朱元武
(中核核電運行管理有限公司,浙江 海鹽 314300)
在核燃料組件裝入堆芯的過程中,對堆芯必須進行有效地臨界安全監(jiān)督,以確保裝料操作過程中,反應堆始終處于次臨界狀態(tài),確保燃料組件在堆芯的位置和方向與經(jīng)批準的設計堆芯裝載圖保持一致,同時避免燃料組件發(fā)生機械損傷。
(1)所有電廠系統(tǒng)均已達到堆芯裝料所需的狀態(tài),裝卸料機正常可用;
(2)堆芯裝載圖和堆芯裝料程序已經(jīng)經(jīng)主管領導和國家核安全局審批通過;
(3)一回路硼濃度CB≥2100ppm;
(4)壓力容器水位>19.5m,水溫為10℃~60℃,且水質(zhì)良好;
(5)RPN 核儀表系統(tǒng)的兩個源量程和音響裝置都正??捎?;
(6)硼表、溫度表可用;
(7)源量程保護整定值按要求完成設定;
(8)裝料所需的臨界安全監(jiān)督控制臺與RX 反應堆廠房、KX 燃料廠房之間的通訊已經(jīng)建立,并保證裝料過程中可以實時聯(lián)絡;
(9)堆芯裝料模擬板準備完畢并處于可用狀態(tài);
(10)堆內(nèi)臨時增設的水下照明設備、取樣裝置和水溫測量裝置正常、可靠;
(11)對于首次堆芯的裝料,為了在整個裝料過程中始終保證堆芯有可靠可信的臨界安全監(jiān)督,在堆芯可增加了3 套臨時計數(shù)裝置。這3 套裝置的工作特性已檢驗校正完畢,可投入使用。
裝料期間,堆芯應始終處于次臨界狀態(tài)。此時如果堆內(nèi)沒有外中子源,則次臨界堆內(nèi)的中子密度將衰減至零。如果堆內(nèi)有一個外中子源,則中子密度將在一個與次臨界度相關的通量水平上穩(wěn)定。假設外中子源發(fā)射的中子數(shù)是恒定的,即:中子源每θ 秒(θ=中子代時間)發(fā)出一批中子,每批中子數(shù)為s 個。這樣中子從第一代開始反應堆內(nèi)中子數(shù)為s 個,在第二代開始就有(s+skeff)個中子,第三代開始就有(s+skeff+skeff2)個中子,依此類推,到第n 代時反應堆內(nèi)的中子總數(shù)應為:
因為次臨界堆芯的keff值小于1,當n 很大時,此等比級數(shù)之和為一有限值:
事實上,式(2)也可以從點堆動力學方程推導得到。由此可以看出,隨著燃料組件裝載數(shù)的增加,keff逐漸增大,中子計數(shù)率也在增加。下圖為有外中子源時次臨界堆芯反應堆中子相對水平的變化,不同的曲線與不同的keff相對應??梢钥吹狡胶庵蹬ckeff值有關,keff值大,平衡值大,并且達到平衡值較慢。所以,在反應堆裝料監(jiān)督過程中,利用中子源來增高堆內(nèi)的中子數(shù),以使反應堆始終保持在次臨界狀態(tài)上。
圖1
為了確保在整個裝料過程中不發(fā)生意外臨界事故,在燃料組件按裝料順序裝入堆芯的過程中,實施臨界安全監(jiān)督。監(jiān)督方法是在堆芯每裝入一組燃料組件后,用中子探測器所探測的中子計數(shù)率的倒數(shù)與燃料組件的裝載數(shù)作圖進行次臨界的監(jiān)督。通常采用堆外核測量系統(tǒng)中的源量程測量通道的計數(shù)率(首循環(huán)堆芯還在堆芯臨時增設的中子探測器的中子計數(shù)),進行1/M 倒計數(shù)率外推來實施臨界安全監(jiān)督。其監(jiān)督過程主要如下:
(1)探測器本底計數(shù)率監(jiān)測
