次临界或低功率启动工况下控制棒组失控抽出事故DNBR裕量分析

毛玉龙，程艳花，崔大伟，赵常有，陈 军

(中科华核电技术研究院，广东 深圳 518026)

次临界或低功率启动工况下控制棒组失控抽出事故定义为RCC-P Ⅱ类事故(中等频率事故)。控制棒组件的抽出使得堆芯反应性失控增加，堆芯功率瞬时剧增，堆芯径向和轴向功率峰值因子迅速增大，在热停堆扩展状态下导致堆芯可能发生DNB。

由于该事故瞬态工况的恶劣性，一直是传统压水堆核电厂安全分析的极限事故之一[1]。本文结合典型三环路压水堆核电厂研发项目，分析热停堆状态下不同停堆棒组组合对DNBR裕量的影响，提出热停堆状态下停堆棒组布置的优化建议。

1 分析方法

1.1 反应堆保护

控制棒组件失控抽出导致的堆芯功率剧增通过多普勒效应的负反馈作用限制。

反应堆保护通过功率量程高中子通量的低整定值提供。核功率峰值触发的反应堆跳堆，用于确保燃料的完整性。在瞬态分析中，除功率量程高中子通量触发停堆外，其他所有的反应堆保护都保守性地不予考虑。

1.2 计算方法

本事故采用三/一维中子学模型和热工模型弱耦合的分析方法。三维SMART和一维ESPADON中子学程序用于计算中子学参数，包括抽出棒组价值、反应性引入速率、热通道焓升因子FΔH。热工水力瞬态CANTAL程序用于计算堆芯瞬态过程中反应性引入和一回路热工水力特性参数。子通道热工水力程序FLICA Ⅲ-F用于验证DNBR的准则。

1.3 计算假设

计算假设：1) G1、G2、N1、N2、R(SA)控制棒组完全插入；2) 临界堆芯；3) 初始功率为10-13FP；4) 冷却剂流量为两台泵运行时的流量；5) 初始冷却剂入口温度为热态零功率值加上最大稳态控制和测量误差；6) 初始稳压器压力考虑热停扩展状态时的压力。

该事故所研究的事件为堆芯初始状态下所有可能抽出的两组棒失控抽出。瞬态起始时两组棒处于完全插入的位置，假设两组棒以完全叠步的最大速度抽出。该假设会得到非常保守的反应性引入速率，远高于实际零功率时的反应性引入速率。

2 初始停堆SA棒组状态对DNBR裕量的影响

在事故进程中，假设两组棒失控抽出，引起堆芯功率径向分布不均匀，其不均匀性与初始堆芯控制棒组的状态相关。

本文就堆芯处于热停状态时，对SA棒组的初始状态位置进行敏感性分析。考虑SA棒组初始分别位于堆芯内部(全部插入)和堆芯外部(全部抽出)两种状态下，事故瞬态过程对最小DNBR的影响。

2.1 SA棒组位置对堆芯径向功率峰值的影响

在分析堆芯径向功率分布时，考虑所有可能的两组棒失控抽出，以得到包络的堆芯径向功率峰值因子。这部分中子学参数通过SCIENCE程序进行分析。

当SA棒组初始位于堆内时，形成堆芯最高径向功率峰值的棒组组合为N1和SA。初始时刻与棒组失控抽出后的堆芯径向功率分布示于图1。由图1a可知，由于初始状态下抽出组合有3束棒围绕堆芯中功率较高的组件(图1a中虚线框)，其抽出后会在所在区域释放出大量正反应性，导致附近组件的功率升得更高，热组件功率份额可达2.340 8(图1b中实线框)，增加约58%。

当SA棒组初始位于堆外时，形成堆芯最高径向功率峰值的棒组组合为N1和G1。初始时刻与棒组失控抽出后的堆芯径向功率分布示于图2。由图2a可知，初始时刻由于SA棒组抽出，堆芯中心区域的组件功率份额较高。由于抽出组合(N1和G1)时只有两束N1棒距离堆芯热组件区域位置较近(图2a中虚线框)，因此，其抽出后对堆芯热组件区域的功率影响相对较小，热组件功率份额为2.174 4(图2b中实线框)，增加约24%。

