华龙1号机型首循环无中子源启动探讨

□胥俊勇

一、引言

目前，压水堆核电站除了田湾的WWER系列反应堆启动时不需要中子源，其它反应堆首循环都需要使用一次中子源。一次中子源(252Cf源)基本是从美国进口，费用较高，采购周期较长；而且由于252Cf的α衰变半衰期只有2.64年，因此，存在工期不确定性造成中子源强度衰减过大，无法满足反应堆启动的要求。

华龙1号是我国具有自主知识产权的三代核电机组，其关键设备供货可以依托现有核电机组已经形成的国产化能力。因此，在华龙1号机型实施无源启动具有重要意义，既可以提高经济性、减少放射性废物产量，又可以规避一次中子源强度衰减过大等风险。

二、反应堆启动安全监督要求

(一)中子源组件及其作用。华龙1号反应堆首循环在堆芯布置2个一次中子源组件和2个二次中子源组件。每组一次中子源组件包括一个252Cf棒和一个Sb-Be芯块棒；每组二次中子源组件含四个Sb-Be芯块棒。一次中子源组件只在首循环使用，二次中子源组件在第二循环结束后卸出堆芯。

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反应堆装料和启动过程中，为严格控制堆芯有效增殖系数(Keff)的增长速度，防止反应堆瞬发临界，采用堆外核测仪表(RPN)对堆芯中子注量率变化进行监测。为了保证堆外核测仪表能够监测尽可能多的堆芯状态，一般在堆芯中引入外加中子源，从而提高次临界状态下反应堆中子注量率的初始水平[1]。

反应堆启动过程的临界安全监督的手段除了注量率监测手段外，还有温度监测、硼浓度监测、水位监测以及系统控制等手段。在无源的情况下，必须加强上述手段的有效性，从而确保反应堆在启动过程中是可监控的。

《核动力厂运行限值和条件及运行规程》(HAD103/01)[2]安全监督要求：为了使反应堆各种功率水平下充分地监测中子注量率，应规定仪表监测要求。这些要求可包括为提供必要的最低注量率而使用中子源和中子源探测器的灵敏度。

(一)无源装料可行性分析。反应堆装料时，随着堆芯组件数的不断增加，堆芯不断引入正反应性，在满装载时达到最大。华龙1号在堆芯满装载、控制棒全部插入、硼浓度2,200ppm情况下，堆芯keff大概为0.85左右，堆芯的次临界度为-20,000pcm左右。目前市场上应用成熟的灵敏度为300cps/(n.cm2s-1)的核探测器达不到计数率要求。

核安全法规和导则对于反应堆启动的安全监督要求是在装料至反应堆临界整个过程中，确保堆芯中子注量率处于有效监测中，可以通过使用中子源或提高探测器的灵敏度达到要求。核行业标准中关于中子计数率的推荐值为不低于0.5cps(信噪比大于2)[4]。

三、无源启动探讨

《核电厂调试程序》(HAD103/02)[3]中安全监督要求：当燃料正在插入和(或)进行堆芯反应性有影响的其他操作时，装料程序必须要求有适当的周期数据记录，有通量异常增长的音响讯号和中子计数率仪的监测。

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核安全法规和导则要求堆芯中子注量率处于有效监测目的是防止堆芯注量率突变。在整个装料过程中，能引起堆芯中子注量率突增的方式是意外硼稀释操作。堆芯满装载次临界度为-20,000pcm左右，即使出现意外硼稀释，极限情况为堆芯全为清水，反应堆也处于次临界状态。从安全方面分析，无源装料是可行的。另外，装料过程中探测器计数率在相关的法规导则中没有明确规定计数率数值。田湾核电厂1、2号机组无源启动装料过程的计数率基本是堆芯本底计数，没有达到0.5cps。从满足法规要求分析，无源装料是可行的。此外，核电厂在装料安全监督的措施除了监测堆芯中子计数方法外，还有水化学和水温监测等手段来保证反应堆处于次临界状态。从监测手段的冗余性方面分析，无源装料是可行的。

药剂选用：①生长期。50%氯溴异氰尿酸1 000～1 500倍液、枯草芽孢杆菌制剂、细黄链霉菌制剂、解淀粉芽孢杆菌等。②休眠期。0.1%过氧乙酸、铜制剂、45%代森铵、叶枯唑、3～5波美度石硫合剂、1∶2∶160～200波尔多液等。