在核燃料開始入堆之前,首先進行本底計數(shù)率的測量。通常是所有中子計數(shù)通道設置計數(shù)時間間隔為100 秒,并對每個通道要獲得每100 秒的積分計數(shù)值,對于每個通道計算平均本底計數(shù)值和平均計數(shù)率。但在秦山第二核電廠,由于從電站計算機系統(tǒng)KIT 中,采集到的是中子計數(shù)率值而不是積分計數(shù),故一般取10 個計數(shù)率的平均值作為平均本底計數(shù)率或是平均計數(shù)率。
一般來說,典型的本底計數(shù)率應小于0.1CPS(即n/s)。如果測量結(jié)果比0.1CPS 明顯偏大,要尋找超本底的原因。如果本底計數(shù)比測量總計數(shù)的10%還大,則認為此套測量系統(tǒng)是不可靠的。
電站由以下方法判斷中子計數(shù)裝置工作狀態(tài)是否正常:①幅度比>2(即在用示波器檢測時,有用訊號幅度與噪聲訊號幅度之比大于2);②計數(shù)率比(通道中子計數(shù)率比本底計數(shù)率至少大一個數(shù)量級)。
(2)基準計數(shù)率測定
按裝料順序表的規(guī)定,在裝料前或帶中子源組件在堆芯移動后,均需重新測量各通道的基準計數(shù)率?;鶞视嫈?shù)率的測量與本底計數(shù)率測量方法一樣,在秦山二期也是取10 次計數(shù)率測量的平均值。嚴格的說,基準計數(shù)率應扣除本底計數(shù)率,計算修正后的各個通道基準計數(shù)NR。
每移動一次帶中子源的組件后,需要重新進行基準計數(shù)的測定。
(3)倒計數(shù)率的測定(1/M 測定)
每當一組燃料組件完全插入,計數(shù)達到穩(wěn)定,對每個測量通道進行至少5 次計數(shù)率測量,計算其平均值Navg,再對該通道進行本底修正(Navg-n),倒計數(shù)率比:
其中n 是每個通道的本底計數(shù)率,NR是每個通道的基準計數(shù)值。在秦山二期中,本底計數(shù)率很小、可以忽略。故有
根據(jù)(2)式可得
其中,Keff0、Keff分別為初始狀態(tài)和組件入堆后的有效增殖系數(shù)。
在平面坐標上以1/M 作為縱坐標,以次臨界度(1-Keff)作為橫坐標(如前所述,次臨界度與入堆燃料組件的數(shù)目成對應關系)。因此,在實際操作時是以入堆燃料組件的數(shù)目NF 為橫坐標,1/M 為縱坐標,進行臨界安全監(jiān)督。這樣就可以得到外推曲線。為了安全起見,要求在監(jiān)督過程中,必須至少有一套獨立的中子計數(shù)系統(tǒng)(首次堆芯裝料時因堆芯增設三套臨時中子計數(shù)裝置,必須至少兩套可用)是可運行的;否則,停止裝料操作。
(4)影響1/M 曲線的因素
理想的1/M 曲線是一條直線,但是實際上1/M 曲線有可能是凹形的也可能是凸形的,但是最后外推臨界的結(jié)果都歸于一點。影響1/M曲線的因素有:
①中子源在堆芯的位置;
②中子探測器(包括堆內(nèi)、堆外)的位置;
③堆芯燃料組件的裝載順序;
④堆芯中子源的強度。
為了保證裝料的安全,在裝載過程中必須進行中子計數(shù)率的監(jiān)測,若發(fā)生以下任一種情況應該立即停止裝料操作,待查清事故原因或排除故障后,方可繼續(xù)進行:
①任何一個臨時中子計數(shù)通道的中子計數(shù)率突增5 倍以上;
②所有責任通道的中子計數(shù)率增長2 倍以上;
③能正常工作的中子計數(shù)通道不足二個通道時(首次裝料);
④與一個源量程中子計數(shù)通道相接的撤退報警訊號發(fā)生動作時;
⑤當二個帶初級中子源的組件裝載后,達到每秒0.5 個計數(shù)的中子計數(shù)通道少于2 個時;
⑥倒計數(shù)率比(1/M)明顯不正常時。