320MWe核電機(jī)組75%功率平臺試驗前穩(wěn)定時間優(yōu)化

【摘 要】為提高秦山核電廠320MWe機(jī)組的負(fù)荷因子，優(yōu)化換料后首次啟動反應(yīng)堆物理試驗流程，開展了關(guān)于縮短75%功率平臺功率分布試驗前穩(wěn)定時間的研究。本次研究首先開展了調(diào)研及設(shè)計交流，在此基礎(chǔ)上制定出總體優(yōu)化方案。再根據(jù)機(jī)組實際情況，利用設(shè)計院堆芯計算程序進(jìn)行了前期理論分析，模擬計算反應(yīng)堆在換料后首次啟動提升功率至75%功率平臺后，穩(wěn)定不同時間下的各項功率分布特性參數(shù)，為后續(xù)研究提供理論依據(jù)。分析結(jié)果表明穩(wěn)定時間對相關(guān)堆芯功率分布特性參數(shù)的影響逐漸減小，縮短穩(wěn)定時間在理論上是可行的。在理論分析的基礎(chǔ)上，機(jī)組第十四次換料后首次啟動75%功率平臺開展了一系列功率分布驗證試驗。最終，試驗結(jié)果符合技術(shù)規(guī)格書驗收準(zhǔn)則要求，符合理論分析結(jié)果，且與常規(guī)功率分布試驗結(jié)果的偏差在可接受范圍內(nèi)。因此，縮短320MWe機(jī)組75%功率平臺功率分布試驗前穩(wěn)定時間是完全合理可行的。

【關(guān)鍵詞】縮短；穩(wěn)定時間；功率分布；理論分析；驗證試驗

中圖分類號： TM623 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）01-0007-004

【Abstract】Research about Shortening The Stable Time Before Power Distribution Of Qinshan nuclear power plant 320MWe Unit On The 75% Power Platform is carried out to improve the load factor and optimize the physics tests of first start-up after refueling. First step of the research is working out an optimum proposal which is based on investigation and communication. Then according to the practical situation of the unit， preliminary theoretical analysis is carried on by the core calculation programme to calculate the characteristic parameters of power distribution with different stable time after the power level is promoted to 75% for the first time after refueling. This job gives theoretical basis to the post-study. The analytical result shows that it is feasible in theory that to shorten the stable time， for its influence on the characteristic parameters decreasing gradually. On the base above， series of power distribution verification tests were carried out on 75% power platform during the first start-up after 14th refueling outage. The test results are in accord with the requirements of the acceptance criteria and The theory analysis conclusion. Furthermore， the deviation between verification tests and routine test is acceptable. In conclusion， it is totally reasonably feasible to shorten the stable time before power distribution on 75% power platform.

【Key words】Shorten； Stable time； Power distribution； Theoretical analysis； Verification test

1 研究背景

1.1 反應(yīng)堆物理理論要求

根據(jù)反應(yīng)堆物理理論，反應(yīng)堆升功率至目標(biāo)功率平臺后，反應(yīng)堆堆芯達(dá)到氙毒反應(yīng)性平衡的時間至少需要48小時?；谶@一理論，核電廠無論是調(diào)試首次啟動階段的升功率物理試驗，還是堆芯換料后首次啟動的升功率物理試驗都有試驗前堆芯穩(wěn)定48小時的要求。

1.2 秦山核電廠320MWe機(jī)組實際情況

對于秦山核電廠320MWe機(jī)組，根據(jù)《秦山核電廠最終安全分析報告》第十六章技術(shù)規(guī)格書的要求，堆芯換料后首次啟動時，需要在75%功率平臺進(jìn)行堆芯功率分布試驗。該試驗用于驗證反應(yīng)堆是否符合技術(shù)規(guī)格書中的運(yùn)行限制要求及其他一些驗收準(zhǔn)則，主要包括：

