秦山第二核電廠反應(yīng)堆冷卻劑中10B豐度對(duì)反應(yīng)堆監(jiān)督的影響分析

劉 臻，王澄瀚

(中核核電運(yùn)行管理有限公司，浙江 海鹽 314300)

硼酸是一種可溶性的化學(xué)補(bǔ)償反應(yīng)性毒物，通常加入反應(yīng)堆一回路冷卻劑中用以控制堆芯的反應(yīng)性。硼有兩種穩(wěn)定的同位素10B和11B，天然硼中10B豐度數(shù)值并不固定，依產(chǎn)地的不同，該數(shù)值有所區(qū)別，比較常用的數(shù)值為19.8%。

國內(nèi)核電廠在近年的反應(yīng)堆運(yùn)行過程中，陸續(xù)發(fā)現(xiàn)一些與10B豐度變化相關(guān)的現(xiàn)象。對(duì)此，核電廠和設(shè)計(jì)院等業(yè)內(nèi)單位對(duì)冷卻劑中的10B豐度變化開展了一系列的研究工作[1-2]。同時(shí)，部分核電廠也逐步開展了對(duì)冷卻劑中10B豐度進(jìn)行測量的工作[3]。

秦山第二核電廠也對(duì)冷卻劑中的10B豐度變化進(jìn)行了持續(xù)的分析和研究，本文簡要論述了秦山第二核電廠堆芯冷卻劑中10B豐度的變化對(duì)堆芯監(jiān)督的影響及解決。

1 原理

硼酸參與反應(yīng)性控制主要是利用10B的核特性，10B的熱中子吸收截面很大，約為3 800靶，其核反應(yīng)為10B(n，α)7Li，在有些情況下10B吸收中子后，放出兩個(gè)α粒子形成氚。這兩個(gè)核反應(yīng)都會(huì)消耗10B，而11B則基本不會(huì)消耗。秦山第二核電廠機(jī)組采用基負(fù)荷運(yùn)行模式，一般不參與調(diào)峰，因此堆芯功率較為穩(wěn)定，只有在調(diào)門試驗(yàn)等需要降功率的情況下才會(huì)向堆芯注入硼酸，這樣冷卻劑中的硼酸相對(duì)封閉，其在經(jīng)過堆芯時(shí)會(huì)不斷與中子發(fā)生核反應(yīng)，最終使得10B豐度逐漸減小。

堆芯硼濃度的化學(xué)取樣測量采用的是酸堿中和滴定分析原理[4]，分析得出的結(jié)果是硼的濃度。由于10B豐度的變化，該測量硼濃度就與我們想要知道的真實(shí)的“硼濃度”產(chǎn)生偏差，并對(duì)硼濃度監(jiān)督產(chǎn)生一定影響。特別是實(shí)施長循環(huán)后，由于堆芯燃耗加深，運(yùn)行時(shí)間變長，10B豐度的變化對(duì)堆芯監(jiān)督的影響會(huì)更大。

2 10B豐度變化對(duì)臨界硼濃度監(jiān)督的影響及解決

首先，秦山第二核電廠在多個(gè)燃料循環(huán)中，都曾出現(xiàn)過堆芯測量臨界硼濃度與理論預(yù)計(jì)值的偏差接近或超過±50×10-6驗(yàn)收準(zhǔn)則的現(xiàn)象。

其次，堆芯測量臨界硼濃度與理論預(yù)計(jì)值偏差的變化趨勢曲線，如果不考慮10B豐度變化的因素，多呈現(xiàn)出拱形曲線。圖1是秦山第二核電廠某循環(huán)的硼跟蹤曲線。

事實(shí)上，不論是堆芯測量臨界硼濃度與理論預(yù)計(jì)值偏差較大，還是堆芯測量臨界硼濃度與預(yù)計(jì)值偏差曲線呈現(xiàn)“拱形”，都不能反應(yīng)出硼在堆芯真實(shí)的情況，主要原因就在于冷卻劑中10B豐度變化。

圖1 堆芯臨界硼濃度跟蹤曲線Fig.1 Critical boron concentration follow up curve

秦山第二核電廠使用的硼酸為沒有進(jìn)行10B富集的天然硼，堆芯核設(shè)計(jì)中使用的10B豐度值為19.8%。在反應(yīng)堆運(yùn)行過程中，冷卻劑中的10B豐度會(huì)有一定變化，從而偏離了19.8%的理論值。

10B豐度的變化與運(yùn)行過程相關(guān)，機(jī)組在運(yùn)行過程中停堆或者負(fù)荷變化次數(shù)多，則硼化量較多，10B豐度的變化就小一些，否則10B豐度的變化就大。

