CP300機(jī)組啟停堆期間反應(yīng)性風(fēng)險(xiǎn)分析

劉建文

【摘 要】在啟停堆期間，由于堆芯釋放的能量較少，若發(fā)生故障，通常有充分的時(shí)間來(lái)防止或緩解事故的發(fā)生，所以停堆期間的反應(yīng)性安全通常得不到應(yīng)有的重視。但在停堆時(shí)并非所有的安全系統(tǒng)均可使用;停堆時(shí)多半是手動(dòng)操作，反應(yīng)堆風(fēng)險(xiǎn)更多的轉(zhuǎn)嫁到操縱人員身上，加之啟停堆期需要配合做許多物理實(shí)驗(yàn)，需要特別注意可能會(huì)向堆芯引入反應(yīng)性的操作和事故，需要對(duì)啟停堆期間的安全風(fēng)險(xiǎn)有足夠的認(rèn)識(shí)。本文通過(guò)對(duì)啟停堆期間反應(yīng)性變化分析，著重討論可能會(huì)發(fā)生威脅反應(yīng)堆安全的事故，以提高操縱員對(duì)啟停堆期間的反應(yīng)性事件緩解和控制。

【關(guān)鍵字】反應(yīng)性;控制;次臨界度;緊急注硼

中圖分類號(hào)： TL362-65文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A文章編號(hào)： 2095-2457（2019）03-0187-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.03.077

Analysis of Reactivity risk during the restart and shutdown operation of CP300 PWR

LIU Jian-wen

（CNNC Nuclear Power Operations Management Co.，Ltd，The first operation department，

Haiyan Zhejiang 314300，China）

【Abstract】During the restart and shutdown，because of the less energy that the core releasing， if malfunction occurs， there are usually plenty of time to prevent or mitigate accidents， so the reaction of the safe shutdown period is usually not given due attention. However， not all of the safety system can be used during shutdown; mostly， manual operation dominant during shutdown period. The risk on reactor is passed to the operator who manipulate. Besides， there are a lot of physical experiments during shutdown period， which might require special attention to operations and accidents， introducing the reactive core. ?This requires the operator to have sufficient knowledge of risk and safety about restart and shutdown. This study is the analysis on the reactivity change in the stage of restart and shutdown， focusing on the threat of a reactor safety accident that may occur， to enhance the operators ?in controlling and mitigating on the reactivity accidents during restart and shutdown period.

【Key words】Reactivity; Controls; Subcritical degrees; Emergency boron injection

0 引言

秦山核電廠正常運(yùn)行中基本不參與電網(wǎng)調(diào)峰，負(fù)荷變動(dòng)少。而在啟停堆及換料階段，通常需要頻繁改變反應(yīng)性以改變反應(yīng)堆狀態(tài)，所以操縱員對(duì)啟停度期間反應(yīng)性控制要引起足夠的重視。

1 啟停階段反應(yīng)性風(fēng)險(xiǎn)分析

1.1 控制棒影響

在啟動(dòng)或停堆階段，控制棒處于操縱員手動(dòng)控制，為此，操縱員的正確判斷與操作尤為重要。在啟動(dòng)及停堆階段，控制棒下插或落棒引入負(fù)反應(yīng)性，同時(shí)不存在功率分布的不良影響，不會(huì)造成嚴(yán)重后果，而控制棒的失控提升則由于其不斷引入的正反應(yīng)性會(huì)對(duì)堆芯造成威脅。

1.1.1 控制棒失控提升的啟動(dòng)事故分析

反應(yīng)堆從停堆狀態(tài)進(jìn)行啟動(dòng)操作中，主系統(tǒng)硼濃度以開始向臨界硼濃度稀釋，此時(shí)由于控制系統(tǒng)和驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的故障，或運(yùn)行人員的錯(cuò)誤操作，致使控制棒從堆芯不可控地抽出，造成事故的安全裕量最小，此事故屬于中等頻率事故。

根據(jù)最終安全分析報(bào)告中對(duì)此事故的分析：保守假設(shè)控制棒失控快速提出事件引入反應(yīng)性75pcm/s（大于以最大速度提升具有最大組合棒價(jià)值且都處在最大微分棒價(jià)值區(qū)域的二子組棒時(shí)的反應(yīng)性引入率），最終以功率量程低定值停堆結(jié)束。

