取消二次中子源技術(shù)的效益分析

王勇智　焦健　詹勇杰

[摘? ? 要 ]自2016年開始秦山核電基地7臺壓水堆機(jī)組已陸續(xù)開始取消二次中子源技術(shù)改造，目前已完成4臺機(jī)組的改造。本文簡要介紹了無源技術(shù)的原理和實際應(yīng)用，詳細(xì)介紹了壓水堆無源技術(shù)應(yīng)用帶來的各項效益。通過研發(fā)無源技術(shù)，突破了650 MW機(jī)組特有的厚反射層帶來的技術(shù)挑戰(zhàn)，具有很有的創(chuàng)新意義和示范意義，同時這項技術(shù)具有良好的經(jīng)濟(jì)效益、安全效益和環(huán)保效益。

[關(guān)鍵詞]二次中子源;650 MW機(jī)組;氚排放

[中圖分類號]TL 326[文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A [文章編號]2095–6487（2020）06–00–03

Benefit Analysis of Canceling Secondary Neutron Source Technology

Wang Yong-zhi， Jiao Jian， Zhan Yong-jie

[Abstract]Since 2016， the 7 pressurized water reactor units of Qinshan Nuclear Power Base have successively cancelled the technical renovation of the secondary neutron source， and the renovation of 4 units has been completed. This article briefly introduces the principle and practical application of passive technology， and details the benefits brought by the application of passive technology in pressurized water reactors. Through the research and development of passive technology， it has broken through the technical challenges brought by the unique thick reflective layer of the 650 MW unit， and has great innovative and demonstration significance. At the same time， this technology has good economic， safety and environmental benefits.

[Keywords]secondary neutron source; 650 MW unit; tritium emission

核電廠取消二次中子源研發(fā)項目主要來自安全性、經(jīng)濟(jì)性和氚排放壓力的考量，二次中子源的設(shè)計使用壽命為15年，每次機(jī)組大修都需重新插拔，因此使用存在破損和失效的風(fēng)險，國內(nèi)外都發(fā)生過這種案例。二次中子源需要采購，而且在堆內(nèi)輻照會產(chǎn)生較多的氚排放，因此國際上不少核電站取消了二次中子源使用，這樣可以解決上述問題。

秦山核電基地4臺650 MWe機(jī)組和1臺320 MWe機(jī)組，分別于2016年和2017年獲得國家核安全局批準(zhǔn)，并陸續(xù)實施了無源技術(shù)的技術(shù)改造，因此積累了豐富的實際經(jīng)驗，應(yīng)用效果非常好。

本文簡要介紹了無源技術(shù)原理，詳細(xì)分析這項技術(shù)給核電廠帶來的各種效益：經(jīng)濟(jì)效益、安全效益以及環(huán)境效益和創(chuàng)新意義。

1 無源技術(shù)簡介

1.1 理論分析

根據(jù)點堆動力學(xué)方程可以得到中子密度和外加中子源源強(qiáng)的關(guān)系[1]：

因此從理論上分析，堆內(nèi)中子密度n與中子源強(qiáng)度S呈正比關(guān)系，與1-Keff呈反比關(guān)系，外加中子源強(qiáng)度越大，堆芯中子密度越大。因此只要選擇源強(qiáng)足夠大的已輻照燃料組件，就可以替代二次中子源，實現(xiàn)無源裝料和啟堆。

1.2 模擬計算

以650 MW壓水堆機(jī)組為例，通過對已輻照燃料組件源強(qiáng)的影響因素進(jìn)行理論分析，發(fā)現(xiàn)燃耗深度、停堆冷卻時間會影響源強(qiáng)大小，但是燃耗深度對源強(qiáng)的影響最明顯，如圖1和圖2所示。

從圖1可知，選擇已輻照燃料組件的燃耗深度大于36000 MWT/TU，就能克服厚反射層的屏蔽影響，堆外探測器的中子計數(shù)率就能滿足技術(shù)要求。通過多次現(xiàn)場實驗測試，與理論計算結(jié)果吻合較好，驗證了理論計算的正確性。

2 應(yīng)用效果

2016年至今，無源技術(shù)分別在320 MWe和650 MWe機(jī)組上連續(xù)應(yīng)用多年，完全實現(xiàn)了無源裝料、無源啟堆、無源卸料。表1是650 MWe機(jī)組無源啟堆和有源啟堆的對比，只是中子計數(shù)率有所降低，所有的技術(shù)參數(shù)均滿足相關(guān)技術(shù)要求，應(yīng)用效果非常好。

