壓水堆核電廠堆芯裝料臨界安全監(jiān)督試驗(yàn)

朱元武

（中核核電運(yùn)行管理有限公司，浙江 海鹽 314300）

在核燃料組件裝入堆芯的過程中，對(duì)堆芯必須進(jìn)行有效地臨界安全監(jiān)督，以確保裝料操作過程中，反應(yīng)堆始終處于次臨界狀態(tài)，確保燃料組件在堆芯的位置和方向與經(jīng)批準(zhǔn)的設(shè)計(jì)堆芯裝載圖保持一致，同時(shí)避免燃料組件發(fā)生機(jī)械損傷。

1 裝料前的準(zhǔn)備

（1）所有電廠系統(tǒng)均已達(dá)到堆芯裝料所需的狀態(tài)，裝卸料機(jī)正常可用；

（2）堆芯裝載圖和堆芯裝料程序已經(jīng)經(jīng)主管領(lǐng)導(dǎo)和國家核安全局審批通過；

（3）一回路硼濃度CB≥2100ppm；

（4）壓力容器水位>19.5m，水溫為10℃～60℃，且水質(zhì)良好；

（5）RPN 核儀表系統(tǒng)的兩個(gè)源量程和音響裝置都正?？捎?；

（6）硼表、溫度表可用；

（7）源量程保護(hù)整定值按要求完成設(shè)定；

（8）裝料所需的臨界安全監(jiān)督控制臺(tái)與RX 反應(yīng)堆廠房、KX 燃料廠房之間的通訊已經(jīng)建立，并保證裝料過程中可以實(shí)時(shí)聯(lián)絡(luò)；

（9）堆芯裝料模擬板準(zhǔn)備完畢并處于可用狀態(tài)；

（10）堆內(nèi)臨時(shí)增設(shè)的水下照明設(shè)備、取樣裝置和水溫測量裝置正常、可靠；

（11）對(duì)于首次堆芯的裝料，為了在整個(gè)裝料過程中始終保證堆芯有可靠可信的臨界安全監(jiān)督，在堆芯可增加了3 套臨時(shí)計(jì)數(shù)裝置。這3 套裝置的工作特性已檢驗(yàn)校正完畢，可投入使用。

2 臨界安全監(jiān)督的原理

裝料期間，堆芯應(yīng)始終處于次臨界狀態(tài)。此時(shí)如果堆內(nèi)沒有外中子源，則次臨界堆內(nèi)的中子密度將衰減至零。如果堆內(nèi)有一個(gè)外中子源，則中子密度將在一個(gè)與次臨界度相關(guān)的通量水平上穩(wěn)定。假設(shè)外中子源發(fā)射的中子數(shù)是恒定的，即：中子源每θ 秒（θ=中子代時(shí)間）發(fā)出一批中子，每批中子數(shù)為s 個(gè)。這樣中子從第一代開始反應(yīng)堆內(nèi)中子數(shù)為s 個(gè)，在第二代開始就有（s+skeff）個(gè)中子，第三代開始就有(s+skeff+skeff2)個(gè)中子，依此類推，到第n 代時(shí)反應(yīng)堆內(nèi)的中子總數(shù)應(yīng)為：

因?yàn)榇闻R界堆芯的keff值小于1，當(dāng)n 很大時(shí)，此等比級(jí)數(shù)之和為一有限值：

事實(shí)上，式（2）也可以從點(diǎn)堆動(dòng)力學(xué)方程推導(dǎo)得到。由此可以看出，隨著燃料組件裝載數(shù)的增加，keff逐漸增大，中子計(jì)數(shù)率也在增加。下圖為有外中子源時(shí)次臨界堆芯反應(yīng)堆中子相對(duì)水平的變化，不同的曲線與不同的keff相對(duì)應(yīng)?？梢钥吹狡胶庵蹬ckeff值有關(guān)，keff值大，平衡值大，并且達(dá)到平衡值較慢。所以，在反應(yīng)堆裝料監(jiān)督過程中，利用中子源來增高堆內(nèi)的中子數(shù)，以使反應(yīng)堆始終保持在次臨界狀態(tài)上。

圖1

3 臨界安全監(jiān)督的方法

為了確保在整個(gè)裝料過程中不發(fā)生意外臨界事故，在燃料組件按裝料順序裝入堆芯的過程中，實(shí)施臨界安全監(jiān)督。監(jiān)督方法是在堆芯每裝入一組燃料組件后，用中子探測器所探測的中子計(jì)數(shù)率的倒數(shù)與燃料組件的裝載數(shù)作圖進(jìn)行次臨界的監(jiān)督。通常采用堆外核測量系統(tǒng)中的源量程測量通道的計(jì)數(shù)率（首循環(huán)堆芯還在堆芯臨時(shí)增設(shè)的中子探測器的中子計(jì)數(shù)），進(jìn)行1/M 倒計(jì)數(shù)率外推來實(shí)施臨界安全監(jiān)督。其監(jiān)督過程主要如下：

