秦山CANDU6重水堆應(yīng)用RBGSS技術(shù)的可行性分析

劉忠國，王文聰，史星金，馮進(jìn)軍

(1.中核核電運(yùn)行管理有限公司， 浙江314300；2. 環(huán)境保護(hù)部核與輻射安全中心, 北京100082)

秦山CANDU6重水堆應(yīng)用RBGSS技術(shù)的可行性分析

劉忠國1，王文聰1，史星金1，馮進(jìn)軍2

(1.中核核電運(yùn)行管理有限公司， 浙江314300；2. 環(huán)境保護(hù)部核與輻射安全中心, 北京100082)

RBGSS技術(shù)將為CANDU6重水堆提供另外一種進(jìn)入保證停堆狀態(tài)的方法。本文介紹了RBGSS的技術(shù)方案，分析了RBGSS技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，結(jié)合秦山CNADU6反應(yīng)堆的運(yùn)行實(shí)踐，探討了RBGSS技術(shù)在機(jī)組大修和小修過程中的應(yīng)用方法，評(píng)價(jià)了RBGSS技術(shù)的安全性和經(jīng)濟(jì)性。最后討論了RBGSS可能存在的問題。

CANDU6; OPGSS; RBGSS; 臨界

秦山CANDU6重水堆是中國大陸目前唯一一座投入商業(yè)運(yùn)行的重水堆核電機(jī)組，重水既作慢化劑又作冷卻劑，使用天然鈾燃料，采用不停堆在線換料的運(yùn)行方式。CANDU6重水堆進(jìn)入保證停堆狀態(tài)GSS(Guaranteed shutdown state)的方法一般是通過將高濃度硝酸釓溶液注入慢化劑使之過度中毒實(shí)現(xiàn)的，簡(jiǎn)稱OPGSS(Over Poisoned GSS)。在反應(yīng)堆啟動(dòng)階段，通過慢化劑凈化系統(tǒng)的凈化樹脂除去慢化劑的毒物，逐步使反應(yīng)堆達(dá)到臨界狀態(tài)。

1 背景

目前秦山CANDU6重水堆大修過程中一般是通過觸發(fā)2號(hào)停堆系統(tǒng)(Shut down system #2,簡(jiǎn)稱SDS#2)來進(jìn)入GSS狀態(tài)，慢化劑中硝酸釓濃度一般大于13.0 ppm。在后續(xù)反應(yīng)堆達(dá)臨界期間，將慢化劑毒物濃度從13.0 ppm除到反應(yīng)堆臨界需要的時(shí)間超過18h，這在一定程度上延長(zhǎng)了機(jī)組啟動(dòng)的時(shí)間。

國外研究機(jī)構(gòu)開發(fā)了一種新的GSS技術(shù)，即Rod Based GSS(簡(jiǎn)稱RBGSS)，將所有控制棒插入堆芯，用控制棒的反應(yīng)性價(jià)值使反應(yīng)堆達(dá)到GSS狀態(tài)。相比較傳統(tǒng)的OPGSS，由于需要去除的毒物較少，可以快速達(dá)到臨界，從而縮短機(jī)組啟動(dòng)時(shí)間。

2 RBGSS實(shí)施方案介紹

CANDU6反應(yīng)堆堆芯采用水平壓力管式的布置方式，堆芯有380根水平布置的燃料通道，每個(gè)燃料通道裝12個(gè)燃料棒束，每個(gè)燃料棒束由37根天然鈾燃料元件組成。堆芯活性區(qū)長(zhǎng)約6.0m，堆芯380個(gè)燃料通道內(nèi)重水冷卻劑的流量為雙向交錯(cuò)式，相鄰?fù)ǖ赖睦鋮s劑流量方向相反。

CANDU6重水堆的控制棒包括停堆棒、機(jī)械吸收棒和調(diào)節(jié)棒，圖1所示為CANDU6重水堆反應(yīng)性控制機(jī)構(gòu)布置圖。其中停堆棒是空心的鎘圓柱體，共28根，分成兩組，每組14根，其總的反應(yīng)性價(jià)值約為-80mk。機(jī)械吸收棒的材料和結(jié)構(gòu)與停堆棒一致，共4根，分成2組，每組2根，其總的反應(yīng)性價(jià)值約為-9mk。調(diào)節(jié)棒由一定數(shù)量的鈷棒組成，共21根，分成7組，其總的反應(yīng)性價(jià)值約為-15mk。停堆棒和機(jī)械吸收棒是不進(jìn)行更換，而鈷調(diào)節(jié)棒在每次大修期間都需要進(jìn)行更換，用新的鈷棒(材料為59Co)替換在堆內(nèi)經(jīng)過中子輻照的舊鈷棒(材料為60Co)。

