CPR1000机组首循环堆芯二次中子源替代一次中子源启动的工程实践.pdf

553Nuclear Scienceand EngineeringJun.20232023年6 月No.3Vo1.43工程第3 期核科学与第43 卷CPR1000机组首循环堆芯二次中子源替代一次中子源启动的工程实践何、洋，胡汝平1，邓平起，郭，建”，罗良伟1,张海州丫，曹云龙，曹萌，刘晶晶个（1.辽宁红沿河核电有限公司，辽宁大连，116 0 0 1；2.中广核苍南核电有限公司，浙江苍南，3 2 58 0 0；3.中广核惠州核电有限公司，广东惠州，516 0 0 0）摘要：受国际贸易形势影响，某核电厂原计划采购的一次中子源存在较大的供应风险。鉴于此，核电厂组织实施了首循环堆芯一次源替代项目，即：使用辐照激活的二次中子源用于机组首循环的装料和启动。本文对该工程实践中几个重要问题进行了分析，介绍了解决方案并给出了实践结果，最后对新建核电项目的启动提出了一些建议。关键词：一次中子源；二次中子源；反应堆；启动中图分类号：TL375.5文章标志码：A文章编号：0 2 58-0 9 18（2 0 2 3）0 3-0 553-0 8Engineering Practice in the Start up of the SecondaryNeutron Source in the First Cycle of CPR1000 NuclearPower Plant in Place of the Primary Neutron SourceHE Yang,HU Ruping,DENG Pingjiu,GUO Jian,LUO Liangweil,ZHANG Haizhou,CAO Yunlong,CAO Meng,LIU Jingjingl(1.Liaoning Hongyanhe Nuclear Power Company,Ltd,Dalian of Liaoning Prov.116001,China2.CGN Cangnan Nuclear Power Company,Ltd,Cangnan of Zhejiang Prov.325800,China3.Huizhou Nuclear Power Company,Ltd,Huizhou of Guangdong Prov.516000,China)Abstract:Affected by the international trade situation,the there is a large supply risk for theprimary neutron source(PS)planned to be purchased by certain nuclear power plant.Giventhis context,the plant implemented a project which used the irradiated secondary neutronsource(SS)for fuel loading and start-up in the first cycle in place of the primary neutronsource.This paper analyzes several important problems in the engineering practice,introduces收稿日期：2 0 2 2-0 8-2 2作者简介：何洋（19 8 7 一），男，河北衡水人，学士，工程师，现从事反应堆堆芯物理研究the solutions and gives the practical results,and finally puts forward some suggestions for thestart-up of the new nuclear power projects.Key words:Primary neutron source;Secondary neutron source;Reactor;Start-up在反应堆装料和启动过程中，为了确保临界安全，整个过程应处于中子探测器的有效监督之下1。为了克服探测盲区，CPR1000系列核电机组一般在首次装料前采购两组一次中子源（以下简称“一次源”）组件（2 52 Cf）和两组二次中子源（以下简称二次源)组件（Sb-Be）。其中一次源在机组首循环使用，二次源在机组首循环进行激活，供后续循环使用2 。核电厂首循环启动之所以采用2 52 Cf，主要是因为和其他同位素中子源相比，2 52 Cf具有体积小、强度大、中子连续裂变等优点3 。此外，与后续循环使用的二次源相比，2 52 Cf的一个显著优势是半衰期长（2.6 5年4)，能够在相当长时间内应对首循环工程建设工期不确定性带来的风险，而后者半衰期只有6 0.2 天4。受国际贸易形势影响，某核电厂新建机组原计划采购的一次源存在较大供应风险。鉴于此，经充分调查和研究论证，该电厂实施了新建机组首循环一次源替代项目。即在运行机组（3、4号机组）提前辐照激活拟用于新建机组的四组二次源，加之1、2 号机组中原有的四组二次源，根据在运四台机组大修规划以及新建机组项目进展，选择合适的二次源，用于新建机组首循环装料和启动，简称为“二次源替代一次源启动项目”。方案的变化可由图1表示。RPNMLKJHGFEDCBARPNMLKJHGFEDC B A11223344556674S780PSPS8Ssss94S101011111212131314141515PS:一次中子源组件SS:二次中子源组件SS:二次中子源组件原设计方案中子源替代方案图1首循环二次源替代一次源启动方案Fig.1The start-up plan by SS in place of PS in the first cycle1项目前期准备1.1技术路线选择为应对一次源供应风险，电厂分析了国内外现状，认为在现有技术基础上可供选择的路线有两种：（1）采用激活的二次源替代一次源启动技术5;554（2）采用类似VVER机组的“无源启动”技术6 。