紅沿河核電廠2號機(jī)組首循環(huán)壽期中啟動物理試驗(yàn)結(jié)果分析

鄧平赳, 張海州,王子興，郭 建,羅良偉

(遼寧紅沿河核電有限公司，遼寧大連116000)

紅沿河核電廠2號機(jī)組首循環(huán)壽期中啟動物理試驗(yàn)結(jié)果分析

鄧平赳, 張海州,王子興，郭 建,羅良偉

(遼寧紅沿河核電有限公司，遼寧大連116000)

因電網(wǎng)調(diào)峰能力不足，紅沿河核電廠2號機(jī)組首循環(huán)運(yùn)行過程中，于2014年1～3月進(jìn)行了卸料不換料停機(jī)檢修，再啟動階段進(jìn)行了臨界、零功率和升功率物理試驗(yàn)，驗(yàn)證了循環(huán)壽期中反應(yīng)堆重要堆芯設(shè)計(jì)參數(shù)。該文敘述了紅沿河2號機(jī)組反應(yīng)堆首循環(huán)壽期中卸料不換料后啟動物理試驗(yàn)理論計(jì)算與現(xiàn)場試驗(yàn)，驗(yàn)證了壽期中啟動物理試驗(yàn)理論計(jì)算值與實(shí)測結(jié)果的符合程度，分析了反應(yīng)堆相關(guān)參數(shù)在壽期初與壽期中隨燃耗變化特性。試驗(yàn)結(jié)果表明，理論預(yù)計(jì)值與實(shí)測結(jié)果符合良好，偏差滿足驗(yàn)收準(zhǔn)則。

首循環(huán)；壽期中；啟動；物理試驗(yàn)；燃耗

紅沿河核電廠2號機(jī)組于2013年10月24日首次到達(dá)臨界狀態(tài)，2014年5月13日具備商業(yè)運(yùn)行條件。冬季供暖期后,大量熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組參與供暖，導(dǎo)致電網(wǎng)調(diào)峰困難。應(yīng)電網(wǎng)要求，紅沿河2號機(jī)組于2014年12月4日至2015年3月16日停機(jī)，進(jìn)行了卸料不換料檢修。

鑒于紅沿河2號機(jī)組本次卸料不換料檢修處于首循環(huán)壽期中，國內(nèi)尚無核電廠壽期中進(jìn)行卸料不換料長期檢修后啟動的經(jīng)驗(yàn)，為確保機(jī)組再裝料后堆芯裝載圖的正確性，同時(shí)充分驗(yàn)證反應(yīng)堆壽期中堆芯物理參數(shù)設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性，檢查堆芯物理特性參數(shù)是否滿足核安全及設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)要求，再啟動階段執(zhí)行了完整的啟動物理試驗(yàn)。

紅沿河2號機(jī)組首循環(huán)壽期中啟動物理試驗(yàn)從2015年3月6日23時(shí)35分開始啟動物理試驗(yàn)，于08日0時(shí)47分達(dá)到臨界狀態(tài)，隨后進(jìn)行了零功率及升功率物理試驗(yàn)，所有測量結(jié)果滿足試驗(yàn)驗(yàn)收準(zhǔn)則。

本文將介紹該電廠2號機(jī)組首循環(huán)壽期中啟動物理試驗(yàn)的理論分析結(jié)果及其與實(shí)測值的比較。

1 堆芯描述

紅沿河核電廠2號機(jī)組反應(yīng)堆熱功率為2895MW，反應(yīng)堆運(yùn)行壓力為15.5MPa，反應(yīng)堆冷卻劑總流量為71370m3/h，反應(yīng)堆堆芯由157個全M5 AFA 3G燃料組件構(gòu)成；首循環(huán)堆芯由1.8%，2.4%，3.1%三種富集度燃料組件組成，對應(yīng)的組件數(shù)目分別為53，52和52，堆芯裝載采用out-in 裝載方式，高富集度組件裝在堆芯外圍，低富集度組件按照棋盤式布局裝載在堆芯內(nèi)區(qū)。采用分立的硼硅酸鹽玻璃作為可燃毒物。首循環(huán)堆芯裝載與可燃毒物布置圖如圖1所示。