解決10B豐度對(duì)堆芯臨界硼濃度監(jiān)督影響的方法主要有兩種。

第一種方法是考慮10B燃耗和化容系統(tǒng)的硼化數(shù)據(jù)后，對(duì)10B豐度進(jìn)行理論計(jì)算，給出考慮了10B豐度后的理論預(yù)計(jì)硼濃度。對(duì)秦山第二核電廠臨界硼濃度超過驗(yàn)收準(zhǔn)則的運(yùn)行工況重新計(jì)算后，堆芯測量臨界硼濃度與理論預(yù)計(jì)值偏差都小于50×10-6。

根據(jù)考慮了10B豐度的理論預(yù)計(jì)硼濃度重新繪制堆芯臨界硼濃度跟蹤曲線后，曲線也不存在“拱形”的狀況。圖2是對(duì)圖1的數(shù)據(jù)重新計(jì)算和繪制的曲線。該曲線更能反應(yīng)出堆芯臨界硼濃度的實(shí)際運(yùn)行情況。

圖2 考慮理論10B豐度變化的堆芯臨界硼濃度跟蹤曲線Fig.2 Critical boron concentration follow up curve considered calculated 10B abundance

解決10B豐度對(duì)堆芯臨界硼濃度監(jiān)督影響的第二種方法是對(duì)冷卻劑中的實(shí)際10B豐度進(jìn)行測量。

為測量冷卻劑劑中的10B豐度，秦山第二核電廠引入了電感耦合等離子體質(zhì)譜儀[3]。該設(shè)備對(duì)冷卻劑中的10B豐度測量具有分析精度較高、測量速度滿足現(xiàn)場需求的特點(diǎn)，可用于工程實(shí)踐。

目前秦山第二核電廠已經(jīng)建立了定期進(jìn)行10B豐度測量的工作。表1是部分測量結(jié)果。

表1 秦山第二核電廠某循環(huán)10B豐度測量結(jié)果

表1的數(shù)據(jù)也表明，在機(jī)組運(yùn)行中，冷卻劑中的10B豐度有比較大的變化。

通過測量得到10B豐度后，可通過式(1)對(duì)測量臨界硼濃度進(jìn)行修正[5]。

(1)

式中：

CBR——經(jīng)過10B豐度修正的臨界硼濃度，10-6；

CBM——測量臨界硼濃度，10-6；

AB10R——堆芯冷卻劑中的實(shí)際10B豐度，無量綱；

AB10D——堆芯設(shè)計(jì)時(shí)使用的10B豐度，無量綱。

通過10B豐度修正的測量臨界硼濃度，與理論預(yù)計(jì)值進(jìn)行比較和進(jìn)行臨界硼濃度跟蹤曲線的繪制，可得到更接近實(shí)際情況的結(jié)果。圖3使用表1的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算后，兩者的比較。

圖3 經(jīng)實(shí)測10B豐度修正后的臨界硼濃度偏差Fig.3 Critical boron concentration deviation follow up curve considered measured 10B abundance

3 10B豐度變化對(duì)堆芯壽期預(yù)測的影響及解決

通過硼降速率的計(jì)算，并結(jié)合冷卻劑中臨界硼濃度的外推是堆芯壽期預(yù)測的一種常用手段。該方法可以和燃耗外推相結(jié)合共同預(yù)測堆芯壽期，為停堆換料大修計(jì)劃提供依據(jù)。

腎臟病變：腎病引起的水腫有急有慢，急性病相對(duì)容易治療，慢性腎病則往往積重難返。故及時(shí)發(fā)現(xiàn)、及時(shí)治療非常重要，必要時(shí)還需腎臟穿刺以明確診斷、指導(dǎo)治療。腎臟病患者的日常飲食亦要加以調(diào)養(yǎng)，癥狀較輕且合并血漿蛋白降低時(shí)，不妨多吃一些高蛋白食物，如魚、蛋和奶等（而中重癥腎病特別是合并尿毒癥的患者則需限制蛋白的攝入）；蘿卜、冬瓜和絲瓜等也有明顯的利尿作用。

但是由于10B豐度在壽期中的不同，一方面使堆芯測量臨界硼濃度“失真”，另一面也使硼降速率“失真”，使得利用硼濃度外推預(yù)測的堆芯壽期與實(shí)際壽期產(chǎn)生較大偏差，也與燃耗外推的結(jié)果產(chǎn)生較大的偏差。

表2列出了秦山第二核電廠某循環(huán)的堆芯壽期預(yù)測。

表2 堆芯壽期預(yù)測

可見，基于硼濃度外推得到的停堆日期有較大波動(dòng)，而且在壽期中與實(shí)際結(jié)果偏差較大。建議將硼濃度外推預(yù)測的堆芯壽期作為參考，而主要使用燃耗外推結(jié)果作為依據(jù)。

