秦山第三核電廠保證停堆方式改進(jìn)探索

□王建鋒 侯癸合 沈國(guó)章 陳 妍 劉 桐

一、引言

重水反應(yīng)堆的保證停堆狀態(tài)(GSS)是一種特殊的停堆狀態(tài)，在這個(gè)狀態(tài)下，即使因反應(yīng)性裝置的任何改變、反應(yīng)堆堆芯參數(shù)改變或工藝系統(tǒng)失效等導(dǎo)致大量反應(yīng)性引入，反應(yīng)堆仍然能夠保持在安全穩(wěn)定的次臨界狀態(tài)。

秦山第三核電廠(以下簡(jiǎn)稱“秦三廠”)是我國(guó)第一個(gè)重水堆核電廠，引進(jìn)自加拿大，通過將高濃度硝酸釓溶液注入慢化劑系統(tǒng)中使反應(yīng)堆過度中毒，從而實(shí)現(xiàn)反應(yīng)堆深度次臨界的保證停堆狀態(tài)，即Over Poisoned GSS(簡(jiǎn)稱OPGSS)。

2008年，加拿大同類型的重水堆核電站Pickering B電站7號(hào)機(jī)組由于需要更換失效的慢化劑排管而要求機(jī)組進(jìn)入保證停堆狀態(tài)(GSS)，然而由于該工作需要排空慢化劑，因而會(huì)導(dǎo)致慢化劑毒物不可用，不能使用常規(guī)的將高濃度硝酸釓溶液注入慢化劑使之過度中毒實(shí)現(xiàn)保證停堆狀態(tài)(OPGSS)。當(dāng)時(shí)電站就向加拿大核安全監(jiān)管當(dāng)局(CNSC)申請(qǐng)使用基于控制棒的保證停堆方式，即Rod Based Guaranteed Shutdown State(簡(jiǎn)稱RBGSS)。

經(jīng)過安全分析，RBGSS作為實(shí)現(xiàn)保證停堆狀態(tài)(GSS)的另一種方式，在慢化劑毒物不可用狀態(tài)下能夠保證反應(yīng)堆的運(yùn)行安全，因此加拿大核安全監(jiān)管當(dāng)局(CNSC)批準(zhǔn)了該方式，并要求加拿大其他重水堆核電廠增加基于控制棒的保證停堆方式(RBGSS)，并開展了相應(yīng)的工程實(shí)踐。截至2020年，RBGSS技術(shù)在獲得CNSC批準(zhǔn)后已在加拿大多個(gè)電廠累計(jì)實(shí)施了十余次。

秦三廠重水堆和加拿大的重水堆機(jī)組一樣，同樣有可能發(fā)生慢化劑毒物不可用的狀態(tài)。因此，借鑒加拿大重水堆行業(yè)實(shí)踐，在秦三廠增加了基于控制棒的保證停堆方式(RBGSS)，來應(yīng)對(duì)當(dāng)發(fā)生慢化劑控制系統(tǒng)不可用或慢化劑毒物失效時(shí)，無法進(jìn)入保證停堆狀態(tài)(GSS)的問題；同時(shí)，RBGSS的應(yīng)用也增加了機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性。本文主要對(duì)RBGSS在秦三廠重水堆的應(yīng)用情況進(jìn)行介紹。

二、OPGSS存在的不足

秦三廠原有設(shè)計(jì)采用OPGSS的保證停堆方式。由于釓元素(Gd)作為中子毒物對(duì)中子具有極強(qiáng)的吸收作用，OPGSS就是在慢化劑系統(tǒng)中加入大量的高濃度的硝酸釓溶液，向反應(yīng)堆堆芯引入過量的負(fù)反應(yīng)性，使反應(yīng)堆深度停堆并保持在這一停堆狀態(tài)，從而保證檢修過程中的反應(yīng)堆安全。同時(shí)，為了防止硝酸釓溶液被稀釋而引入正反應(yīng)性，對(duì)慢化劑系統(tǒng)邊界進(jìn)行隔離和鎖定。

重水堆堆芯中，排管容器、排管以及端屏蔽構(gòu)成了重水慢化劑在反應(yīng)堆堆芯內(nèi)的壓力邊界，硝酸釓溶液分布在反應(yīng)堆堆芯的慢化劑中通過吸收中子將反應(yīng)堆保持在深度次臨界狀態(tài)。

根據(jù)最初設(shè)計(jì)，作為慢化劑壓力邊界的排管在反應(yīng)堆的整個(gè)壽期內(nèi)是不需要更換的，因此常規(guī)的OPGSS在設(shè)計(jì)時(shí)只考慮了慢化劑系統(tǒng)以外的系統(tǒng)檢修的情況，并沒有考慮慢化劑排管更換的特殊情況，而根據(jù)加拿大同類型重水堆的運(yùn)行實(shí)踐，這種情況是有可能發(fā)生的。所以，從安全性考慮，有必要增加一個(gè)可以應(yīng)對(duì)慢化劑毒物不可用的極端情況的保證停堆方式。

