秦二厂2号机组氙振荡抑制方法研究

沈亚杰，高永恒，詹勇杰，杨　嗣，王澄瀚，刘　臻，王勇智

秦二厂2号机组氙振荡抑制方法研究

沈亚杰，高永恒，詹勇杰，杨嗣，王澄瀚，刘臻，王勇智

（中核核电运行管理有限公司，浙江 嘉兴 314300）

氙振荡是大型热中子反应堆不可忽视的问题，剧烈的氙振荡给轴向功率控制带来严峻的挑战。本文通过对秦二厂2号机组的氙振荡进行研究分析，发现振荡发散和收敛规律，即在氙振荡过程中，若动棒操作引起轴向功率偏差Δ变化与当前Δ的变化趋势相反，可以有效地抑制氙振荡，否则将加剧氙振荡。并以秦二厂3号机组的氙振荡中衰减和加剧过程进行验证该规律。最后，对氙振荡的抑制方法提出几点合理建议，为机组的安全稳定运行提供了重要保障。

反应堆；氙振荡；轴向功率控制；

秦山第二核电厂4台机组都属于CNP600堆型，采用Mode A控制模式。在该控制模式下，由控制棒和硼浓度共同调控反应堆的功率变化。正常运行模式下，径向功率分布变化较小[1]。而轴向功率分布则经常受到运行过程中变量影响，如氙毒，堆芯温度，控制棒位置和堆芯功率等[2-4]。轴向功率分布发生变化时，堆芯上下部的氙毒也会发生变化，从而导致轴向功率偏差Δ发生振荡（即氙振荡），对核电机组安全稳定地运行带来一定的风险。

氙振荡一般发生于高中子注量率的大型热中子反应堆中，径向氙振荡收敛，且其稳定性随着堆芯燃耗加深而增加；轴向氙振荡方面的稳定性随堆芯燃耗的加深或堆芯功率的升高而降低[5]。因此，轴向氙振荡是大型热中子反应堆中值得研究和探讨的问题。本文讨论的氙振荡都为轴向氙振荡。抑制氙振荡的通用策略主要有：当氙振荡振幅较小时，采用稀释、硼化的方式，朝着平衡冷热的方向操作，即利用堆芯上下部燃耗不同而导致慢化剂温度系数的不同的原理来控制Δ的变化；当氙振荡振幅较大时，抑制氙振荡最有效的方法是调节控制棒，且需要在合适的时机进行动棒，否则可能会加剧振荡[6]。动棒的时机一般为：发现Δ较快速趋正时下插控制棒，趋负时提升控制棒，插棒幅度不宜过大，保证Δ靠近Δref，可有效地抑制Δ的振荡[7]。

本文通过秦二厂2号机组运行过程中氙振荡成功抑制的实例，研究分析如何正确地采用控制棒抑制氙振荡，并以秦二厂3号机组的氙振荡中衰减和加剧过程进行验证。

1 氙振荡的机理及危害

1.1 氙振荡的机理

氙在反应堆中的产生机理如下[8,9]：

在点堆模型中，135I和135Xe的微分方程如下：

（2）

其中：()——时刻的135I的浓度，cm-3；

γI——135I的裂变份额，%；

Xe——135Xe的裂变份额，%；

I——135I的衰变常数；

Xe——135Xe的衰变常数；

()——堆芯中子注量率，cm-2·s-1；

f——裂变宏观截面，cm-1；

aXe——135Xe的微观吸收截面，cm-2。

135Xe的直接裂变产额仅为0.23%，但是135I直接裂变产额高达6.39%。135Xe的产生量主要来源于135I的衰变，半衰期约为6.7 h。135Xe消耗是通过衰变和（n，r）两个途径，该两个途径在在1013cm-2·s-1量级时消耗量相当。由于衰变具有一定的滞后性，故当堆芯功率发生改变，即发生改变时，135Xe的消耗途径（n，r）会随改变迅速响应，而135Xe的生成途径（135I的-衰变）和消耗途径（135Xe的-衰变）响应相对滞后。

由于135Xe的产生和消耗对于的响应不同步，当反应堆内的中子注量率分布发生倾斜时，在中子注量率减小的区域，氙浓度最初将增大；而在中子注量率增大的区域，它的浓度将减小。氙浓度分布的这种变化将随局部区域内的中子注量率的增大（或减小）而增强（或减弱）该区域的增殖能力，这就强化了中子注量率的倾斜程度。在中子注量率发生倾斜的几个小时之后，在高中子注量率区域，碘浓度的升高增大了氙的生成率，这将引起该区域增殖能力的减弱；在低中子注量率区域，氙浓度因碘浓度的降低而减小，最终引起该区域增殖能力的增强。这样，中子注量率变化就沿着原来相反的方向进行，并重复地下去，就形成了功率密度、中子注量率和135Xe浓度的空间振荡，简称氙振荡[10-12]。

