理試驗的上限。從上限值下降1～2個數(shù)量級的中子通量水平，反應性儀的量程設置在50pcm檔上，觀察反應性儀的指示是否穩(wěn)定，若反應性儀的指示穩(wěn)定，則確認該中子通量水平為零功率物理試驗功率水平的下限。若反應性儀指示不穩(wěn)定，則需調整D棒組，提高中子通量水平（但不能超過上限值），直至反應性儀指示穩(wěn)定，并將該中子通量水平為零功率物理試驗功率水平的下限。這種下限的確定方法是系列堆芯或換料堆芯啟動物理試驗中，所采用的零功率物理試驗功率水平的確定方法。

對于原型堆的首次堆芯啟動物理試驗來說，零功率物理試驗的下限的確定方法如下，在上限確定后將反應性儀的量程設置在50pcm檔上；下插控制棒D棒組，引入一個周期約為80秒左右的負反應性。停止插棒后，反應堆功率會自動下降，此時注意觀察反應性儀，當反應性出現(xiàn)平衡穩(wěn)定時，系統(tǒng)的本底噪聲水平就測量到了。通常將零功率物理試驗范圍確定在如下的范圍內：

10×Φ（本底）＜零功率物理試驗范圍 ＜ Φ（多普勒）/10

這樣零功率物理試驗的功率水平范圍就確定了。應該指出，在反應堆向超臨界過渡時，尤其是堆芯首次啟動過程中，為了確保安全，中子通量水平至少要以一個不小于80s的穩(wěn)定倍增周期變化。

3 臨界過程應注意的問題

（1）試驗必須嚴格遵守運行技術規(guī)格書和物理試驗技術規(guī)范中的規(guī)定；

（2）逼近臨界時，次臨界度愈小，反應性引入率t愈小，因此應采用逐步逼近達臨界；

（3）逼近臨界時，采用單一反應性控制原則，即不能采用兩種或兩種以上的方式向堆芯引入正反應性；

（4）嚴禁引起反應堆溫度突然變化的操作；

（5）反應堆啟動率（SUR）應小于1DPM。即中子通量增加的倍增周期不得短于18秒；

（6）根據(jù)運行技術規(guī)格書要求啟動時堆芯的初始硼濃度應大于2100ppm。由于此時的次臨界度很深，所以在啟動過程中原則上分成兩段：反應性提升階段和功率提升階段。在反應性提升階段中采用較快的速度提升控制棒或快速稀釋硼濃度，向堆芯引入正反應性；在功率提升階段中采用慢速稀釋硼濃度或逐步提升控制棒，使堆芯向臨界逼近；

（7）稀釋前的提棒階段，反應堆不應該發(fā)生臨界；

（8）稀釋時，反應性引入速率不大于設計限值（首循環(huán)為0.97pcm/s）；

（9）在試驗期間，任何使反應堆發(fā)生緊急停堆時，都應立即停止稀釋或提棒操作；如果緊急停堆的原因已知且不影響核電站的核安全，反應堆可重新進入啟動的初始狀態(tài)，硼濃度應維持在緊急停堆時的值。如果緊急停堆以前反應堆處于次臨界，繼續(xù)完成臨界操作步驟。如果緊急停堆以前反應堆已經達臨界，提棒使反應堆恢復臨界，提棒過程中做計數(shù)率倒數(shù)曲線；

（10）恢復臨界過程中，如果調節(jié)棒組D已經提至堆頂，反應堆仍未臨界，這時應該插入所有的調節(jié)棒組，重新預計臨界硼濃度和棒位；如果實際臨界棒位超出預計臨界棒位500pcm的限值棒位時，必須查明原因，然后才能繼續(xù)提升功率；否則，將插入所有的調節(jié)棒組。

鄧麗麗］