核電廠動態刻棒技術分析

徐逸凡 楊 堃

（海南核電有限公司，海南 昌江 572732）

0 引言

在當前核電廠物理試驗的過程中會受多種因素的影響，利用傳統方法測量控制棒價值需要不斷調整硼濃度，移動控制棒，耗時耗力，人因風險較大。技術人員在使用動態刻棒技術后，能夠節約大修啟動物理試驗的時間，減少運行人員與技術人員的工作負擔，還可以減少核電廠產生的一回路廢水，提升電廠的經濟效益，降低核安全風險。

1 核電動態刻棒技術

一般來講，核電動態刻棒法在使用過程中依托點堆動力學方程，通過堆芯內中子注量率隨時間的變化情況反推該過程中反應性價值的變化情況。對傳統控制棒的測量方式來說，如果堆芯中子的注量率發生快速變化，那么其生成的測量結果也會出現較大改變，難以在一定時間內順利完成控制棒的測量工作。為解決這個問題，在使用動態刻棒技術的過程中，要適時引入動態修正因子與靜態修正因子，并在堆芯中子注量率快速變化的過程中修正與空間效應相關的理論，從而快速開展控制棒整體的價值測量工作。為了更好地使用修正因子，相關人員可利用適宜的核設計軟件將靜態修正因子（SSF）設計為棒位函數，這一類函數可展示穩態下探測器響應與堆芯中子內部注量率分布形態間的關系。而利用動態修正因子（DSF）來尋找表征下的逆動態求解方程與靜態棒價值間的關系。對動態刻棒技術來說，在開展與該技術相關的試驗時，技術人員可適時修正反應堆內部臨界狀態中堆外探測器的電流信號，利用靜態修正因子來完成相關電流信號的再修正工作，在完成修正后，借助該電流信號值獲取逆動態方程，從而得到對應的反應值，再使用動態修正因子完成反應值的修正工作，進而有效獲取該控制棒的實際價值。與傳統方法測量控制棒價值的方法相比，動態刻棒法無須改變硼濃度，全程只使用控制棒，可以縮短試驗時間，降低人因失誤風險。目前，動態刻棒法已經通過國家核安全局的安全審批，已有多個壓水堆核電廠使用動態刻棒法替代傳統方法來測量控制棒價值，實際效果較好[1]。

2 中間量程與功率量程的比對

無論使用哪一種方法執行控制棒價值的測量工作，專業技術人員都需要先將堆內中子注量率測量信號接入反應性儀，以獲取相關數據對試驗結果進行處理。以某核電廠為例，正常情況下是通過布置在反應堆堆外的核功率測量儀表來測量中子注量率，下面將對核功率測量儀表進行介紹。

2.1 核電廠核功率測量儀表

核電廠內部的核功率測量儀表用于顯示堆芯功率水平與反應堆功率值的分布變化情況，這一類儀表輸出參數可以充分發揮反應堆保護、控制棒動作、堆芯監督以及功率分布監督等作用。具體來說，核功率測量儀表的安全功能是在堆芯中子注量率高和中子注量率快變化時觸發反應堆停堆以及停堆前通過信號閉鎖自動和手動提升控制棒（反應堆啟動時除外）。除此之外，核功率測量儀表探測到的堆芯軸向功率偏差信號也可以借助控制棒、超功率與超功率△T 反應堆停堆來控制閉鎖整定值。

在實際工作中，核電廠核功率測量儀表內部含有4 個大小相似的功率量程通道、2 個中間量程通道以及2 個源量程通道，而每個功率量程都帶有6 節類型相似的探測器。其中，源量程通道探測器為硼襯基正比計數管，中間量程通道探測器為硼襯基γ 射線補償電離室，功率量程通道探測器為硼襯基非補償電離室。這3 種探測器的靈敏度與應用環境各不相同，適合探測的堆芯中子注量率水平也各有所長。通常來說，源量程通道探測器適合探測堆芯中子注量率極低的情況（堆芯臨界前）；功率量程通道探測器則適合探測堆芯中子注量率極高的情況（機組帶功率運行期間）；而中間量程通道探測器則適合探測堆芯從臨界過渡到低功率運行期間的中子注量率水平。因此，在正式使用核功率測量儀表輸出信號前，相關人員須適時明確各類量程通道設計的靈敏度與測量范圍，只有保證數值精準才能確認不同類型量程的適用對象。核功率探測器儀表性能的具體數值與保護定值設定見表1～表2。