1.2 氙振荡的危害

氙振荡会引起轴向功率变差Δ周期性振荡。当Δ偏离Δref±3%FP，则会引起主控预警；当Δ偏离Δref±5%FP时，则要求在连续12小时内累计计时不得超过1小时。此外，氙振荡会使反应堆热管位置转移和功率密度峰因子改变，并使局部区域的温度升高，若不加控制甚至会使燃料元件熔化；氙振荡也会使堆芯中温度场发生交替地变化，加剧堆芯材料温度应力的变化，使材料过早地损坏[13-15]。因此，为了保证机组安全稳定地运行，氙振荡必须被及早发现并加以正确的干预手段。

1.3 氙振荡的表征

氙振荡会引起堆芯轴向功率偏差Δ振荡，一般氙振荡的剧烈程度用Δ的振幅来表征，Δ定义为：

其中：H、B——堆芯上部、下部相对功率；

r——当前堆芯功率。

2　氙振荡事件概述、序列和分析

2.1 事件概述

2017年5月18日，堆芯物理监督人员发现秦二厂2号机组轴向功率偏差Δ存在较明显的周期性波动，同时运行人员反馈Δ控制困难，机组存在超出运行带的风险。经确认，机组存在一定程度的氙振荡。为保证机组运行安全，有必要及早进行人为干预，以消除氙振荡。5月19日17：00左右，在现场物理人员的指导下，主控操纵员手动提升2步控制棒组，以干预和抑制氙振荡。后续对堆芯监督确认，经过这次干预后堆芯氙振荡已基本消除。本次氙振荡曲线如图2所示。

2.2 事件序列

本次氙振荡事件序列如下：

（1） 5月13日前后，2号机组处于长燃料循环第2个过渡循环的寿期末运行阶段，正常满功率运行，堆芯燃耗约14 000 MWd/tU，堆芯硼浓度约230×10-6，D棒约209步，Δref为-2.0%FP，Δ约-1.2%FP；

图2 机组氙振荡曲线

（2） 5月14日晚至15日凌晨期间，机组多次稀释，同时伴随控制棒组动作（14日21：40稀释1 000 L水，D棒组提升1步；15日02：45稀释1 000 L水，D棒组下插1步；15日06：00稀释1 000 L水，D棒组下插1步）；Δ相应有明显波动；

（3） 5月18日前后，物理与运行人员相继发现2号机组存在氙振荡；

（4） 5月19日13：00，物理人员根据氙振荡的特征，制定了抑制措施，第一个实施最佳时机为当日17：00，第二个时间点为次日7：00左右；

（5） 5月19日17：00，物理与运行人员共同实施抑制措施，手动提升控制棒D棒组2步（当时一回路温度偏低）；

（6） 5月20日07：00，初步确认堆芯氙振荡已基本消除，不需实施第二次干预操作；

（7） 5月22日09：00，经过48小时观察，确认氙振荡消除。

2.3 事件分析

从历史数据趋势判断，秦二厂2号机组氙振荡起始于5月14日15：00和21：50的两次提D棒。这两次提D棒和对应的Δ变化趋势如图3中的动棒操作1区域所示。经过提升2步D棒后，Δ从-1.5%FP左右变化到-0.2%FP左右。后续几次不恰当的控制棒动作加剧了氙振荡，不恰当的控制棒动作与Δ变化如图3中的动棒操作2区、3区、4区域所示。

图3 氙振荡初期ΔI和D棒棒位的变化曲线

以动棒区域2为例：此时，堆芯上部135Xe的生成量应大于消耗量，使得135Xe积累，吸收更多中子，从而导致堆芯上部中子注量率h减少，堆芯下部与上部相反，堆芯下部中子注量率b增加，所以Δ向负变化。此过程中，采取了两次插棒动作，每次各插一步。使得发生突变，h减少，b增加。由于135Xe的生成量变化有6.7 h左右的滞后时间，在动棒导致突变的一段时间里，消耗量变化主要受的影响。故h突然减少，使得135Xe的积累量相应增加，吸收中子数相应增加，从而导致堆芯上部中子注量率h进一步减少；同理，b的增加，在滞后时间内，堆芯上部中子注量率b进一步增加。h和b的变化趋势使得Δ往更负的方向变化，使得氙振荡加剧。动棒操作3和4导致Δ变化区域与当时Δ本身变化趋势相同，都进一步加剧氙振荡。经过观察分析发现：2号机组氙振荡的处理过程中存在明显的振荡发散和收敛规律，即在氙振荡过程中进行动棒操作，若该动棒操作引起Δ变化与当前Δ的变化趋势相反，可以有效地抑制氙振荡；若相同，则会加剧氙振荡。

