壓水堆核電廠換料物理啟動(dòng)試驗(yàn)優(yōu)化研究和應(yīng)用實(shí)踐

楊慶湘，王麗華，姜 赫，鄒 森

(1.上海交通大學(xué)，上海200240；2.上海核工程研究設(shè)計(jì)院，上海200233；3.中核核電運(yùn)行管理有限公司，浙江 海鹽 314300)

壓水堆核電廠換料物理啟動(dòng)試驗(yàn)優(yōu)化研究和應(yīng)用實(shí)踐

楊慶湘1，2，王麗華2，姜 赫3，鄒 森3

(1.上海交通大學(xué)，上海200240；2.上海核工程研究設(shè)計(jì)院，上海200233；3.中核核電運(yùn)行管理有限公司，浙江 海鹽 314300)

核電廠設(shè)計(jì)和運(yùn)行相關(guān)核安全法規(guī)、導(dǎo)則要求核電廠換料后必須進(jìn)行物理啟動(dòng)試驗(yàn)。隨著堆芯換料設(shè)計(jì)日趨成熟，試驗(yàn)程序和試驗(yàn)方法得到充分檢驗(yàn)。為提升運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性，各核電廠設(shè)計(jì)和運(yùn)行人員不同程度地開(kāi)展了換料后物理啟動(dòng)試驗(yàn)優(yōu)化的研究與實(shí)施。本文基于壓水堆核電廠監(jiān)管要求和核電廠運(yùn)行要求分析，針對(duì)物理啟動(dòng)試驗(yàn)優(yōu)化提出了定性評(píng)價(jià)、物理分析和試驗(yàn)驗(yàn)證的系統(tǒng)性論證方法，并以秦山核電廠320MWe機(jī)組為例，進(jìn)行了完善的研究與可行性論證。實(shí)施物理啟動(dòng)試驗(yàn)優(yōu)化后，核電廠換料大修時(shí)間大幅縮短，相比以往可提前約2天進(jìn)入滿功率運(yùn)行，顯著提高了核電廠運(yùn)行負(fù)荷因子，提升了運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。

物理啟動(dòng)試驗(yàn)；負(fù)荷因子；經(jīng)濟(jì)性

物理啟動(dòng)試驗(yàn)是核電廠設(shè)計(jì)和運(yùn)行相關(guān)核安全法規(guī)、核安全導(dǎo)則和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求的在調(diào)試啟動(dòng)和換料啟動(dòng)階段必須進(jìn)行的驗(yàn)證過(guò)程，目的是通過(guò)啟動(dòng)過(guò)程中的物理試驗(yàn)，驗(yàn)證堆芯物理參數(shù)測(cè)量值與預(yù)計(jì)值的一致性，從而確保堆芯核設(shè)計(jì)的可靠性和安全分析假設(shè)的合理性。隨著換料設(shè)計(jì)日趨成熟，試驗(yàn)程序和試驗(yàn)方法得到了充分的檢驗(yàn)，核電廠逐漸考慮對(duì)換料后物理啟動(dòng)試驗(yàn)的試驗(yàn)項(xiàng)目、試驗(yàn)程序和試驗(yàn)方法實(shí)施優(yōu)化，以縮短停堆大修時(shí)間，提高核電廠運(yùn)行負(fù)荷因子，提升運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。

本文從核電廠設(shè)計(jì)和運(yùn)行相關(guān)核安全法規(guī)、核安全導(dǎo)則和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)等層次的監(jiān)管要求，以及核電廠運(yùn)行要求等方面，全面研究物理啟動(dòng)試驗(yàn)應(yīng)滿足的要求。在滿足相關(guān)監(jiān)管要求、確保核電廠運(yùn)行安全性的前提下，以縮短換料后物理啟動(dòng)試驗(yàn)時(shí)間為目標(biāo)，對(duì)物理啟動(dòng)試驗(yàn)優(yōu)化提出了包括定性評(píng)價(jià)、物理分析和試驗(yàn)驗(yàn)證在內(nèi)的系統(tǒng)性論證分析方法，并以秦山核電廠320MWe機(jī)組為例，介紹了換料后物理啟動(dòng)試驗(yàn)優(yōu)化的分析論證內(nèi)容和結(jié)果，以及在第十六循環(huán)物理啟動(dòng)中的應(yīng)用實(shí)踐。應(yīng)用情況表明，經(jīng)過(guò)物理啟動(dòng)試驗(yàn)優(yōu)化,縮短了核電廠換料大修時(shí)間，與優(yōu)化前相比可提前約2天進(jìn)入滿功率運(yùn)行。本文提出的物理啟動(dòng)試驗(yàn)優(yōu)化系統(tǒng)性論證分析方法對(duì)國(guó)內(nèi)壓水堆核電廠具有較強(qiáng)的適用性和推廣潛力。