由此可看出，当SA棒组初始位于堆芯外部时，由于形成堆芯最高径向功率峰值的抽出棒组距离堆芯热组件的区域相对较远，因此，其抽出后对堆芯径向功率峰值的影响相对较弱，从而可带来有利的热工安全裕量。

2.2 SA棒组位置对堆芯功率和轴向功率分布的影响

控制棒组失控抽出后的堆芯功率和轴向功率分布，主要与抽出棒组和停堆棒组的价值相关。棒组价值的计算采用SCIENCE程序。

本文中，具有最大价值的棒组组合均来自R和N1。当SA棒组初始位于堆芯内部时，R和N1棒组抽出后引入的正反应性为3 126 pcm；而SA棒组初始位于堆芯外部时，R和N1棒组抽出后引入的正反应性为3 091 pcm。

a——堆芯初始状态；b——N1和SA棒组抽出图中方框代表燃料组件，颜色越深，代表组件的功率份额越大；方框中的数字和字符分别为燃料组件的功率份额、控制棒的类型和抽出棒位

a——堆芯初始状态；b——N1和G1棒组抽出

当控制棒组失控抽出后堆芯核功率剧增，将触发堆芯高中子通量低整定值(35%FP)跳堆。当SA棒组初始位于堆芯外部时，跳堆后将会引入更多的负反应性(表1)。对于次临界或低功率启动工况下控制棒组失控抽出事故，由于最小DNBR一般发生在停堆棒组开始下落后的0.1～0.3 s内，此时位于堆外的停堆棒组尚处于堆芯的上部区域，而此时功率峰值主要集中在堆芯底部，因而，不同的SA棒组位置下位于堆外的停堆棒组引入的反应性对堆芯底部径向和轴向功率分布影响很小。

在这两种情况下，由于抽出棒组的价值基本接近(相差约1%)且均以相同的最大速率抽出，因此，抽出棒组对堆芯功率和轴向功率分布的影响基本相同。SA棒组初始位于堆芯内部和外部时，通过热工水力瞬态程序CANTAL计算可知，瞬态过程中最大的热功率份额分别为0.292 5和0.291 1，各自对应的堆芯轴向功率分布示于图3。

表1 停堆棒组反应性引入

图3 堆芯轴向功率分布

2.3 SA棒组位置对DNBR裕量的影响

在分析事故最终的热工安全裕量时，同时考虑最大径向功率峰值因子和瞬态过程中最高的堆芯功率份额与对应的轴向功率分布，以包络所有抽出棒组的分析工况。

综合上述分析，考虑SA棒组初始位于堆芯内部和堆芯外部两种状态下，事故瞬态过程中主要的堆芯中子学参数和热工参数结果列于表2。

表2 事故瞬态过程中主要的堆芯中子学参数和热工参数

由表2可知，在SA棒组初始位于堆芯外部时，通过堆芯子通道热工水力程序FLICA Ⅲ-F分析可知，由于棒组抽出后的堆芯径向核焓升因子相对较低，从而可带来约14%的DNBR安全裕量。

2.4 SA棒组位置对堆芯热停状态硼浓度的影响

当堆芯处于热停堆状态时，如果将SA棒组抽出到堆芯外部，弥补其抽出导致的堆芯正反应性的引入，需要向堆芯注硼。在保证堆芯相同的停堆深度下，由SCIENCE程序分析可知，SA棒组抽出后，堆芯的硼浓度需由1 396 ppm增加到1 486 ppm，增加90 ppm。

3 结论

典型三环路压水堆核电厂的次临界或低功率启动工况下控制棒组失控抽出一直是Ⅱ类事故分析的卡关事故。本文重点分析了热停堆状态下不同停堆棒组组合对瞬态过程中堆芯关键中子学参数和热工状态参数的影响。通过增加堆芯硼浓度维持堆芯足够停堆深度的前提下，将SA棒组初始提出到堆芯外部，从而可降低事故进程中的堆芯径向功率峰值因子，获得较为显著的DNBR安全裕量。

参考文献：

[1] 鲁剑超. 次临界或低功率启动工况下控制棒组件失控抽出事故分析，CNIC-01775，SINRE-0113[R]. 北京：原子能出版社，2004.