從事故過(guò)程可知，反應(yīng)堆連續(xù)地引入反應(yīng)性，核功率迅速增長(zhǎng)，過(guò)程中冷卻劑溫度來(lái)不及大幅變化，功率增長(zhǎng)被燃料的多卜勒反饋效應(yīng)所終止，從而在反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)動(dòng)作投入之前限制了功率的水平。在整個(gè)瞬態(tài)中最小DNBR都大于其限值，雖然在瞬態(tài)中的核功率峰值很大，但由于時(shí)間很短，能量釋放和燃料平均溫度的增加并不大

1.1.2 失控提棒事故總結(jié)

按照C15啟動(dòng)物理試驗(yàn)結(jié)果，控制棒最大反應(yīng)性添加率29.43pcm/s，實(shí)際中發(fā)生此類事故時(shí)，所能引入的最大反應(yīng)性遠(yuǎn)小于事故分析基準(zhǔn)值，操縱員有足夠的時(shí)間發(fā)現(xiàn)異常并及時(shí)干預(yù)，保證堆芯因反應(yīng)性增加而產(chǎn)生的熱量在可控范圍內(nèi)。當(dāng)發(fā)現(xiàn)控制棒異常動(dòng)作是，要及時(shí)確認(rèn)控制棒手動(dòng)狀態(tài)，及時(shí)停止棒提升，并嚴(yán)密監(jiān)視棒、中子通量、功率變化以及堆芯重要參數(shù);立即硼化以保證堆芯停堆深度;保證堆芯冷卻，必要時(shí)手動(dòng)停堆、安注。

1.2 冷卻劑中硼濃度影響

1.2.1 可能的稀釋方式討論：

（1）化容系統(tǒng)自動(dòng)控制系統(tǒng)故障、補(bǔ)給水閥門狀態(tài)錯(cuò)誤或者是操縱員的誤操作都可能造成誤稀釋。

（2）冷卻劑凈化過(guò)程中硼不飽和的凈化床或除硼床的意外投入，造成冷卻劑在凈化過(guò)程中被硼吸收。

（3）投入停冷系統(tǒng)時(shí)，未對(duì)停冷系統(tǒng)內(nèi)存水取樣分析硼濃度和加硼操作，而使得低濃度的存水直接注入主系統(tǒng)造成稀釋。

（4）當(dāng)主系統(tǒng)降溫降壓后，某些被設(shè)冷水系統(tǒng)冷卻的熱交換器發(fā)生損壞，反應(yīng)堆冷卻劑就有可能被設(shè)備冷卻水稀釋。

（5）當(dāng)蒸發(fā)器中一次側(cè)壓力降至低于二次側(cè)時(shí)，如傳熱管發(fā)生破口，則二次側(cè)水能通過(guò)傳熱管漏入冷卻劑中造成稀釋。

（6）當(dāng)反應(yīng)堆開蓋后，通過(guò)反應(yīng)堆開口漏入系統(tǒng)的清水，如消防水、風(fēng)機(jī)冷卻水。

（7）硼水水源如硼濃度達(dá)不到要求，可能會(huì)造成意外硼稀釋，如換料水箱、硼酸儲(chǔ)存箱。

1.2.2 對(duì)誤稀釋事故的分析討論

由于化容補(bǔ)給水系統(tǒng)完全依賴于操縱員的正確操作，同時(shí)受設(shè)備狀態(tài)影響，極易發(fā)生誤稀釋事故，屬于中等頻率事故?，F(xiàn)根據(jù)R15大修期間不同模式硼濃度做相關(guān)分析計(jì)算。

R15大修中硼濃度變化過(guò)程：在開始將功率期間開始對(duì)主系統(tǒng)硼化，在熱停狀態(tài)時(shí)已硼化至冷態(tài)無(wú)氙硼濃度620 ppm左右，在降溫降壓過(guò)程中繼續(xù)硼化，達(dá)到4A模式前，硼濃度達(dá)到2080ppm左右，冷停狀態(tài)時(shí)達(dá)到換料硼濃度2400ppm。啟堆升模式中，到熱停時(shí)達(dá)熱態(tài)無(wú)氙硼濃度1768ppm，臨界時(shí)硼濃度1487ppm。

主系統(tǒng)水裝量：正常運(yùn)行時(shí)主系統(tǒng)水容積為147m3，穩(wěn)壓器滿水后主系統(tǒng)總?cè)莘e為165m3。