（1）組件相對功率測量值與理論值偏差；

（2）熱流密度熱管因子F■■；

（3）核焓升熱管因子F■■；

（4）象限功率傾斜比（QPTR）。

320MWe機(jī)組的堆芯功率分布測量采用理論預(yù)測與實際測量結(jié)合的方法，即由理論計算給出堆芯在預(yù)定條件下的功率分布與裂變反應(yīng)率分布的預(yù)測情況，堆芯測量系統(tǒng)用于測量相應(yīng)條件下的裂變反應(yīng)率分布，然后由專用數(shù)據(jù)處理程序還原為實測的堆芯三維功率分布。對于這種離線功率分布測量技術(shù)，功率分布與裂變反應(yīng)率分布的預(yù)測值由功率分布測量數(shù)據(jù)庫預(yù)先給出。該數(shù)據(jù)庫一般針對堆芯穩(wěn)定工況進(jìn)行計算，如果實際測量過程中，堆芯條件與此穩(wěn)定工況存在差異，則會引入額外的堆芯功率分布測量偏差。為了降低這種偏差，傳統(tǒng)上采取在功率分布測量試驗前堆芯穩(wěn)定一定時間的辦法，這個穩(wěn)定時間一般取48小時。

綜上所述，結(jié)合反應(yīng)堆物理理論要求以及320MWe機(jī)組實際情況，機(jī)組在每次堆芯換料后首次啟動升功率階段在75%功率平臺上都需要為功率分布試驗穩(wěn)定48小時。而正常情況下，在這48小時內(nèi)其他試驗或操作工作早已完成，功率平臺穩(wěn)定時間成為當(dāng)時的主線。因此，如果能夠縮短功率分布試驗前的穩(wěn)定時間就代表著可以提早提升機(jī)組功率，提高機(jī)組的負(fù)荷因子。

2 理論分析

為了分析縮短穩(wěn)定時間對功率分布測量試驗結(jié)果可能帶來的影響，特委托上海核工程研究設(shè)計院利用堆芯計算程序，針對功率分布測量特性參數(shù)（組件功率分布、F■■、F■■等）和反應(yīng)堆運(yùn)行要求進(jìn)行詳細(xì)的計算分析，為是否繼續(xù)開展這些研究提供決策基礎(chǔ)，也為電廠后續(xù)驗證試驗提供理論依據(jù)。

由于穩(wěn)定期間的堆芯條件變化與功率提升（從零功率提升到75%功率平臺）過程緊密相關(guān)，因此為理論計算分析提供相對準(zhǔn)確的機(jī)組功率提升速率就顯得十分重要。

320MWe機(jī)組運(yùn)行規(guī)程要求“反應(yīng)堆換料后的首次提升反應(yīng)堆功率，其功率上升率不超過3%FP/h”。而根據(jù)機(jī)組以往燃料循環(huán)實際運(yùn)行經(jīng)驗來看，2%FP/h作為理論計算分析的輸入條件比較接近電廠實際情況。因此，本文采用2%FP/h的功率提升速率作為計算分析的前提條件。

表1 功率提升速率統(tǒng)計

2.1 功率分布特性參數(shù)計算分析

表2給出了反應(yīng)堆提升至75%功率平臺，穩(wěn)定一定時間后與穩(wěn)定條件下功率分布特性參數(shù)的偏差，各參數(shù)的定義分別為：

組件功率分布標(biāo)準(zhǔn)差：■，組件F■■和F■■分布標(biāo)準(zhǔn)差與組件功率分布標(biāo)準(zhǔn)差定義類似，該標(biāo)準(zhǔn)差可用于反映相應(yīng)參數(shù)偏差的堆芯統(tǒng)計平均值。

從圖1顯示的堆芯功率分布特性參數(shù)數(shù)據(jù)變化來看，堆芯功率分布特性參數(shù)與穩(wěn)定48小時后的參數(shù)值已經(jīng)非常接近，偏差在0.5%以內(nèi)，并隨穩(wěn)定時間增加而進(jìn)一步降低。

2.2 堆芯運(yùn)行計算分析

在正常功率分布測量試驗中，需要保持堆芯運(yùn)行條件的穩(wěn)定，包括冷卻劑平均溫度Tavg、T4控制棒棒位和冷卻劑可溶硼濃度等反應(yīng)性變化相關(guān)參數(shù)的穩(wěn)定，以避免引起堆芯中子注量率分布波動。但對堆芯氙毒還未平衡時的功率分布試驗而言，必須要在試驗過程中引入反應(yīng)性來保持反應(yīng)堆功率穩(wěn)定?？紤]到對于功率分布試驗，T4棒動作比冷卻劑硼濃度變化帶來的影響更大，因此在試驗過程中，如果需要引入反應(yīng)性來維持堆芯臨界或反應(yīng)堆功率水平，可考慮小幅硼稀釋/硼化操作。

