压水堆核电厂换料后反应堆首次临界试验稀释均匀标准优化研究

2021-05-18洪志强郭远熊叶鉴尧

核科学与工程 2021年2期

洪志强,郭远熊,叶鉴尧

(大亚湾核电运营管理有限责任公司,广东深圳518124)

反应堆首次临界试验是核安全重要监督项目之一[1],反应堆临界意味着堆芯开始具备了对外输出能量的能力。大型压水堆电站,由于后备反应性较大,在慢化剂中加入了大量的中子毒物硼核素,以抵消较大的后备反应性。在反应堆启动临界试验时,首先要稀释硼浓度,待硼浓度均匀后,进行中子计数倒数的外推临界试验[2]。在硼浓度稀释到一定程度后,再提控制棒使反应堆临界,得到临界棒位和临界硼浓度。统计中国广核某核电基地反应堆启动临界试验数据结果表明,临界试验时,按临界试验的技术程序规定,停止硼稀释后,历史平均实际硼稀释均匀时间需要1.6 h,最大时间需要3.7 h才能达到程序规定的稀释均匀标准,严重浪费了核电厂大修关键路径工期成本,影响经济效益,增加了堆芯反应性敏感操作的风险。调研国内多个核电基地在逼近临界试验过程中,均有满足反应堆一回路冷却剂与稳压器之间的硼浓度偏差|CB-LOOP-CB-PRES|＜20×10-6的要求,与核行业协会标准NB/T 20144—2012中的做法一致。然而法国EDF现行做法中,在逼近临界的过程中并没有必须满足|CB-LOOP-CB-PRES|＜20×10-6的稀释均匀标准。本文分析稀释均匀标准的本质是确保堆芯反应性已处于稳定状态,以便后续提棒寻找临界棒位;梳理了所有事故分析中关于硼浓度偏差的报告,确认对传统稀释均匀标准的小幅优化不会改变任何事故分析假设,事故安全分析结果不受影响。因此本文在保证核临界安全[3]的前提下,通过物理分析论证,对传统的稀释均匀标准进行优化,缩短启动物理试验工期[4]。

1 传统稀释均匀标准

中国广核某核电基地机组换料大修后堆芯首次临界试验的技术程序规定,停止硼稀释后执行稀释均匀标准是需要等待时间30 min且稳压器中硼浓度(CB-PRES)与反应堆一回路冷却剂浓度(CB-LOOP)的偏差|CB-LOOP-CB-PRES|＜20×10-6。

2 优化方案分析

2.1 反应堆中子注量率走势分析

反应堆启动物理试验逼近临界过程中,为了实现稳定的临界棒位和临界状态,避免临界后控制棒棒位的不必要往复调整带来关键路径时间增加,须在提棒达临界操作之前确保堆芯反应性已处于稳定状态,在线连续监测的堆芯中子通量水平保持稳定则表征堆芯反应性已处于稳定状态[5],而硼浓度偏差由于受局部采样点、采样频率、分析误差等因素影响,其偏差大小与堆芯真实反应性是否处于稳定状态并不存在必然关系,将过于严格的硼浓度偏差|CB-LOOP-CB-PRES|＜20×10-6作为允许提棒达临界操作的前提标准不合理,将给试验带来不必要的等待时间。

经统计分析,在硼浓度稀释均匀化过程中,中子注量率走势曲线在较短的时间内就已稳定走直,如图1所示。中子注量率走势不再变化表征堆芯反应性达到稳定,因而可判断反应堆一回路已经满足均匀条件。从图1看出,机组在19:01停止稀释,在19:16时,即停止硼稀释后等待均匀时间15 min就已达到反应性稳定要求,满足上提R棒寻找临界棒位的条件。但现场为执行现有技术程序中的稀释均匀标准,满足硼浓度偏差|CB-LOOP-CB-PRES|＜20×10-6的要求,实际等待均匀时间为102 min。

图1 RPN源量程中子注量率走势Fig.1 The neutron flux trend of RPN source

根据多年的RPN源量程中子注量率走势数据统计,停止硼稀释后机组中子注量率走势不再变化的平均时间约18 min,反应堆一回路内的硼浓度已得到均匀良好的水平。

2.2 反应堆停止稀释后等待均匀时间对一回路硼浓度均匀的影响分析

从评价18 min内一回路搅混均匀次数分析:搅混均匀次数=主泵流量/一回路水装量,根据中国改进型三环路压水堆(CPR1000)机组参数,如表1所示。

表1 典型CPR1000机组参数Table 1 Typical CPR1000 unit parameters

按主泵额定转速理论计算,18 min一回路冷却剂已搅混次数约106次,结合机组实际运行经验,机组稀释/硼化效应带来的反应性变化在15 min左右即达到新的平衡,一回路已经均匀。因此首次临界试验稀释均匀标准中,设置停止稀释后一回路均匀时间不少于30 min足够包络。

2.3 稳压器与一回路不同硼浓度偏差的影响分析

稳压器与一回路冷却剂在不同的硼浓度偏差限值(CB-限值)下,假定充分搅混均匀后硼浓度偏差变为0,得到平衡后的一回路最终硼浓度C′B-LOOP可用式(1)求得

式中:VPRES——稳压器体积;

VLOOP——一回路水装量体积;

ρ——除盐水密度。

将式(1)简化后得式(2)

稳压器与一回路冷却剂的硼浓度偏差限值对一回路硼浓度的最终改变量ΔCB可通过式(3)算出。

根据热态零功率工况下,VLOOP≈205 m3,VPRES≈8 m3,表2给出在启动物理试验期间,稳压器与反应堆一回路冷却剂不同硼偏差对ΔCB的影响。

表2 不同硼浓度偏差限值下ΔC B改变量Table 2 Changes inΔC B under different boron concentration deviation limits

由表2分析结果可知,稳压器对一回路的硼浓度改变有限。根据现场数据统计发现,机组通常在均匀时间达到30 min后,硼浓度偏差平均已降至约30×10-6左右。当硼浓度偏差从30×10-6降至0×10-6时,对一回路硼浓度的最终影响仅为1.2×10-6。当稳压器与一回路冷却剂的硼浓度偏差限值为100×10-6,对一回路的硼浓度改变量为4.0×10-6,相比手动取样存在的固有0.4%的误差(以某基地18月换料模式下临界硼浓度约2 000×10-6计算,对应硼浓度误差为8×10-6)更小,该偏差不会影响对反应堆临界条件的判断。

2.4 优化稀释均匀标准

综上分析,当堆芯中子注量率水平保持稳定时,已经满足提棒达临界操作的前提要求,但电厂从机组控制的要求出发,增加了量化和多样性的控制标准,保留了硼浓度偏差并将其适当放宽。根据前文分析稳压器与一回路冷却剂的硼浓度偏差为100×10-6时不会影响对反应堆临界条件的判断,本文提出了优化方案为“停止硼稀释后等待均匀时间不少于30 min且-20×10-6＜(CB-PRES-CB-LOOP)＜+100×10-6”。优化后的稀释均匀标准,可实现堆芯中子注量率走势不再变化,满足反应堆一回路均匀,且不降低原有的安全分析要求,避免不必要的大修关键路径等待时间成本,实现可量化执行,便于安全监管。