1 物理啟動(dòng)試驗(yàn)要求的研究

物理啟動(dòng)試驗(yàn)的試驗(yàn)項(xiàng)目、試驗(yàn)內(nèi)容、試驗(yàn)程序和試驗(yàn)方法根據(jù)核電廠設(shè)計(jì)、運(yùn)行相關(guān)的法規(guī)、導(dǎo)則、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)以及特定核電廠的運(yùn)行技術(shù)規(guī)格書(shū)要求制定，因此，針對(duì)現(xiàn)有物理啟動(dòng)試驗(yàn)優(yōu)化的可行性論證，必須針對(duì)法規(guī)、導(dǎo)則、標(biāo)準(zhǔn)和運(yùn)行技術(shù)規(guī)格書(shū)等要求進(jìn)行適應(yīng)性評(píng)價(jià)。

1.1 核安全法規(guī)與導(dǎo)則要求

我國(guó)現(xiàn)行核安全法規(guī)和核安全導(dǎo)則中，與物理啟動(dòng)試驗(yàn)直接相關(guān)的要求主要包括：

(1) HAF 103，核動(dòng)力運(yùn)行安全規(guī)定，HAF103指出“在分批換料后，反應(yīng)堆啟動(dòng)前和啟動(dòng)時(shí)都必須進(jìn)行試驗(yàn)以確認(rèn)堆芯性能滿足設(shè)計(jì)要求”。

(2) HAF 103/01，核電廠換料、修改和事故停堆管理，HAF 103/01規(guī)定堆芯物理試驗(yàn)是必須進(jìn)行的換料活動(dòng)重要內(nèi)容，對(duì)換料后的臨界申請(qǐng)、開(kāi)展物理試驗(yàn)和提交相關(guān)報(bào)告等提出了明確要求；

(3) HAD 103/03，核電廠堆芯和燃料管理，HAD 103/03指出換料后必須進(jìn)行檢查和試驗(yàn)，以驗(yàn)證堆芯的正確裝載和堆芯特性，“對(duì)于壓水堆，推薦的試驗(yàn)包括：慢化劑溫度系數(shù)；臨界硼濃度；棒組價(jià)值；堆芯通量分布；利用對(duì)稱控制棒或堆芯測(cè)量?jī)x表進(jìn)行的堆芯對(duì)稱性校核”。

1.2 行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求

為了規(guī)范換料后物理啟動(dòng)試驗(yàn)內(nèi)容和試驗(yàn)方法，核能行業(yè)制定了“EJ/T 563—1999，壓水堆重新裝料后的物理啟動(dòng)試驗(yàn)”行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)“規(guī)定商用壓水堆核電廠停堆換料后或堆芯有明顯變動(dòng)后所進(jìn)行的反應(yīng)堆物理啟動(dòng)試驗(yàn)的最低要求；并為驗(yàn)證堆芯的運(yùn)行特性是否滿足設(shè)計(jì)要求提供了切實(shí)可行的試驗(yàn)方法”。2012年左右，能源行業(yè)在近年來(lái)國(guó)內(nèi)核電工程設(shè)計(jì)和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)積累的基礎(chǔ)上，對(duì)該標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了升版，并于2013年發(fā)布了新版行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)“NB/T 20240—2013，壓水堆核電廠重新裝料后的物理啟動(dòng)試驗(yàn)”，用于替代EJ/T 563—1999。從物理啟動(dòng)試驗(yàn)內(nèi)容和方法的角度而言，新標(biāo)準(zhǔn)的主要變化包括以下幾點(diǎn)：

(1) 取消控制棒插入時(shí)的臨界硼濃度和硼微分價(jià)值的測(cè)量要求。

行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)NB/T 20240—2013僅保留了控制棒全部提出(ARO)的臨界硼濃度測(cè)量試驗(yàn)。國(guó)內(nèi)、外核電廠大量的物理啟動(dòng)試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)已經(jīng)表明，ARO臨界硼濃度測(cè)量試驗(yàn)和控制棒價(jià)值測(cè)量試驗(yàn)可完整地反映堆芯反應(yīng)性特性，這為簡(jiǎn)化控制棒插入時(shí)物理啟動(dòng)試驗(yàn)(包括臨界硼濃度測(cè)量、硼價(jià)值測(cè)量和等溫溫度系數(shù)測(cè)量試驗(yàn))提供了可靠依據(jù)。