在反應(yīng)堆正常運(yùn)行時(shí)，調(diào)節(jié)棒是插入堆芯的，目的是展平反應(yīng)堆中子通量分布，或者補(bǔ)償反應(yīng)堆重新啟動(dòng)時(shí)的氙毒，或者在無法在線換料時(shí)為反應(yīng)堆提供后備反應(yīng)性。而停堆棒和機(jī)械吸收棒是拔出堆芯的，便于在緊急情況下向堆芯提供負(fù)反應(yīng)性。

RBGSS的技術(shù)方案：將所有停堆棒、機(jī)械吸收棒和調(diào)節(jié)棒全部鎖定在堆芯中。同時(shí)為保證足夠的停堆深度，需要在慢化劑中加入約2.0 ppm的硝酸釓毒物。

RBGSS實(shí)施期間，為了保證反應(yīng)堆的安全，必須保證2號(hào)停堆系統(tǒng)SDS#2可用。

RBGSS解除過程中，為了補(bǔ)償停堆棒和機(jī)械吸收棒的反應(yīng)性價(jià)值，需要在拔棒前加入一定量的毒物(硝酸釓濃度約3.0 ppm)，此時(shí)慢化劑內(nèi)硝酸釓濃度為5.0 ppm。然后利用凈化床除去慢化劑內(nèi)的毒物，逐漸使反應(yīng)堆達(dá)到臨界狀態(tài)。

3 大修期間應(yīng)用RBGSS

3.1 RBGSS實(shí)施流程

目前秦山重水堆的大修周期是兩年，而SDS#2毒物注入試驗(yàn)的試驗(yàn)周期也是兩年，所以每次大修中SDS#2毒物注入試驗(yàn)是必須進(jìn)行的，因此RBGSS在大修期間的實(shí)施流程如下：

? 使用SDS#2停堆；

? 復(fù)位SDS#2，隔離慢化劑凈化系統(tǒng)，建立OPGSS；

? 在OPGSS狀態(tài)下，實(shí)施SOR棒、MCA棒的檢修和鈷調(diào)節(jié)棒的更換；

? 過渡到RBGSS：插入SOR棒和MCA棒，投用慢化劑凈化系統(tǒng)，將慢化劑毒物濃度除到5.0 ppm，隔離慢化劑凈化系統(tǒng)，建立RBGSS；

?在RBGSS狀態(tài)下繼續(xù)開展大修工作；

?退出RBGSS，投用慢化劑凈化系統(tǒng)，除毒達(dá)臨界。

RBGSS在大修中的實(shí)施流程圖見圖2。

圖2 大修中RBGSS的實(shí)施流程Fig.2 Implement flow of RBGSS used in long time outage

3.2 RBGSS效益分析

根據(jù)前期調(diào)研，并結(jié)合秦山重水堆實(shí)際運(yùn)行狀況，機(jī)組大修期間實(shí)施RBGSS存在如下效益。

3.2.1 節(jié)省反應(yīng)堆達(dá)臨界期間的除毒時(shí)間

CANDU6重水堆慢化劑凈化系統(tǒng)簡(jiǎn)圖[1]見圖3。

圖3 CANDU6反應(yīng)堆慢化劑凈化系統(tǒng)簡(jiǎn)圖Fig.3 Diagram of CANDU6 reactor moderator purification system

考慮凈化床的凈化效率為100%，則慢化劑毒物濃度的變化趨勢(shì)如下：

C(t)=C0×exp(-λ t)

=0.0135 95×F (h-1)

式中：

F——凈化系統(tǒng)的凈化流量，kg/s；

C0——凈化開始時(shí)的毒物濃度，ppm；

t——凈化系統(tǒng)的工作時(shí)間，h；

C(t)——t時(shí)刻的毒物濃度，ppm。

根據(jù)秦山重水堆的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，目前OPGSS大修期間慢化劑硝酸釓毒物濃度一般為在13.0ppm左右。根據(jù)上述公式，若重水堆慢化劑凈化速率以慢化劑凈化系統(tǒng)最大流量10kg.s-1進(jìn)行除毒，半減期為5.1h，從13.0ppm除到臨界狀態(tài)對(duì)應(yīng)的1.0ppm約需18.8h。如果采用RBGSS技術(shù)，開始達(dá)臨界時(shí)硝酸釓毒物濃度約5.0ppm，同樣降低到1.0ppm，僅需要11.8h，從而節(jié)省7.0h的除毒時(shí)間。

