取消二次中子源技术的效益分析

王勇智　焦健　詹勇杰

[摘    要 ]自2016年开始秦山核电基地7台压水堆机组已陆续开始取消二次中子源技术改造，目前已完成4台机组的改造。本文简要介绍了无源技术的原理和实际应用，详细介绍了压水堆无源技术应用带来的各项效益。通过研发无源技术，突破了650 MW机组特有的厚反射层带来的技术挑战，具有很有的创新意义和示范意义，同时这项技术具有良好的经济效益、安全效益和环保效益。

[关键词]二次中子源;650 MW机组;氚排放

[中图分类号]TL 326[文献标志码]A [文章编号]2095–6487（2020）06–00–03

Benefit Analysis of Canceling Secondary Neutron Source Technology

Wang Yong-zhi， Jiao Jian， Zhan Yong-jie

[Abstract]Since 2016， the 7 pressurized water reactor units of Qinshan Nuclear Power Base have successively cancelled the technical renovation of the secondary neutron source， and the renovation of 4 units has been completed. This article briefly introduces the principle and practical application of passive technology， and details the benefits brought by the application of passive technology in pressurized water reactors. Through the research and development of passive technology， it has broken through the technical challenges brought by the unique thick reflective layer of the 650 MW unit， and has great innovative and demonstration significance. At the same time， this technology has good economic， safety and environmental benefits.

[Keywords]secondary neutron source; 650 MW unit; tritium emission

核電厂取消二次中子源研发项目主要来自安全性、经济性和氚排放压力的考量，二次中子源的设计使用寿命为15年，每次机组大修都需重新插拔，因此使用存在破损和失效的风险，国内外都发生过这种案例。二次中子源需要采购，而且在堆内辐照会产生较多的氚排放，因此国际上不少核电站取消了二次中子源使用，这样可以解决上述问题。

秦山核电基地4台650 MWe机组和1台320 MWe机组，分别于2016年和2017年获得国家核安全局批准，并陆续实施了无源技术的技术改造，因此积累了丰富的实际经验，应用效果非常好。

本文简要介绍了无源技术原理，详细分析这项技术给核电厂带来的各种效益：经济效益、安全效益以及环境效益和创新意义。

1 无源技术简介

1.1 理论分析

根据点堆动力学方程可以得到中子密度和外加中子源源强的关系[1]：

因此从理论上分析，堆内中子密度n与中子源强度S呈正比关系，与1-Keff呈反比关系，外加中子源强度越大，堆芯中子密度越大。因此只要选择源强足够大的已辐照燃料组件，就可以替代二次中子源，实现无源装料和启堆。

1.2 模拟计算

以650 MW压水堆机组为例，通过对已辐照燃料组件源强的影响因素进行理论分析，发现燃耗深度、停堆冷却时间会影响源强大小，但是燃耗深度对源强的影响最明显，如图1和图2所示。

从图1可知，选择已辐照燃料组件的燃耗深度大于36000 MWT/TU，就能克服厚反射层的屏蔽影响，堆外探测器的中子计数率就能满足技术要求。通过多次现场实验测试，与理论计算结果吻合较好，验证了理论计算的正确性。

2 应用效果

2016年至今，无源技术分别在320 MWe和650 MWe机组上连续应用多年，完全实现了无源装料、无源启堆、无源卸料。表1是650 MWe机组无源启堆和有源启堆的对比，只是中子计数率有所降低，所有的技术参数均满足相关技术要求，应用效果非常好。

3 效益分析

3.1 经济效益分析

中国核电旗下的同类已投运压水堆机组共17台：海南核电2台、福清核电6台、田湾2台、秦山基地7台。其中秦山核电累计应用5台，目前该技术的推广比例大约30%。按照目前二次中子源的采购价格，单台机组全寿期可节省300～400万的二次中子源采购费用。随着技术持续推广，仅仅中国核电旗下17台同类机组，预计累计可节省超过5，000万人民币的采购费用，经济效益显著。如果国内现有的40多台的压水堆机组全部使用无源技术，则经济效益可达上亿元。

3.2 安全效益分析

传统有源装卸料，每次大修装料后，需要重新对二次中子源进行插拔[2]，这样可能带来辐射风险，增加人员的受照射剂量，现在国内核电厂对人员的剂量水平的控制较为严格，每年的受照射剂量有严格的限制。因此取消二次中子源以后，就不需要上述的插拔倒换工作，避免人员的误照射。因此具有很好的安全效益。

3.3 环保效益分析

秦山核电机组众多，氚排放压力较大，取消二次中子源研发项目可有效缓解氚排放压力。因为在压水堆堆芯内放置的二次中子源受到中子活化后会产生大量的氚。这部分氚在二次源组件中积存，其中一部分通过包壳渗透到反应堆冷却剂中，随着秦二厂机组陆续取消二次中子源，堆芯内氚产生量应该呈现下降趋势。

秦二厂U1C14和U1C15循环均为取消二次中子源后循环，图3中取消二次中子源后U1C14和U1C15循环主系统氚比活度平均值，较取消前的U1C13循环明显偏小，对比图3同样进入长循环的U2C12和U2C13循環主系统氚比活度平均值，也小了30%，印证了取消二次中子源确实能降低机组氚产生量。

通过两次氚普查，统计普查期间排放总量，进而算出双机组氚年产生量，之所以要同时对3/4号机组进行氚普查，是为了获取在长循环状态下，没有取消二次中子源双机组氚的产生量。方法如图4所示：

通过氚产量和普查分析，可以定量算出取消二次中子源会减少氚的产生量约为12%，由于秦二厂氚排放量已占到限值70-80%，排放压力巨大，取消二次中子源将极大的缓解排放压力，减少氚的排放总量，具有良好的环境效益。

3.4 创新意义

650 MWe压水堆机组的技术难度较大，相比1000 MWe机组，秦山核电650 MW机组无源技术成功克服自身特有的厚反射层技术瓶颈，通过大量的理论计算和实验测试，研发了独特的无源技术。该技术具有创新意义和示范性，创新意义主要体现在以下几方面：

（1）创新点1：克服了650 MW机组特有的厚反射层导致堆外探测器中子计数可能低于探测下限的技术挑战;

（2）创新点2：显著减少氚排放，有效减轻环境排放压力;

（3）创新点3：减少大修期间抽插导致二次中子源破损和失效风险和人员辐照风险。

4 结论

秦山核电基地无源技术的研发和应用，表明通过技术创新和实践，可以解决长期困扰核电厂的一些技术问题，有效降低核电厂的氚排放，降低二次中子源破损或泄露带来的安全风险和人员辐射风险，节省二次中子源采购费用，具有良好经济效益、环保效益、安全效益和创新意义。

参考文献

[1] 谢仲生.核反应堆物理分析[M].西安：西安交通大学出版社，2004.

[2] 潘泽飞.压水核动力电厂反应堆物理试验方法[M].北京：中国原子能出版社，2015.

[3] 李树，邓力，徐慧波，等.取消二次中子源后的源量程可用性分析[C].第十届全国蒙特卡罗方法及其应用学术会议.中国物理学会，2009.

[4] 费罗杰，勒瑞.取消昌江核电厂二次中子源的理论探究[J].设备管理与维修，2015（S2）：13-16.

[5] 章安龙.反应堆无二次中子源装料和启动[J].核科学与工程，2019（3）：345-349.