取消二次中子源技術的效益分析

王勇智　焦健　詹勇杰

[摘? ? 要 ]自2016年開始秦山核電基地7臺壓水堆機組已陸續開始取消二次中子源技術改造，目前已完成4臺機組的改造。本文簡要介紹了無源技術的原理和實際應用，詳細介紹了壓水堆無源技術應用帶來的各項效益。通過研發無源技術，突破了650 MW機組特有的厚反射層帶來的技術挑戰，具有很有的創新意義和示范意義，同時這項技術具有良好的經濟效益、安全效益和環保效益。

[關鍵詞]二次中子源;650 MW機組;氚排放

[中圖分類號]TL 326[文獻標志碼]A [文章編號]2095–6487（2020）06–00–03

Benefit Analysis of Canceling Secondary Neutron Source Technology

Wang Yong-zhi， Jiao Jian， Zhan Yong-jie

[Abstract]Since 2016， the 7 pressurized water reactor units of Qinshan Nuclear Power Base have successively cancelled the technical renovation of the secondary neutron source， and the renovation of 4 units has been completed. This article briefly introduces the principle and practical application of passive technology， and details the benefits brought by the application of passive technology in pressurized water reactors. Through the research and development of passive technology， it has broken through the technical challenges brought by the unique thick reflective layer of the 650 MW unit， and has great innovative and demonstration significance. At the same time， this technology has good economic， safety and environmental benefits.

[Keywords]secondary neutron source; 650 MW unit; tritium emission

核電廠取消二次中子源研發項目主要來自安全性、經濟性和氚排放壓力的考量，二次中子源的設計使用壽命為15年，每次機組大修都需重新插拔，因此使用存在破損和失效的風險，國內外都發生過這種案例。二次中子源需要采購，而且在堆內輻照會產生較多的氚排放，因此國際上不少核電站取消了二次中子源使用，這樣可以解決上述問題。

秦山核電基地4臺650 MWe機組和1臺320 MWe機組，分別于2016年和2017年獲得國家核安全局批準，并陸續實施了無源技術的技術改造，因此積累了豐富的實際經驗，應用效果非常好。

本文簡要介紹了無源技術原理，詳細分析這項技術給核電廠帶來的各種效益：經濟效益、安全效益以及環境效益和創新意義。

1 無源技術簡介

1.1 理論分析

根據點堆動力學方程可以得到中子密度和外加中子源源強的關系[1]：

因此從理論上分析，堆內中子密度n與中子源強度S呈正比關系，與1-Keff呈反比關系，外加中子源強度越大，堆芯中子密度越大。因此只要選擇源強足夠大的已輻照燃料組件，就可以替代二次中子源，實現無源裝料和啟堆。

1.2 模擬計算

以650 MW壓水堆機組為例，通過對已輻照燃料組件源強的影響因素進行理論分析，發現燃耗深度、停堆冷卻時間會影響源強大小，但是燃耗深度對源強的影響最明顯，如圖1和圖2所示。

從圖1可知，選擇已輻照燃料組件的燃耗深度大于36000 MWT/TU，就能克服厚反射層的屏蔽影響，堆外探測器的中子計數率就能滿足技術要求。通過多次現場實驗測試，與理論計算結果吻合較好，驗證了理論計算的正確性。

2 應用效果

2016年至今，無源技術分別在320 MWe和650 MWe機組上連續應用多年，完全實現了無源裝料、無源啟堆、無源卸料。表1是650 MWe機組無源啟堆和有源啟堆的對比，只是中子計數率有所降低，所有的技術參數均滿足相關技術要求，應用效果非常好。