3.2.2 緩解事故工況下的后果

某些事故工況下(如慢化劑pH值升高)可能導(dǎo)致硝酸釓的析出或沉淀。由于RBGSS期間慢化劑的毒物濃度小于OPGSS，所以硝酸釓的析出或沉淀事故導(dǎo)致的反應(yīng)性增加要小。同時(shí)由于RBGSS期間慢化劑的毒物濃度遠(yuǎn)小于OPGSS，發(fā)生堆內(nèi)LOCA時(shí)毒物稀釋的影響也更小。

3.2.3 減少材料降級(jí)

對(duì)于RBGSS，較低的慢化劑硝酸釓濃度意味著慢化劑酸性減小，因而慢化劑系統(tǒng)設(shè)備的材料降級(jí)更少。

3.2.4 減少使用啟動(dòng)儀表的可能性

根據(jù)秦山CANDU6重水堆技術(shù)規(guī)格書的要求，當(dāng)反應(yīng)堆功率降到2×10-7FP(FullPower)時(shí)，需投用專門在低功率下監(jiān)測(cè)反應(yīng)堆功率的啟動(dòng)儀表，并將啟動(dòng)儀表信號(hào)作為停堆信號(hào)連接到1號(hào)停堆系統(tǒng)。OPGSS期間慢化劑硝酸釓濃度在13.0ppmGd，根據(jù)目前的運(yùn)行實(shí)踐，一般在停堆約18d后就需要投用啟動(dòng)儀表。在目前的反應(yīng)堆達(dá)臨界過程中，啟動(dòng)儀表探頭重定位、斷開啟動(dòng)儀表和1#停堆系統(tǒng)的連接以及相關(guān)試驗(yàn)耗時(shí)一般需8h。

如果采用RBGSS，達(dá)臨界前慢化劑硝酸釓控制在5.0ppm左右，根據(jù)估算，在停堆后約30d后需要投用啟動(dòng)儀表。目前秦山重水堆的大修從停堆到啟動(dòng)儀表斷開一般約30d，正好不需要投用啟動(dòng)儀表，從而節(jié)省8.0h的啟堆時(shí)間。

4 小修期間應(yīng)用RBGSS

4.1RBGSS實(shí)施流程

根據(jù)目前秦山重水堆運(yùn)行實(shí)踐，機(jī)組小修期間一般采用兩種重新達(dá)臨界方式：第一種方式是反應(yīng)堆先進(jìn)入GSS狀態(tài)，在GSS狀態(tài)下進(jìn)行小修，小修后通過除毒方式達(dá)臨界；第二種方式是反應(yīng)堆不進(jìn)入GSS，直接通過氙毒衰減來達(dá)臨界，然后在低功率臨界狀態(tài)下進(jìn)行小修工作。由于第二種方式不進(jìn)入GSS，這種情況下RGBSS和OPGSS都可以不用，所以本文僅針對(duì)需要進(jìn)入GSS狀態(tài)的小修進(jìn)行分析。

目前秦山重水堆的小修一般不需要通過SDS#2脫扣進(jìn)入來GSS狀態(tài)，而是利用毒物添加系統(tǒng)向慢化劑內(nèi)加毒的方式來實(shí)現(xiàn)的。根據(jù)秦山重水堆技術(shù)規(guī)格書的要求，如果采用OPGSS，平衡堆芯加壓狀態(tài)下GSS要求的硝酸釓毒物濃度為9.1ppm，冷態(tài)卸壓狀態(tài)下GSS要求的硝酸釓毒物濃度為4.3ppm；而如果采用RBGSS，要求的慢化劑內(nèi)硝酸釓毒物濃度為5.0ppm，因此，如果停堆期間堆芯狀態(tài)為加壓狀態(tài)，則可以使用RBGSS；如果停堆期間堆芯狀態(tài)為冷態(tài)卸壓狀態(tài)，則無實(shí)施RBGSS的必要，以下僅針對(duì)堆芯加壓狀態(tài)下實(shí)施RBGSS進(jìn)行評(píng)估。

