朱元武
(中核核電運(yùn)行管理有限公司,浙江 海鹽 314300)
在核燃料組件裝入堆芯的過程中,對(duì)堆芯必須進(jìn)行有效地臨界安全監(jiān)督,以確保裝料操作過程中,反應(yīng)堆始終處于次臨界狀態(tài),確保燃料組件在堆芯的位置和方向與經(jīng)批準(zhǔn)的設(shè)計(jì)堆芯裝載圖保持一致,同時(shí)避免燃料組件發(fā)生機(jī)械損傷。
(1)所有電廠系統(tǒng)均已達(dá)到堆芯裝料所需的狀態(tài),裝卸料機(jī)正常可用;
(2)堆芯裝載圖和堆芯裝料程序已經(jīng)經(jīng)主管領(lǐng)導(dǎo)和國家核安全局審批通過;
(3)一回路硼濃度CB≥2100ppm;
(4)壓力容器水位>19.5m,水溫為10℃~60℃,且水質(zhì)良好;
(5)RPN 核儀表系統(tǒng)的兩個(gè)源量程和音響裝置都正??捎?;
(6)硼表、溫度表可用;
(7)源量程保護(hù)整定值按要求完成設(shè)定;
(8)裝料所需的臨界安全監(jiān)督控制臺(tái)與RX 反應(yīng)堆廠房、KX 燃料廠房之間的通訊已經(jīng)建立,并保證裝料過程中可以實(shí)時(shí)聯(lián)絡(luò);
(9)堆芯裝料模擬板準(zhǔn)備完畢并處于可用狀態(tài);
(10)堆內(nèi)臨時(shí)增設(shè)的水下照明設(shè)備、取樣裝置和水溫測量裝置正常、可靠;
(11)對(duì)于首次堆芯的裝料,為了在整個(gè)裝料過程中始終保證堆芯有可靠可信的臨界安全監(jiān)督,在堆芯可增加了3 套臨時(shí)計(jì)數(shù)裝置。這3 套裝置的工作特性已檢驗(yàn)校正完畢,可投入使用。
裝料期間,堆芯應(yīng)始終處于次臨界狀態(tài)。此時(shí)如果堆內(nèi)沒有外中子源,則次臨界堆內(nèi)的中子密度將衰減至零。如果堆內(nèi)有一個(gè)外中子源,則中子密度將在一個(gè)與次臨界度相關(guān)的通量水平上穩(wěn)定。假設(shè)外中子源發(fā)射的中子數(shù)是恒定的,即:中子源每θ 秒(θ=中子代時(shí)間)發(fā)出一批中子,每批中子數(shù)為s 個(gè)。這樣中子從第一代開始反應(yīng)堆內(nèi)中子數(shù)為s 個(gè),在第二代開始就有(s+skeff)個(gè)中子,第三代開始就有(s+skeff+skeff2)個(gè)中子,依此類推,到第n 代時(shí)反應(yīng)堆內(nèi)的中子總數(shù)應(yīng)為:
因?yàn)榇闻R界堆芯的keff值小于1,當(dāng)n 很大時(shí),此等比級(jí)數(shù)之和為一有限值:
事實(shí)上,式(2)也可以從點(diǎn)堆動(dòng)力學(xué)方程推導(dǎo)得到。由此可以看出,隨著燃料組件裝載數(shù)的增加,keff逐漸增大,中子計(jì)數(shù)率也在增加。下圖為有外中子源時(shí)次臨界堆芯反應(yīng)堆中子相對(duì)水平的變化,不同的曲線與不同的keff相對(duì)應(yīng)??梢钥吹狡胶庵蹬ckeff值有關(guān),keff值大,平衡值大,并且達(dá)到平衡值較慢。所以,在反應(yīng)堆裝料監(jiān)督過程中,利用中子源來增高堆內(nèi)的中子數(shù),以使反應(yīng)堆始終保持在次臨界狀態(tài)上。
圖1
為了確保在整個(gè)裝料過程中不發(fā)生意外臨界事故,在燃料組件按裝料順序裝入堆芯的過程中,實(shí)施臨界安全監(jiān)督。監(jiān)督方法是在堆芯每裝入一組燃料組件后,用中子探測器所探測的中子計(jì)數(shù)率的倒數(shù)與燃料組件的裝載數(shù)作圖進(jìn)行次臨界的監(jiān)督。通常采用堆外核測量系統(tǒng)中的源量程測量通道的計(jì)數(shù)率(首循環(huán)堆芯還在堆芯臨時(shí)增設(shè)的中子探測器的中子計(jì)數(shù)),進(jìn)行1/M 倒計(jì)數(shù)率外推來實(shí)施臨界安全監(jiān)督。其監(jiān)督過程主要如下:
(1)探測器本底計(jì)數(shù)率監(jiān)測
在核燃料開始入堆之前,首先進(jìn)行本底計(jì)數(shù)率的測量。通常是所有中子計(jì)數(shù)通道設(shè)置計(jì)數(shù)時(shí)間間隔為100 秒,并對(duì)每個(gè)通道要獲得每100 秒的積分計(jì)數(shù)值,對(duì)于每個(gè)通道計(jì)算平均本底計(jì)數(shù)值和平均計(jì)數(shù)率。但在秦山第二核電廠,由于從電站計(jì)算機(jī)系統(tǒng)KIT 中,采集到的是中子計(jì)數(shù)率值而不是積分計(jì)數(shù),故一般取10 個(gè)計(jì)數(shù)率的平均值作為平均本底計(jì)數(shù)率或是平均計(jì)數(shù)率。