圖1 第一循環(huán)堆芯裝載和可燃毒物布置圖Fig.1 First cycle core loading pattern

反應(yīng)堆共布置61束控制棒，其中第一循環(huán)裝入57束控制棒，第二循環(huán)后增加4束控制棒。首循環(huán)堆芯控制棒布置如圖2所示。

圖2 第一循環(huán)堆芯控制棒束的位置Fig.2 First cycle core RCCA locations

首循環(huán)設(shè)計(jì)的循環(huán)長度為12828MWd/tU(320EFPD)，首循環(huán)壽期中卸料時(shí)的停堆燃耗為8650MWD/TU(216EFPD)，剩余循環(huán)長度為4155MWD/TU(104EFPD)。堆芯卸料后再裝料堆芯布置方案與卸料前完全一致，可燃毒物棒位置及控制棒位置也與卸料前完全一致。

2 計(jì)算程序和計(jì)算內(nèi)容

紅沿河核電廠2號機(jī)首循環(huán)壽期中啟動物理試驗(yàn)計(jì)算分析包含建模及啟動物理試驗(yàn)所需參數(shù)的計(jì)算。因本次2號機(jī)首次啟動后已經(jīng)經(jīng)歷較長時(shí)間，反應(yīng)堆處于壽期中，原壽期初計(jì)算的啟動物理試驗(yàn)參數(shù)已不適應(yīng)當(dāng)前機(jī)組狀態(tài)，需要進(jìn)行重新建模和模擬計(jì)算。

本次采用SCIENCE V2軟件包，進(jìn)行三維堆芯計(jì)算。SCIENCE V2是成熟的核計(jì)算程序，主要包括組件運(yùn)輸計(jì)算程序APOLLO2-F，堆芯擴(kuò)散-燃耗計(jì)算程序SMART和穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散燃耗程序ESPADON。

SCIENCE V2在CPR1000機(jī)組中有大量成功應(yīng)用，計(jì)算精度滿足工程設(shè)計(jì)要求。

3 現(xiàn)場實(shí)施和測量結(jié)果比較

3.1 臨界

再裝料后首次臨界是在熱態(tài)零功率狀態(tài)下，通過提棒-稀釋-提棒操作，使反應(yīng)堆安全穩(wěn)定的到達(dá)臨界狀態(tài)。具體來講是先將停堆棒提升至堆頂，將R棒提升至170步，通過大流量系數(shù)，小流量系數(shù)到臨界附近后停止稀釋，待硼濃度均勻后，通過提R棒使反應(yīng)堆臨界。為避免過快和意外的反應(yīng)性引入，導(dǎo)致反應(yīng)堆非預(yù)期臨界，在稀釋和提棒過程中，通過記錄中子計(jì)數(shù)率，繪制中子計(jì)數(shù)率倒推曲線來控制稀釋和提棒速率。

與正常換料后啟動臨界不同，本次紅沿河2號機(jī)組屬于壽期中卸料不換料再啟動，R棒170步狀態(tài)下臨界硼濃度理論計(jì)算值為717ppm，而反應(yīng)堆初始硼濃度一般為2200ppm。臨界操作期間需稀釋水量大約為220t，遠(yuǎn)高于壽期初啟動達(dá)臨界130t稀釋水量，大約多了近90t。因稀釋量較大，如稀釋過程開始確定倒推參考點(diǎn)，稀釋過程仍按照中子計(jì)數(shù)率倒推到0.1停止稀釋，稀釋停止后次臨界度仍將超過1000pcm，R棒提至堆頂也無法使反應(yīng)堆臨界，無法一次臨界成功，將導(dǎo)致二次稀釋和提棒，增加反應(yīng)堆臨界操作時(shí)間。為避免反應(yīng)堆無法一次臨界成功，試驗(yàn)人員通過設(shè)置多點(diǎn)參考的辦法，在稀釋過程中改變倒推參考點(diǎn)，控制中子倒推計(jì)數(shù)率到0.1，逐步使反應(yīng)堆逼近臨界，避免了稀釋不足現(xiàn)象的發(fā)生。本次多點(diǎn)參考逐步逼近臨界的過程如圖3所示,可以看出，采用多點(diǎn)倒推后，大大提高了臨界硼濃度預(yù)測的精度。

