秦山CANDU6重水堆应用RBGSS技术的可行性分析

刘忠国，王文聪，史星金，冯进军

(1.中核核电运行管理有限公司， 浙江314300；2. 环境保护部核与辐射安全中心, 北京100082)

秦山CANDU6重水堆应用RBGSS技术的可行性分析

刘忠国1，王文聪1，史星金1，冯进军2

(1.中核核电运行管理有限公司， 浙江314300；2. 环境保护部核与辐射安全中心, 北京100082)

RBGSS技术将为CANDU6重水堆提供另外一种进入保证停堆状态的方法。本文介绍了RBGSS的技术方案，分析了RBGSS技术的优势，结合秦山CNADU6反应堆的运行实践，探讨了RBGSS技术在机组大修和小修过程中的应用方法，评价了RBGSS技术的安全性和经济性。最后讨论了RBGSS可能存在的问题。

CANDU6; OPGSS; RBGSS; 临界

秦山CANDU6重水堆是中国大陆目前唯一一座投入商业运行的重水堆核电机组，重水既作慢化剂又作冷却剂，使用天然铀燃料，采用不停堆在线换料的运行方式。CANDU6重水堆进入保证停堆状态GSS(Guaranteed shutdown state)的方法一般是通过将高浓度硝酸钆溶液注入慢化剂使之过度中毒实现的，简称OPGSS(Over Poisoned GSS)。在反应堆启动阶段，通过慢化剂净化系统的净化树脂除去慢化剂的毒物，逐步使反应堆达到临界状态。

1 背景

目前秦山CANDU6重水堆大修过程中一般是通过触发2号停堆系统(Shut down system #2,简称SDS#2)来进入GSS状态，慢化剂中硝酸钆浓度一般大于13.0 ppm。在后续反应堆达临界期间，将慢化剂毒物浓度从13.0 ppm除到反应堆临界需要的时间超过18h，这在一定程度上延长了机组启动的时间。

国外研究机构开发了一种新的GSS技术，即Rod Based GSS(简称RBGSS)，将所有控制棒插入堆芯，用控制棒的反应性价值使反应堆达到GSS状态。相比较传统的OPGSS，由于需要去除的毒物较少，可以快速达到临界，从而缩短机组启动时间。

2 RBGSS实施方案介绍

CANDU6反应堆堆芯采用水平压力管式的布置方式，堆芯有380根水平布置的燃料通道，每个燃料通道装12个燃料棒束，每个燃料棒束由37根天然铀燃料元件组成。堆芯活性区长约6.0m，堆芯380个燃料通道内重水冷却剂的流量为双向交错式，相邻通道的冷却剂流量方向相反。

CANDU6重水堆的控制棒包括停堆棒、机械吸收棒和调节棒，图1所示为CANDU6重水堆反应性控制机构布置图。其中停堆棒是空心的镉圆柱体，共28根，分成两组，每组14根，其总的反应性价值约为-80mk。机械吸收棒的材料和结构与停堆棒一致，共4根，分成2组，每组2根，其总的反应性价值约为-9mk。调节棒由一定数量的钴棒组成，共21根，分成7组，其总的反应性价值约为-15mk。停堆棒和机械吸收棒是不进行更换，而钴调节棒在每次大修期间都需要进行更换，用新的钴棒(材料为59Co)替换在堆内经过中子辐照的旧钴棒(材料为60Co)。

在反应堆正常运行时，调节棒是插入堆芯的，目的是展平反应堆中子通量分布，或者补偿反应堆重新启动时的氙毒，或者在无法在线换料时为反应堆提供后备反应性。而停堆棒和机械吸收棒是拔出堆芯的，便于在紧急情况下向堆芯提供负反应性。

RBGSS的技术方案：将所有停堆棒、机械吸收棒和调节棒全部锁定在堆芯中。同时为保证足够的停堆深度，需要在慢化剂中加入约2.0 ppm的硝酸钆毒物。

RBGSS实施期间，为了保证反应堆的安全，必须保证2号停堆系统SDS#2可用。

RBGSS解除过程中，为了补偿停堆棒和机械吸收棒的反应性价值，需要在拔棒前加入一定量的毒物(硝酸钆浓度约3.0 ppm)，此时慢化剂内硝酸钆浓度为5.0 ppm。然后利用净化床除去慢化剂内的毒物，逐渐使反应堆达到临界状态。