表2 功率分布特性參數(shù)變化

圖1 功率分布特性參數(shù)理論偏差圖

表3給出了反應(yīng)堆提升至75%功率平臺后，維持功率穩(wěn)定，冷卻劑可溶硼濃度調(diào)節(jié)速率隨穩(wěn)定時間的變化。計算過程假定T4棒保持在240步，冷卻劑可溶硼濃度的變化補(bǔ)償了堆內(nèi)氙毒積累引起的反應(yīng)性變化。

2.3 理論計算分析結(jié)論

根據(jù)本章2.1和2.2節(jié)的計算分析結(jié)果，以2%FP/h功率提升速率提升至75%功率平臺以后，組件功率分布、F■■和F■■分布標(biāo)準(zhǔn)差（與穩(wěn)定48小時后的情況相比）在0.5%以內(nèi)，并隨穩(wěn)定時間的增加而進(jìn)一步減小；為了維持試驗過程的堆芯條件穩(wěn)定，最初需要約-4.5ppm/h左右的硼稀釋速率來補(bǔ)償氙毒積累引起的反應(yīng)性變化，隨穩(wěn)定時間的增加，要求的硼稀釋速率會逐漸降低。

因此，只要在功率分布試驗過程中通過硼稀釋來保持堆芯功率穩(wěn)定，縮短試驗前的穩(wěn)定時間在理論上是可行的。

3 試驗驗證

為了驗證以上關(guān)于縮短堆芯換料后首次啟動75%功率平臺功率分布試驗前穩(wěn)定時間的理論計算分析，同時為研究提供實際試驗數(shù)據(jù)支持，2013年5月，在秦山核電廠320MWe機(jī)組第十四次換料后首次啟動75%功率平臺開展了試驗驗證工作。

表3 功率提升至75%功率平臺后穩(wěn)定過程中的硼濃度變化

驗證試驗選取在反應(yīng)堆提升至75%功率平臺穩(wěn)定1小時、4小時、8小時、16小時和24小時等5個時間點(diǎn)進(jìn)行，通過全堆芯功率分布測量，獲得功率分布特性參數(shù)，包括組件功率分布、F■■、F■■和QPTR等。

3.1 試驗驗證方案

根據(jù)理論計算分析，當(dāng)反應(yīng)堆功率提升至75%功率平臺后一直到穩(wěn)定48小時這段時間內(nèi)，氙毒反應(yīng)性還未達(dá)到平衡，基本處于積毒階段。因此，本次驗證試驗與正常穩(wěn)定工況下進(jìn)行功率分布試驗最大區(qū)別就在于需要采用硼稀釋補(bǔ)償反應(yīng)性以保持堆芯功率穩(wěn)定。針對這一區(qū)別，編寫了《75%功率平臺功率分布測量方案》。方案除關(guān)于如何在驗證試驗中保持堆芯功率穩(wěn)定的操作外，其他相關(guān)操作，按已有的《功率分布試驗》規(guī)程執(zhí)行。方案中與現(xiàn)有試驗規(guī)程主要不同之處主要如下：

（1）反應(yīng)堆功率提升至75%功率平臺后，穩(wěn)定時間達(dá)到1（4、8、16、24）小時之前開始調(diào)整堆芯狀態(tài)相對穩(wěn)定；

（2）在75%功率平臺穩(wěn)定時間達(dá)到1（4、8、16、24）小時開始功率分布測量數(shù)據(jù)采集；

（3）數(shù)據(jù)采集過程中，為了保持堆芯功率穩(wěn)定，操縱員需要參考理論計算分析中硼濃度調(diào)節(jié)速率，通過硼稀釋控制一回路平均溫度Tavg相對穩(wěn)定，盡量保持|Tavg-Tref|≤0.5℃。