另外，秦三廠技術(shù)規(guī)格書中規(guī)定，OPGSS要求的慢化劑中毒物釓(Gd)的濃度在主熱傳輸系統(tǒng)熱態(tài)加壓和冷態(tài)卸壓分別不得低于9.1ppm和4.3ppm，為了調(diào)節(jié)慢化劑中毒物濃度，秦三廠設(shè)計(jì)有專門的毒物添加系統(tǒng)和慢化劑凈化系統(tǒng)分別來增加和減少慢化劑中毒物的濃度。在機(jī)組停堆大修過程中，由于要進(jìn)行二號(hào)停堆系統(tǒng)(SDS#2)的實(shí)際觸發(fā)動(dòng)作試驗(yàn)，直接將二號(hào)停堆系統(tǒng)(SDS#2)的高濃度硝酸釓注入到慢化劑系統(tǒng)中，使慢化劑中Gd的濃度大于13ppm，該濃度使OPGSS的進(jìn)入不需要再額外進(jìn)行毒物添加。這是一個(gè)很高的濃度，可以堆芯保持在深度次臨界，但也會(huì)造成反應(yīng)堆啟動(dòng)中的除毒達(dá)臨界過程需要相對(duì)較長(zhǎng)時(shí)間(25小時(shí)左右),同時(shí)由于長(zhǎng)時(shí)間的除毒，會(huì)造成慢化劑凈化系統(tǒng)的樹脂床飽和而頻繁失效，從而增加重水損失和工作人員的輻照劑量。

所以，有必要在秦三廠增加基于控制棒的保證停堆方式(RBGSS)。

三、RBGSS設(shè)計(jì)方案描述

RBGSS作為一種特殊的停堆狀態(tài)，只在反應(yīng)堆停堆時(shí)使用，其設(shè)計(jì)的前提是基于合理利用反應(yīng)堆原有的各種反應(yīng)性控制裝置，并不增加新的設(shè)備，也不改變?cè)械姆磻?yīng)性控制機(jī)構(gòu)，只是對(duì)現(xiàn)有反應(yīng)性控制機(jī)構(gòu)在反應(yīng)堆中的位置加以限定。

依據(jù)以上原則，從安全性和經(jīng)濟(jì)性考慮，秦三廠共設(shè)計(jì)了兩種形式的RBGSS，即常規(guī)RBGSS和應(yīng)急RBGSS。常規(guī)RBGSS是將所有控制棒即停堆棒(SOR)、機(jī)械控制吸收棒(MCA)和調(diào)節(jié)棒(AA)全部鎖定在反應(yīng)堆堆芯，并向慢化劑內(nèi)加入少量的毒物來實(shí)現(xiàn)；應(yīng)急RBGSS是慢化劑毒物部分或全部失去中子吸收性能時(shí)的應(yīng)急手段，因此，應(yīng)急RBGSS不考慮慢化劑毒物，只考慮使用控制固體吸收棒等去壓制堆芯反應(yīng)性，同時(shí)考慮計(jì)算次臨界反應(yīng)性的不確定度，堆芯有足夠的裕量維持次臨界。

實(shí)際應(yīng)用中，在機(jī)組大修情況下，電廠優(yōu)先考慮使用常規(guī)OPGSS模式；在機(jī)組小修情況下，電廠優(yōu)先考慮使用常規(guī)RBGSS模式；而當(dāng)慢化劑毒物控制系統(tǒng)不可用或毒物失效時(shí)機(jī)組只能進(jìn)入應(yīng)急RBGSS模式。秦三廠采用RBGSS的典型流程如下：

(一)常規(guī)大修期間。常規(guī)大修期間，需要執(zhí)行二號(hào)停堆系統(tǒng)(SDS#2)注入試驗(yàn)時(shí)，首先進(jìn)入OPGSS，在控制棒的試驗(yàn)和檢修完成后，將全部控制棒插入堆芯并加以鎖定，再通過投用慢化劑凈化系統(tǒng)將慢化劑毒物濃度降低到常規(guī)RBGSS要求的水平，過渡到RBGSS同時(shí)隔離慢化劑凈化系統(tǒng)。

(二)機(jī)組小修期間。在機(jī)組小修期間，當(dāng)不需要執(zhí)行二號(hào)停堆系統(tǒng)(SDS#2)注入試驗(yàn)時(shí)，將全部控制棒插入堆芯并加以鎖定，再通過毒物添加系統(tǒng)將慢化劑毒物濃度增加到常規(guī)RBGSS要求的水平，同時(shí)隔離慢化劑凈化系統(tǒng)。

(三)喪失慢化劑毒物控制事故時(shí)。一旦發(fā)生喪失慢化劑毒物控制事故時(shí)，進(jìn)入應(yīng)急RBGSS，將全部控制棒插入堆芯并加以鎖定，同時(shí)將堆芯主系統(tǒng)保持在冷態(tài)卸壓狀態(tài)，待喪失慢化劑毒物控制事故問題解決后，再將機(jī)組置于OPGSS或常規(guī)RBGSS狀態(tài)。

四、RBGSS的安全分析評(píng)價(jià)

