高溫氣冷堆核材料衡算方法研究

張 敏，張 亮，洪 哲，楊曉偉，何 瑋，闕 驥

(生態(tài)環(huán)境部 核與輻射安全中心，北京 100082)

圖1 HTR燃料球循環(huán)球路示意圖[11]Fig.1 Fuel ball cycle diagram of HTR[11]

高溫氣冷堆(HTR)核電站采用先進(jìn)的球床式HTR堆芯設(shè)計(jì)，具有高度的固有安全性，是第4代核能系統(tǒng)中的代表堆型。球床式HTR采用球形包覆顆粒燃料元件，采用不停堆換料運(yùn)行方式，使用的燃料球數(shù)量巨大，每個(gè)燃料球中含的可裂變物質(zhì)較少[1-4]。因此，反應(yīng)堆的運(yùn)行方式、燃料元件的形式、換料方式等與壓水堆核電站差別很大。

HTR的特點(diǎn)決定了其核材料監(jiān)管方式不同于傳統(tǒng)壓水堆。球床堆采用球形石墨燃料元件，燃料球在堆芯中依靠重力向下流動(dòng)，其在堆芯內(nèi)部的分布具有一定隨機(jī)性，無法準(zhǔn)確定位；燃料球的數(shù)量又非常多(HTR一個(gè)堆芯中有約420 000個(gè)燃料球)，堆芯內(nèi)不能布置探測(cè)裝置，無法對(duì)燃料球進(jìn)行逐個(gè)識(shí)別、跟蹤[5-8]。因此，單個(gè)燃料元件無法作為核材料監(jiān)管和衡算的基本單元。雖然HTR使用的燃料球數(shù)量多，但要維持堆芯臨界和穩(wěn)定功率運(yùn)行，燃料球的類型、堆芯的燃料球數(shù)量、燃料球的循環(huán)次數(shù)、堆芯功率、卸料燃耗等數(shù)據(jù)是確定和相互制約的，即對(duì)于HTR核材料的監(jiān)督，知道裝入堆芯的燃料球數(shù)，統(tǒng)計(jì)卸出的乏燃料球數(shù)，再知道反應(yīng)堆的積分功率，所有核材料的數(shù)據(jù)就是完整自洽的。因此，HTR的核材料監(jiān)督，可通過監(jiān)督新燃料的燃料球數(shù)量和乏燃料庫中的數(shù)量，監(jiān)測(cè)積分功率及計(jì)算乏燃料球燃耗與核材料成分來實(shí)現(xiàn)。

1 HTR燃料循環(huán)主要工藝流程

HTR燃料球循環(huán)球路示于圖1。

1.1 新燃料供應(yīng)系統(tǒng)

新燃料供應(yīng)系統(tǒng)包含2個(gè)反應(yīng)堆共用的1個(gè)貯存子系統(tǒng)和1個(gè)裝料子系統(tǒng)。貯存子系統(tǒng)的設(shè)備主要為新燃料球貯存容器(貯存罐)和貯存罐架，以及貯存容器轉(zhuǎn)運(yùn)、吊裝工具。貯存容器用于新燃料球從加工廠到核電站的廠外運(yùn)輸以及裝入堆芯前的廠內(nèi)貯存。貯存罐架是存放貯存容器的專用鋼架結(jié)構(gòu)。裝料間的主要設(shè)備是單一化裝料設(shè)備，利用單一器將暫存在其中的燃料球依靠重力逐個(gè)送入燃料裝卸系統(tǒng)球流管道。

1.2 燃料裝卸系統(tǒng)

燃料裝卸系統(tǒng)是堆內(nèi)燃料循環(huán)的基本系統(tǒng)，采用氣力輸送的方式實(shí)現(xiàn)燃料球的提升，下降段則完全依靠重力并采取減速措施。其上游連接新燃料供應(yīng)系統(tǒng)，下游連接乏燃料貯存系統(tǒng)。包含堆芯卸料子系統(tǒng)、燃料提升子系統(tǒng)、堆芯裝料子系統(tǒng)、新燃料裝料子系統(tǒng)和乏燃料卸料子系統(tǒng)，以及為燃料球氣力輸送服務(wù)的氣體輔助子系統(tǒng)。燃料在系統(tǒng)內(nèi)的基本運(yùn)行順序?yàn)椋憾研緝?nèi)燃料經(jīng)過堆芯卸料子系統(tǒng)(在其中首先進(jìn)行碎球分離，分離的碎球進(jìn)入碎球罐貯存)，到達(dá)燃耗測(cè)量定位裝置，由燃耗測(cè)量系統(tǒng)判定燃料球是否返回堆芯；返回堆芯的燃料球與經(jīng)過新燃料裝料子系統(tǒng)的新燃料共同匯集到燃料提升子系統(tǒng)，提升到堆芯裝料子系統(tǒng)，最終進(jìn)入堆芯頂部；不返回堆芯的燃料球則通過乏燃料卸料子系統(tǒng)進(jìn)入乏燃料貯存系統(tǒng)[9-10]。在燃料裝卸系統(tǒng)的每一個(gè)過球管段上都至少有2個(gè)燃料球計(jì)數(shù)器，以確保冗余。

1.3 乏燃料貯存系統(tǒng)

