压水堆核电厂反应堆首次临界试验

朱元武

（中核核电运行管理有限公司，浙江 海盐 314300）

压水堆核电厂反应堆首次临界试验

朱元武

（中核核电运行管理有限公司，浙江 海盐 314300）

反应堆启动前，必须按照核安全法规HAF0304《核电厂调试程序》中规定的调试试验项目，对电厂系统如反应性控制棒的功能、保护系统的功能和临测装置的功能等进行试验和检查，使其满足核安全的要求。并按照物理试验质量和安全计划中的相关要求，完成启动试验前的准备工作。

1 启动试验目的和内容

反应堆启动是指将反应堆从次临界状态启动到临界状态，暨达到自持链式裂变反应的过程。堆芯首次临界物理试验的目的是在堆芯装料完成后，引导反应堆首次安全地、顺利地达到初始临界；并在临界后检验堆外探测器（源量程和中间量程通道）的重叠和线性关系、确定零功率物理试验中子通量水平和校核反应性仪。

压水堆核电站的首次临界通常采用提棒、连续稀释向临界逼近，最后分段提棒向超临界过渡三阶段实现。

为使整个临界过程中能够随时掌握反应堆的次临界状态，并预计临界点，使临界操作有据可依，在达临界的过程中需要进行中子计数率的测量，并作出中子计数率的倒数外推曲线。

由中子动力学方程：

式中：

n──中子密度 n/cm3；

l──中子平均寿命，s；

Ci──第I组缓发中子的先驱核浓度，N/cm3；

S──外中子源强度，Bq；

λi──第i组缓发中子先驱核裂变碎片的衰变常数，1/s。

在反应堆达临界过程中，若堆内存在外中子源，则处于次临界状态的反应堆也可形成稳定的中子分布，即：

这样，解(式 3)和(式 4)，得：

在（式5）中：1-keff表征反应堆的次临界度。

可以看出，n 1/（1-keff），当 n →∞ 时，keff→1，反应堆便达临界。

临界过程中根据不同的操作过程和监督参数有不同的外推方法。

1.1 中子计数率的倒数外推

可以采用中子倒计数率（1/M）对控制棒棒位、一回路硼浓度和稀释水量进行外推。1/M的定义如下：

1/M=N0/Ni

式中，N0：基准计数率；

Ni：不同棒位、不同硼浓度、不同稀释水量或不同时间下的计数率。

理想的1/M曲线是一条直线，但是实际上1/M曲线有可能是凹形的也可能是凸形的。尽管存在这两种情况，但是最后外推临界的结果都归于一点。就外推而言，凹形走向较为安全。影响1/M曲线的因素有：

（1）中子源在堆芯的位置；

（2）中子源强度；

（3）中子探测器的位置。

1.2 相似三角形方法

在图1中，当控制棒棒位位于h1时，中子计数率为N1，当控制棒棒位位于h2时，中子计数率为N2。在这两个相似三角形中有：

x=a·N1/(N2-N1)

这样可以求出预计的临界棒位为：

hc=h2+a·N1/(N2-N1)

图1 相似三角形方法

由此可以进行如下判断：

（1）当N2＝2N1，即中子计数率翻一番时，x=a意味着控制棒再提 a步，反应堆即可达到临界；

（2）当N2＝3N1，即中子计数率增长超过一倍时，x=a/2意味着控制棒再提a/2步(小于a步)，反应堆即可达到临界；

（3）当 N2＝(3/2)N1，即中子计数率增长没有超过一倍时，x=2a 意味着控制棒再提2a步(大于a步)，反应堆方可达到临界。

2 零功率物理试验范围的确定

在功率量程通道的线性部分，输出电流与功率由下式确定：

IPRC=K×W； W为功率水平

但由于此时反应堆功率水平很低（相当电流输出为10-6A），功率量程通道的电流被本底噪声所淹没；

与此相反，中间量程通道灵敏度较高，小功率水平可以测得，它由下式确定：

IIRC=C×W； W为功率水平

因此，可以建立IPRC=F（IIRC）函数关系式，以确定CNP线性段；X－Y记录仪分别与PRC和IRC相连接作出一条曲线。由此，确定出系统的本底噪声水平Φ本底。

这是理论上比较理想的本底噪声的一种确定方法。它可以在确定堆外核测系统线性和重叠的过程中一起完成。但是对于一个新堆，由于本底水平很低，在确定时还可以通过下述方法进行确定。