3 效益分析

3.1 經濟效益分析

中國核電旗下的同類已投運壓水堆機組共17臺：海南核電2臺、福清核電6臺、田灣2臺、秦山基地7臺。其中秦山核電累計應用5臺，目前該技術的推廣比例大約30%。按照目前二次中子源的采購價格，單臺機組全壽期可節省300～400萬的二次中子源采購費用。隨著技術持續推廣，僅僅中國核電旗下17臺同類機組，預計累計可節省超過5，000萬人民幣的采購費用，經濟效益顯著。如果國內現有的40多臺的壓水堆機組全部使用無源技術，則經濟效益可達上億元。

3.2 安全效益分析

傳統有源裝卸料，每次大修裝料后，需要重新對二次中子源進行插拔[2]，這樣可能帶來輻射風險，增加人員的受照射劑量，現在國內核電廠對人員的劑量水平的控制較為嚴格，每年的受照射劑量有嚴格的限制。因此取消二次中子源以后，就不需要上述的插拔倒換工作，避免人員的誤照射。因此具有很好的安全效益。

3.3 環保效益分析

秦山核電機組眾多，氚排放壓力較大，取消二次中子源研發項目可有效緩解氚排放壓力。因為在壓水堆堆芯內放置的二次中子源受到中子活化后會產生大量的氚。這部分氚在二次源組件中積存，其中一部分通過包殼滲透到反應堆冷卻劑中，隨著秦二廠機組陸續取消二次中子源，堆芯內氚產生量應該呈現下降趨勢。

秦二廠U1C14和U1C15循環均為取消二次中子源后循環，圖3中取消二次中子源后U1C14和U1C15循環主系統氚比活度平均值，較取消前的U1C13循環明顯偏小，對比圖3同樣進入長循環的U2C12和U2C13循環主系統氚比活度平均值，也小了30%，印證了取消二次中子源確實能降低機組氚產生量。

通過兩次氚普查，統計普查期間排放總量，進而算出雙機組氚年產生量，之所以要同時對3/4號機組進行氚普查，是為了獲取在長循環狀態下，沒有取消二次中子源雙機組氚的產生量。方法如圖4所示：

通過氚產量和普查分析，可以定量算出取消二次中子源會減少氚的產生量約為12%，由于秦二廠氚排放量已占到限值70-80%，排放壓力巨大，取消二次中子源將極大的緩解排放壓力，減少氚的排放總量，具有良好的環境效益。

3.4 創新意義

650 MWe壓水堆機組的技術難度較大，相比1000 MWe機組，秦山核電650 MW機組無源技術成功克服自身特有的厚反射層技術瓶頸，通過大量的理論計算和實驗測試，研發了獨特的無源技術。該技術具有創新意義和示范性，創新意義主要體現在以下幾方面：

（1）創新點1：克服了650 MW機組特有的厚反射層導致堆外探測器中子計數可能低于探測下限的技術挑戰;

（2）創新點2：顯著減少氚排放，有效減輕環境排放壓力;

（3）創新點3：減少大修期間抽插導致二次中子源破損和失效風險和人員輻照風險。

4 結論

秦山核電基地無源技術的研發和應用，表明通過技術創新和實踐，可以解決長期困擾核電廠的一些技術問題，有效降低核電廠的氚排放，降低二次中子源破損或泄露帶來的安全風險和人員輻射風險，節省二次中子源采購費用，具有良好經濟效益、環保效益、安全效益和創新意義。

參考文獻

[1] 謝仲生.核反應堆物理分析[M].西安：西安交通大學出版社，2004.

[2] 潘澤飛.壓水核動力電廠反應堆物理試驗方法[M].北京：中國原子能出版社，2015.

[3] 李樹，鄧力，徐慧波，等.取消二次中子源后的源量程可用性分析[C].第十屆全國蒙特卡羅方法及其應用學術會議.中國物理學會，2009.

[4] 費羅杰，勒瑞.取消昌江核電廠二次中子源的理論探究[J].設備管理與維修，2015（S2）：13-16.

[5] 章安龍.反應堆無二次中子源裝料和啟動[J].核科學與工程，2019（3）：345-349.