圖3 硼濃度CB和計(jì)數(shù)率倒數(shù)之間的關(guān)系曲線圖Fig.3 The relationship between boron concentration and the reciprocal of the counting rate

3.2 臨界硼濃度

臨界硼濃度是標(biāo)準(zhǔn)反應(yīng)性平衡的一個重要參數(shù)，本次卸料不換料再啟動過程對所有控制棒全提狀態(tài)(ARO)下的臨界硼濃度進(jìn)行了測量，試驗(yàn)結(jié)果在設(shè)計(jì)偏差范圍內(nèi)。表1給出了臨界硼濃度計(jì)算值與實(shí)測值對比情況?？梢钥闯雠c壽期初相比，壽期中ARO狀態(tài)下臨界硼濃度較低。

表1 ARO狀態(tài)臨界硼濃度設(shè)計(jì)值與測量值(PPM)

3.3 慢化劑溫度系數(shù)

反應(yīng)堆堆芯慢化劑溫度系數(shù)(MTC)是表征反應(yīng)堆固有安全性的重要參數(shù)，負(fù)慢化劑溫度系數(shù)可維持反應(yīng)堆自穩(wěn)特性。因堆芯慢化劑溫度系數(shù)無法直接測量獲得，一般通過測量堆芯等溫溫度系數(shù)間接獲得慢化劑溫度系數(shù)。反應(yīng)堆等溫溫度系數(shù)包含了慢化劑溫度系數(shù)和燃料溫度系數(shù)(多普勒溫度系數(shù))兩種效應(yīng)，燃料溫度系數(shù)通過理論計(jì)算得出。

反應(yīng)堆慢化劑中子慢化能力隨硼濃度降低而逐漸增強(qiáng)，因本次啟動是壽期中卸料不換料再啟動臨界硼濃度較低，導(dǎo)致慢化劑溫度系數(shù)較負(fù)，這是難得的通過試驗(yàn)驗(yàn)證反應(yīng)堆慢化劑溫度系數(shù)隨燃耗變化特性的機(jī)會，本次試驗(yàn)首次驗(yàn)證了CPR1000機(jī)組等溫溫度系數(shù)在壽期中再啟動情況下與理論計(jì)算和實(shí)測結(jié)果的比較情況，結(jié)果表明理論計(jì)算與實(shí)測值吻合較好。證明了反應(yīng)堆堆芯設(shè)計(jì)燃耗計(jì)算模型是可靠的。表2給出了等溫溫度系數(shù)計(jì)算值與實(shí)測值對比情況?？梢钥闯龅葴販囟认禂?shù)隨燃耗加深逐漸變負(fù)，壽期中測量等溫溫度系數(shù)的測量偏差隨燃耗加深逐漸加大。因此如選擇在壽期中后期進(jìn)行慢化劑溫度系數(shù)測量試驗(yàn)，可能無法滿足3.6 PCM/℃的精度要求。

表2 等溫溫度系數(shù)設(shè)計(jì)值與測量值(PCM/℃)

3.4 硼微分價(jià)值

反應(yīng)堆正常運(yùn)行過程中，通過調(diào)整一回路硼濃度來補(bǔ)充反應(yīng)堆燃料消耗帶來的后備反應(yīng)性變化，測量硼微分價(jià)值可以更準(zhǔn)確的計(jì)算硼化和系數(shù)引入的反應(yīng)性變化。本次啟動測量的硼微分價(jià)值如表3。

表3 硼微分價(jià)值設(shè)計(jì)值與測量值(PCM/PPM)

3.5 控制棒積分價(jià)值

對各組控制棒積分價(jià)值的測量目的在于驗(yàn)證控制棒反應(yīng)性控制功能和停堆裕量等。表4給出了熱態(tài)零功率(HZP)狀態(tài)下控制棒積分價(jià)值計(jì)算值與實(shí)測值的比較。從表中可以看出，壽期中啟動物理試驗(yàn)測量控制棒價(jià)值的最大計(jì)算偏差為-7.7%，仍滿足±10%的驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)。

