320MWe核电机组75%功率平台试验前稳定时间优化

【摘 要】为提高秦山核电厂320MWe机组的负荷因子，优化换料后首次启动反应堆物理试验流程，开展了关于缩短75%功率平台功率分布试验前稳定时间的研究。本次研究首先开展了调研及设计交流，在此基础上制定出总体优化方案。再根据机组实际情况，利用设计院堆芯计算程序进行了前期理论分析，模拟计算反应堆在换料后首次启动提升功率至75%功率平台后，稳定不同时间下的各项功率分布特性参数，为后续研究提供理论依据。分析结果表明稳定时间对相关堆芯功率分布特性参数的影响逐渐减小，缩短稳定时间在理论上是可行的。在理论分析的基础上，机组第十四次换料后首次启动75%功率平台开展了一系列功率分布验证试验。最终，试验结果符合技术规格书验收准则要求，符合理论分析结果，且与常规功率分布试验结果的偏差在可接受范围内。因此，缩短320MWe机组75%功率平台功率分布试验前稳定时间是完全合理可行的。

【关键词】缩短；稳定时间；功率分布；理论分析；验证试验

中图分类号： TM623 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2018）01-0007-004

【Abstract】Research about Shortening The Stable Time Before Power Distribution Of Qinshan nuclear power plant 320MWe Unit On The 75% Power Platform is carried out to improve the load factor and optimize the physics tests of first start-up after refueling. First step of the research is working out an optimum proposal which is based on investigation and communication. Then according to the practical situation of the unit， preliminary theoretical analysis is carried on by the core calculation programme to calculate the characteristic parameters of power distribution with different stable time after the power level is promoted to 75% for the first time after refueling. This job gives theoretical basis to the post-study. The analytical result shows that it is feasible in theory that to shorten the stable time， for its influence on the characteristic parameters decreasing gradually. On the base above， series of power distribution verification tests were carried out on 75% power platform during the first start-up after 14th refueling outage. The test results are in accord with the requirements of the acceptance criteria and The theory analysis conclusion. Furthermore， the deviation between verification tests and routine test is acceptable. In conclusion， it is totally reasonably feasible to shorten the stable time before power distribution on 75% power platform.

【Key words】Shorten； Stable time； Power distribution； Theoretical analysis； Verification test

1 研究背景

1.1 反应堆物理理论要求

根据反应堆物理理论，反应堆升功率至目标功率平台后，反应堆堆芯达到氙毒反应性平衡的时间至少需要48小时。基于这一理论，核电厂无论是调试首次启动阶段的升功率物理试验，还是堆芯换料后首次启动的升功率物理试验都有试验前堆芯稳定48小时的要求。

1.2 秦山核电厂320MWe机组实际情况

对于秦山核电厂320MWe机组，根据《秦山核电厂最终安全分析报告》第十六章技术规格书的要求，堆芯换料后首次启动时，需要在75%功率平台进行堆芯功率分布试验。该试验用于验证反应堆是否符合技术规格书中的运行限制要求及其他一些验收准则，主要包括：

（1）组件相对功率测量值与理论值偏差；

（2）热流密度热管因子F■■；

（3）核焓升热管因子F■■；

（4）象限功率倾斜比（QPTR）。

320MWe机组的堆芯功率分布测量采用理论预测与实际测量结合的方法，即由理论计算给出堆芯在预定条件下的功率分布与裂变反应率分布的预测情况，堆芯测量系统用于测量相应条件下的裂变反应率分布，然后由专用数据处理程序还原为实测的堆芯三维功率分布。對于这种离线功率分布测量技术，功率分布与裂变反应率分布的预测值由功率分布测量数据库预先给出。该数据库一般针对堆芯稳定工况进行计算，如果实际测量过程中，堆芯条件与此稳定工况存在差异，则会引入额外的堆芯功率分布测量偏差。为了降低这种偏差，传统上采取在功率分布测量试验前堆芯稳定一定时间的办法，这个稳定时间一般取48小时。

综上所述，结合反应堆物理理论要求以及320MWe机组实际情况，机组在每次堆芯换料后首次启动升功率阶段在75%功率平台上都需要为功率分布试验稳定48小时。而正常情况下，在这48小时内其他试验或操作工作早已完成，功率平台稳定时间成为当时的主线。因此，如果能够缩短功率分布试验前的稳定时间就代表着可以提早提升机组功率，提高机组的负荷因子。