抑制氙振荡的最佳干预点应该是振幅为0的时间点。因为该时间点的Δ变化趋势最易判断，离±5%FP运行带较远，具有较高的操作安全裕量，且氙振荡消除后Δ维持在参考值附近。本次氙振荡过程中，物理人员选取振幅为0为干预点，进行动棒操作，快速抑制了氙振荡，效果显著。

整个氙振荡过程中，轴向功率偏差Δ的波动规律具有明显的周期性，振幅约为±2.5%FP，振荡周期约为26 h。最大振幅有短暂时间超越Δref±3%FP的预警带，没有超越±5%FP，未危及机组的安全运行。

3　秦二厂3号机组氙振荡过程分析验证

及时抑制氙振荡是机组安全稳定运行的重要前提。由于运行人员对氙振荡的处理经验较少，容易出现一些反向操作，使得氙振荡加剧。秦二厂3号机组也曾出现过比较明显的氙振荡现象，由于当时运行人员对于处理氙振荡的经验不足，使得氙振荡衰减和加剧过程反复出现。本文选取其中2段氙振荡衰减的过程和1段氙振荡加剧的过程进行验证振荡发散和收敛规律。

3.1 氙振荡衰减过程

图4和5是秦二厂3号机组氙振荡的2个衰减过程。从图4可知，经过时刻1～3的动棒操作后，Δ振荡趋势明显减小，最后基本稳定。其中，时刻1～3的动棒操作引起的Δ的变化都与当前的Δ变化方向相反。从图5也知：经过时刻1～5的动棒操作后，Δ振荡也呈衰减趋势，最后基本稳定。其中，时刻1～5的动棒操作引起Δ变化也都与当前Δ趋势相反。

图4 氙振荡衰减过程1

Fig 4The first attenuation process of xenon oscillation

3.2 氙振荡加剧过程

图6为秦二厂3号机组氙振荡的加剧过程。从图6可知，经过时刻1～4的动棒操作后，Δ振荡振幅扩大，氙振荡明显加剧。其中，时刻1～4的动棒操作引起Δ的变化都与当前的Δ变化方向相同。

图5 氙振荡衰减过程2

Fig 5The second attenuation process of xenon oscillation

图6 氙振荡加剧过程

4　结论

通过分析处理秦二厂2号机组的氙振荡情况，发现了实际过程中氙振荡的振荡发散和收敛规律，并通过理论分析和实际处理过程进行验证。最后给出抑制氙振荡的几点建议：

（1）氙振荡需要提前手动干预，尽量避免在Δ偏离Δref较大时干预，尤其是振荡的峰谷位置；

（2）振幅为0的位置是最佳的干预点，该时间点的Δ变化趋势最易判断，离±5%FP运行带较远，具有较高的操作安全裕量，且氙振荡消除后Δ维持在参考值附近；

（3）氙振荡抑制方法建议采取多次少量的手动调节控制棒的模式。

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Study on Preventing Xenon Oscillation of Unit 2 of Qinshan Ⅱ

SHEN Yajie，GAO Yongheng，ZHAN Yongjie，YANG Si，WANG Chenghan，LIU Zhen，WANG Yongzhi

（CNNP Nuclear Power Operation Management Co.Ltd.，Jiaxing of Zhejiang Prov.314300，China）

Xenon oscillation is a problem that cannot be ignored in large thermal neutron reactors. Serious xenon oscillation brings sever challenges for axial power controlling. Through analyzing xenon oscillation of Unit 2 of Qinshan II, the oscillation divergent and convergent law is found. In the process of xenon oscillation, if moving the control rod, which leads to the axial power deviation ΔI changing opposite to the current trend, can effectively prevent xenon oscillation. On the contrary, it may exacerbate xenon oscillation. Then the law is verified by xenon oscillation attenuation and intensification processes of Unit 3 of Qinshan II. Finally, some reasonable suggestions for preventing xenon oscillations are put forward, which provides important guarantee for the safe and stable operation of the unit.

Reactor；Xenon oscillation；Axial power controlling

TL48

A

0258-0918（2022）01-0088-05

2020-10-22

沈亚杰（1991—），男，浙江海盐人，工程师，硕士，现主要从事反应堆物理热工方面研究