表4 控制棒積分價(jià)值測量結(jié)果(PCM)

3.6 堆芯功率分布

反應(yīng)堆臨界及零功率物理試驗(yàn)結(jié)束后，進(jìn)行沖轉(zhuǎn)并網(wǎng)及升功率平臺物理試驗(yàn)，本次升功率階段驗(yàn)證了30%FP，75%FP和100%FP三個功率平臺中子通量圖測量結(jié)果，與理論計(jì)算值進(jìn)行比較，結(jié)果表明反應(yīng)堆熱點(diǎn)因子QT(z)，熱管因子FΔH等安全參數(shù)，組件功率偏差(MAP)，徑向功率峰因子(FXY)，堆內(nèi)堆外軸向功率偏差DA等設(shè)計(jì)參數(shù)滿足驗(yàn)收準(zhǔn)則。其中最大組件功率偏差為3.1%，出現(xiàn)在100%功率平臺，相對功率P<0.9 的邊緣組件中，遠(yuǎn)小于15%的驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)。證明堆芯功率分布計(jì)算值與理論值吻合較好。

表5 升功率中子通量圖測量結(jié)果

4 結(jié)論

作為CPR1000機(jī)組首例在壽期中卸料不換料后進(jìn)行的啟動物理試驗(yàn)，紅沿河2號機(jī)組首循環(huán)壽期中啟動后進(jìn)行了一系列反應(yīng)堆物理試驗(yàn)，測量了大量與反應(yīng)堆堆芯設(shè)計(jì)性能相關(guān)的設(shè)計(jì)參數(shù)和安全參數(shù)，如堆芯臨界硼濃度、慢化劑溫度系數(shù)、硼微分價(jià)值、控制棒積分價(jià)值和反應(yīng)堆功率分布等，驗(yàn)證了壽期中反應(yīng)堆實(shí)測參數(shù)與理論計(jì)算的符合情況，驗(yàn)證了反應(yīng)堆相關(guān)參數(shù)隨燃耗變化的特性。

試驗(yàn)結(jié)果表明：所有反應(yīng)堆堆芯設(shè)計(jì)理論參數(shù)與實(shí)測值符合良好，滿足物理試驗(yàn)驗(yàn)收準(zhǔn)則。證明了反應(yīng)堆壽期中長期臨停和卸料不換料后再啟動是安全、可靠的，同時(shí)也證明了現(xiàn)在的堆芯核設(shè)計(jì)對所有燃耗步的計(jì)算驗(yàn)證都是安全、可靠的。

[1] 白成斐.寧德核電站一號機(jī)組首循環(huán)啟動物理試驗(yàn)結(jié)果分析[J].核科學(xué)與工程,2014, 9(3):34.

AnalysisforStartupPhysicsTestofFirstCycleMOLforUnit2ofHongyanheNuclearPowerPlant

DENGPing-jiu,ZHANGHai-zhou,WANGZi-xing,GUOJian,LUOLiang-wei

(Liaoning Hongyanhe Nuclear Power Co., Ltd. Dalian, 116000, China)

Due to insufficient peak regulation capacity of the first cycle of operation, Hongyanhe nuclear power plant Unit Ⅱ were unloading downtime without refueling January to March 2014, and then start the critical phase, and zero power physical tests to verify the circulation lifetime of the reactor core design parameters important. This paper describes the Hongyanhe Unit Ⅱ First Cycle MOL no refueling start physical test theory and experiments, the lifetime starts validated physical test theoretical calculations and experimental results of the degree of compliance, analysis of the reactor the relevant parameters in the beginning of life and the lifetime characteristics change with burnup. The test results show that the theoretical expected value and the measured results are in good agreement, deviation meet the acceptance criteria.

First cycle;Middle of life; Start up; Physics test; Burnup

2017-04-11

鄧平赳(1983—), 男，湖南長沙人，工程師，碩士，主要從事反應(yīng)堆物理試驗(yàn)及燃料管理工作

TL375.1

：A

：0258-0918(2017)04-0651-05