2 理论分析

为了分析缩短稳定时间对功率分布测量试验结果可能带来的影响，特委托上海核工程研究设计院利用堆芯计算程序，针对功率分布测量特性参数（组件功率分布、F■■、F■■等）和反应堆运行要求进行详细的计算分析，为是否继续开展这些研究提供决策基础，也为电厂后续验证试验提供理论依据。

由于稳定期间的堆芯条件变化与功率提升（从零功率提升到75%功率平台）过程紧密相关，因此为理论计算分析提供相对准确的机组功率提升速率就显得十分重要。

320MWe机组运行规程要求“反应堆换料后的首次提升反应堆功率，其功率上升率不超过3%FP/h”。而根据机组以往燃料循环实际运行经验来看，2%FP/h作为理论计算分析的输入条件比较接近电厂实际情况。因此，本文采用2%FP/h的功率提升速率作为计算分析的前提条件。

表1 功率提升速率统计

2.1 功率分布特性参数计算分析

表2给出了反应堆提升至75%功率平台，稳定一定时间后与稳定条件下功率分布特性参数的偏差，各参数的定义分别为：

组件功率分布标准差：■，组件F■■和F■■分布标准差与组件功率分布标准差定义类似，该标准差可用于反映相应参数偏差的堆芯统计平均值。

从图1显示的堆芯功率分布特性参数数據变化来看，堆芯功率分布特性参数与稳定48小时后的参数值已经非常接近，偏差在0.5%以内，并随稳定时间增加而进一步降低。

2.2 堆芯运行计算分析

在正常功率分布测量试验中，需要保持堆芯运行条件的稳定，包括冷却剂平均温度Tavg、T4控制棒棒位和冷却剂可溶硼浓度等反应性变化相关参数的稳定，以避免引起堆芯中子注量率分布波动。但对堆芯氙毒还未平衡时的功率分布试验而言，必须要在试验过程中引入反应性来保持反应堆功率稳定。考虑到对于功率分布试验，T4棒动作比冷却剂硼浓度变化带来的影响更大，因此在试验过程中，如果需要引入反应性来维持堆芯临界或反应堆功率水平，可考虑小幅硼稀释/硼化操作。

表2 功率分布特性参数变化

图1 功率分布特性参数理论偏差图

表3给出了反应堆提升至75%功率平台后，维持功率稳定，冷却剂可溶硼浓度调节速率随稳定时间的变化。计算过程假定T4棒保持在240步，冷却剂可溶硼浓度的变化补偿了堆内氙毒积累引起的反应性变化。

2.3 理论计算分析结论

根据本章2.1和2.2节的计算分析结果，以2%FP/h功率提升速率提升至75%功率平台以后，组件功率分布、F■■和F■■分布标准差（与稳定48小时后的情况相比）在0.5%以内，并随稳定时间的增加而进一步减小；为了维持试验过程的堆芯条件稳定，最初需要约-4.5ppm/h左右的硼稀释速率来补偿氙毒积累引起的反应性变化，随稳定时间的增加，要求的硼稀释速率会逐渐降低。

因此，只要在功率分布试验过程中通过硼稀释来保持堆芯功率稳定，缩短试验前的稳定时间在理论上是可行的。

3 试验验证

为了验证以上关于缩短堆芯换料后首次启动75%功率平台功率分布试验前稳定时间的理论计算分析，同时为研究提供实际试验数据支持，2013年5月，在秦山核电厂320MWe机组第十四次换料后首次启动75%功率平台开展了试验验证工作。

表3 功率提升至75%功率平台后稳定过程中的硼浓度变化

验证试验选取在反应堆提升至75%功率平台稳定1小时、4小时、8小时、16小时和24小时等5个时间点进行，通过全堆芯功率分布测量，获得功率分布特性参数，包括组件功率分布、F■■、F■■和QPTR等。