（4）由于在測量數(shù)據(jù)采集過程中，需要通過硼稀釋來保持堆芯功率穩(wěn)定，因此現(xiàn)有試驗規(guī)程中的“穩(wěn)壓器內(nèi)硼濃度與一回路硼濃度相差在±20PPm之內(nèi)”不適用于驗證試驗。

3.2 試驗數(shù)據(jù)采集與處理

秦山核電廠320MWe機(jī)組功率分布試驗主要包括堆芯中子通量測量數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)離線處理兩部分。

堆芯中子通量測量數(shù)據(jù)采集由反應(yīng)堆堆芯中子通量測量和采集系統(tǒng)完成。該系統(tǒng)主要由堆芯30個測量通道、3個可移動微型裂變室探測器及其附屬機(jī)構(gòu)和數(shù)據(jù)采集機(jī)柜等部分組成。在反應(yīng)堆運(yùn)行期間，驅(qū)動探測器進(jìn)入中子測量通道，堆內(nèi)熱中子使微型裂變室內(nèi)材料發(fā)生裂變并輸出電信號，由采集系統(tǒng)將電流值記錄保存。

堆芯中子通量數(shù)據(jù)離線處理由INCORE-3D程序執(zhí)行。該程序可以將采集到的堆芯中子通量測量數(shù)據(jù)結(jié)合功率與中子通量的理論計算數(shù)據(jù)，得到堆芯的三維功率分布，并計算組件相對功率測量值與理論值偏差、F■■、F■■和QPTR等堆芯功率分布特性參數(shù)。

3.3 試驗驗證結(jié)果

表4是此次驗證試驗和常規(guī)試驗（穩(wěn)定48小時后功率分布試驗）的試驗結(jié)果匯總。表5為驗證試驗結(jié)果與常規(guī)試驗結(jié)果的比較情況，即各功率分布特性參數(shù)的偏差（由于功率分布試驗只對各特性參數(shù)的最大值進(jìn)行驗收，因此只計算特性參數(shù)最大值之間的偏差）。圖2為各特性參數(shù)偏差的直觀顯示。

根據(jù)表4，所有功率分布試驗結(jié)果都符合驗收準(zhǔn)則要求，且裕量很大。由圖2可以直觀地看出，實際試驗結(jié)果與理論計算分析結(jié)果比較符合，大部分參數(shù)的偏差都比較小，并隨穩(wěn)定時間的增加而逐漸減小。特別是當(dāng)穩(wěn)定時間達(dá)到16小時以后，所有功率分布特性參數(shù)與穩(wěn)定48小時后的偏差都小于0.5%。

4 研究結(jié)論

根據(jù)實際運(yùn)行經(jīng)驗，秦山核電廠320MWe機(jī)組在換料后首次啟動提升功率至75%功率平臺的速率一般在2%FP/h左右，理論計算分析結(jié)果表明，以這一速率提升功率至75%功率平臺穩(wěn)定1小時后，各功率分布特性參數(shù)，包括組件功率分布、F和F等偏差就已在可接受范圍之內(nèi)，并隨穩(wěn)定時間的增加而進(jìn)一步減小。

在實際反應(yīng)堆驗證試驗過程中，在反應(yīng)堆功率提升至75%功率平臺后穩(wěn)定時間不長的情況下，堆芯狀態(tài)較不穩(wěn)定，要保持堆芯功率穩(wěn)定，對操縱員的操作要求非常高。因此，雖然驗證試驗中穩(wěn)定1、4、8小時后獲得的功率分布特性參數(shù)能夠滿足驗收準(zhǔn)則的要求，但還是取穩(wěn)定時間達(dá)到16小時作為優(yōu)化目標(biāo)。此時現(xiàn)場實現(xiàn)難度較小，測量結(jié)果的偏差也較小，且75%功率平臺其它工作都已完成。

綜合理論分析和試驗驗證的結(jié)果，并從工程實踐及保守角度出發(fā)，將秦山核電廠320MWe機(jī)組75%功率平臺功率分布試驗前穩(wěn)定時間從48小時縮短至16小時，即將機(jī)組提前32小時從75%功率提升至滿功率運(yùn)行是完全合理可行的。

【參考文獻(xiàn)】

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