一般來說,典型的本底計(jì)數(shù)率應(yīng)小于0.1CPS(即n/s)。如果測量結(jié)果比0.1CPS 明顯偏大,要尋找超本底的原因。如果本底計(jì)數(shù)比測量總計(jì)數(shù)的10%還大,則認(rèn)為此套測量系統(tǒng)是不可靠的。
電站由以下方法判斷中子計(jì)數(shù)裝置工作狀態(tài)是否正常:①幅度比>2(即在用示波器檢測時(shí),有用訊號(hào)幅度與噪聲訊號(hào)幅度之比大于2);②計(jì)數(shù)率比(通道中子計(jì)數(shù)率比本底計(jì)數(shù)率至少大一個(gè)數(shù)量級(jí))。
(2)基準(zhǔn)計(jì)數(shù)率測定
按裝料順序表的規(guī)定,在裝料前或帶中子源組件在堆芯移動(dòng)后,均需重新測量各通道的基準(zhǔn)計(jì)數(shù)率?;鶞?zhǔn)計(jì)數(shù)率的測量與本底計(jì)數(shù)率測量方法一樣,在秦山二期也是取10 次計(jì)數(shù)率測量的平均值。嚴(yán)格的說,基準(zhǔn)計(jì)數(shù)率應(yīng)扣除本底計(jì)數(shù)率,計(jì)算修正后的各個(gè)通道基準(zhǔn)計(jì)數(shù)NR。
每移動(dòng)一次帶中子源的組件后,需要重新進(jìn)行基準(zhǔn)計(jì)數(shù)的測定。
(3)倒計(jì)數(shù)率的測定(1/M 測定)
每當(dāng)一組燃料組件完全插入,計(jì)數(shù)達(dá)到穩(wěn)定,對(duì)每個(gè)測量通道進(jìn)行至少5 次計(jì)數(shù)率測量,計(jì)算其平均值Navg,再對(duì)該通道進(jìn)行本底修正(Navg-n),倒計(jì)數(shù)率比:
其中n 是每個(gè)通道的本底計(jì)數(shù)率,NR是每個(gè)通道的基準(zhǔn)計(jì)數(shù)值。在秦山二期中,本底計(jì)數(shù)率很小、可以忽略。故有
根據(jù)(2)式可得
其中,Keff0、Keff分別為初始狀態(tài)和組件入堆后的有效增殖系數(shù)。
在平面坐標(biāo)上以1/M 作為縱坐標(biāo),以次臨界度(1-Keff)作為橫坐標(biāo)(如前所述,次臨界度與入堆燃料組件的數(shù)目成對(duì)應(yīng)關(guān)系)。因此,在實(shí)際操作時(shí)是以入堆燃料組件的數(shù)目NF 為橫坐標(biāo),1/M 為縱坐標(biāo),進(jìn)行臨界安全監(jiān)督。這樣就可以得到外推曲線。為了安全起見,要求在監(jiān)督過程中,必須至少有一套獨(dú)立的中子計(jì)數(shù)系統(tǒng)(首次堆芯裝料時(shí)因堆芯增設(shè)三套臨時(shí)中子計(jì)數(shù)裝置,必須至少兩套可用)是可運(yùn)行的;否則,停止裝料操作。
(4)影響1/M 曲線的因素
理想的1/M 曲線是一條直線,但是實(shí)際上1/M 曲線有可能是凹形的也可能是凸形的,但是最后外推臨界的結(jié)果都?xì)w于一點(diǎn)。影響1/M曲線的因素有:
①中子源在堆芯的位置;
②中子探測器(包括堆內(nèi)、堆外)的位置;
③堆芯燃料組件的裝載順序;
④堆芯中子源的強(qiáng)度。
為了保證裝料的安全,在裝載過程中必須進(jìn)行中子計(jì)數(shù)率的監(jiān)測,若發(fā)生以下任一種情況應(yīng)該立即停止裝料操作,待查清事故原因或排除故障后,方可繼續(xù)進(jìn)行:
①任何一個(gè)臨時(shí)中子計(jì)數(shù)通道的中子計(jì)數(shù)率突增5 倍以上;
②所有責(zé)任通道的中子計(jì)數(shù)率增長2 倍以上;
③能正常工作的中子計(jì)數(shù)通道不足二個(gè)通道時(shí)(首次裝料);
④與一個(gè)源量程中子計(jì)數(shù)通道相接的撤退報(bào)警訊號(hào)發(fā)生動(dòng)作時(shí);
⑤當(dāng)二個(gè)帶初級(jí)中子源的組件裝載后,達(dá)到每秒0.5 個(gè)計(jì)數(shù)的中子計(jì)數(shù)通道少于2 個(gè)時(shí);
⑥倒計(jì)數(shù)率比(1/M)明顯不正常時(shí)。