核电厂控制棒综合试验安全限制研究

徐霞军，李 伟，袁屹昆，罗 慧

(江苏核电有限公司，江苏 连云港 222042)

某核电厂2台百万千瓦级压水堆核电机组已投入商业运行。为提高机组安全性，该核电厂在设计中采取了一系列重要措施，包括安全系统四通道、堆芯熔融物捕集器、全数字化仪控系统、反应堆厂房双层安全壳等，其安全设计优于当前世界上正在运行的绝大部分压水堆核电厂，在某些方面已达到国际上第三代核电技术水平。

由于控制棒数目较多、控制逻辑复杂，相比其他先进核电厂，该核电厂控制棒综合试验占用大修主线时间比较长，影响了整体大修进度，有必要对其进行分析论证。

1 控制棒综合试验

控制棒综合试验是对控制棒和棒控棒位系统进行的综合测试，是在机组每次换料大修期间、反应堆换料后首次启动之前，用于保证控制棒和棒控棒位系统在机组启动和功率运行期间安全稳定运行的一项工作，是机组大修后临界的先决条件之一，也是国家核安全局重点监督的项目之一。

控制棒综合试验内容包括：

(1) 控制棒单棒试验，用以测量每束控制棒的特性参数；

(2) 控制棒成组试验，用以测试控制棒组在手动、半自动、自动等模式下的特性参数和控制逻辑;

(3) 控制棒落棒试验，用以测量控制棒在机组全流量状态下的落棒时间。

核电厂大修中，控制棒综合试验时间安排如下:

(1) 单棒试验安排在机组冷态(温度低于60℃)下进行，不需占用大修主线；

(2) 控制棒成组试验和落棒试验安排在反应堆热态(温度高于270 ℃)下进行，需要占用大修主线27 h；

(3) 在机组从冷态到热态的加热过程(至少30h)中不安排控制棒试验。

2 控制棒综合试验安全限制

2.1 安全限制对试验时间的影响

核电厂大修中，控制棒综合试验的安全限制：

(1) 在机组加热过程中禁止成组提升控制棒；

(2) 在成组提升控制棒过程中，每提升堆芯高度的10%，应停顿60s；

(3) 最多允许1组控制棒在堆芯的上限位，另一组控制棒不超过堆芯高度的60 %，其余控制棒应全部处于控制棒的下限位；

(4) 试验过程中，如果堆外核测系统显示反应堆周期低于60s，应暂停提升控制棒。

在控制棒综合试验过程中，上述2～4条安全限制的目的在于限制控制棒的提升速率和数量，对占用大修主线时间的影响不大。第1条安全限制决定了控制棒成组试验和落棒试验只能安排在机组热态(大修主线)下进行，这是控制棒综合试验占用大修主线时间的根本原因。

2.2 安全限制分析

第1条安全限制的根本目的是，在反应堆临界前的控制棒试验过程中，控制正反应性的引入速度，保证堆芯次临界度处于安全限值内。第1条安全限制实际上是针对正反应性引入的一个定性规定。

核电厂技术规格书规定了核电机组在各个不同状态的运行限值和安全限值，是核电机组运行所必须遵守的最终安全规范。在该核电厂的技术规格书中，根据反应堆的不同状态，对于增值系数(反应性)均有明确的限值要求，而反应性可以通过理论计算得出。如果计算得出在机组加热过程中进行控制棒成组试验的次临界度满足技术规格书的限值要求，即可考虑在一回路加热过程中安排控制棒成组试验，这将极大地优化大修主线时间。

