壓水堆核電廠無源技術的效益分析

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650MW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;650MW機組;氚排放

中圖分類號：TL 326 ?文獻標志碼：A ? ?文章編號：

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650MWe機組和1臺320MWe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650MW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、燃耗富集度都會影響源強大小，但是燃耗深度對源強的影響最明顯，如圖1所示。

從圖1可知，選擇已輻照燃料組件的燃耗深度大于36000MWT/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320MWe和650MWe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。技術方案已經固化和標準化，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，而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。

以秦二廠650MWe機組為例，通過模擬計算和實際測量，對比實施無源技術前后的氚產量數據，氚產生量確實發生明顯的變化。結合行業公開的氚產量數據，大約可以減少15%的氚傳亮，環保效益顯著。

3.4創新意義

650MWe壓水堆機組的技術難度較大，相比1000MWe機組，秦山核電650MW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：

創新點1：克服了650MW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;

創新點2：顯著減少氚排放，有效減輕環境排放壓力;

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。

3 ?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，2015.12.

作者介紹：

王勇智（1981.12—），性別：男;籍貫：浙江黃巖;民族：漢族;學歷 碩士研究生;職稱：高級工程師 職務：科員 研究方向：壓水堆堆芯物理和燃料管理相關技術管理工作 ;單位：中核核電運行管理有限公司 ;郵編314300