在了解與掌握功率量程、中間量程與源量程的相關性能指標后，技術人員可根據該指標進行專業性分析。例如，由表2 中的數據可知，源量程探測器可將其停堆保護整定值設為RT1，中間量程探測器的控制棒提棒閉鎖的整定值設為C1，緊急停堆整定值設為RT2，功率量程探測器中子注量率低停堆整定值的數值設為RT3，中子注量率高停堆整定值的數值設為RT4，控制棒提棒閉鎖的整定值設為C2。源量程探測器通常只在堆芯裝載、反應堆啟動及停堆期間使用，對中子注量率的測量范圍比其他的探測器要小很多，靈敏度也低很多。而且根據電廠的安全限值，堆芯臨界后不久就需要手動閉鎖源量程探測器，以防止機組停堆。在實際開展動態刻棒試驗的過程中，堆芯中子注量率較高，超過源量程停堆保護定值，因此，無法使用源量程通道探測器輸出信號進行試驗數據處理。技術人員僅能根據中間量程或功率量程的相關電流信號完成試驗工作。由表1 可以看出，二者靈敏度與測量范圍大致一樣，均在同一水平內。

表1 某核電核功率測量儀表的靈敏度與測量范圍表

表2 某核電零功率試驗期間核功率測量儀表的保護定值設置

2.2 中間量程與功率量程的比對

由表1 可知，中間量程與功率量程2 種探測器的靈敏度與測量范圍大致一樣，從理論上來說，2 種探測器都可以用于提供輸出信號執行動態刻棒試驗。但在具體操作中，由于反應堆內存在中子源與活化產物，因此會發射多余的中子輻射信號，它們使反應堆內存在本底測量電流。為了更加精確地測量控制棒價值，需要消除本底電流對輸出信號的影響。根據技術人員實際驗證，從儀表實際顯示數值來看，中間量程顯示的電流數值更大，通常比功率量程大1 個數量級。從理論上來說，在同一狀態下執行試驗，使用中間量程輸出電流進行數據處理所受的本底電流影響會更小，試驗結果精確度更高。但是經過技術人員對比分析后發現，還存在以下2個問題：1） 中間量程與功率量程輸出信號存在差別。試驗用反應性儀需要接入電流信號，以獲得試驗期間的堆芯中子注量率變化情況。功率量程為硼襯基非補償電離室，直接輸出脈沖電流信號，因此可以直接接入反應性儀。中間量程為硼襯基γ 補償電離室，輸出的信號需要經過信號消除轉換再放大處理，轉化為顯示電流輸入反應性儀。因此，當實際讀取數據時，中間量程輸出信號間隔數十秒后會出現重復的電流信號，形成“毛刺”，這就是由于中間量程的信號轉換放大處理存在延遲，因此累積較多的延遲時間后，輸出信號出現重復。如果要使用中間量程輸出信號進行數據處理，需要手動識別去除信號“毛刺”部分的壞點，數據處理較為復雜，也容易出錯。2） 核電廠中間量程與功率量程測量儀表均具備停堆保護功能，確保反應堆內中子注量率快速提升至某一定值時能夠觸發停堆保護信號，避免堆芯功率不可控地提升（直至融毀）。按照某核電的停堆信號的設置邏輯，功率量程為4 個測量通道，停堆邏輯為4 取2，即四者之間任意2 個通道達到保護定值即觸發停堆信號；中間量程為2 個測量通道，停堆邏輯為2 取1，即二者之間任意1 個通道達到保護定值即觸發停堆信號。然而執行動態刻棒試驗期間，需要將中間量程或功率量程某一通道信號接入反應性儀，這勢必會導致該測量通道不可用。1 個通道接入反應性儀后，功率量程停堆邏輯將變為3 取2，中間量程停堆邏輯將變為1取1。顯然，假設接入的是中間量程的1 個通道，那么剩余通道一旦發生故障或信號波動，將立即觸發停堆保護信號。從電廠的安全冗余性來看，接入中間量程某一通道進行試驗的風險明顯更大[2]。

綜上所述，技術人員經過綜合考慮，某核電最終選擇使用接入功率量程某一通道輸出信號執行動態刻棒試驗。

3 動態刻棒技術在某核電廠的試驗過程

為強化核電廠內動態刻棒技術的應用效果，研究人員需要開展動態刻棒技術的應用試驗，將該技術融合到核電廠的內部反應中，適時觀察該技術具體的應用過程。例如，在實行動態刻棒試驗期間，試驗人員需要合理控制其運行狀態，使該狀態的運行特征與其初始狀態相符，從試驗過程上對核電運行的質量進行控制，在開展試驗的過程中還要注意多個安全事項，保障動態刻棒技術的應用安全。

3.1 動態刻棒試驗執行過程

初始狀態：通過插入某一控制棒組引入約60 pcm 的負反應性，即通過脈沖抽樣編碼的負反應性來調節硼濃度，使堆芯處于臨界狀態。

首先，將該插入棒組一次性提升至堆頂，通過引入的約60 pcm 的正反應性使堆芯中子注量率逐漸提升至多普勒核發熱點。其次，待中子注量率提升至多普勒核發熱點附近后，立即將某一控制棒組全部下插，等待中子注量率降至最低，在這期間測量控制棒插入過程功率量程探測器輸出信號變化情況與堆芯本底電流。再次，本底電流測量完畢后，將已插入的控制棒組分段提升至堆頂，繼續使中子注量率逐漸提升至多普勒核發熱點附近，隨即切換成另一組控制棒并將其全部下插，測量控制棒插入過程中功率量程探測器輸出信號的變化情況。最后，重復上述步驟，直至所有棒組均測量完畢，試驗結束，處理試驗數據，將堆芯恢復至初始狀態。