3 大修期间应用RBGSS

3.1 RBGSS实施流程

目前秦山重水堆的大修周期是两年，而SDS#2毒物注入试验的试验周期也是两年，所以每次大修中SDS#2毒物注入试验是必须进行的，因此RBGSS在大修期间的实施流程如下：

• 使用SDS#2停堆；

• 复位SDS#2，隔离慢化剂净化系统，建立OPGSS；

• 在OPGSS状态下，实施SOR棒、MCA棒的检修和钴调节棒的更换；

• 过渡到RBGSS：插入SOR棒和MCA棒，投用慢化剂净化系统，将慢化剂毒物浓度除到5.0 ppm，隔离慢化剂净化系统，建立RBGSS；

•在RBGSS状态下继续开展大修工作；

•退出RBGSS，投用慢化剂净化系统，除毒达临界。

RBGSS在大修中的实施流程图见图2。

图2 大修中RBGSS的实施流程Fig.2 Implement flow of RBGSS used in long time outage

3.2 RBGSS效益分析

根据前期调研，并结合秦山重水堆实际运行状况，机组大修期间实施RBGSS存在如下效益。

3.2.1 节省反应堆达临界期间的除毒时间

CANDU6重水堆慢化剂净化系统简图[1]见图3。

图3 CANDU6反应堆慢化剂净化系统简图Fig.3 Diagram of CANDU6 reactor moderator purification system

考虑净化床的净化效率为100%，则慢化剂毒物浓度的变化趋势如下：

C(t)=C0×exp(-λ t)

=0.0135 95×F (h-1)

式中：

F——净化系统的净化流量，kg/s；

C0——净化开始时的毒物浓度，ppm；

t——净化系统的工作时间，h；

C(t)——t时刻的毒物浓度，ppm。

根据秦山重水堆的运行经验，目前OPGSS大修期间慢化剂硝酸钆毒物浓度一般为在13.0ppm左右。根据上述公式，若重水堆慢化剂净化速率以慢化剂净化系统最大流量10kg.s-1进行除毒，半减期为5.1h，从13.0ppm除到临界状态对应的1.0ppm约需18.8h。如果采用RBGSS技术，开始达临界时硝酸钆毒物浓度约5.0ppm，同样降低到1.0ppm，仅需要11.8h，从而节省7.0h的除毒时间。

3.2.2 缓解事故工况下的后果

某些事故工况下(如慢化剂pH值升高)可能导致硝酸钆的析出或沉淀。由于RBGSS期间慢化剂的毒物浓度小于OPGSS，所以硝酸钆的析出或沉淀事故导致的反应性增加要小。同时由于RBGSS期间慢化剂的毒物浓度远小于OPGSS，发生堆内LOCA时毒物稀释的影响也更小。

3.2.3 减少材料降级

对于RBGSS，较低的慢化剂硝酸钆浓度意味着慢化剂酸性减小，因而慢化剂系统设备的材料降级更少。

3.2.4 减少使用启动仪表的可能性

根据秦山CANDU6重水堆技术规格书的要求，当反应堆功率降到2×10-7FP(FullPower)时，需投用专门在低功率下监测反应堆功率的启动仪表，并将启动仪表信号作为停堆信号连接到1号停堆系统。OPGSS期间慢化剂硝酸钆浓度在13.0ppmGd，根据目前的运行实践，一般在停堆约18d后就需要投用启动仪表。在目前的反应堆达临界过程中，启动仪表探头重定位、断开启动仪表和1#停堆系统的连接以及相关试验耗时一般需8h。

如果采用RBGSS，达临界前慢化剂硝酸钆控制在5.0ppm左右，根据估算，在停堆后约30d后需要投用启动仪表。目前秦山重水堆的大修从停堆到启动仪表断开一般约30d，正好不需要投用启动仪表，从而节省8.0h的启堆时间。