（1）探測器本底計(jì)數(shù)率監(jiān)測

在核燃料開始入堆之前，首先進(jìn)行本底計(jì)數(shù)率的測量。通常是所有中子計(jì)數(shù)通道設(shè)置計(jì)數(shù)時(shí)間間隔為100 秒，并對(duì)每個(gè)通道要獲得每100 秒的積分計(jì)數(shù)值，對(duì)于每個(gè)通道計(jì)算平均本底計(jì)數(shù)值和平均計(jì)數(shù)率。但在秦山第二核電廠，由于從電站計(jì)算機(jī)系統(tǒng)KIT 中，采集到的是中子計(jì)數(shù)率值而不是積分計(jì)數(shù)，故一般取10 個(gè)計(jì)數(shù)率的平均值作為平均本底計(jì)數(shù)率或是平均計(jì)數(shù)率。

一般來說，典型的本底計(jì)數(shù)率應(yīng)小于0.1CPS(即n/s)。如果測量結(jié)果比0.1CPS 明顯偏大，要尋找超本底的原因。如果本底計(jì)數(shù)比測量總計(jì)數(shù)的10%還大，則認(rèn)為此套測量系統(tǒng)是不可靠的。

電站由以下方法判斷中子計(jì)數(shù)裝置工作狀態(tài)是否正常：①幅度比>2(即在用示波器檢測時(shí)，有用訊號(hào)幅度與噪聲訊號(hào)幅度之比大于2)；②計(jì)數(shù)率比(通道中子計(jì)數(shù)率比本底計(jì)數(shù)率至少大一個(gè)數(shù)量級(jí))。

（2）基準(zhǔn)計(jì)數(shù)率測定

按裝料順序表的規(guī)定，在裝料前或帶中子源組件在堆芯移動(dòng)后，均需重新測量各通道的基準(zhǔn)計(jì)數(shù)率?；鶞?zhǔn)計(jì)數(shù)率的測量與本底計(jì)數(shù)率測量方法一樣，在秦山二期也是取10 次計(jì)數(shù)率測量的平均值。嚴(yán)格的說，基準(zhǔn)計(jì)數(shù)率應(yīng)扣除本底計(jì)數(shù)率，計(jì)算修正后的各個(gè)通道基準(zhǔn)計(jì)數(shù)NR。

每移動(dòng)一次帶中子源的組件后，需要重新進(jìn)行基準(zhǔn)計(jì)數(shù)的測定。

（3）倒計(jì)數(shù)率的測定（1/M 測定）

每當(dāng)一組燃料組件完全插入，計(jì)數(shù)達(dá)到穩(wěn)定，對(duì)每個(gè)測量通道進(jìn)行至少5 次計(jì)數(shù)率測量，計(jì)算其平均值Navg，再對(duì)該通道進(jìn)行本底修正（Navg-n），倒計(jì)數(shù)率比：

其中n 是每個(gè)通道的本底計(jì)數(shù)率，NR是每個(gè)通道的基準(zhǔn)計(jì)數(shù)值。在秦山二期中，本底計(jì)數(shù)率很小、可以忽略。故有

根據(jù)（2）式可得

其中，Keff0、Keff分別為初始狀態(tài)和組件入堆后的有效增殖系數(shù)。

在平面坐標(biāo)上以1/M 作為縱坐標(biāo)，以次臨界度（1-Keff）作為橫坐標(biāo)（如前所述，次臨界度與入堆燃料組件的數(shù)目成對(duì)應(yīng)關(guān)系）。因此，在實(shí)際操作時(shí)是以入堆燃料組件的數(shù)目NF 為橫坐標(biāo)，1/M 為縱坐標(biāo)，進(jìn)行臨界安全監(jiān)督。這樣就可以得到外推曲線。為了安全起見，要求在監(jiān)督過程中，必須至少有一套獨(dú)立的中子計(jì)數(shù)系統(tǒng)（首次堆芯裝料時(shí)因堆芯增設(shè)三套臨時(shí)中子計(jì)數(shù)裝置，必須至少兩套可用）是可運(yùn)行的；否則，停止裝料操作。

（4）影響1/M 曲線的因素

理想的1/M 曲線是一條直線，但是實(shí)際上1/M 曲線有可能是凹形的也可能是凸形的，但是最后外推臨界的結(jié)果都?xì)w于一點(diǎn)。影響1/M曲線的因素有：

①中子源在堆芯的位置；

②中子探測器（包括堆內(nèi)、堆外）的位置；

③堆芯燃料組件的裝載順序；

④堆芯中子源的強(qiáng)度。

4 安全準(zhǔn)則

為了保證裝料的安全，在裝載過程中必須進(jìn)行中子計(jì)數(shù)率的監(jiān)測，若發(fā)生以下任一種情況應(yīng)該立即停止裝料操作，待查清事故原因或排除故障后，方可繼續(xù)進(jìn)行：

①任何一個(gè)臨時(shí)中子計(jì)數(shù)通道的中子計(jì)數(shù)率突增5 倍以上；

②所有責(zé)任通道的中子計(jì)數(shù)率增長2 倍以上；

③能正常工作的中子計(jì)數(shù)通道不足二個(gè)通道時(shí)(首次裝料)；

④與一個(gè)源量程中子計(jì)數(shù)通道相接的撤退報(bào)警訊號(hào)發(fā)生動(dòng)作時(shí)；

⑤當(dāng)二個(gè)帶初級(jí)中子源的組件裝載后，達(dá)到每秒0.5 個(gè)計(jì)數(shù)的中子計(jì)數(shù)通道少于2 個(gè)時(shí)；

⑥倒計(jì)數(shù)率比(1/M)明顯不正常時(shí)。