壓水堆核電廠反應堆首次臨界試驗

朱元武

（中核核電運行管理有限公司，浙江 海鹽 314300）

壓水堆核電廠反應堆首次臨界試驗

朱元武

（中核核電運行管理有限公司，浙江 海鹽 314300）

反應堆啟動前，必須按照核安全法規HAF0304《核電廠調試程序》中規定的調試試驗項目，對電廠系統如反應性控制棒的功能、保護系統的功能和臨測裝置的功能等進行試驗和檢查，使其滿足核安全的要求。并按照物理試驗質量和安全計劃中的相關要求，完成啟動試驗前的準備工作。

1 啟動試驗目的和內容

反應堆啟動是指將反應堆從次臨界狀態啟動到臨界狀態，暨達到自持鏈式裂變反應的過程。堆芯首次臨界物理試驗的目的是在堆芯裝料完成后，引導反應堆首次安全地、順利地達到初始臨界；并在臨界后檢驗堆外探測器（源量程和中間量程通道）的重疊和線性關系、確定零功率物理試驗中子通量水平和校核反應性儀。

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

為使整個臨界過程中能夠隨時掌握反應堆的次臨界狀態，并預計臨界點，使臨界操作有據可依，在達臨界的過程中需要進行中子計數率的測量，并作出中子計數率的倒數外推曲線。

由中子動力學方程：

式中：

n──中子密度 n/cm3；

l──中子平均壽命，s；

Ci──第I組緩發中子的先驅核濃度，N/cm3；

S──外中子源強度，Bq；

λi──第i組緩發中子先驅核裂變碎片的衰變常數，1/s。

在反應堆達臨界過程中，若堆內存在外中子源，則處于次臨界狀態的反應堆也可形成穩定的中子分布，即：

這樣，解(式 3)和(式 4)，得：

在（式5）中：1-keff表征反應堆的次臨界度。

可以看出，n 1/（1-keff），當 n →∞ 時，keff→1，反應堆便達臨界。

臨界過程中根據不同的操作過程和監督參數有不同的外推方法。

1.1 中子計數率的倒數外推

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

1/M=N0/Ni

式中，N0：基準計數率；

Ni：不同棒位、不同硼濃度、不同稀釋水量或不同時間下的計數率。

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。盡管存在這兩種情況，但是最后外推臨界的結果都歸于一點。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）中子源強度；

（3）中子探測器的位置。

1.2 相似三角形方法

在圖1中，當控制棒棒位位于h1時，中子計數率為N1，當控制棒棒位位于h2時，中子計數率為N2。在這兩個相似三角形中有：

x=a·N1/(N2-N1)

這樣可以求出預計的臨界棒位為：

hc=h2+a·N1/(N2-N1)

圖1 相似三角形方法

由此可以進行如下判斷：

（1）當N2＝2N1，即中子計數率翻一番時，x=a意味著控制棒再提 a步，反應堆即可達到臨界；

（2）當N2＝3N1，即中子計數率增長超過一倍時，x=a/2意味著控制棒再提a/2步(小于a步)，反應堆即可達到臨界；

（3）當 N2＝(3/2)N1，即中子計數率增長沒有超過一倍時，x=2a 意味著控制棒再提2a步(大于a步)，反應堆方可達到臨界。

2 零功率物理試驗范圍的確定

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

但由于此時反應堆功率水平很低（相當電流輸出為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）函數關系式，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線性和重疊的過程中一起完成。但是對于一個新堆，由于本底水平很低，在確定時還可以通過下述方法進行確定。

圖2 多普勒發熱點

圖3 多普勒發熱點中間量程指示

以中間量程通道的對數電流、平均溫度Tavg和反應性儀指示的反應性隨堆內中子通量變化的曲線為依據，在臨界狀態下，反應性儀設置在50pcm檔上，引入一個周期約為100秒左右的正反應性，中子通量水平將緩慢增加，注意觀測反應性信號和中子通量水平的變化。當觀測到反應性記錄儀上的信號指數下降和中子通量水平不按指數規律上升而改變斜率時，表明堆內開始產生核加熱效應，即觀察到多普勒核發熱點Φ多普勒（見圖2）。當多普勒核發熱點Φ多普勒測定結束后，就將此通量水平確定為零功率物理試驗的上限。從上限值下降1～2個數量級的中子通量水平，反應性儀的量程設置在50pcm檔上，觀察反應性儀的指示是否穩定，若反應性儀的指示穩定，則確認該中子通量水平為零功率物理試驗功率水平的下限。若反應性儀指示不穩定，則需調整D棒組，提高中子通量水平（但不能超過上限值），直至反應性儀指示穩定，并將該中子通量水平為零功率物理試驗功率水平的下限。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中，所采用的零功率物理試驗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來說，零功率物理試驗的下限的確定方法如下，在上限確定后將反應性儀的量程設置在50pcm檔上；下插控制棒D棒組，引入一個周期約為80秒左右的負反應性。停止插棒后，反應堆功率會自動下降，此時注意觀察反應性儀，當反應性出現平衡穩定時，系統的本底噪聲水平就測量到了。通常將零功率物理試驗范圍確定在如下的范圍內：

10×Φ（本底）＜零功率物理試驗范圍 ＜ Φ（多普勒）/10

這樣零功率物理試驗的功率水平范圍就確定了。應該指出，在反應堆向超臨界過渡時，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不小于80s的穩定倍增周期變化。

3 臨界過程應注意的問題

（1）試驗必須嚴格遵守運行技術規格書和物理試驗技術規范中的規定；

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

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

（4）嚴禁引起反應堆溫度突然變化的操作；

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

（6）根據運行技術規格書要求啟動時堆芯的初始硼濃度應大于2100ppm。由于此時的次臨界度很深，所以在啟動過程中原則上分成兩段：反應性提升階段和功率提升階段。在反應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，反應堆不應該發生臨界；

（8）稀釋時，反應性引入速率不大于設計限值（首循環為0.97pcm/s）；

（9）在試驗期間，任何使反應堆發生緊急停堆時，都應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，反應堆可重新進入啟動的初始狀態，硼濃度應維持在緊急停堆時的值。如果緊急停堆以前反應堆處于次臨界，繼續完成臨界操作步驟。如果緊急停堆以前反應堆已經達臨界，提棒使反應堆恢復臨界，提棒過程中做計數率倒數曲線；

（10）恢復臨界過程中，如果調節棒組D已經提至堆頂，反應堆仍未臨界，這時應該插入所有的調節棒組，重新預計臨界硼濃度和棒位；如果實際臨界棒位超出預計臨界棒位500pcm的限值棒位時，必須查明原因，然后才能繼續提升功率；否則，將插入所有的調節棒組。

鄧麗麗］