實驗快堆自穩性驗證試驗實施與研究

王長茂

中國原子能科學研究院堆工部 北京 102413

中國實驗快堆作為我國自主設計建造的第一座快中子反應堆，于2010 年首次臨界，為了驗證CEFR 的固有安全性和自穩定性能，在堆上實施了小反應性擾動試驗。本試驗重點研究驗證實際反應堆本身的自穩定特性，控制系統的特性不在本文討論范圍。因為試驗時控制系統處于解除狀態。

1 試驗實施

1.1 自穩定性能的物理基礎

自穩定性能是指在反應堆出現反應性變化后，不依靠調節系統動作，反應堆能夠自行重新達到穩定狀態。自穩定性能基于負的反應性反饋。負反饋是現代反應堆設計所必需的一個基本要求。對于采用氧化物燃料的快堆，重要的反應性反饋大致包括多普勒、鈉空泡以及堆芯機械變形三種反饋。其中，多普勒反饋是固有、可靠的負的瞬發反饋反應性，在假設的嚴重事故工況下起著十分重要的作用[1]。值得注意的是冷卻劑的溫度系數。在PWR 中，由于燃料的最佳布置以及對硼濃度的適當控制，冷卻劑的密度變化引入的是負反饋。但在快堆中，由于燃料的富集度高，對大的堆芯內鈉的局部喪失所引起的反應性可正可負，這取決于該變化在堆芯內所處的位置。在靠近堆芯中心處，慢化、俘獲和自屏占主導地位，因此反應性變化為正；而在靠近堆芯邊緣時，中子的泄漏則變成主要的，故反應性變化為負。但對于小型快堆而言，由于堆芯小，任何時候都是泄漏占主要地位，所以可以做到鈉空泡系數在所有情況下均為負值。正是基于以上所述的負反應性反饋，當反應堆功率增加溫度升高時，負反饋產生，限制功率繼續增長，從而達到一個穩定狀態。使得反應堆具有自穩性和自調性。

1.2 反應性引入

（1）引入手段。與壓水堆不同，鈉冷快堆反應性控制的唯一手段是控制棒。盡管一回路流量變化會引起堆芯反應性的變化。因此向堆內引入反應性的手段是提升控制棒。CEFR 設有8 根控制棒，其中3 根安全棒，3 根補償棒和2 根調節棒。反應堆正常運行時，安全棒位于上終端位置，即提出堆芯。補償棒和調節棒位于堆內。因此引入反應性即可提升補償棒，也可提升調節棒。

（2）引入大小。本試驗是在反應堆運行狀態下進行的，根據反應性與周期的關系：反應性的引入不能觸發周期保護停堆。功率上升不能達到保護限值。

1.3 功率臺階選擇及穩定功率狀態計算

（1）試驗功率臺階。CEFR 的運行工況為9.45%Pn 以下為三回路為水工況，超過9.45%Pn 蒸發器要進行汽水工況轉換，并轉為汽水工況運行。即蒸發器內汽液兩相流工況。為了減少三回路不穩定對一、二回路影響，同時考慮到，引入一定正反應性后，功率水平有一定上升。因此試驗臺階選定在低于9.45%Pn 功率水平。同時，功率水平不能太低，功率太低，堆芯冷卻劑溫升較低，達到穩定狀態需要的時間相對較長。綜合考慮試驗在5%Pn 功率水平進行。

（2）瞬態功率峰值和穩定功率。本試驗是在反應堆上進行的真正試驗，具有一定核安全風險。為確保反應堆安全，做到對整個功率變化過程做到心中有數。經過理論計算，引入10pcm反應性后，計算結果如下：

試驗前 計算峰值 計算穩定狀態反應堆功率 2.55 3.43±0.13 2.65堆芯入口溫度 267 270堆芯出口溫度 278 283±3 282功率增長 0 34.6%±5% 3.8%

通過以上理論計算可以看出，在引入10pcm 反應性后，無論是功率峰值還是穩態下的功率值距離11%Pn 的功率保護定值還有很大裕度。根據CEFR 的運行工況，40%功率前，一、二回路流量均為50%額定流量，因此，本試驗的進行，不會發生功率流量不匹配的情況。本試驗的實施不會對反應堆安全構成威脅。

1.4 試驗實施

試驗實施前提是反應堆必須處于穩定狀態。即功率維持穩定，一、二路流量穩定，三回路給水溫度和流量保持穩定。同時堆芯進出口溫度3 小時不變或變化不超過±1℃。滿足以上條件后，由操縱員解除功率調節系統自動狀態，并將兩套功調系統投入手動狀態。通過提升1#調節棒24mm（棒位193mm 提升至217mm），觀察功率和過程檢測參數的變化趨勢。通過計算機監控系統記錄相關參數的變化趨勢。反應堆在引入擾動7 分鐘后，功率達到峰值，功率增長23.76%。

自穩定過程：在堆芯溫度上升后，由于負反饋效應，堆功率開始下降，5 小時后，堆功率2.81MW（4.32%Pn）。堆芯進出口溫度分別達到270/282℃。隨后在維持在該功率水平，并持續8 小時，認為達到了最終的穩定狀態[2]。

試驗過程沒有觸發有關的報警信號。

2 試驗結果及分析

注：① 均指相對于初始狀態的功率增長的百分比。

試驗功率變化如下圖：

圖1 小擾動后功率變化曲線

（1）試驗過程沒有發生試驗觸發的報警，也沒有其他報警發生。沒有破壞反應堆的正常運行。試驗選取的功率水平臺階和引入擾動大小是合適的。

（2）CEFR 自穩性驗證試驗是在解除功率自動調節系統下進行的，試驗結果表明CEFR 具有良好的自穩定性能，是一座安全可靠固有安全性好的核反應堆。

3 結語

自穩性試驗結果表明，選取的試驗功率臺階合適，反應性引入大小合理，快堆具有良好的自穩定能力。