3.2 試驗注意事項

試驗過程中的注意事項如下：1） 在進行動態刻棒試驗前，物理試驗人員需要先將反應性儀的時間與電廠信號處理服務器的時間標定同步，以便后續記錄時間信息，保證功率量程探測器的輸出電流信號隨時間同步輸入至試驗反應性儀中。2） 初始控制棒組插入堆芯引入的負反應性不可過大，否則后續一次性全部提出時有可能觸發中子注量率倍增時間小于設定值的報警信號，該信號將導致控制棒提升閉鎖，影響試驗的正常執行。3） 測量本底電流期間，堆芯中子注量率會降低。中子注量率低于某一定值時，控制系統將自動解除源量程測量通道的閉鎖信號，重新投用源量程測量通道。通過3.1 節的試驗過程可知，本底電流測量結束后需要分段將控制棒提升至堆頂。當提升控制棒時，會引入較大的正反應性，使堆內中子注量率逐漸快速增加，因此，必須密切注意引入的正反應性速率與源量程計數率的變化情況。當源量程停堆中子計數率高報警（P6）觸發時，立即閉鎖源量程測量通道，防止觸發源量程中子計數率高于停堆整定值，從而導致機組停堆[3]。

3.3 試驗結論

根據能源局于2013 年發布的行業推薦標準《壓水堆核電廠重新裝料后的物理啟動試驗》（NB/T 20240—2013）可知，推薦的測量控制棒價值的試驗驗收準則見表3。

表3 NB/T 20240—2013 推薦的控制棒價值測量驗收準則

根據某電廠的《物理試驗監督要求》可知，對控制棒價值測量的驗收標準見表4。

表4 某電廠《物理試驗監督要求》內的控制棒價值測量驗收準則

結合行業推薦標準與該電廠《物理試驗監督要求》內的規定，最終該電廠將控制棒價值測量的試驗驗收準則定為測量值與設計值相對偏差小于10%。某核電使用功率量程通道電流信號，在當前大修項目205 及106 中正式使用動態刻棒法執行試驗。試驗數據處理結果見表5，試驗結果滿足驗收準則。

4 動態刻棒技術與傳統方法的比較

某核電廠之前一直使用調硼法測量控制棒價值。調硼法測量控制棒價值是通過連續稀釋或硼化改變反應堆冷卻劑的硼濃度，再根據硼濃度改變所引起的反應性變化，通過插入或提升某一控制棒組進行補償，直至該控制棒組完全插入或提升至堆芯底部或頂部。對試驗期間發生的反應性狀態改變進行修正補償，求出控制棒組整個移動過程中的反應性變化量之和，即為該控制棒組的價值。該方法經過了國內外多家壓水堆核電廠的大量實際驗證，原理簡明，技術成熟，方法可靠。但是在多年的實際應用過程中，技術人員發現調硼法也存在不少缺點。根據技術人員反饋，該試驗持續時間極長，通常需要約12 h；試驗期間硼濃度調節會產生大量廢水，增加了核電廠放射性廢液的處理量，影響電廠環境保護與經濟成本；并且試驗需要連續開展長時間的反應性操作，容易出現人因失誤，存在較大的安全風險。鑒于以上情況，經過調研，某核電廠決定引進動態刻棒法以替代傳統的調硼法來測量控制棒價值。

某核電廠205 及106 大修使用動態刻棒技術后，技術人員對二者進行對比分析，結果見表6。由表6 可以看出，動態刻棒技術在時間、經濟與安全各方面均明顯優于調硼法，在行業內有較大的推廣應用前景。

表6 動態刻棒法與調硼法的對比分析

通過比較調硼法與動態刻棒技術可知，在使用傳統技術的過程中，相關人員將耗費更多的時間，處理成本較高且帶有極大的安全風險，其原因在于該技術的應用過程較機械，操縱人員要長時間在試驗現場開展核電反應試驗；而在使用新型動態刻棒技術后，此前的操作劣勢將得到適時縮減，例如試驗時間由12 h 縮短到3 h。從經濟角度來看，由于各項設備的機械化程度較高，多項環節的成本會得到及時控制，且在試驗時間較短、機械化操作的影響下，可以降低操作人員的執行風險。因此，在當前的核電廠內，動態刻棒技術已得到廣泛應用。

5 結語

綜上所述，在開展核電動態刻棒試驗的過程中，技術人員需要深入探討中間量程、功率量程輸出信號的形成原理，對二者信號輸入對試驗數據處理的影響以及機組安全狀態進行系統性判斷，在保證機組安全的前提下選擇合適的信號輸入執行動態刻棒試驗，提升該技術的試驗效果。與傳統方法相比，動態刻棒技術可以明顯地提高核電廠運行發展的穩定性，在行業內有較大的推廣前景。