(2) 等溫溫度系數(shù)測(cè)量試驗(yàn)要求修改為“所有控制棒基本上處于全部提出的狀態(tài)”。

與臨界硼濃度測(cè)量類似，等溫溫度系數(shù)測(cè)量試驗(yàn)需要在相應(yīng)的控制棒插入狀態(tài)建立穩(wěn)定的堆芯臨界狀態(tài)，新的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)僅保留了控制棒全部提出的等溫溫度系數(shù)測(cè)量試驗(yàn)。

(3) 增加動(dòng)態(tài)刻棒法和落棒法作為控制棒價(jià)值測(cè)量的推薦方法。

行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的上述變化體現(xiàn)了核電工程設(shè)計(jì)和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)積累與核電廠運(yùn)行技術(shù)發(fā)展之間的積極反饋?zhàn)饔?，這些優(yōu)化已經(jīng)在國(guó)內(nèi)在役運(yùn)行核電廠中不同程度地實(shí)施[1-3]。

此外，在提升功率階段，EJ/T 563—1999和NB/T 20240—2013要求進(jìn)行功率分布測(cè)量試驗(yàn)，針對(duì)試驗(yàn)初始條件，均要求堆芯處于氙平衡狀態(tài)，具體指標(biāo)為：對(duì)于采用固定式探測(cè)器的試驗(yàn)，氙濃度在平衡值的90%以上，對(duì)于采用可移動(dòng)式探測(cè)器的試驗(yàn)，氙濃度在平衡值得95%以上。由于氙濃度不是可以直接測(cè)量的物理量，工程實(shí)踐中一般采用維持堆芯條件穩(wěn)定運(yùn)行48h的方式滿足該要求。因此，提升功率階段功率分布測(cè)量試驗(yàn)的初始條件要求延長(zhǎng)了核電廠的低功率運(yùn)行時(shí)間。

1.3 運(yùn)行技術(shù)規(guī)格書(shū)要求

運(yùn)行技術(shù)規(guī)格書(shū)是指導(dǎo)特定核電廠運(yùn)行的重要技術(shù)文件，對(duì)換料后堆芯物理啟動(dòng)試驗(yàn)提出了直接或間接的技術(shù)要求。各核電廠技術(shù)規(guī)格書(shū)要求不盡相同，但一般都包括以下方面的要求：

(1) 堆芯運(yùn)行限值要求

技術(shù)規(guī)格書(shū)針對(duì)核電廠各種運(yùn)行模式提出了具體的運(yùn)行限值要求，包括溫度、壓力和停堆運(yùn)行模式的次臨界度等。物理啟動(dòng)試驗(yàn)需要嚴(yán)格遵守技術(shù)規(guī)格書(shū)針對(duì)相應(yīng)運(yùn)行模式的運(yùn)行要求(包括物理啟動(dòng)試驗(yàn)例外)。

(2) 功率分布監(jiān)測(cè)要求

為了保證堆芯運(yùn)行安全，運(yùn)行技術(shù)規(guī)格書(shū)通常要求在低功率和提升功率階段開(kāi)展堆芯功率分布測(cè)量，以充分驗(yàn)證堆芯燃料裝載的正確性，確保堆芯功率分布與設(shè)計(jì)相符，并符合功率分布限值要求。

(3) 堆外核測(cè)儀表校正

壓水堆核電廠普遍采用功率量程堆外核測(cè)儀表作為堆芯運(yùn)行控制和保護(hù)的輸入，并通過(guò)堆內(nèi)功率分布測(cè)量定期校準(zhǔn)堆外探測(cè)器的指示，因此堆外探測(cè)器校正試驗(yàn)的核心內(nèi)容是堆芯功率分布測(cè)量。