(二)无源临界可行性分析。华龙1号堆型的临界方式是：提棒-快速稀释-慢速稀释-提棒达临界。第一，由于首循环没有裂变产物，设计值较准。通过统计运行机组首循环临界硼浓度与设计值的偏差以及意外临界情况，国内首循环的临界硼浓度设计值与实际值相差都小于50ppm，未出现意外临界的情况。因此，首循环临界硼浓度的设计值是可信的，从设计经验来看，无源临界是可行的。第二，反应堆临界操作是通过稀释或提棒不断向反应堆引入正反应性，逐步向临界状态逼近，而正反应性的引入速率是严格控制的，所以，在临界过程中不可能瞬时临界。反应堆逐步向临界逼近时，当反应堆裂变和裂变产物衰变产生的中子高于中子源产生的中子时，此时的中子源产生的中子可以忽略不计。从反应堆临界安全来看，无源临界是可行的。

Mie散射是由大气中粒径较大的悬浮物引起的激光波长不发生变化的弹性散射。激光发射器向大气发射偏正脉冲光，被传输路径上的空气分子、气溶胶或云散射，其后向散射光被接收望远镜接收，再进行适当的信号处理后得到整个大气回波信号，从而反演出大气气溶胶消光系数垂直廓线和时间演变等特征。

(三)无源启动应对策略。为了更好地监测无源启动时反应堆堆芯状态，提出以下应对策略：第一，将4个RPN源量程探测器中的2个探测器换成高灵敏度探测器，并作为常用设备，用于快速监测计数率突增情况。第二，借鉴WWER堆型经验，增加源量程倍增周期报警音讯信号或者保护信号，便于及时发现计数率突增情况。第三，在无源装料时，更改装料步序，优先装载靠近高灵敏度探测器区域的燃料组件。第四，在无源临界时，接入动态刻棒反应性仪，其可监测堆芯次临界度为-2,000pcm左右的负反应性，从次临界度就可以监督堆芯状态。第五，在无源装料时，如果RPN的源量程探测器的计数率要满足0.5cps的要求，在探测器灵敏度无法满足要求的情况下，只能通过降低堆芯的硼浓度来降低堆芯次临界度。但是，通过降低堆芯硼浓度使装料过程有计数，也降低了堆芯的安全程度。

四、无源启动实施安全监督策略

(二)反应堆启动安全监督要求。在核安全法规和导则中涉及中子计数率监测，主要包括反应堆装料和临界两个操作过程。

(一)无源装料安全监督策略。第一，加强硼浓度监督，确保在装料过程中，堆芯硼浓度在设计值范围内不发生变化。在无源的情况下，提高硼取样分析频率，保证堆芯在要求的次临界深度内。第二，监测反应堆水池的液位，确保其在要求的范围之内，可防止意外硼稀释。第三，在装料过程中，加强堆芯温度监测，使堆芯温度在10℃～60℃的范围内，且保证温度变化不超过6℃。第四，严格控制向反应堆引入正反应性的系统操作，严格管理和隔离与反应堆相连接的所有低于换料冷停堆硼浓度的管线，保证在紧急情况下应急硼化系统和安全壳喷淋系统等相关应急系统可用。第五，在硼浓度、水位和堆芯温度出现异常的情况下，立即停止装料，查找原因并排除故障后恢复装料。

(二)无源临界安全监督策略。无源临界的安全监督主要包括：在源量程无计数的情况下，通过反应堆的温度监测、硼浓度来监督反应堆的状态；在源量程有计数的情况下，通过源量程计数率的变化及其倍增周期、温度和硼浓度来监测反应堆状态。

源量程有计数一般出现在临界过程中的慢稀释或者提棒达临界，在无源的情况下，反应堆的注量率按照e倍增长，因此，在源量程出现计数率时，严格控制稀释速率和控制棒的提升速度。另外，严格设置反应堆停堆保护参数以及确保控制棒落棒能力，在出现超限值的情况下，反应堆能自动落棒停堆。

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五、结语

无源启动只是在装料和临界前期过程中丧失中子注量率的有效计数，但中子注量率的保护措施仍能有效，无源情况下启动并不影响反应堆的安全。从法规要求、设计能力、反应堆监测手段多样性以及反应堆启动安全分析，无源启动是可行的，也是安全的。