朱元武

（中核核電運(yùn)行管理有限公司，浙江 海鹽 314300）

壓水堆核電廠反應(yīng)堆首次臨界試驗(yàn)

朱元武

（中核核電運(yùn)行管理有限公司，浙江 海鹽 314300）

反應(yīng)堆啟動前，必須按照核安全法規(guī)HAF0304《核電廠調(diào)試程序》中規(guī)定的調(diào)試試驗(yàn)項(xiàng)目，對電廠系統(tǒng)如反應(yīng)性控制棒的功能、保護(hù)系統(tǒng)的功能和臨測裝置的功能等進(jìn)行試驗(yàn)和檢查，使其滿足核安全的要求。并按照物理試驗(yàn)質(zhì)量和安全計(jì)劃中的相關(guān)要求，完成啟動試驗(yàn)前的準(zhǔn)備工作。

1 啟動試驗(yàn)?zāi)康暮蛢?nèi)容

反應(yīng)堆啟動是指將反應(yīng)堆從次臨界狀態(tài)啟動到臨界狀態(tài)，暨達(dá)到自持鏈?zhǔn)搅炎兎磻?yīng)的過程。堆芯首次臨界物理試驗(yàn)的目的是在堆芯裝料完成后，引導(dǎo)反應(yīng)堆首次安全地、順利地達(dá)到初始臨界；并在臨界后檢驗(yàn)堆外探測器（源量程和中間量程通道）的重疊和線性關(guān)系、確定零功率物理試驗(yàn)中子通量水平和校核反應(yīng)性儀。

壓水堆核電站的首次臨界通常采用提棒、連續(xù)稀釋向臨界逼近，最后分段提棒向超臨界過渡三階段實(shí)現(xiàn)。

為使整個(gè)臨界過程中能夠隨時(shí)掌握反應(yīng)堆的次臨界狀態(tài)，并預(yù)計(jì)臨界點(diǎn)，使臨界操作有據(jù)可依，在達(dá)臨界的過程中需要進(jìn)行中子計(jì)數(shù)率的測量，并作出中子計(jì)數(shù)率的倒數(shù)外推曲線。

由中子動力學(xué)方程：

式中：

n──中子密度 n/cm3；

l──中子平均壽命，s；

Ci──第I組緩發(fā)中子的先驅(qū)核濃度，N/cm3；

S──外中子源強(qiáng)度，Bq；

λi──第i組緩發(fā)中子先驅(qū)核裂變碎片的衰變常數(shù)，1/s。

在反應(yīng)堆達(dá)臨界過程中，若堆內(nèi)存在外中子源，則處于次臨界狀態(tài)的反應(yīng)堆也可形成穩(wěn)定的中子分布，即：

這樣，解(式 3)和(式 4)，得：

在（式5）中：1-keff表征反應(yīng)堆的次臨界度。

可以看出，n 1/（1-keff），當(dāng) n →∞ 時(shí)，keff→1，反應(yīng)堆便達(dá)臨界。

臨界過程中根據(jù)不同的操作過程和監(jiān)督參數(shù)有不同的外推方法。

1.1 中子計(jì)數(shù)率的倒數(shù)外推

可以采用中子倒計(jì)數(shù)率（1/M）對控制棒棒位、一回路硼濃度和稀釋水量進(jìn)行外推。1/M的定義如下：

1/M=N0/Ni

式中，N0：基準(zhǔn)計(jì)數(shù)率；

Ni：不同棒位、不同硼濃度、不同稀釋水量或不同時(shí)間下的計(jì)數(shù)率。

理想的1/M曲線是一條直線，但是實(shí)際上1/M曲線有可能是凹形的也可能是凸形的。盡管存在這兩種情況，但是最后外推臨界的結(jié)果都?xì)w于一點(diǎn)。就外推而言，凹形走向較為安全。影響1/M曲線的因素有：