1.4 物理啟動(dòng)試驗(yàn)要求研究結(jié)論

針對(duì)換料后物理啟動(dòng)試驗(yàn)相關(guān)核安全法規(guī)、核安全導(dǎo)則和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)等監(jiān)管要求和運(yùn)行技術(shù)規(guī)格書(shū)要求的研究表明，核安全法規(guī)和核安全導(dǎo)則對(duì)換料后物理啟動(dòng)試驗(yàn)提出了總的原則和要求，但不涉及具體的試驗(yàn)方法和試驗(yàn)條件；核行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)或能源行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)針對(duì)各項(xiàng)試驗(yàn)提出了明確的試驗(yàn)內(nèi)容和試驗(yàn)方法，行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的更新為換料后物理啟動(dòng)試驗(yàn)優(yōu)化提供了依據(jù)；運(yùn)行技術(shù)規(guī)格書(shū)從核電廠運(yùn)行安全的角度，對(duì)物理啟動(dòng)試驗(yàn)的內(nèi)容和試驗(yàn)條件提出了直接或間接的要求。因此，物理啟動(dòng)試驗(yàn)優(yōu)化的論證分析可從定性評(píng)價(jià)和物理分析兩方面進(jìn)行。根據(jù)定性分析行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展變化情況，可通過(guò)刪減行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)不再要求的部分試驗(yàn)項(xiàng)目和內(nèi)容、應(yīng)用先進(jìn)試驗(yàn)技術(shù)達(dá)到縮短試驗(yàn)時(shí)間的目的；針對(duì)物理啟動(dòng)試驗(yàn)方法、流程和初始條件與行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的偏離，可通過(guò)物理分析論證，評(píng)價(jià)該偏離對(duì)物理啟動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果的影響，并通過(guò)驗(yàn)證試驗(yàn)來(lái)考察其可靠性。

2 換料物理啟動(dòng)試驗(yàn)優(yōu)化

近年來(lái)，隨著核電工程技術(shù)的發(fā)展，在確保核安全的前提下，核電廠運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性的要求日益得到重視，國(guó)內(nèi)在役運(yùn)行核電廠對(duì)換料后物理啟動(dòng)試驗(yàn)進(jìn)行了不同程度的優(yōu)化。本節(jié)在全面梳理物理啟動(dòng)試驗(yàn)所涉及的監(jiān)管要求和核電廠運(yùn)行安全要求基礎(chǔ)上，從定性評(píng)價(jià)、物理分析和試驗(yàn)驗(yàn)證等方面，以秦山核電廠320MWe機(jī)組為例，對(duì)換料后物理啟動(dòng)試驗(yàn)優(yōu)化進(jìn)行完善的研究和分析。

2.1 定性評(píng)價(jià)

對(duì)于低功率階段的物理啟動(dòng)試驗(yàn)優(yōu)化，主要有優(yōu)化試驗(yàn)流程、刪減試驗(yàn)項(xiàng)目、應(yīng)用先進(jìn)試驗(yàn)技術(shù)等途徑。對(duì)換料后物理啟動(dòng)試驗(yàn)相關(guān)監(jiān)管要求和運(yùn)行規(guī)格書(shū)要求的研究表明，低功率階段僅保留ARO末端的臨界硼濃度測(cè)量、等溫溫度系數(shù)測(cè)量、控制棒價(jià)值測(cè)量和功率分布測(cè)量試驗(yàn)是可行的。對(duì)于使用動(dòng)態(tài)棒價(jià)值測(cè)量技術(shù)的核電廠，低功率物理啟動(dòng)試驗(yàn)時(shí)間可進(jìn)一步縮短。此外，歷次循環(huán)物理啟動(dòng)試驗(yàn)過(guò)程中，按照核電廠試驗(yàn)規(guī)程，等待核安全監(jiān)管部門(mén)授權(quán)臨界釋放點(diǎn)的過(guò)程中，冷卻劑系統(tǒng)保持為堆芯換料模式期間的硼濃度(約2400ppm)，因此，換料后首次臨界試驗(yàn)期間的硼稀釋時(shí)間較長(zhǎng)。對(duì)于換料首次臨界試驗(yàn)的初始工況，技術(shù)規(guī)格書(shū)要求相應(yīng)運(yùn)行模式下堆芯keff<0.98，因此在等待核安全監(jiān)管部門(mén)授權(quán)臨界釋放點(diǎn)的過(guò)程中，可預(yù)先稀釋冷卻劑系統(tǒng)硼濃度，縮短從臨界釋放點(diǎn)到堆芯臨界的時(shí)間。為確保堆芯的次臨界安全性，該硼濃度值應(yīng)綜合考慮預(yù)期的臨界硼濃度、運(yùn)行技術(shù)規(guī)格書(shū)的次臨界度要求、核設(shè)計(jì)程序的計(jì)算不確定性，以及硼濃度的測(cè)量不確定性等因素。

在提升功率階段，物理啟動(dòng)試驗(yàn)主要包括不同功率臺(tái)階下的功率分布測(cè)量、滿功率下功率分布測(cè)量和滿功率臨界硼濃度測(cè)量，由于滿功率條件下的試驗(yàn)不影響核電廠運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性，因此不必要進(jìn)行優(yōu)化；對(duì)于部分功率下的功率分布測(cè)量試驗(yàn)，行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)針對(duì)其試驗(yàn)條件規(guī)定了平衡氙的要求，這就要求核電廠保持在部分功率水平上運(yùn)行較長(zhǎng)時(shí)間，一些核電廠實(shí)施的物理啟動(dòng)試驗(yàn)優(yōu)化實(shí)踐表明，這一穩(wěn)定時(shí)間是可以縮短的，因此存在較大的優(yōu)化空間。本文第2.2節(jié)著重對(duì)此進(jìn)行詳細(xì)的物理分析。