4 小修期间应用RBGSS

4.1RBGSS实施流程

根据目前秦山重水堆运行实践，机组小修期间一般采用两种重新达临界方式：第一种方式是反应堆先进入GSS状态，在GSS状态下进行小修，小修后通过除毒方式达临界；第二种方式是反应堆不进入GSS，直接通过氙毒衰减来达临界，然后在低功率临界状态下进行小修工作。由于第二种方式不进入GSS，这种情况下RGBSS和OPGSS都可以不用，所以本文仅针对需要进入GSS状态的小修进行分析。

目前秦山重水堆的小修一般不需要通过SDS#2脱扣进入来GSS状态，而是利用毒物添加系统向慢化剂内加毒的方式来实现的。根据秦山重水堆技术规格书的要求，如果采用OPGSS，平衡堆芯加压状态下GSS要求的硝酸钆毒物浓度为9.1ppm，冷态卸压状态下GSS要求的硝酸钆毒物浓度为4.3ppm；而如果采用RBGSS，要求的慢化剂内硝酸钆毒物浓度为5.0ppm，因此，如果停堆期间堆芯状态为加压状态，则可以使用RBGSS；如果停堆期间堆芯状态为冷态卸压状态，则无实施RBGSS的必要，以下仅针对堆芯加压状态下实施RBGSS进行评估。

RBGSS在小修期间的实施流程如下：

• 建立RBGSS：插入SOR棒和MCA棒，利用毒物添加系统向慢化剂内加毒，使慢化剂内硝酸钆毒物浓度达到约5.0ppm，隔离净化系统；

• 在RBGSS期间开展小修工作；

• 退出RBGSS，除毒达临界。

RBGSS在小修中的实施流程图见图4。

图4 小修中RBGSS的实施流程Fig.4 Implement flow of RBGSS used in short time outage

4.2 RBGSS效益分析

根据前期调研，并结合秦山重水堆实际运行状况，小修期间实施RBGSS存在如下效益：

4.2.1 节省反应堆达临界期间的除毒时间

根据4.1节的描述，如果采用OPGSS，平衡堆芯加压状态下GSS要求的硝酸钆毒物浓度为9.1 ppm。根据3.2.1节慢化剂毒物浓度变化的公式，以慢化剂净化系统最大流量10kg·s-1进行除毒，从9.1 ppm除到临界状态对应的1.0 ppm约需16.3h。如果采用RBGSS技术，开始达临界时硝酸钆毒物浓度约5.0 ppm，同样降低到1.0 ppm，仅需要11.8h，从而节省4.5h的除毒时间。

4.2.2 减少净化树脂消耗量

由于RBGSS期间慢化剂毒物浓度小于OPGSS，达临界期间消耗的净化树脂量也相应地减少，可以减少放射性固体废物的产生量。

4.2.3 缓解事故工况下的后果

某些事故工况下(如慢化剂pH值升高)可能导致硝酸钆的析出或沉淀。由于RBGSS期间慢化剂的毒物浓度小于OPGSS，所以硝酸钆的析出或沉淀事故导致的反应性增加要小。同时由于RBGSS期间慢化剂的毒物浓度远小于OPGSS，发生堆内LOCA时毒物稀释的影响也更小。

4.2.4 减少材料降级

对于RBGSS，较低的慢化剂硝酸钆浓度意味着慢化剂酸性减小，因而慢化剂系统设备的材料降级更少。

5 RBGSS经济性分析

5.1 实施RBGSS的总节省时间估算

根据前面的分析，采用RBGSS的效益除了缓解事故工况后果、减少材料降级和净化树脂消耗以外，在经济上主要体现在节省启堆时间，根据前面的分析，对比OPGSS，采用RBGSS将节省的时间如下：