经过详细对比，并结合电厂自身的情况，最终决定选择激活的二次源替代一次源启动的路线，并确定了项目总体目标如下：根据新建机组工程进度，在实际装料前，使二次源达到激活状态并在新建机组的乏燃料水池就位，使用激活的二次源完成新建机组装料并达到临界状态。5551.2工程实践驱须解决的问题该活动为全球范围内首次实施，无经验可循，因此有诸多工程技术问题需解决，最为重要的有如下几个：（1）新二次源置于反应堆内激活过程中对堆芯的影响有多大。新增两组用于激活的二次源后，3/4号机组反应堆内的二次源由两组变为四组，无先例，需确认该变化对堆芯的影响。（2）二次源的中子源强有多大，能否满足启堆监测要求。（3）二次源与一次源的物理特性有所区别，需分析确认二次源替代一次源后对堆芯装料启动的影响及应对措施。（4）演激活的二次源如何转运。（5）存在四组激活的二次源情况下的燃料装卸操作尚属首次，需分析确定对装卸料步序是否有影响。（6）二次源半衰期短，新建机组工程进度不确定性大，如何准确匹配二者的窗口以确保不因无源可用导致工程进度拖期。2问题分析与解决2.1新二次源激活过程中对堆芯的影响2.1.1实测统计数据分析统计了CPR1000机组多个换料循环的满功率中子注量图数据（见图2）。图中横坐标为中子注量图测量时的堆芯燃耗，纵坐标为归一化的二次源组件及其对称组件的功率偏差，每个点表示一张中子注量图。统计结果显示二次源组件与其对称组件的功率偏差基本处于-0.0150.0，表明二次源会略微降低所在组件功率水平，约为1%量级；同时可观察到二次源对所在组件功率的影响随燃耗加深而减小。总体而言，上述堆芯实测数据显示二次源对堆芯功率分布的影响比较小。2.1.2理论计算分析针对某特定循环，采用核设计软件SCIENCE建立了如下三种模型以计算换料堆芯中子学参数：SSCO模型：堆芯中无二次源；SSC2模型：堆芯中布置两组二次源；SSC4模型：堆芯中布置四组二次源。SSC4林模型：堆芯中布置四组二次源。0.015,0.0100.0050.0000.0050.010-0.015-0.0200.02502000400060008000100001200014000160001800020000燃耗/(MWd/tU)图2二次源组件与其对称组件的功率偏差Fig.2The power deviation of sS assembly andits symmetrical assembly注：二次源组件功率：两个二次源位置（N08)C08）组件功率的平均值；对称组件功率：二次源组件两个对称位置（H 0 3 H 13）组件功率的平均值SSC2和SSC4模型分别与SSCO模型比较，以分别评价两组二次源和四组二次源对堆芯的影响。其中：（1）由于二次源中子源强与满功率时燃料组件裂变中子源强相比可忽略，因此仅考虑其中子吸收性；（2）现有核设计程序的多群数据库中无Sb和Be同位素，因此采用实心不锈钢芯块替代（更保守）。分析结果表明：1）相对于SSCO模型，SSC4模型中的堆芯宏观中子学参数的变化均非常小，主要参数的最大偏差如表1所示。且SSC4模型的影响不会明显大于SSC2模型，这表明四组二次源对堆芯状态的影响很小。表1SSC4与SSCO模型主要参数偏差Table1The deviation of main parametersbetweenSSC4andSSCo轴向功率象限功率硼浓度热点因子烩升因子参数偏移FAH倾斜CB/10-6AOF。TILT最大偏差-2.80.170.0060.00602）与SSCO模型相比，SSC4模型中二次源周围位置控制棒价值的偏差比SSC2模型中的偏差更小（最大为约4%），对其他堆芯主要关键中子学参数的影响基本可忽略。表2 给出556了C08位置组件相邻控制棒积分价值偏差（寿期初、热态零功率）。表2 挂控制棒积分价值偏差Table2The deviation of the control rod integral valueC07D08B08C09SSC2-SSCO-17-7-26-19SSC4-SSCO-11-3-19-133）与SSCO模型相比，SSC4模型对堆芯最大组件功率偏差以及二次源组件内燃料棒功率分布的影响与SSC2模型相当，甚至更小。上述实测统计数据和理论分析均表明，新增两组二次源在堆内辐照对堆芯的影响很小。2.2二次源源强是否满足启堆要求2.2.1基准源强二次源产生中子涉及的反应式7 如下：(1)9isbm Te+y(2)Be+Be+n(3)以上述反应式为基础，按照图3 逻辑计算了饱和二次源源强。基础信息124sb活度芯块内注组件中子源假设计算量率谱计算强计算123sb(n,)24sb124产生中子的有效能量 9Be(y,xn)核反应式核反应的一群(1.665 4核反应微二次源组件等效微观截面3MeV)观截面结构、尺寸、质量等芯块位置中子注量率图3饱和二次源源强计算逻辑框图Fig.3The computational logic diagram of saturated SS strength进一步考虑了如下三个影响因素：(1）芯块材料消耗对停堆时中子源强的影响。（2）车辐照循环内反应堆功率变化对停堆时中子源强的影响。（3）单根二次源棒中Sb-Be芯块质量上下限(50 0 g/535 g)。得到两个用于后续分析的基准中子源强：低值：2.410 1n/s（定义为源强L）高值：3.3 10 1n/s（定义为源强H）2.2.2探测器计数率对于二次源源强能否满足启堆要求，主要考虑两个方面：（1）在装料和启堆过程中探测器计数率能否既保持有效监测，也不会出现提前饱和；（2）是否对临界零功率物理试验有颠覆性影响。在装料阶段，以上述基准源强为基础，针对二次源停止辐照后衰变10 天、3 0 天、6 0 天、120天、18 0 天、2 40 天时的源强（L及H)，分别计算了首次装料第1、2、3、8 C、