某核电站硼稀释达临界模拟分析

蔡显岗　陆楠

摘 要：核电站反应堆达临界通常采用提棒达临界或硼稀释达临界两种方案，其工作原理是相近的。本文以某核电站为例，在全范围模拟机上实施了硼稀释达临界的全过程，并对该过程中的反应性变化进行分析。结果表明，硼稀释达临界的过程更为缓和，更适用于新建反应堆，对保证核安全是有益的。

关键词：核电站；硼稀释；达临界；反应性；模拟分析

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.23.060

0 引言

核电站反应堆达临界通常采用提棒法或硼稀释法，无论是哪种方法，最终的临界棒位以及临界硼浓度都是相近的，其区别在于反应堆逼近临界时的控制策略，也就是两者操作的先后顺序。但是就反应性引入速率而言，前者往往明显的高于后者。对于新建成的核电站，首次达临界一般选用硼稀释法，以保证反应性控制的平稳性。

在硼稀释前，一般要求反应堆控制棒位先要提到预估的临界棒位，然后采用硼稀释的方法逐渐提高反应性，直至反应堆达临界。本文介绍了在全范围模拟机上进行的某核电站首次达临界的操作，并对此过程中反应性变化进行分析。

1 反应堆中子源组件

核电站反应堆的中子通量探测器布置在压力容器之外，分为源量程探测器、中间量程探测器以及功率量程探测器三种，分别覆盖了启动以及运行过程中的中子通量测量范围。在反应堆启动阶段，要求中子探测器的计数率足够大，以便运行和试验人员能够通过源量程探测器计数率的变化来判断反应堆与临界点间的距离，确定堆芯当前的状态。

为了提供初始的显著的中子水平，保证源量程中子通量探测器有效工作，以及探测器的响应能够与堆芯中子增殖相对应，某核电站反应堆专门设置了外加锎-Cf中子源。1mg Cf-252每秒约放出2.34×109个中子，极少量的Cf-252便可达到实际需要的数百CPS（Counts Per Second）量级的中子通量。

2 反应堆临界参数

在实际测量中，所记录的并不是真正的中子通量，而是从堆芯中泄漏到对外的一部分中子被堆外核仪表所记录的中子计数率n（单位CPS），但是它与堆内的中子通量是成正比的。在某核电站启动阶段，中子计数率被源量程或中间量程探测器获得，表示为n=SR/IR Counts。

2.1 反应堆周期

所谓反应堆达临界，即反应堆从次临界状态过渡到超临界的状态，一旦反应堆超临界，其中子计数率都将发生指数增长。为了保证超临界的可控性，引入反应堆周期T以表征中子通量增长的速率，即反应堆内中子通量上涨e倍所需要的时间，单位是s。当反应堆周期T足够大时，反应堆就进入了可控的超临界状态。

n（t）=n0et/T

2.2 反应堆启动率

为方便理解和应用，某核电站引入了启动率（Startup Rate， SUR）进行说明，即反应堆中子通量每分钟增长的指数倍，单位是dpm，Decades Per Minute。

n（t）=n010SUR*t/60

可以导出，启动率和反应堆周期之间的关系为：SUR=26/T。在该核电站中，规定启动过程中SUR稳定在0.15以上且小于0.5时，即反应堆周期52s

2.3 中子计数率倒数

在有外中子源S0的情况下，当反应堆趋于临界状态过程中，其次临界程度（-ρ）与稳定的中子计数率n成反比关系。

n= S0/（1-k）≈S0/（-ρ）

当有效增至因数k趋近于1，反应性趋近于0时，中子计数率n趋近于无穷大。在实际的达临界操作中，就是通过这种方式推算临界硼浓度或临界棒位的。

3 反应堆达临界反应性分析

核电站装料后，反应堆处于较深次临界的状态，所有的控制棒均处于完全下插位置，一回路冷却剂初始硼浓度约为1365ppm。某核电站提供了一套用于反应性估算的软件，通过该软件的计算，可以获得临界棒位下粗略的临界硼浓度。

3.1 反应堆提至临界棒位

某核电站控制棒组件按照棒束材料不同，分为黑体控制棒和灰体控制棒，每束控制棒均为24根；不同的是，前者24根棒均为银-铟-镉材质，后者12根棒为银-铟-镉材质，12根棒为304不锈钢。按照功能不同，又可分为停堆控制棒、温度控制棒、轴向功率控制棒以及负荷跟踪控制棒；其中除负荷跟踪需要用灰棒外，其余三种均为黑棒。

开始硼稀释达临界前，温度控制棒、停堆控制棒全部提出堆芯，轴向功率控制棒以及负荷跟踪控制棒部分提出堆芯，达到临界棒位。在此过程中反应堆反应性逐渐增加，中子通量逐渐升高，如图1所示。

控制棒每提出一步，反应堆启动率SUR就会出现瞬时阶跃，在这极短的阶跃时间内中子通量实现了小幅增长。当控制棒连续且稳定地提出时，中子通量实现了均匀的增长，直至提到临界棒位。同时规定SUR的瞬时值不得超过0.5，以避免中子通量增长失控，以保证核安全。当棒位到达临界棒位时，停止提棒操作，中子通量将稳定在某一较高的值。

3.2 硼稀释达临界

反应堆控制棒提升完成后，就具备了进行一回路冷却剂系统（RCS）硼稀释的条件。为了实现一回路冷却剂硼浓度的平稳下降，一方面需要将除盐水预热后注入RCS，一方面将等量的RCS含硼水冷却后泄出。在此过程中，反应性随之逐渐升高，中子通量成指数增长，如图2所示。

某核电站要求以初始硼浓度下中子计量率的倒数（1/n0）为基准，记录该值每次减半时对应的冷却剂硼浓度，如图3所示。

按照2.3章节所述的方法，将记录的点连接成平滑的直线，该直线与横轴相交的位置极为推算得到的临界硼浓度，这一推算值为硼稀释目标提供了重要参考。如图2曲线后半段所示，当反应堆启动率SUR稳定在0.15以上后，确认反应堆达到临界状态。一般情况下，此时的临界硼浓度与推算值非常接近。

4 结论

反应堆达临界过程中，关注的最重要的参数即反应堆周期，目的在于监测中子通量实现稳定而可控的增长。某核电站引入的启动率的概念，更直观地反映了中子增长的速率，极大地方便了操纵员进行达临界操作。相较于反应堆控制棒外提引入的阶跃性较大的正反应性而言，硼稀释引入正反应性的过程更加缓和。对于新建成的核电站，由于反应堆特性与设计值可能存在的偏差，为避免引入过大的阶跃反应性并出于保守决策，采用硼稀释达临界将是更稳妥的方法。

参考文献：

[1]钱纪生.WWER-1000压水堆核电厂运行物理[M].中国原子能出版传媒有限公司，2011

[2]廖泽军，孔德萍.秦山核电厂反应堆无源装料及启动方案[J].核动力工程，2010：31（02）：141-144