（1）中子源在堆芯的位置；

（2）中子源強(qiáng)度；

（3）中子探測器的位置。

1.2 相似三角形方法

在圖1中，當(dāng)控制棒棒位位于h1時(shí)，中子計(jì)數(shù)率為N1，當(dāng)控制棒棒位位于h2時(shí)，中子計(jì)數(shù)率為N2。在這兩個(gè)相似三角形中有：

x=a·N1/(N2-N1)

這樣可以求出預(yù)計(jì)的臨界棒位為：

hc=h2+a·N1/(N2-N1)

圖1 相似三角形方法

由此可以進(jìn)行如下判斷：

（1）當(dāng)N2＝2N1，即中子計(jì)數(shù)率翻一番時(shí)，x=a意味著控制棒再提 a步，反應(yīng)堆即可達(dá)到臨界；

（2）當(dāng)N2＝3N1，即中子計(jì)數(shù)率增長超過一倍時(shí)，x=a/2意味著控制棒再提a/2步(小于a步)，反應(yīng)堆即可達(dá)到臨界；

（3）當(dāng) N2＝(3/2)N1，即中子計(jì)數(shù)率增長沒有超過一倍時(shí)，x=2a 意味著控制棒再提2a步(大于a步)，反應(yīng)堆方可達(dá)到臨界。

2 零功率物理試驗(yàn)范圍的確定

在功率量程通道的線性部分，輸出電流與功率由下式確定：

IPRC=K×W； W為功率水平

但由于此時(shí)反應(yīng)堆功率水平很低（相當(dāng)電流輸出為10-6A），功率量程通道的電流被本底噪聲所淹沒；

與此相反，中間量程通道靈敏度較高，小功率水平可以測得，它由下式確定：

IIRC=C×W； W為功率水平

因此，可以建立IPRC=F（IIRC）函數(shù)關(guān)系式，以確定CNP線性段；X－Y記錄儀分別與PRC和IRC相連接作出一條曲線。由此，確定出系統(tǒng)的本底噪聲水平Φ本底。

這是理論上比較理想的本底噪聲的一種確定方法。它可以在確定堆外核測系統(tǒng)線性和重疊的過程中一起完成。但是對于一個(gè)新堆，由于本底水平很低，在確定時(shí)還可以通過下述方法進(jìn)行確定。

圖2 多普勒發(fā)熱點(diǎn)

圖3 多普勒發(fā)熱點(diǎn)中間量程指示

以中間量程通道的對數(shù)電流、平均溫度Tavg和反應(yīng)性儀指示的反應(yīng)性隨堆內(nèi)中子通量變化的曲線為依據(jù)，在臨界狀態(tài)下，反應(yīng)性儀設(shè)置在50pcm檔上，引入一個(gè)周期約為100秒左右的正反應(yīng)性，中子通量水平將緩慢增加，注意觀測反應(yīng)性信號和中子通量水平的變化。當(dāng)觀測到反應(yīng)性記錄儀上的信號指數(shù)下降和中子通量水平不按指數(shù)規(guī)律上升而改變斜率時(shí)，表明堆內(nèi)開始產(chǎn)生核加熱效應(yīng)，即觀察到多普勒核發(fā)熱點(diǎn)Φ多普勒（見圖2）。當(dāng)多普勒核發(fā)熱點(diǎn)Φ多普勒測定結(jié)束后，就將此通量水平確定為零功率物理試驗(yàn)的上限。從上限值下降1～2個(gè)數(shù)量級的中子通量水平，反應(yīng)性儀的量程設(shè)置在50pcm檔上，觀察反應(yīng)性儀的指示是否穩(wěn)定，若反應(yīng)性儀的指示穩(wěn)定，則確認(rèn)該中子通量水平為零功率物理試驗(yàn)功率水平的下限。若反應(yīng)性儀指示不穩(wěn)定，則需調(diào)整D棒組，提高中子通量水平（但不能超過上限值），直至反應(yīng)性儀指示穩(wěn)定，并將該中子通量水平為零功率物理試驗(yàn)功率水平的下限。這種下限的確定方法是系列堆芯或換料堆芯啟動物理試驗(yàn)中，所采用的零功率物理試驗(yàn)功率水平的確定方法。