熱停狀態(tài)平均溫度280℃，壓力15.2MPa時(shí)比容v=0.0013087m2/kg， M0=V/v=147/0.0013087=112t。

到達(dá)冷停后，穩(wěn)壓器滿水，平均溫度≤93，比容 v=0.00103745 m2/kg，M0=V/v=165/0.00103745=159t

事實(shí)上，相關(guān)硼濃度計(jì)算均考慮了100～200ppm的計(jì)算裕量，除臨界外其余工況下keff≤0.98，上述硼濃度變化可以保證反應(yīng)堆不會(huì)失去全部次臨界度;在臨界硼濃度下，考慮控制棒插入極限，在棒的可調(diào)節(jié)范圍區(qū)，也不會(huì)造成保護(hù)系統(tǒng)動(dòng)作。

1.2.3 誤稀釋事故總結(jié)

從計(jì)算結(jié)果可知，當(dāng)發(fā)生均勻的失控硼稀釋事故時(shí)，在主系統(tǒng)最大的補(bǔ)水速率下，考慮本機(jī)組硼約7～8分鐘的滯后效應(yīng)，至少十五分鐘之內(nèi)不會(huì)觸發(fā)保護(hù)系統(tǒng)動(dòng)作。如此過(guò)程操縱員無(wú)干預(yù)，功率緩慢上升直至觸發(fā)源量程或中間量程保護(hù)停堆，在停堆至反應(yīng)堆重返臨界之前，操縱員仍然至少有20～30分鐘的時(shí)間來(lái)采取措施。

發(fā)生硼稀釋時(shí)，除硼濃度變化，最直接影響是反應(yīng)堆中子通量的增加，源量程核測(cè)量系統(tǒng)能夠探測(cè)到中子通量的倍增信號(hào)，通過(guò)主控或01廠房?jī)?nèi)音響報(bào)警提醒操縱員并敦促操縱員進(jìn)行硼化操作，對(duì)操縱員來(lái)說(shuō)有足夠的時(shí)間進(jìn)行發(fā)現(xiàn)和采取有效措施，在換料階段，保證行防硼稀釋政隔離的有效執(zhí)行也能有效避免硼稀釋事故。發(fā)現(xiàn)誤稀釋或反應(yīng)性異常變化時(shí)操縱員要立即進(jìn)行加硼操作，同時(shí)隔離稀釋源，密切監(jiān)視硼濃度及反應(yīng)性變化，穩(wěn)定機(jī)組狀態(tài)。

1.3 主泵對(duì)反應(yīng)性影響

反應(yīng)堆冷卻劑主泵作為一回路冷卻劑系統(tǒng)的心臟，意外的主泵運(yùn)行，由于冷卻劑中硼及溫度的分布不均勻，可能會(huì)導(dǎo)致堆芯內(nèi)硼濃度及溫度廠的快速變化，從而引入反應(yīng)性事故。

1.3.1 主泵與快速硼稀釋

當(dāng)反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)稀釋過(guò)程中，如主泵突然意外停運(yùn)，同時(shí)上充泵繼續(xù)向主系統(tǒng)注入稀釋水，而此時(shí)若堆芯發(fā)熱量較小，自然循環(huán)能力較弱，在失去強(qiáng)迫循環(huán)后，低濃度的含硼水無(wú)法與冷卻劑充分混合，會(huì)在上沖管線與主系統(tǒng)連接附近大量聚集，此時(shí)，當(dāng)主泵恢復(fù)運(yùn)行條件時(shí)，如操縱員誤操作或其他原因?qū)е轮鞅靡馔鈫?dòng)，將導(dǎo)致區(qū)域內(nèi)大量低濃度含硼水快速進(jìn)入并通過(guò)反應(yīng)堆堆芯，導(dǎo)致快速反應(yīng)性引入事件，可能引發(fā)嚴(yán)重后果。

本廠主泵停運(yùn)僅連鎖停堆信號(hào)，與化容補(bǔ)給水直接無(wú)連鎖關(guān)系，當(dāng)主泵停運(yùn)后上充泵水源無(wú)切換信號(hào)，對(duì)此，有兩種情況：

（1）發(fā)生全廠斷電事故，此時(shí)，主泵、離心上充泵、補(bǔ)水泵、硼酸駁運(yùn)泵均停運(yùn)，而后由于失電帶載，上充泵啟動(dòng)，如無(wú)安注信號(hào)，則上充泵繼續(xù)從容空箱吸水，假設(shè)自補(bǔ)失效，直至容空箱低液位0.55米V02-216V動(dòng)作，水源切換至換料水箱，期間注入流量為Q=2.5×（1.75-0.55）=3m3。

（2）其他情況導(dǎo)致主泵意外停止，則上充泵、補(bǔ)水泵等無(wú)停止信號(hào)導(dǎo)致補(bǔ)水不會(huì)自動(dòng)停止和水源切換，如無(wú)操縱員手動(dòng)干預(yù)，則稀釋水會(huì)持續(xù)向堆芯注入并在某處匯集。