3.1 试验验证方案

根据理论计算分析，当反应堆功率提升至75%功率平台后一直到稳定48小时这段时间内，氙毒反应性还未达到平衡，基本处于积毒阶段。因此，本次验证试验与正常稳定工况下进行功率分布试验最大区别就在于需要采用硼稀释补偿反应性以保持堆芯功率稳定。针对这一区别，编写了《75%功率平台功率分布测量方案》。方案除关于如何在验证试验中保持堆芯功率稳定的操作外，其他相关操作，按已有的《功率分布试验》规程执行。方案中与现有试验规程主要不同之处主要如下：

（1）反应堆功率提升至75%功率平台后，稳定时间达到1（4、8、16、24）小时之前开始调整堆芯状态相对稳定；

（2）在75%功率平台稳定时间达到1（4、8、16、24）小时开始功率分布测量数据采集；

（3）数据采集过程中，为了保持堆芯功率稳定，操纵员需要参考理论计算分析中硼浓度调节速率，通过硼稀释控制一回路平均温度Tavg相对稳定，尽量保持|Tavg-Tref|≤0.5℃。

（4）由于在测量数据采集过程中，需要通过硼稀释来保持堆芯功率稳定，因此现有试验规程中的“稳压器内硼浓度与一回路硼浓度相差在±20PPm之内”不适用于验证试验。

3.2 试验数据采集与处理

秦山核电厂320MWe机组功率分布试验主要包括堆芯中子通量测量数据采集和数据离线处理两部分。

堆芯中子通量测量数据采集由反应堆堆芯中子通量测量和采集系统完成。该系统主要由堆芯30个测量通道、3个可移动微型裂变室探测器及其附属机构和数据采集机柜等部分组成。在反应堆运行期间，驱动探测器进入中子测量通道，堆内热中子使微型裂变室内材料发生裂变并输出电信号，由采集系统将电流值记录保存。

堆芯中子通量数据离线处理由INCORE-3D程序执行。该程序可以将采集到的堆芯中子通量测量数据结合功率与中子通量的理论计算数据，得到堆芯的三维功率分布，并计算组件相对功率测量值与理论值偏差、F■■、F■■和QPTR等堆芯功率分布特性参数。

3.3 试验验证结果

表4是此次验证试验和常规试验（稳定48小时后功率分布试验）的试验结果汇总。表5为验证试验结果与常规试验结果的比较情况，即各功率分布特性参数的偏差（由于功率分布试验只对各特性参数的最大值进行验收，因此只计算特性参数最大值之间的偏差）。图2为各特性参数偏差的直观显示。

根据表4，所有功率分布试验结果都符合验收准则要求，且裕量很大。由图2可以直观地看出，实际试验结果与理论计算分析结果比较符合，大部分参数的偏差都比较小，并随稳定时间的增加而逐渐减小。特别是当稳定时间达到16小时以后，所有功率分布特性参数与稳定48小时后的偏差都小于0.5%。

4 研究结论

根据实际运行经验，秦山核电厂320MWe机组在换料后首次启动提升功率至75%功率平台的速率一般在2%FP/h左右，理论计算分析结果表明，以这一速率提升功率至75%功率平台稳定1小时后，各功率分布特性参数，包括组件功率分布、F和F等偏差就已在可接受范围之内，并随稳定时间的增加而进一步减小。

在实际反应堆验证试验过程中，在反应堆功率提升至75%功率平台后稳定时间不长的情况下，堆芯状态较不稳定，要保持堆芯功率稳定，对操纵员的操作要求非常高。因此，雖然验证试验中稳定1、4、8小时后获得的功率分布特性参数能够满足验收准则的要求，但还是取稳定时间达到16小时作为优化目标。此时现场实现难度较小，测量结果的偏差也较小，且75%功率平台其它工作都已完成。

综合理论分析和试验验证的结果，并从工程实践及保守角度出发，将秦山核电厂320MWe机组75%功率平台功率分布试验前稳定时间从48小时缩短至16小时，即将机组提前32小时从75%功率提升至满功率运行是完全合理可行的。

【参考文献】

[1]杨庆湘，牛刚.缩短75%FP平台物理启动试验前稳定时间的分析.

[2]沈聪.75%功率平台功率分布测量方案.

[3]毛正宥，蒋树庆.堆芯测量数据处理程序INCORE 3D用户手册.