2.2 物理分析

為了縮短部分功率條件下功率測(cè)量試驗(yàn)前堆芯穩(wěn)定時(shí)間，本節(jié)以秦山核電廠320MWe機(jī)組第十五燃料循環(huán)為例，針對(duì)氙濃度對(duì)功率分布測(cè)量試驗(yàn)的影響開(kāi)展定量的分析評(píng)價(jià)。

現(xiàn)役壓水堆核電廠中，功率分布測(cè)量采用實(shí)際測(cè)量堆芯裂變反應(yīng)率分布數(shù)據(jù)與理論預(yù)測(cè)的功率分布數(shù)據(jù)庫(kù)相結(jié)合的方法。因此，功率分布測(cè)量試驗(yàn)的準(zhǔn)確性主要由堆內(nèi)中子注量率測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量精度和功率分布數(shù)據(jù)庫(kù)的精度決定。功率分布數(shù)據(jù)庫(kù)一般針對(duì)堆芯穩(wěn)定工況進(jìn)行計(jì)算，在堆芯偏離平衡氙條件下進(jìn)行功率分布測(cè)量時(shí)，則會(huì)引入額外的堆芯功率分布偏差。因此，如果縮短功率分布測(cè)量試驗(yàn)前的穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)間而確保功率分布測(cè)量可靠性，需針對(duì)氙分布對(duì)堆芯功率分布的影響進(jìn)行定量的物理分析。

在核電廠的實(shí)際運(yùn)行中，換料后堆芯功率水平提升速率是比較緩慢的。從燃料組件運(yùn)行限制角度，為避免未輻照燃料在功率提升期間因燃料芯塊膨脹與燃料包殼接觸而造成包殼破損，需對(duì)換料啟動(dòng)后的功率提升速率加以限制，工程實(shí)踐中一般采用5%RTP/h的限值；為確保滿足該運(yùn)行限制要求，核電廠運(yùn)行要求一般限制功率提升速率不超過(guò)3%RTP/h，實(shí)際的功率提升平均速率約為2% RTP/h。按照5% RTP/h～2% RTP/h的功率提升速率，反應(yīng)堆功率從HZP提升至75%RTP(核電廠換料啟動(dòng)后功率提升階段功率分布測(cè)量試驗(yàn)的典型條件)需要15～38h，完成功率提升后，堆內(nèi)氙毒逐步積累并已經(jīng)形成了一定的氙濃度水平和氙分布。為定量評(píng)價(jià)非平衡氙狀態(tài)對(duì)功率分布的影響，采用三維節(jié)塊擴(kuò)散方法堆芯計(jì)算程序SHANG，針對(duì)秦山核電廠320MWe機(jī)組進(jìn)行詳細(xì)的分析計(jì)算。

模擬Cycle-15堆芯換料啟動(dòng)后分別按5%RTP/h和2%RTP/h速率從HZP提升至75%RTP，并在75%RTP下穩(wěn)定運(yùn)行48h。這一過(guò)程運(yùn)行期間的反應(yīng)性和功率分布核特性參數(shù)計(jì)算結(jié)果分別見(jiàn)圖1和圖2。

圖1 提升功率后關(guān)鍵參數(shù)變化(5%RTP/h)Fig.1 Key parameters variation after power ascension(5%RTP/h)

圖2 提升功率后關(guān)鍵參數(shù)變化(2%RTP/h)Fig.2 Key parameters variation after power ascension(2%RTP/h)

圖中FQ(t)/FQ(48h)和FΔH(t)/FΔH(48h)分別指穩(wěn)定運(yùn)行t小時(shí)后堆芯FQ和FΔH與穩(wěn)定運(yùn)行48h后(平衡氙)相應(yīng)值的比值，這兩項(xiàng)參數(shù)可用于反映按運(yùn)行技術(shù)規(guī)格書(shū)要求進(jìn)行監(jiān)督的堆芯功率分布峰值因子隨穩(wěn)定時(shí)間的變化。在堆芯功率水平維持不變、控制棒位置固定的前提條件下，堆芯硼濃度的持續(xù)降低反映的是堆芯氙濃度的逐漸積累。從圖中結(jié)果可以看出：