由于RBGSS并不增加新的設(shè)備，也不改變反應(yīng)堆原有的反應(yīng)性控制機(jī)構(gòu)，并且不改變反應(yīng)堆啟動(dòng)過程中的達(dá)臨界方式，因此，RBGSS對(duì)于反應(yīng)堆的功率運(yùn)行沒有任何影響，安全分析只須論證其作為一種保證停堆狀態(tài)是否有效。在秦三廠CANDU重水堆的RBGSS分析中，要求的次臨界度目標(biāo)反應(yīng)性值為-30mk，這也是加拿大重水堆機(jī)組RBGSS安全分析的標(biāo)準(zhǔn)，并且經(jīng)過了加拿大多個(gè)電站的實(shí)踐驗(yàn)證，對(duì)重水堆機(jī)組而言，-30mk已提供了非常大的次臨界裕量，而不是剛好次臨界。

秦三廠重水堆RBGSS安全分析由加拿大Candu Energy公司(以下簡(jiǎn)稱“CE”)進(jìn)行，該公司也是秦三廠反應(yīng)堆的設(shè)計(jì)公司，安全分析建模的反應(yīng)堆物理計(jì)算程序是CANDU反應(yīng)堆物理分析的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)IST程序(包括柵元計(jì)算程序WIMS-AECL，超柵元計(jì)算程序DRAGON，堆芯計(jì)算程序RFSP)。分析的反應(yīng)堆情況涵蓋了平衡堆芯的天然鈾(NU)堆芯和等效天然鈾(NUE)堆芯；考慮停堆后堆芯反應(yīng)性和核素的衰變，以反應(yīng)堆滿功率的堆芯狀態(tài)參數(shù)作為安全分析的起始點(diǎn)，以反應(yīng)堆正反應(yīng)性最大的停堆后15天作為RBGSS分析的參考狀態(tài)，最長(zhǎng)考慮了停堆365天的堆芯情況；分析考慮的反應(yīng)性引入的限制性事故是大破口(LOCA)事故和壓力管/排管破口(PT/CT)事故，這兩個(gè)事故是能給反應(yīng)堆堆芯引入最大正反應(yīng)性的事故，可以涵蓋其它事故。

分析表明，常規(guī)RBGSS通過將全部控制棒插入并鎖定在堆芯，同時(shí)配合少量的慢化劑毒物(2.5ppm的硝酸釓)，在分析的事故工況下堆芯次臨界度滿足小于-30mk的目標(biāo)。應(yīng)急RBGSS下不考慮慢化劑毒物，只考慮將全部控制棒插入并鎖定在堆芯來壓制堆芯反應(yīng)性，安全分析表明，應(yīng)急RBGSS期間，只要不安排會(huì)給堆芯引入正反應(yīng)性的檢修活動(dòng)(通過對(duì)GSS期間堆芯運(yùn)行狀態(tài)加以限制，即：不允許開展換料或燃料通道檢查；堆芯主熱傳輸系統(tǒng)保持在冷態(tài)卸壓狀態(tài))，堆芯次臨界度就能滿足小于-30mk的目標(biāo)，在事故工況下，堆芯仍然能夠維持足夠的次臨界裕量。分析表明，RBGSS作為GSS的一種實(shí)現(xiàn)方式，滿足GSS的安全和設(shè)計(jì)要求，RBGSS期間堆芯能高度可靠地保證次臨界狀態(tài)。

五、RBGSS在秦三廠的實(shí)際應(yīng)用效果評(píng)價(jià)

應(yīng)急RBGSS的應(yīng)用，解決了秦三廠當(dāng)發(fā)生慢化劑控制系統(tǒng)不可用或慢化劑毒物失效時(shí)無法進(jìn)入保證停堆狀態(tài)(GSS)的反應(yīng)堆安全問題。

此外，秦三廠兩臺(tái)機(jī)組單機(jī)容量72.8萬千瓦，在機(jī)組正常大修和小修過程中，采用常規(guī)RBGSS時(shí)慢化劑中毒物濃度(約2.5ppm)比OPGSS的慢化劑毒物濃度(約13ppm)小的多，機(jī)組啟動(dòng)中除毒達(dá)臨界過程可以節(jié)省大約20個(gè)小時(shí)，約合1,400萬千瓦時(shí)的發(fā)電量；同時(shí)也減少了慢化劑凈化系統(tǒng)樹脂床的失效頻率，降低了因樹脂床更換的重水損失和人員的輻照劑量。

六、結(jié)語(yǔ)

相比較單一的OPGSS，RBGSS作為另外一種實(shí)現(xiàn)GSS的方式，能夠有效緩解事故工況下的后果，節(jié)省反應(yīng)堆達(dá)臨界期間的除毒時(shí)間，減少放射性廢物的產(chǎn)生，減少工作人員輻照劑量，增加機(jī)組運(yùn)行靈活性。RBGSS的保證停堆方式與原有的OPGSS相配合，加強(qiáng)了核反應(yīng)堆運(yùn)行的安全性，提高了電廠運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性與靈活性，對(duì)電廠的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行具有非常高的實(shí)際意義。