1.3.2 主泵與堆芯溫度變化

當(dāng)主泵停止運(yùn)轉(zhuǎn)后，而反應(yīng)堆冷卻劑又被停冷系統(tǒng)所冷卻，這樣在反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)中可能形成溫度分布的不均勻，如直接啟動(dòng)主泵，導(dǎo)致堆芯意外冷卻而引入正反應(yīng)性及主系統(tǒng)壓力的波動(dòng)。本廠啟動(dòng)主泵時(shí)主系統(tǒng)溫度較低，不會(huì)造成大的溫度變化，需注意的是在非正常工況下啟動(dòng)主泵的情況。

1.3.3 防止主泵啟動(dòng)事故總結(jié)

（1）在運(yùn)行中，啟動(dòng)主泵要慎重，嚴(yán)格按照規(guī)程投運(yùn)主泵;當(dāng)發(fā)生主泵意外停運(yùn)事故時(shí)，操縱員要及時(shí)關(guān)注化容補(bǔ)水系統(tǒng)動(dòng)作情況，并及時(shí)切換補(bǔ)水水源至換料水箱。

（2）在啟動(dòng)不工作環(huán)路的主泵前30分鐘以內(nèi)，必須查定不工作環(huán)路中的硼濃度大于或等于工作環(huán)路中的濃度以及不工作環(huán)路冷段溫度不低于工作環(huán)路冷段溫度11℃且反應(yīng)堆次臨界度至少為1%△K/K

1.4 啟停堆過(guò)程中實(shí)驗(yàn)的影響

在每次反應(yīng)堆的啟停階段，按照技術(shù)規(guī)格書要求，需要進(jìn)行相關(guān)的物理實(shí)驗(yàn)以驗(yàn)證反應(yīng)堆控制參數(shù)的正確性，不同的實(shí)驗(yàn)對(duì)相關(guān)的實(shí)驗(yàn)條件有不同的要求，需要操縱員們對(duì)相關(guān)實(shí)驗(yàn)條件進(jìn)行建立，從而加大了操縱員對(duì)反應(yīng)性的控制風(fēng)險(xiǎn)。

1.4.1 實(shí)驗(yàn)過(guò)程風(fēng)險(xiǎn)分析：

（1）物理啟動(dòng)試驗(yàn)最大的風(fēng)險(xiǎn)在于它為了驗(yàn)證堆芯核設(shè)計(jì)所進(jìn)行的超“常規(guī)”的操作。如大反應(yīng)性引入，軸向功率分布超差等。

（2）正常物理試驗(yàn)平臺(tái)中子通量水平距離堆芯發(fā)熱點(diǎn)已經(jīng)不足一個(gè)數(shù)量級(jí)，在大反應(yīng)性引入的情況下（如提多步棒），當(dāng)堆芯通量水平快速上漲到測(cè)量上限時(shí)，若不能及時(shí)插棒，堆芯很快將進(jìn)入發(fā)熱區(qū)，而此時(shí)系統(tǒng)狀態(tài)可能都沒(méi)有做好相應(yīng)的準(zhǔn)備，引發(fā)的后果不可預(yù)計(jì)。

（3）試驗(yàn)中通常通過(guò)兩種方式改變反應(yīng)性，如調(diào)硼法刻棒的風(fēng)險(xiǎn)在于連續(xù)的反應(yīng)性引入，而要靠控制棒回調(diào)功率水平，若控制棒不能及時(shí)回插，稀釋累計(jì)的正反應(yīng)性將持續(xù)增加。

1.4.2 配合實(shí)驗(yàn)操作總結(jié)

（1）操縱員要提前對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及條件進(jìn)行了解，對(duì)實(shí)驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)及當(dāng)前工況的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估，對(duì)所需的操作做到心中有數(shù)。

（2）在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，時(shí)刻注意堆芯反應(yīng)性安全，如有超控的情況應(yīng)立即停止實(shí)驗(yàn)，以穩(wěn)定反應(yīng)堆安全為主，防止安全事件發(fā)生。

（3）歷次實(shí)驗(yàn)中多次出現(xiàn)過(guò)蒸發(fā)器水位失控導(dǎo)致的停堆及控制棒落棒停堆事故，針對(duì)此，實(shí)驗(yàn)中應(yīng)注意堆、機(jī)操之間的配合及及時(shí)響應(yīng)，明確二回路蒸汽排放方式對(duì)一回路溫度的控制，避免平均溫度變化過(guò)大;明確實(shí)驗(yàn)中修改的保護(hù)定值及動(dòng)作情況。