(1) 穩(wěn)定運(yùn)行48h后，堆芯硼濃度基本穩(wěn)定，表明堆芯進(jìn)入平衡氙狀態(tài)。分別以5%RTP/h和2%RTP/h速率從HZP提升至75%RTP后，堆芯硼濃度與平衡氙狀態(tài)的硼濃度分別相差約175ppm和75ppm，此時(shí)堆芯的氙濃度分別為平衡氙水平的大約20%和65%，堆芯尚未進(jìn)入平衡氙狀態(tài)。

(2) 堆芯功率分布峰值因子(FQ和FΔH)與平衡氙條件下的功率分布峰值因子相比，僅分別偏高1.6%和0.5%。

(3) NB/T 20240—2013要求，應(yīng)采用組件徑向平均功率分布偏差標(biāo)準(zhǔn)差來(lái)衡量堆芯功率分布的一致性。計(jì)算結(jié)果表明，分別以5%RTP/h和2%RTP/h速率從HZP提升至75%RTP后，與平衡氙條件功率分布偏差的標(biāo)準(zhǔn)差分別為0.6%和0.4%，表明三種氙濃度條件下堆芯徑向功率分布偏差不大。組件平均功率分布的相對(duì)偏差標(biāo)準(zhǔn)差定義見(jiàn)式。

式中：

Pi，t——第th的功率分布測(cè)量試驗(yàn)結(jié)果中，第i個(gè)組件的相對(duì)功率；

Pi，48h——第48h的功率分布測(cè)量試驗(yàn)結(jié)果中，第i個(gè)組件的相對(duì)功率；

N——堆芯燃料組件數(shù)目。

(4) 分別以5%RTP/h和2%RTP/h速率從HZP提升至75%RTP后，堆芯繼續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行48h的過(guò)程中，堆芯ΔI的變化范圍在平衡氙條件相應(yīng)值的±0.5%以內(nèi)。

(5) 隨著穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)間的增加，功率分布關(guān)鍵參數(shù)與平臺(tái)下條件相應(yīng)值值的偏差總體呈下降的趨勢(shì)。

上述分析結(jié)果表明，按典型的換料后功率提升速率提升至部分功率水平平臺(tái)后，立即進(jìn)行功率分布測(cè)量試驗(yàn)，其三維功率分布與平衡氙條件下堆芯三維功率分布偏差很小，并且對(duì)于運(yùn)行技術(shù)規(guī)格書(shū)要求的功率分布峰值因子FQ和FΔH的監(jiān)督而言略偏保守。因此在以較小提升速率(不超過(guò)5%RTP/h)提升功率的前提下，功率分布測(cè)量試驗(yàn)可在完成功率提升后立即進(jìn)行，不需要等待平衡氙條件的建立。

2.3 試驗(yàn)驗(yàn)證

為了考察縮短部分功率平臺(tái)物理試驗(yàn)前穩(wěn)定時(shí)間對(duì)功率分布測(cè)量試驗(yàn)的影響，2013年4月28日—5月2日期間，秦山核電廠320MWe機(jī)組在Cycle-15換料后提升功率階段開(kāi)展了驗(yàn)證試驗(yàn)。該驗(yàn)證試驗(yàn)通過(guò)測(cè)量電功率提升至75%RTP并穩(wěn)定運(yùn)行1h、4h、8h、16h、24h和48h后堆芯三維功率分布，記錄試驗(yàn)期間的堆芯運(yùn)行參數(shù)，分析各時(shí)間點(diǎn)的功率分布特性參數(shù)變化，以確定縮短穩(wěn)定時(shí)間對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響。

圖3和圖4給出了試驗(yàn)期間電站計(jì)算機(jī)系統(tǒng)連續(xù)記錄的堆芯功率水平、主調(diào)節(jié)棒T4棒位和軸向通量偏差ΔI(功率量程堆外核測(cè)儀表系統(tǒng)指示值)，以及穩(wěn)定運(yùn)行1h、4h、8h、16h、24h和48h后功率分布測(cè)量試驗(yàn)的ΔI測(cè)量結(jié)果。根據(jù)驗(yàn)證試驗(yàn)期間堆芯功率水平和T4棒位隨時(shí)間的變化，采用SHANG程序跟蹤計(jì)算的軸向通量偏差ΔI也在圖3和圖4中給出。圖5給出了SHANG程序跟蹤計(jì)算的臨界硼濃度變化曲線，以及各試驗(yàn)節(jié)點(diǎn)的臨界硼濃度實(shí)測(cè)值。試驗(yàn)過(guò)程的堆芯關(guān)鍵參數(shù)記錄和跟蹤計(jì)算結(jié)果表明，在完成提升功率后的0～10h左右，T4棒有較大幅度的移動(dòng)(205～240提出步，但在測(cè)量堆芯三維中子注量率分布期間避免了T4棒的移動(dòng))以補(bǔ)償堆芯反應(yīng)性變化；采用堆芯中子注量率測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量非平衡氙狀態(tài)下堆芯三維中子注量率分布，并基于核設(shè)計(jì)提供的功率分布數(shù)據(jù)庫(kù)恢復(fù)的堆芯三維功率分布，能夠準(zhǔn)確反映不同時(shí)刻堆芯軸向通量偏差的變化。

