毛玉龍，程艷花，崔大偉，趙常有，陳 軍

(中科華核電技術(shù)研究院，廣東 深圳 518026)

次臨界或低功率啟動(dòng)工況下控制棒組失控抽出事故定義為RCC-P Ⅱ類事故(中等頻率事故)?？刂瓢艚M件的抽出使得堆芯反應(yīng)性失控增加，堆芯功率瞬時(shí)劇增，堆芯徑向和軸向功率峰值因子迅速增大，在熱停堆擴(kuò)展?fàn)顟B(tài)下導(dǎo)致堆芯可能發(fā)生DNB。

由于該事故瞬態(tài)工況的惡劣性，一直是傳統(tǒng)壓水堆核電廠安全分析的極限事故之一[1]。本文結(jié)合典型三環(huán)路壓水堆核電廠研發(fā)項(xiàng)目，分析熱停堆狀態(tài)下不同停堆棒組組合對(duì)DNBR裕量的影響，提出熱停堆狀態(tài)下停堆棒組布置的優(yōu)化建議。

1 分析方法

1.1 反應(yīng)堆保護(hù)

控制棒組件失控抽出導(dǎo)致的堆芯功率劇增通過多普勒效應(yīng)的負(fù)反饋?zhàn)饔孟拗啤?/p>

反應(yīng)堆保護(hù)通過功率量程高中子通量的低整定值提供。核功率峰值觸發(fā)的反應(yīng)堆跳堆，用于確保燃料的完整性。在瞬態(tài)分析中，除功率量程高中子通量觸發(fā)停堆外，其他所有的反應(yīng)堆保護(hù)都保守性地不予考慮。

1.2 計(jì)算方法

本事故采用三/一維中子學(xué)模型和熱工模型弱耦合的分析方法。三維SMART和一維ESPADON中子學(xué)程序用于計(jì)算中子學(xué)參數(shù)，包括抽出棒組價(jià)值、反應(yīng)性引入速率、熱通道焓升因子FΔH。熱工水力瞬態(tài)CANTAL程序用于計(jì)算堆芯瞬態(tài)過程中反應(yīng)性引入和一回路熱工水力特性參數(shù)。子通道熱工水力程序FLICA Ⅲ-F用于驗(yàn)證DNBR的準(zhǔn)則。

1.3 計(jì)算假設(shè)

計(jì)算假設(shè)：1) G1、G2、N1、N2、R(SA)控制棒組完全插入；2) 臨界堆芯；3) 初始功率為10-13FP；4) 冷卻劑流量為兩臺(tái)泵運(yùn)行時(shí)的流量；5) 初始冷卻劑入口溫度為熱態(tài)零功率值加上最大穩(wěn)態(tài)控制和測(cè)量誤差；6) 初始穩(wěn)壓器壓力考慮熱停擴(kuò)展?fàn)顟B(tài)時(shí)的壓力。

該事故所研究的事件為堆芯初始狀態(tài)下所有可能抽出的兩組棒失控抽出。瞬態(tài)起始時(shí)兩組棒處于完全插入的位置，假設(shè)兩組棒以完全疊步的最大速度抽出。該假設(shè)會(huì)得到非常保守的反應(yīng)性引入速率，遠(yuǎn)高于實(shí)際零功率時(shí)的反應(yīng)性引入速率。

2 初始停堆SA棒組狀態(tài)對(duì)DNBR裕量的影響

在事故進(jìn)程中，假設(shè)兩組棒失控抽出，引起堆芯功率徑向分布不均勻，其不均勻性與初始堆芯控制棒組的狀態(tài)相關(guān)。

本文就堆芯處于熱停狀態(tài)時(shí)，對(duì)SA棒組的初始狀態(tài)位置進(jìn)行敏感性分析?？紤]SA棒組初始分別位于堆芯內(nèi)部(全部插入)和堆芯外部(全部抽出)兩種狀態(tài)下，事故瞬態(tài)過程對(duì)最小DNBR的影響。

2.1 SA棒組位置對(duì)堆芯徑向功率峰值的影響

在分析堆芯徑向功率分布時(shí)，考慮所有可能的兩組棒失控抽出，以得到包絡(luò)的堆芯徑向功率峰值因子。這部分中子學(xué)參數(shù)通過SCIENCE程序進(jìn)行分析。

當(dāng)SA棒組初始位于堆內(nèi)時(shí)，形成堆芯最高徑向功率峰值的棒組組合為N1和SA。初始時(shí)刻與棒組失控抽出后的堆芯徑向功率分布示于圖1。由圖1a可知，由于初始狀態(tài)下抽出組合有3束棒圍繞堆芯中功率較高的組件(圖1a中虛線框)，其抽出后會(huì)在所在區(qū)域釋放出大量正反應(yīng)性，導(dǎo)致附近組件的功率升得更高，熱組件功率份額可達(dá)2.340 8(圖1b中實(shí)線框)，增加約58%。

當(dāng)SA棒組初始位于堆外時(shí)，形成堆芯最高徑向功率峰值的棒組組合為N1和G1。初始時(shí)刻與棒組失控抽出后的堆芯徑向功率分布示于圖2。由圖2a可知，初始時(shí)刻由于SA棒組抽出，堆芯中心區(qū)域的組件功率份額較高。由于抽出組合(N1和G1)時(shí)只有兩束N1棒距離堆芯熱組件區(qū)域位置較近(圖2a中虛線框)，因此，其抽出后對(duì)堆芯熱組件區(qū)域的功率影響相對(duì)較小，熱組件功率份額為2.174 4(圖2b中實(shí)線框)，增加約24%。