RBGSS在小修期間的實(shí)施流程如下：

? 建立RBGSS：插入SOR棒和MCA棒，利用毒物添加系統(tǒng)向慢化劑內(nèi)加毒，使慢化劑內(nèi)硝酸釓毒物濃度達(dá)到約5.0ppm，隔離凈化系統(tǒng)；

? 在RBGSS期間開展小修工作；

? 退出RBGSS，除毒達(dá)臨界。

RBGSS在小修中的實(shí)施流程圖見圖4。

圖4 小修中RBGSS的實(shí)施流程Fig.4 Implement flow of RBGSS used in short time outage

4.2 RBGSS效益分析

根據(jù)前期調(diào)研，并結(jié)合秦山重水堆實(shí)際運(yùn)行狀況，小修期間實(shí)施RBGSS存在如下效益：

4.2.1 節(jié)省反應(yīng)堆達(dá)臨界期間的除毒時(shí)間

根據(jù)4.1節(jié)的描述，如果采用OPGSS，平衡堆芯加壓狀態(tài)下GSS要求的硝酸釓毒物濃度為9.1 ppm。根據(jù)3.2.1節(jié)慢化劑毒物濃度變化的公式，以慢化劑凈化系統(tǒng)最大流量10kg·s-1進(jìn)行除毒，從9.1 ppm除到臨界狀態(tài)對(duì)應(yīng)的1.0 ppm約需16.3h。如果采用RBGSS技術(shù)，開始達(dá)臨界時(shí)硝酸釓毒物濃度約5.0 ppm，同樣降低到1.0 ppm，僅需要11.8h，從而節(jié)省4.5h的除毒時(shí)間。

4.2.2 減少凈化樹脂消耗量

由于RBGSS期間慢化劑毒物濃度小于OPGSS，達(dá)臨界期間消耗的凈化樹脂量也相應(yīng)地減少，可以減少放射性固體廢物的產(chǎn)生量。

4.2.3 緩解事故工況下的后果

某些事故工況下(如慢化劑pH值升高)可能導(dǎo)致硝酸釓的析出或沉淀。由于RBGSS期間慢化劑的毒物濃度小于OPGSS，所以硝酸釓的析出或沉淀事故導(dǎo)致的反應(yīng)性增加要小。同時(shí)由于RBGSS期間慢化劑的毒物濃度遠(yuǎn)小于OPGSS，發(fā)生堆內(nèi)LOCA時(shí)毒物稀釋的影響也更小。

4.2.4 減少材料降級(jí)

對(duì)于RBGSS，較低的慢化劑硝酸釓濃度意味著慢化劑酸性減小，因而慢化劑系統(tǒng)設(shè)備的材料降級(jí)更少。

5 RBGSS經(jīng)濟(jì)性分析

5.1 實(shí)施RBGSS的總節(jié)省時(shí)間估算

根據(jù)前面的分析，采用RBGSS的效益除了緩解事故工況后果、減少材料降級(jí)和凈化樹脂消耗以外，在經(jīng)濟(jì)上主要體現(xiàn)在節(jié)省啟堆時(shí)間，根據(jù)前面的分析，對(duì)比OPGSS，采用RBGSS將節(jié)省的時(shí)間如下：

? 對(duì)大修而言，如果采用RBGSS，根據(jù)3.2節(jié)的分析，除毒時(shí)間將節(jié)省7.0h；減少使用啟動(dòng)儀表，還可以節(jié)省8.0h，總共可以節(jié)省15.0h。

? 對(duì)堆芯加壓狀態(tài)下小修而言，如果采用RBGSS，根據(jù)4.2節(jié)的分析，除毒時(shí)間將節(jié)省4.5h。

5.2 RBGSS預(yù)期收益

由于小修次數(shù)以及小修方式的不確定性，在計(jì)算RBGSS的預(yù)期收益時(shí)，暫不考慮機(jī)組小修帶來的經(jīng)濟(jì)收益。對(duì)大修而言，根據(jù)5.1節(jié)的估算，每次大修將節(jié)省大修時(shí)間15.0h。按目前兩年的大修周期計(jì)算，則2臺(tái)機(jī)組年均節(jié)省大修時(shí)間為15.0h，機(jī)組電功率按720MW[2]計(jì)算，年均發(fā)電量增加15.0×720/100000=0.108億度。假設(shè)廠用電率為7%，燃料成本占發(fā)電收益的15%，上網(wǎng)電價(jià)按照核電標(biāo)桿電價(jià)0.43元/度[3]計(jì)算，則2臺(tái)機(jī)組年均增加發(fā)電效益約0.108×10000×0.93×0.43×0.85=367萬元。