圖3 驗(yàn)證試驗(yàn)期間功率水平和ΔI變化Fig.3 Power level and ΔI variation during verification test

圖4 驗(yàn)證試驗(yàn)期間T4棒位和ΔI變化Fig.4 T4 bank position and ΔI variation during verification test

圖5 驗(yàn)證試驗(yàn)期間臨界硼濃度變化Fig.5 Critical boron concentration variation during verification test

圖6給出了驗(yàn)證試驗(yàn)期間堆芯FQ和FΔH的程序跟蹤計(jì)算結(jié)果，以及各測(cè)量點(diǎn)的功率分布測(cè)量試驗(yàn)結(jié)果。該結(jié)果表明，隨著穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)間的增加，堆芯功率分布峰因子逐漸降低，其主要原因?yàn)橥瓿商嵘β屎蟮某跗?0～10h)內(nèi)，T4棒插入較多導(dǎo)致的功率分布畸變，且隨著穩(wěn)定時(shí)間的增加，氙濃度的增加和氙分布的建立給功率分布畸變帶來(lái)了負(fù)的反饋效應(yīng)。完成提升功率后并穩(wěn)定運(yùn)行1h時(shí)的堆芯FQ比平衡狀態(tài)值偏高約4%，堆芯FΔH比平衡狀態(tài)值偏高約1.5%，在穩(wěn)定運(yùn)行10h以后，F(xiàn)Q和FΔH的試驗(yàn)結(jié)果與平衡狀態(tài)偏差很小。圖7給出了提升功率后穩(wěn)定運(yùn)行過(guò)程中功率分布驗(yàn)證試驗(yàn)所測(cè)量組件相對(duì)功率標(biāo)準(zhǔn)差隨時(shí)間的變化，并給出了跟蹤計(jì)算結(jié)果的組件功率標(biāo)準(zhǔn)差和組件FQ標(biāo)準(zhǔn)差隨時(shí)間的變化。該對(duì)比結(jié)果表明，非平衡氙狀態(tài)下的功率分布測(cè)量結(jié)果能夠真實(shí)地反映堆芯功率分布特性。

圖6 驗(yàn)證試驗(yàn)期間功率分布峰因子變化Fig.6 Power distribution peaking factors variation during verification test

圖7 驗(yàn)證試驗(yàn)期間功率分布關(guān)鍵參數(shù)變化Fig.7 Power distribution key parameters variation during verification test

圖8進(jìn)一步給出了本次驗(yàn)證試驗(yàn)以及最近三個(gè)循環(huán)定期功率分布測(cè)量試驗(yàn)時(shí)堆芯中子注量率測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量的三維裂變反應(yīng)率分布(歸一化處理)與INCORE-3D根據(jù)功率數(shù)據(jù)庫(kù)處理得到的三維裂變反應(yīng)率分布期望值(歸一化處理)之間的標(biāo)準(zhǔn)差。結(jié)果表明，功率分布驗(yàn)證測(cè)量試驗(yàn)與最近三個(gè)循環(huán)在平衡氙狀態(tài)下進(jìn)行定期功率分布測(cè)量試驗(yàn)的堆芯三維裂變反應(yīng)率分布偏差相當(dāng)，未見(jiàn)明顯上升。因此，認(rèn)為基于平衡氙狀態(tài)提供的功率分布數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)于穩(wěn)定運(yùn)行期間的功率分布測(cè)量試驗(yàn)是適用的。

圖8 裂變反應(yīng)率分布標(biāo)準(zhǔn)差Fig.8 Standard Deviation of fission reaction rate

上述結(jié)果表明，驗(yàn)證試驗(yàn)測(cè)量的非平衡狀態(tài)與平衡狀態(tài)功率分布之間的偏差符合物理分析給出的變化規(guī)律，非平衡氙條件對(duì)功率分布偏差的貢獻(xiàn)是小的。總的來(lái)說(shuō)，在完成功率提升后已經(jīng)具備了開(kāi)展功率分布測(cè)量試驗(yàn)的條件，其試驗(yàn)結(jié)果是準(zhǔn)確可靠的。