• 对大修而言，如果采用RBGSS，根据3.2节的分析，除毒时间将节省7.0h；减少使用启动仪表，还可以节省8.0h，总共可以节省15.0h。

• 对堆芯加压状态下小修而言，如果采用RBGSS，根据4.2节的分析，除毒时间将节省4.5h。

5.2 RBGSS预期收益

由于小修次数以及小修方式的不确定性，在计算RBGSS的预期收益时，暂不考虑机组小修带来的经济收益。对大修而言，根据5.1节的估算，每次大修将节省大修时间15.0h。按目前两年的大修周期计算，则2台机组年均节省大修时间为15.0h，机组电功率按720MW[2]计算，年均发电量增加15.0×720/100000=0.108亿度。假设厂用电率为7%，燃料成本占发电收益的15%，上网电价按照核电标杆电价0.43元/度[3]计算，则2台机组年均增加发电效益约0.108×10000×0.93×0.43×0.85=367万元。

6 应用RBGSS需要关注的问题

根据前期调研的资料，应用RBGSS技术方案可能存在以下两个问题：

• RBGSS的停堆裕量是否能被NNSA认可

设计上，RBGSS要求达到的次临界深度仅为-30mk，远小于OPGSS提供的停堆深度，也小于国际上一般要求的次临界深度(-50mk)。鉴于加拿大核监管当局已经认可了这种停堆裕量，预计国内核安全监管当局可以认可RBGSS的停堆裕量。

• GSS状态下能否进行慢化剂除毒操作

根据3.1节大修期间RBGSS的实施流程，在OPGSS向RBGSS过渡期间，需要将慢化剂毒物浓度除到5.0 ppm。但按照目前秦山重水堆的管理规程，GSS状态下是不允许进行慢化剂除毒操作。因此，若大修期间应用RBGSS，需要改变电站当前运行策略，修改管理规程，允许在GSS状态下进行除毒操作。不过，查询HAF102、HAF103和HAD102、HAD103，以及加拿大相关法规，没有GSS状态不能进行慢化剂除毒的相关规定。因此，修改电站管理规程，允许GSS状态下进行慢化剂除毒操作是可行的。

7 结论

本文介绍了RBGSS的技术方案，结合秦山重水堆的运行经验和实践，评估了RBGSS技术在大修和小修中应用的流程和效益，评估结果表明：

(1) RBGSS技术应用于秦山CANDU6重水堆，在技术和管理方面都没有颠覆性问题，机组停堆深度足够，RBGSS的进入和退出在技术上也可以实现。

(2) 对大修而言，将节省启堆时间15.0h；对小修而言，将节省启堆时间4.5h，预计2台机组应用RBGSS年均增加发电效益约367万元。

(3) 实施RBGSS还可以减少净化树脂消耗量，缓解事故工况下的后果，以及减少材料降级。

[1] 樊申. 反应堆氙中毒停堆且慢化剂加毒时的临界预计[J]. 中国核工业，2008， 05：108-113.

[2] 张振华. 秦山三期(重水堆)核电站的技术改进[J]. 中国核电，2009，2(4)：292-296

[3] 国家发展改革委.国家发展改革委关于完善核电上网电价机制有关问题的通知.(发改价格[2013]1130号)，2013-06-15.

Feasibility assessment on qinshan CANDU6reactor applying RBGSS technology

LIU Zhong-guo1, WANG Wen-cong1, SHI Xing-jin1, FENG Jin-jun2

(1.CNNP Nuclear Power Operations Management Co. Ltd., Zhejiang 314300, China;2. Nuclear safety center, MEP, Beijing 100082, China)

RBGSS technology may provide another way to approach guaranteed shutdown state for CANDU6 reactor. This paper introduces the technical scheme of RBGSS, asses the advantages of RBGSS. Combining with operating practices of Qinshan CANDU reactor, it discusses the proces for RBGSS to applied in long-time outage and short-time outage, and assess the safety and economy of RBGSS. Finally it discuss the possible problem of RBGSS.

CANDU6； OPGSS； RBGSS； criticality

2016-05-27

刘忠国(1975—)，男，四川梁平人，高级工程师，现从事秦山CANDU6重水堆的换料管理工作

TL364

A

0258-0918(2016)05-0590-05