3 效益分析

3.1 經(jīng)濟(jì)效益分析

中國核電旗下的同類已投運(yùn)壓水堆機(jī)組共17臺：海南核電2臺、福清核電6臺、田灣2臺、秦山基地7臺。其中秦山核電累計應(yīng)用5臺，目前該技術(shù)的推廣比例大約30%。按照目前二次中子源的采購價格，單臺機(jī)組全壽期可節(jié)省300～400萬的二次中子源采購費(fèi)用。隨著技術(shù)持續(xù)推廣，僅僅中國核電旗下17臺同類機(jī)組，預(yù)計累計可節(jié)省超過5，000萬人民幣的采購費(fèi)用，經(jīng)濟(jì)效益顯著。如果國內(nèi)現(xiàn)有的40多臺的壓水堆機(jī)組全部使用無源技術(shù)，則經(jīng)濟(jì)效益可達(dá)上億元。

3.2 安全效益分析

傳統(tǒng)有源裝卸料，每次大修裝料后，需要重新對二次中子源進(jìn)行插拔[2]，這樣可能帶來輻射風(fēng)險，增加人員的受照射劑量，現(xiàn)在國內(nèi)核電廠對人員的劑量水平的控制較為嚴(yán)格，每年的受照射劑量有嚴(yán)格的限制。因此取消二次中子源以后，就不需要上述的插拔倒換工作，避免人員的誤照射。因此具有很好的安全效益。

3.3 環(huán)保效益分析

秦山核電機(jī)組眾多，氚排放壓力較大，取消二次中子源研發(fā)項目可有效緩解氚排放壓力。因為在壓水堆堆芯內(nèi)放置的二次中子源受到中子活化后會產(chǎn)生大量的氚。這部分氚在二次源組件中積存，其中一部分通過包殼滲透到反應(yīng)堆冷卻劑中，隨著秦二廠機(jī)組陸續(xù)取消二次中子源，堆芯內(nèi)氚產(chǎn)生量應(yīng)該呈現(xiàn)下降趨勢。

秦二廠U1C14和U1C15循環(huán)均為取消二次中子源后循環(huán)，圖3中取消二次中子源后U1C14和U1C15循環(huán)主系統(tǒng)氚比活度平均值，較取消前的U1C13循環(huán)明顯偏小，對比圖3同樣進(jìn)入長循環(huán)的U2C12和U2C13循環(huán)主系統(tǒng)氚比活度平均值，也小了30%，印證了取消二次中子源確實能降低機(jī)組氚產(chǎn)生量。

通過兩次氚普查，統(tǒng)計普查期間排放總量，進(jìn)而算出雙機(jī)組氚年產(chǎn)生量，之所以要同時對3/4號機(jī)組進(jìn)行氚普查，是為了獲取在長循環(huán)狀態(tài)下，沒有取消二次中子源雙機(jī)組氚的產(chǎn)生量。方法如圖4所示：

通過氚產(chǎn)量和普查分析，可以定量算出取消二次中子源會減少氚的產(chǎn)生量約為12%，由于秦二廠氚排放量已占到限值70-80%，排放壓力巨大，取消二次中子源將極大的緩解排放壓力，減少氚的排放總量，具有良好的環(huán)境效益。

3.4 創(chuàng)新意義

650 MWe壓水堆機(jī)組的技術(shù)難度較大，相比1000 MWe機(jī)組，秦山核電650 MW機(jī)組無源技術(shù)成功克服自身特有的厚反射層技術(shù)瓶頸，通過大量的理論計算和實驗測試，研發(fā)了獨特的無源技術(shù)。該技術(shù)具有創(chuàng)新意義和示范性，創(chuàng)新意義主要體現(xiàn)在以下幾方面：

（1）創(chuàng)新點1：克服了650 MW機(jī)組特有的厚反射層導(dǎo)致堆外探測器中子計數(shù)可能低于探測下限的技術(shù)挑戰(zhàn);

（2）創(chuàng)新點2：顯著減少氚排放，有效減輕環(huán)境排放壓力;

（3）創(chuàng)新點3：減少大修期間抽插導(dǎo)致二次中子源破損和失效風(fēng)險和人員輻照風(fēng)險。

4 結(jié)論

秦山核電基地?zé)o源技術(shù)的研發(fā)和應(yīng)用，表明通過技術(shù)創(chuàng)新和實踐，可以解決長期困擾核電廠的一些技術(shù)問題，有效降低核電廠的氚排放，降低二次中子源破損或泄露帶來的安全風(fēng)險和人員輻射風(fēng)險，節(jié)省二次中子源采購費(fèi)用，具有良好經(jīng)濟(jì)效益、環(huán)保效益、安全效益和創(chuàng)新意義。

參考文獻(xiàn)

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