4 10B豐度變化對(duì)反應(yīng)堆恢復(fù)臨界計(jì)算的影響及解決

4.1 10B豐度變化對(duì)反應(yīng)性平衡計(jì)算臨界參數(shù)的影響及解決

反應(yīng)堆恢復(fù)臨界時(shí)，需要預(yù)先計(jì)算臨界棒位和臨界硼濃度。使用反應(yīng)性平衡計(jì)算臨界參數(shù)是常用的做法。

若堆芯冷卻劑中10B豐度偏離19.8%較多，則在堆芯臨界硼濃度較高時(shí)，進(jìn)行反應(yīng)性平衡計(jì)算時(shí)需要考慮停堆過程。因?yàn)樵谕６堰^程中如果向堆芯注入了硼酸，則會(huì)改變堆芯冷卻劑中的10B豐度，特別是冷停堆，停堆時(shí)會(huì)向堆芯注入大量的硼酸，冷卻劑中的10B豐度改變較大，若在反應(yīng)性平衡計(jì)算中不考慮10B豐度的變化，則計(jì)算得到的臨界硼濃度會(huì)偏大。

解決這一問題需要考慮停堆過程中由于硼化導(dǎo)致的冷卻劑中10B豐度的改變?？梢栽谕６亚昂屯６押蠓謩e測量冷卻劑中的10B豐度，也可以測量其中的一次，然后使用考慮10B豐度的硼化公式[2]計(jì)算另一次的10B豐度。

得到停堆前和停堆后的10B豐度后，對(duì)臨界硼濃度進(jìn)行修正，即可得到更準(zhǔn)確的恢復(fù)臨界硼濃度。

表3計(jì)算了假設(shè)秦山第二核電廠某循環(huán)在不同燃耗下停堆后，使用反應(yīng)性平衡計(jì)算的臨界硼濃度由于10B豐度的因素造成的偏差。

表3 使用反應(yīng)性平衡計(jì)算的臨界硼濃度

4.2 10B豐度變化對(duì)程序計(jì)算臨界參數(shù)的影響及解決

恢復(fù)臨界時(shí)，計(jì)算臨界參數(shù)的另一種方法是使用程序計(jì)算。

使用程序計(jì)算的堆芯臨界硼濃度是否考慮10B燃耗，對(duì)計(jì)算結(jié)果影響很大。表4是ORIENT[6]程序計(jì)算的秦山第二核電廠某循環(huán)不同燃耗下的臨界硼濃度。

表4 ORIENT計(jì)算的臨界硼濃度

表4的計(jì)算僅考慮了10B燃耗，而未考慮堆芯的硼化。實(shí)際上由于機(jī)組在功率運(yùn)行過程中，存在硼化情況，所以實(shí)際的臨界硼濃度往往介于表4的兩個(gè)硼濃度之間。若不知道堆芯冷卻劑中的實(shí)際10B豐度，事實(shí)上很難用程序計(jì)算得到較為準(zhǔn)確的恢復(fù)臨界硼濃度。

解決該問題的方法為測量堆芯冷卻劑中的10B豐度和考慮停堆過程中10B豐度的變化。

使用冷卻劑中的10B豐度修正堆芯臨界硼濃度，并與程序計(jì)算的結(jié)果比較，得到程序臨界計(jì)算偏差；根據(jù)停堆后冷卻中10B豐度的變化，修正程序恢復(fù)臨界硼濃度計(jì)算結(jié)果?？紤]這兩個(gè)因素后，使用程序即可計(jì)算得到較為準(zhǔn)確的恢復(fù)臨界硼濃度。

5 結(jié)論

經(jīng)過本文分析，結(jié)論如下：

1)堆芯冷卻劑中10B豐度的變化對(duì)臨界硼濃度監(jiān)督有較大影響，需要通過10B豐度的測量或者考慮10B燃耗的理論預(yù)計(jì)硼濃度用于硼濃度監(jiān)督；

2)堆芯冷卻劑中10B豐度的變化對(duì)使用硼降速率預(yù)測循環(huán)壽期產(chǎn)生不利影響，建議將硼濃度外推預(yù)測的堆芯壽期作為參考，而主要使用燃耗外推結(jié)果作為依據(jù)；

3)堆芯冷卻劑中10B豐度的變化對(duì)反應(yīng)堆恢復(fù)臨界硼濃度的計(jì)算有較大影響，因此計(jì)算中需要考慮停堆前的10B豐度和停堆硼化后的10B豐度。