实验快堆自稳性验证试验实施与研究

王长茂

中国原子能科学研究院堆工部 北京 102413

中国实验快堆作为我国自主设计建造的第一座快中子反应堆，于2010 年首次临界，为了验证CEFR 的固有安全性和自稳定性能，在堆上实施了小反应性扰动试验。本试验重点研究验证实际反应堆本身的自稳定特性，控制系统的特性不在本文讨论范围。因为试验时控制系统处于解除状态。

1 试验实施

1.1 自稳定性能的物理基础

自稳定性能是指在反应堆出现反应性变化后，不依靠调节系统动作，反应堆能够自行重新达到稳定状态。自稳定性能基于负的反应性反馈。负反馈是现代反应堆设计所必需的一个基本要求。对于采用氧化物燃料的快堆，重要的反应性反馈大致包括多普勒、钠空泡以及堆芯机械变形三种反馈。其中，多普勒反馈是固有、可靠的负的瞬发反馈反应性，在假设的严重事故工况下起着十分重要的作用[1]。值得注意的是冷却剂的温度系数。在PWR 中，由于燃料的最佳布置以及对硼浓度的适当控制，冷却剂的密度变化引入的是负反馈。但在快堆中，由于燃料的富集度高，对大的堆芯内钠的局部丧失所引起的反应性可正可负，这取决于该变化在堆芯内所处的位置。在靠近堆芯中心处，慢化、俘获和自屏占主导地位，因此反应性变化为正；而在靠近堆芯边缘时，中子的泄漏则变成主要的，故反应性变化为负。但对于小型快堆而言，由于堆芯小，任何时候都是泄漏占主要地位，所以可以做到钠空泡系数在所有情况下均为负值。正是基于以上所述的负反应性反馈，当反应堆功率增加温度升高时，负反馈产生，限制功率继续增长，从而达到一个稳定状态。使得反应堆具有自稳性和自调性。

1.2 反应性引入

（1）引入手段。与压水堆不同，钠冷快堆反应性控制的唯一手段是控制棒。尽管一回路流量变化会引起堆芯反应性的变化。因此向堆内引入反应性的手段是提升控制棒。CEFR 设有8 根控制棒，其中3 根安全棒，3 根补偿棒和2 根调节棒。反应堆正常运行时，安全棒位于上终端位置，即提出堆芯。补偿棒和调节棒位于堆内。因此引入反应性即可提升补偿棒，也可提升调节棒。

（2）引入大小。本试验是在反应堆运行状态下进行的，根据反应性与周期的关系：反应性的引入不能触发周期保护停堆。功率上升不能达到保护限值。

1.3 功率台阶选择及稳定功率状态计算

（1）试验功率台阶。CEFR 的运行工况为9.45%Pn 以下为三回路为水工况，超过9.45%Pn 蒸发器要进行汽水工况转换，并转为汽水工况运行。即蒸发器内汽液两相流工况。为了减少三回路不稳定对一、二回路影响，同时考虑到，引入一定正反应性后，功率水平有一定上升。因此试验台阶选定在低于9.45%Pn 功率水平。同时，功率水平不能太低，功率太低，堆芯冷却剂温升较低，达到稳定状态需要的时间相对较长。综合考虑试验在5%Pn 功率水平进行。

（2）瞬态功率峰值和稳定功率。本试验是在反应堆上进行的真正试验，具有一定核安全风险。为确保反应堆安全，做到对整个功率变化过程做到心中有数。经过理论计算，引入10pcm反应性后，计算结果如下：

试验前 计算峰值 计算稳定状态反应堆功率 2.55 3.43±0.13 2.65堆芯入口温度 267 270堆芯出口温度 278 283±3 282功率增长 0 34.6%±5% 3.8%

通过以上理论计算可以看出，在引入10pcm 反应性后，无论是功率峰值还是稳态下的功率值距离11%Pn 的功率保护定值还有很大裕度。根据CEFR 的运行工况，40%功率前，一、二回路流量均为50%额定流量，因此，本试验的进行，不会发生功率流量不匹配的情况。本试验的实施不会对反应堆安全构成威胁。

1.4 试验实施

试验实施前提是反应堆必须处于稳定状态。即功率维持稳定，一、二路流量稳定，三回路给水温度和流量保持稳定。同时堆芯进出口温度3 小时不变或变化不超过±1℃。满足以上条件后，由操纵员解除功率调节系统自动状态，并将两套功调系统投入手动状态。通过提升1#调节棒24mm（棒位193mm 提升至217mm），观察功率和过程检测参数的变化趋势。通过计算机监控系统记录相关参数的变化趋势。反应堆在引入扰动7 分钟后，功率达到峰值，功率增长23.76%。

自稳定过程：在堆芯温度上升后，由于负反馈效应，堆功率开始下降，5 小时后，堆功率2.81MW（4.32%Pn）。堆芯进出口温度分别达到270/282℃。随后在维持在该功率水平，并持续8 小时，认为达到了最终的稳定状态[2]。

试验过程没有触发有关的报警信号。

2 试验结果及分析

注：① 均指相对于初始状态的功率增长的百分比。

试验功率变化如下图：

图1 小扰动后功率变化曲线

（1）试验过程没有发生试验触发的报警，也没有其他报警发生。没有破坏反应堆的正常运行。试验选取的功率水平台阶和引入扰动大小是合适的。

（2）CEFR 自稳性验证试验是在解除功率自动调节系统下进行的，试验结果表明CEFR 具有良好的自稳定性能，是一座安全可靠固有安全性好的核反应堆。

3 结语

自稳性试验结果表明，选取的试验功率台阶合适，反应性引入大小合理，快堆具有良好的自稳定能力。