由此可看出，當(dāng)SA棒組初始位于堆芯外部時(shí)，由于形成堆芯最高徑向功率峰值的抽出棒組距離堆芯熱組件的區(qū)域相對(duì)較遠(yuǎn)，因此，其抽出后對(duì)堆芯徑向功率峰值的影響相對(duì)較弱，從而可帶來有利的熱工安全裕量。

2.2 SA棒組位置對(duì)堆芯功率和軸向功率分布的影響

控制棒組失控抽出后的堆芯功率和軸向功率分布，主要與抽出棒組和停堆棒組的價(jià)值相關(guān)。棒組價(jià)值的計(jì)算采用SCIENCE程序。

本文中，具有最大價(jià)值的棒組組合均來自R和N1。當(dāng)SA棒組初始位于堆芯內(nèi)部時(shí)，R和N1棒組抽出后引入的正反應(yīng)性為3 126 pcm；而SA棒組初始位于堆芯外部時(shí)，R和N1棒組抽出后引入的正反應(yīng)性為3 091 pcm。

a——堆芯初始狀態(tài)；b——N1和SA棒組抽出圖中方框代表燃料組件，顏色越深，代表組件的功率份額越大；方框中的數(shù)字和字符分別為燃料組件的功率份額、控制棒的類型和抽出棒位

a——堆芯初始狀態(tài)；b——N1和G1棒組抽出

當(dāng)控制棒組失控抽出后堆芯核功率劇增，將觸發(fā)堆芯高中子通量低整定值(35%FP)跳堆。當(dāng)SA棒組初始位于堆芯外部時(shí)，跳堆后將會(huì)引入更多的負(fù)反應(yīng)性(表1)。對(duì)于次臨界或低功率啟動(dòng)工況下控制棒組失控抽出事故，由于最小DNBR一般發(fā)生在停堆棒組開始下落后的0.1～0.3 s內(nèi)，此時(shí)位于堆外的停堆棒組尚處于堆芯的上部區(qū)域，而此時(shí)功率峰值主要集中在堆芯底部，因而，不同的SA棒組位置下位于堆外的停堆棒組引入的反應(yīng)性對(duì)堆芯底部徑向和軸向功率分布影響很小。

在這兩種情況下，由于抽出棒組的價(jià)值基本接近(相差約1%)且均以相同的最大速率抽出，因此，抽出棒組對(duì)堆芯功率和軸向功率分布的影響基本相同。SA棒組初始位于堆芯內(nèi)部和外部時(shí)，通過熱工水力瞬態(tài)程序CANTAL計(jì)算可知，瞬態(tài)過程中最大的熱功率份額分別為0.292 5和0.291 1，各自對(duì)應(yīng)的堆芯軸向功率分布示于圖3。

表1 停堆棒組反應(yīng)性引入

圖3 堆芯軸向功率分布

2.3 SA棒組位置對(duì)DNBR裕量的影響

在分析事故最終的熱工安全裕量時(shí)，同時(shí)考慮最大徑向功率峰值因子和瞬態(tài)過程中最高的堆芯功率份額與對(duì)應(yīng)的軸向功率分布，以包絡(luò)所有抽出棒組的分析工況。

綜合上述分析，考慮SA棒組初始位于堆芯內(nèi)部和堆芯外部?jī)煞N狀態(tài)下，事故瞬態(tài)過程中主要的堆芯中子學(xué)參數(shù)和熱工參數(shù)結(jié)果列于表2。

表2 事故瞬態(tài)過程中主要的堆芯中子學(xué)參數(shù)和熱工參數(shù)

由表2可知，在SA棒組初始位于堆芯外部時(shí)，通過堆芯子通道熱工水力程序FLICA Ⅲ-F分析可知，由于棒組抽出后的堆芯徑向核焓升因子相對(duì)較低，從而可帶來約14%的DNBR安全裕量。

2.4 SA棒組位置對(duì)堆芯熱停狀態(tài)硼濃度的影響

當(dāng)堆芯處于熱停堆狀態(tài)時(shí)，如果將SA棒組抽出到堆芯外部，彌補(bǔ)其抽出導(dǎo)致的堆芯正反應(yīng)性的引入，需要向堆芯注硼。在保證堆芯相同的停堆深度下，由SCIENCE程序分析可知，SA棒組抽出后，堆芯的硼濃度需由1 396 ppm增加到1 486 ppm，增加90 ppm。

3 結(jié)論

典型三環(huán)路壓水堆核電廠的次臨界或低功率啟動(dòng)工況下控制棒組失控抽出一直是Ⅱ類事故分析的卡關(guān)事故。本文重點(diǎn)分析了熱停堆狀態(tài)下不同停堆棒組組合對(duì)瞬態(tài)過程中堆芯關(guān)鍵中子學(xué)參數(shù)和熱工狀態(tài)參數(shù)的影響。通過增加堆芯硼濃度維持堆芯足夠停堆深度的前提下，將SA棒組初始提出到堆芯外部，從而可降低事故進(jìn)程中的堆芯徑向功率峰值因子，獲得較為顯著的DNBR安全裕量。

參考文獻(xiàn)：

[1] 魯劍超. 次臨界或低功率啟動(dòng)工況下控制棒組件失控抽出事故分析，CNIC-01775，SINRE-0113[R]. 北京：原子能出版社，2004.