图2 多普勒发热点

图3 多普勒发热点中间量程指示

以中间量程通道的对数电流、平均温度Tavg和反应性仪指示的反应性随堆内中子通量变化的曲线为依据，在临界状态下，反应性仪设置在50pcm档上，引入一个周期约为100秒左右的正反应性，中子通量水平将缓慢增加，注意观测反应性信号和中子通量水平的变化。当观测到反应性记录仪上的信号指数下降和中子通量水平不按指数规律上升而改变斜率时，表明堆内开始产生核加热效应，即观察到多普勒核发热点Φ多普勒（见图2）。当多普勒核发热点Φ多普勒测定结束后，就将此通量水平确定为零功率物理试验的上限。从上限值下降1～2个数量级的中子通量水平，反应性仪的量程设置在50pcm档上，观察反应性仪的指示是否稳定，若反应性仪的指示稳定，则确认该中子通量水平为零功率物理试验功率水平的下限。若反应性仪指示不稳定，则需调整D棒组，提高中子通量水平（但不能超过上限值），直至反应性仪指示稳定，并将该中子通量水平为零功率物理试验功率水平的下限。这种下限的确定方法是系列堆芯或换料堆芯启动物理试验中，所采用的零功率物理试验功率水平的确定方法。

对于原型堆的首次堆芯启动物理试验来说，零功率物理试验的下限的确定方法如下，在上限确定后将反应性仪的量程设置在50pcm档上；下插控制棒D棒组，引入一个周期约为80秒左右的负反应性。停止插棒后，反应堆功率会自动下降，此时注意观察反应性仪，当反应性出现平衡稳定时，系统的本底噪声水平就测量到了。通常将零功率物理试验范围确定在如下的范围内：

10×Φ（本底）＜零功率物理试验范围 ＜ Φ（多普勒）/10

这样零功率物理试验的功率水平范围就确定了。应该指出，在反应堆向超临界过渡时，尤其是堆芯首次启动过程中，为了确保安全，中子通量水平至少要以一个不小于80s的稳定倍增周期变化。

3 临界过程应注意的问题

（1）试验必须严格遵守运行技术规格书和物理试验技术规范中的规定；

（2）逼近临界时，次临界度愈小，反应性引入率t愈小，因此应采用逐步逼近达临界；

（3）逼近临界时，采用单一反应性控制原则，即不能采用两种或两种以上的方式向堆芯引入正反应性；

（4）严禁引起反应堆温度突然变化的操作；

（5）反应堆启动率（SUR）应小于1DPM。即中子通量增加的倍增周期不得短于18秒；

（6）根据运行技术规格书要求启动时堆芯的初始硼浓度应大于2100ppm。由于此时的次临界度很深，所以在启动过程中原则上分成两段：反应性提升阶段和功率提升阶段。在反应性提升阶段中采用较快的速度提升控制棒或快速稀释硼浓度，向堆芯引入正反应性；在功率提升阶段中采用慢速稀释硼浓度或逐步提升控制棒，使堆芯向临界逼近；

（7）稀释前的提棒阶段，反应堆不应该发生临界；

（8）稀释时，反应性引入速率不大于设计限值（首循环为0.97pcm/s）；

（9）在试验期间，任何使反应堆发生紧急停堆时，都应立即停止稀释或提棒操作；如果紧急停堆的原因已知且不影响核电站的核安全，反应堆可重新进入启动的初始状态，硼浓度应维持在紧急停堆时的值。如果紧急停堆以前反应堆处于次临界，继续完成临界操作步骤。如果紧急停堆以前反应堆已经达临界，提棒使反应堆恢复临界，提棒过程中做计数率倒数曲线；

（10）恢复临界过程中，如果调节棒组D已经提至堆顶，反应堆仍未临界，这时应该插入所有的调节棒组，重新预计临界硼浓度和棒位；如果实际临界棒位超出预计临界棒位500pcm的限值棒位时，必须查明原因，然后才能继续提升功率；否则，将插入所有的调节棒组。

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