2 防止反應(yīng)性事故策略

2.1 保證足夠的停堆深度

足夠的停堆深度應(yīng)保證：

（1）反應(yīng)堆可以在各種運(yùn)行情況達(dá)到次臨界

（2）與假想事故工況有關(guān)的反應(yīng)性瞬態(tài)可控制在允許的限制范圍內(nèi)。

（3）反應(yīng)堆可保持足夠的次臨界度以防止停堆情況下意外的臨界。

停堆深度要求：

運(yùn)行模式1、2*、3*、4A、4B、5，停堆深度必須≥2.0%Δk/k。

運(yùn)行模式6，a.Keff≤0.95，它包括1.0%△K/K的保守的不確定性誤差，或b.硼濃度2300～2500PPm，它包括由于不確定性所需的保守裕量。

措施：停堆深度不在限值以內(nèi)，暫停所有操作包括更換堆芯或正反應(yīng)性變化，立即用7000～7700ppm濃度的硼酸溶液按≥11.2t/h的速度開始并持續(xù)硼化，直到恢復(fù)所要求的停堆深度為止。

2.2 保證反應(yīng)性有效監(jiān)視

停堆期間要保證核測(cè)儀表的正常正確工作，尤其是源量程及其音響裝置、中間量程、硼濃度計(jì)可用狀態(tài)，密切關(guān)注核測(cè)儀表計(jì)數(shù)率及周期變化;保證冷卻劑硼濃度連續(xù)監(jiān)測(cè)，RCS硼濃度按規(guī)定的頻率取樣分析。

2.3 保證緊急注硼的有效性

當(dāng)發(fā)生反應(yīng)性事故時(shí)，需立即通過(guò)手動(dòng)方式緊急注硼方式向堆芯增加負(fù)反應(yīng)性，維持堆芯停堆深度及次臨界度。

硼水水源：換料水箱，硼酸儲(chǔ)存箱，安注箱

緊急注硼方式：

（1）正常運(yùn)行方式（一臺(tái)離心上充泵可用+上充管線+硼水水源）注硼。

（2）備用運(yùn)行方式1（一臺(tái)安注泵及（下轉(zhuǎn)第166頁(yè)）（上接第189頁(yè)）其注入管線可用+換料水箱可用）注硼。

（3）備用運(yùn)行方式2（備用停冷系統(tǒng)可用+換料水箱可用）注硼。

（4）手動(dòng)觸發(fā)安注信號(hào)注硼。

3 建議

（1）啟停堆期間對(duì)反應(yīng)性的影響因素較多，而緩解事故后果主要靠操縱員正確及時(shí)的干預(yù)，例如硼的緊急注入等均需要操縱員的手動(dòng)操作，如果能針對(duì)不同工況增設(shè)自動(dòng)監(jiān)視保護(hù)邏輯，當(dāng)發(fā)生非可控正反應(yīng)性引入，導(dǎo)致高中子通量停堆信號(hào)，則自動(dòng)觸發(fā)注硼動(dòng)作，同時(shí)隔離可能的稀釋水源，可有效減少操縱員誤操作的后果。

（2）本廠硼化稀釋操作過(guò)程中，僅能監(jiān)視硼化、稀釋水量，沒(méi)有補(bǔ)給水的硼濃度直接監(jiān)測(cè)?？山Y(jié)合其它電廠設(shè)計(jì)，在上充流量上設(shè)置硼表監(jiān)視，當(dāng)補(bǔ)給水硼濃度與一回路硼濃度相差較大時(shí)，自動(dòng)停止補(bǔ)水。

（3）停堆工況下，本廠針對(duì)一團(tuán)清水造成的快速硼稀釋事故在設(shè)計(jì)上的重視程度還不夠。在設(shè)計(jì)上可實(shí)現(xiàn)在啟堆的稀釋過(guò)程中，如果一旦主泵電源喪失，主泵停運(yùn)，則V02-216開啟，V02-104A/B關(guān)閉，從而使上沖水源切換至換料水箱。法國(guó)M310型核電站及我國(guó)嶺澳核電站均已采用此設(shè)計(jì)，而在恰?，擟-2設(shè)計(jì)上也實(shí)現(xiàn)了當(dāng)主泵失電情況下自動(dòng)切換上充泵水源至換料水箱，可有效防止因主泵引起的快速硼稀釋事故。

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