2.4 應(yīng)用實(shí)踐

通過(guò)充分的可行性分析和評(píng)價(jià)，秦山核電廠320MWe機(jī)組在Cycle-16循環(huán)物理啟動(dòng)試驗(yàn)期間，實(shí)施了物理啟動(dòng)試驗(yàn)優(yōu)化。物理啟動(dòng)試驗(yàn)的優(yōu)化情況包括：

(1) 在確保堆芯次臨界安全的前提下，等待臨界釋放點(diǎn)期間，冷卻劑系統(tǒng)硼濃度提前稀釋至經(jīng)過(guò)評(píng)價(jià)的硼濃度值；

(2) 簡(jiǎn)化等溫溫度系數(shù)測(cè)量試驗(yàn)流程；

(3) 簡(jiǎn)化等溫溫度系數(shù)測(cè)量試驗(yàn)流程，刪減了控制棒插入條件下的等溫溫度系數(shù)測(cè)量試驗(yàn)內(nèi)容；

(4) 功率提升至75%RTP以后，等待16h(原需等待48h)后開(kāi)始功率分布測(cè)量和堆外探測(cè)器校正試驗(yàn)。

(5) 與歷次換料啟動(dòng)相比，Cycle-16低功率試驗(yàn)時(shí)間縮短約0.5d，提升功率階段縮短約1.5d。在后續(xù)的換料循環(huán)中，將進(jìn)一步縮短75%RTP平臺(tái)試驗(yàn)前的穩(wěn)定時(shí)間。

3 結(jié)論

本文針對(duì)壓水堆核電廠換料后堆芯物理啟動(dòng)試驗(yàn)優(yōu)化，深入研究了相關(guān)核安全法規(guī)、核安全導(dǎo)則和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)等監(jiān)管要求以及技術(shù)規(guī)格書(shū)要求，并基于此，系統(tǒng)性地提出了一套包括定性評(píng)價(jià)、物理分析和試驗(yàn)驗(yàn)證在內(nèi)的換料后堆芯物理啟動(dòng)試驗(yàn)優(yōu)化分析論證方法。采用本論文提供的物理啟動(dòng)試驗(yàn)優(yōu)化研究成果后，與原行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求的常規(guī)試驗(yàn)流程相比，核電廠可提前至少2d進(jìn)入滿負(fù)荷運(yùn)行。本文的論證分析基于壓水堆核電廠通行的監(jiān)管要求、技術(shù)規(guī)格書(shū)要求和分析方法，結(jié)論可適用于國(guó)內(nèi)大部分壓水堆核電廠，對(duì)提高核電廠運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性的性能指標(biāo)有較高的指導(dǎo)意義。

[1] 李文雙. 田灣核電站2號(hào)機(jī)組調(diào)試期間物理試驗(yàn)優(yōu)化[C]. // 第十二屆反應(yīng)堆數(shù)值計(jì)算和粒子輸運(yùn)學(xué)術(shù)會(huì)議暨2008年反應(yīng)堆物理會(huì)議論文集, 合肥: 中國(guó)核學(xué)會(huì), 2008: 281-285.

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Refuel Startup Physical test Optimization Research andApplication Practice in PWR

YANG Qing-xiang1,2，WANG Li-hua1，JIANG He3，ZOU Sen3

(1.Shanghai Nuclear Engineering Research and Design Institute, Shanghai 200233, China；2. CNPP Nuclear Power Operations Management Co., Ltd, Haiyan of Zhejiang Prov. 314300, China；3. Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China)

Nuclear safety regulations and guides relative to nuclear power plant design and operation require that plants shall complete startup physical tests after refuel. Along with the maturation of refuel design, test program and method have been efficiently proven. In order to advance plant operation economy, core designers and utilities conducted research and application of refuel startup physical test optimization. Base on the analysis of regulatory and plant operation requirements with refuel startup physical tests in PWR, this paper provides a systematic demonstration method including qualitative evaluation, physics analysis and test verification, and performs integrated research on optimization evaluation and feasibility demonstration with Qinshan 320MWe Nuclear Power Plant. After application of the demonstrated optimization, plant refuel outage is reduced, and the plant entered full power operation about 2 days earlier than before. The plant capacity factor and operation economy are significantly increased.

Startup Physical Test；Capacity Factor；Economy

2016-07-21

楊慶湘(1983—)，男，湖南永州人，工程師，本科，現(xiàn)主要從事反應(yīng)堆物理設(shè)計(jì)工作

TL375.5

A

0258-0918(2016)05-0617-07