對于原型堆的首次堆芯啟動物理試驗(yàn)來說，零功率物理試驗(yàn)的下限的確定方法如下，在上限確定后將反應(yīng)性儀的量程設(shè)置在50pcm檔上；下插控制棒D棒組，引入一個(gè)周期約為80秒左右的負(fù)反應(yīng)性。停止插棒后，反應(yīng)堆功率會自動下降，此時(shí)注意觀察反應(yīng)性儀，當(dāng)反應(yīng)性出現(xiàn)平衡穩(wěn)定時(shí)，系統(tǒng)的本底噪聲水平就測量到了。通常將零功率物理試驗(yàn)范圍確定在如下的范圍內(nèi)：

10×Φ（本底）＜零功率物理試驗(yàn)范圍 ＜ Φ（多普勒）/10

這樣零功率物理試驗(yàn)的功率水平范圍就確定了。應(yīng)該指出，在反應(yīng)堆向超臨界過渡時(shí)，尤其是堆芯首次啟動過程中，為了確保安全，中子通量水平至少要以一個(gè)不小于80s的穩(wěn)定倍增周期變化。

3 臨界過程應(yīng)注意的問題

（1）試驗(yàn)必須嚴(yán)格遵守運(yùn)行技術(shù)規(guī)格書和物理試驗(yàn)技術(shù)規(guī)范中的規(guī)定；

（2）逼近臨界時(shí)，次臨界度愈小，反應(yīng)性引入率t愈小，因此應(yīng)采用逐步逼近達(dá)臨界；

（3）逼近臨界時(shí)，采用單一反應(yīng)性控制原則，即不能采用兩種或兩種以上的方式向堆芯引入正反應(yīng)性；

（4）嚴(yán)禁引起反應(yīng)堆溫度突然變化的操作；

（5）反應(yīng)堆啟動率（SUR）應(yīng)小于1DPM。即中子通量增加的倍增周期不得短于18秒；

（6）根據(jù)運(yùn)行技術(shù)規(guī)格書要求啟動時(shí)堆芯的初始硼濃度應(yīng)大于2100ppm。由于此時(shí)的次臨界度很深，所以在啟動過程中原則上分成兩段：反應(yīng)性提升階段和功率提升階段。在反應(yīng)性提升階段中采用較快的速度提升控制棒或快速稀釋硼濃度，向堆芯引入正反應(yīng)性；在功率提升階段中采用慢速稀釋硼濃度或逐步提升控制棒，使堆芯向臨界逼近；

（7）稀釋前的提棒階段，反應(yīng)堆不應(yīng)該發(fā)生臨界；

（8）稀釋時(shí)，反應(yīng)性引入速率不大于設(shè)計(jì)限值（首循環(huán)為0.97pcm/s）；

（9）在試驗(yàn)期間，任何使反應(yīng)堆發(fā)生緊急停堆時(shí)，都應(yīng)立即停止稀釋或提棒操作；如果緊急停堆的原因已知且不影響核電站的核安全，反應(yīng)堆可重新進(jìn)入啟動的初始狀態(tài)，硼濃度應(yīng)維持在緊急停堆時(shí)的值。如果緊急停堆以前反應(yīng)堆處于次臨界，繼續(xù)完成臨界操作步驟。如果緊急停堆以前反應(yīng)堆已經(jīng)達(dá)臨界，提棒使反應(yīng)堆恢復(fù)臨界，提棒過程中做計(jì)數(shù)率倒數(shù)曲線；

（10）恢復(fù)臨界過程中，如果調(diào)節(jié)棒組D已經(jīng)提至堆頂，反應(yīng)堆仍未臨界，這時(shí)應(yīng)該插入所有的調(diào)節(jié)棒組，重新預(yù)計(jì)臨界硼濃度和棒位；如果實(shí)際臨界棒位超出預(yù)計(jì)臨界棒位500pcm的限值棒位時(shí)，必須查明原因，然后才能繼續(xù)提升功率；否則，將插入所有的調(diào)節(jié)棒組。

鄧麗麗］