3 安全限制的分析论证

3.1 技术规格书的规定

对应于反应堆不同状态，技术规格书对增值系数的限值要求如表1所示。

表1 技术规格书的限值要求

增值系数K和反应性ρ的对应换算关系为：

ρ=1-1/K 。

由上述对应关系可以得出，当机组处于冷态、加热和热态时，技术规格书对反应性的限值要求：

(1) 冷态下，ρ<-2 %；

(2) 加热过程中，ρ<-2 %；

(3) 热态下，ρ<-1 %。

反应性(负值)越小，堆芯次临界度越大，反应堆越安全。

3.2 加热过程成组提升控制棒可行性分析

在机组加热过程中，按照安全限制第3条的规定，将价值最大的2组控制棒一组提到堆芯上限位，另一组提到60 %堆芯高度，反应性最大值仍然小于-16 %，完全满足技术规格书中在加热过程中反应性小于-2 %的要求。

考虑极限情况，在加热过程中，所有10组控制棒均提出堆芯，依靠硼效应，试验所得的反应堆反应性最大值为-7.93 %，依然满足技术规格书中在加热过程中反应性小于-2 %的要求。

3.3 安全限制的量化

基于理论计算和实际参数记录，对控制棒综合试验的安全限制进行量化分析，可以得出：在机组加热过程中，成组提升控制棒(一组提到堆芯上限位，另一组提到60 %堆芯高度)是可行的，在此期间安排控制棒成组试验和落棒试验是满足核安全要求的。

为了保证核安全，在试验过程中应制定比技术规格书限值更为严格的反应性限值规定。对原有安全限制进行量化，第1第安全限制可修改为：在试验过程中，如果反应性大于-10 %，立即停止提升控制棒。

4 应用效果和评价

4.1 应用效果

在电厂第3次大修中，依据新的安全限制，在机组加热过程中安排了控制棒成组试验和落棒试验。实施效果如下：

（三）充分发挥资本市场作用，促进房地产市场平稳过渡。 资金定价缺乏市场化机制，资产荒及高杠杆是导致资金严重趋“炒”避“住”，资金大量涌入制造炒房市场的重要原因。应完善多层次资本市场体系，创造多元化投资渠道和多样化投资工具，促进资金供求匹配，完善涉及房地产金融工具的杠杆制度。继续扩大房地产租赁领域资产证券化，综合考虑REITs（房地产信托投资基金）产权结构、税务安排、信托（SPV）管理办法等，实现长租公寓领域金融创新，同时防止实施过程中出现新的风险。

(1) 在机组加热过程进行的控制棒成组试验中，反应性始终小于-22 %，周期为无穷大，满足次临界度要求，见表2；

表2 试验实际参数与技术规格书要求比较

(2) 在4台主泵全部启动后(一回路全流量)，进行控制棒落棒试验中，反应性始终小于-14 %，周期为无穷大，满足次临界度要求；

(3) 控制棒成组试验和落棒试验均安排在一回路加热时进行，没有占用大修主线；

(4) 在一回路全流量(加热过程中)时测得的落棒时间与热态下测得的落棒时间基本一致。

经过后续物理试验和机组运行考验，控制棒系统运行正常，未出现影响机组安全稳定运行的缺陷。

相对于此前大修控制棒综合试验要占用大修主线27 h，电厂第3次大修在没有减少试验项目、满足技术规格书限值规定的条件下，未占用大修主线，缩短了大修工期，提高了电厂经济效益，增加了电厂负荷因子。

按照新的安全限制，控制棒综合试验在最近的4次大修中均未占用大修主线时间，每年可为电厂创造数千万元的直接经济效益。

相对于国内同类核电厂，该核电厂控制棒数目最多、控制逻辑最复杂，然而经过改进后，控制棒综合试验占用大修主线时间却最短。

4.2 应用评价

经专家组鉴定，对项目给出如下鉴定意见：

(1) 在国内外同类核电厂中首次对控制棒综合试验限制条件进行量化。考虑冷却剂温度、堆芯硼酸浓度和控制棒位置等参数对反应堆反应性的影响，对堆芯反应性进行了量化计算，将原来定性的限制条件定量化，提供了一种基于反应性定量控制的新型试验方法；

(2) 以新的量化条件为依据，创造了国内、国际同类核电厂中将控制棒成组试验和落棒试验均安排在机组加热状态进行，而不占用大修主线时间的先例；

(3) 该成果达到了国际先进水平。