6 應(yīng)用RBGSS需要關(guān)注的問題

根據(jù)前期調(diào)研的資料，應(yīng)用RBGSS技術(shù)方案可能存在以下兩個(gè)問題：

? RBGSS的停堆裕量是否能被NNSA認(rèn)可

設(shè)計(jì)上，RBGSS要求達(dá)到的次臨界深度僅為-30mk，遠(yuǎn)小于OPGSS提供的停堆深度，也小于國際上一般要求的次臨界深度(-50mk)。鑒于加拿大核監(jiān)管當(dāng)局已經(jīng)認(rèn)可了這種停堆裕量，預(yù)計(jì)國內(nèi)核安全監(jiān)管當(dāng)局可以認(rèn)可RBGSS的停堆裕量。

? GSS狀態(tài)下能否進(jìn)行慢化劑除毒操作

根據(jù)3.1節(jié)大修期間RBGSS的實(shí)施流程，在OPGSS向RBGSS過渡期間，需要將慢化劑毒物濃度除到5.0 ppm。但按照目前秦山重水堆的管理規(guī)程，GSS狀態(tài)下是不允許進(jìn)行慢化劑除毒操作。因此，若大修期間應(yīng)用RBGSS，需要改變電站當(dāng)前運(yùn)行策略，修改管理規(guī)程，允許在GSS狀態(tài)下進(jìn)行除毒操作。不過，查詢HAF102、HAF103和HAD102、HAD103，以及加拿大相關(guān)法規(guī)，沒有GSS狀態(tài)不能進(jìn)行慢化劑除毒的相關(guān)規(guī)定。因此，修改電站管理規(guī)程，允許GSS狀態(tài)下進(jìn)行慢化劑除毒操作是可行的。

7 結(jié)論

本文介紹了RBGSS的技術(shù)方案，結(jié)合秦山重水堆的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)和實(shí)踐，評(píng)估了RBGSS技術(shù)在大修和小修中應(yīng)用的流程和效益，評(píng)估結(jié)果表明：

(1) RBGSS技術(shù)應(yīng)用于秦山CANDU6重水堆，在技術(shù)和管理方面都沒有顛覆性問題，機(jī)組停堆深度足夠，RBGSS的進(jìn)入和退出在技術(shù)上也可以實(shí)現(xiàn)。

(2) 對(duì)大修而言，將節(jié)省啟堆時(shí)間15.0h；對(duì)小修而言，將節(jié)省啟堆時(shí)間4.5h，預(yù)計(jì)2臺(tái)機(jī)組應(yīng)用RBGSS年均增加發(fā)電效益約367萬元。

(3) 實(shí)施RBGSS還可以減少凈化樹脂消耗量，緩解事故工況下的后果，以及減少材料降級(jí)。

[1] 樊申. 反應(yīng)堆氙中毒停堆且慢化劑加毒時(shí)的臨界預(yù)計(jì)[J]. 中國核工業(yè)，2008， 05：108-113.

[2] 張振華. 秦山三期(重水堆)核電站的技術(shù)改進(jìn)[J]. 中國核電，2009，2(4)：292-296

[3] 國家發(fā)展改革委.國家發(fā)展改革委關(guān)于完善核電上網(wǎng)電價(jià)機(jī)制有關(guān)問題的通知.(發(fā)改價(jià)格[2013]1130號(hào))，2013-06-15.

Feasibility assessment on qinshan CANDU6reactor applying RBGSS technology

LIU Zhong-guo1, WANG Wen-cong1, SHI Xing-jin1, FENG Jin-jun2

(1.CNNP Nuclear Power Operations Management Co. Ltd., Zhejiang 314300, China;2. Nuclear safety center, MEP, Beijing 100082, China)

RBGSS technology may provide another way to approach guaranteed shutdown state for CANDU6 reactor. This paper introduces the technical scheme of RBGSS, asses the advantages of RBGSS. Combining with operating practices of Qinshan CANDU reactor, it discusses the proces for RBGSS to applied in long-time outage and short-time outage, and assess the safety and economy of RBGSS. Finally it discuss the possible problem of RBGSS.

CANDU6； OPGSS； RBGSS； criticality

2016-05-27

劉忠國(1975—)，男，四川梁平人，高級(jí)工程師，現(xiàn)從事秦山CANDU6重水堆的換料管理工作

TL364

A

0258-0918(2016)05-0590-05