乏燃料貯存系統(tǒng)從燃料裝卸系統(tǒng)接收乏燃料，通過乏燃料裝料裝置將乏燃料裝入不銹鋼材料的乏燃料貯罐中，利用地車和吊裝設(shè)備將裝滿乏燃料的貯罐轉(zhuǎn)運(yùn)到乏燃料暫存庫的豎井內(nèi)。乏燃料暫存庫可暫存整個(gè)電站壽期內(nèi)的全部乏燃料。乏燃料元件從燃料裝卸系統(tǒng)卸出后，輸送至乏燃料貯存系統(tǒng)的乏燃料裝料間，通過乏燃料裝料裝置將乏燃料元件裝入乏燃料貯罐中；乏燃料貯罐裝入4萬個(gè)乏燃料元件后，由地車將貯罐運(yùn)至罐口焊接位置進(jìn)行焊接密封；焊接完成后，控制室操作人員通過攝像屏幕檢查罐口的密封質(zhì)量；然后由地車將貯罐運(yùn)至豎井上方，打開井蓋，通過吊罐起升機(jī)構(gòu)和貯罐吊具將乏燃料貯罐吊入豎井內(nèi)貯存。乏燃料裝料裝置的上下游管路均設(shè)有燃料球計(jì)數(shù)器，可對(duì)進(jìn)入貯罐的乏燃料球數(shù)進(jìn)行精確測(cè)量?？纱_保每一罐的乏燃料球數(shù)為確切的4萬個(gè)。

2 核材料衡算原則

由于HTR燃料循環(huán)方式的特殊性，HTR的核材料衡算無法采用傳統(tǒng)核材料衡算中的件料和散料的方式。這主要是因?yàn)椋?) HTR的燃料元件為直徑6 cm的石墨球形元件，全堆共需裝載42萬個(gè)燃料元件，單個(gè)燃料元件無法標(biāo)識(shí)；2) 單個(gè)燃料元件在堆內(nèi)的運(yùn)動(dòng)具有一定隨機(jī)性，很難對(duì)單個(gè)燃料球精確定位和精確跟蹤，也很難精確分析單個(gè)燃料元件的輻照歷史；3) 燃料元件數(shù)量大，單個(gè)元件所含核燃料量很低；4) 燃料元件的石墨/包覆顆粒結(jié)構(gòu)堅(jiān)固，破壞性檢測(cè)的技術(shù)難度很大。

但同時(shí)，HTR的一些特性又保證了HTR的核材料衡算不僅是可實(shí)現(xiàn)的，而且可達(dá)到不低于傳統(tǒng)壓水堆的精度。這些特性包括：1) 球床堆的單個(gè)燃料元件運(yùn)動(dòng)雖具有隨機(jī)性，但一定空間區(qū)域范圍內(nèi)燃料球的整體運(yùn)動(dòng)則具有非常好的規(guī)律性；2) 運(yùn)行過程中，每個(gè)從堆芯底部卸出的燃料球(包括乏燃料和再循環(huán)燃料)都需要經(jīng)過燃耗測(cè)量，燃耗測(cè)量的相對(duì)精度很高，而燃耗測(cè)量的絕對(duì)偏差可用基于功率測(cè)量和功率歷史記錄的堆芯燃耗計(jì)算進(jìn)行校正；3) 雖無法對(duì)每個(gè)燃料元件進(jìn)行標(biāo)識(shí)，但對(duì)燃料循環(huán)過程中各類燃料元件(包括新燃料、再循環(huán)燃料、乏燃料等)的計(jì)數(shù)可達(dá)到非常高的精度，計(jì)數(shù)相對(duì)誤差不超過萬分之一；4) 可實(shí)現(xiàn)完全的在線不停堆換料，特定時(shí)間內(nèi)的全堆積分功率與平均卸料燃耗之間存在嚴(yán)格的對(duì)應(yīng)關(guān)系；5) 物理設(shè)計(jì)與分析所使用的VSOP程序系統(tǒng)已經(jīng)過幾十年的使用與驗(yàn)證，具備很高的分析計(jì)算精度。因此，對(duì)于HTR的核材料衡算，必須采取與傳統(tǒng)壓水堆不同的原則。

基于以上考慮，提出了針對(duì)HTR的核材料衡算原則，即采用燃料元件計(jì)數(shù)與燃耗測(cè)量相結(jié)合的核材料衡算方法，以堆芯物理計(jì)算作為校核手段，以堆芯功率歷史與燃料裝卸歷史數(shù)據(jù)作為總體約束參數(shù)，劃分核材料平衡區(qū)和關(guān)鍵測(cè)量點(diǎn)，通過燃料元件計(jì)數(shù)對(duì)各關(guān)鍵測(cè)量點(diǎn)的燃料球數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，通過燃耗測(cè)量并輔以燃耗與核素含量依賴關(guān)系的理論模型，對(duì)乏燃料中關(guān)鍵核素的含量進(jìn)行評(píng)估，實(shí)現(xiàn)對(duì)HTR核材料平衡的監(jiān)督與控制。在本方法中，核心技術(shù)內(nèi)容是核材料平衡區(qū)內(nèi)燃料元件的計(jì)數(shù)以及乏燃料中所含核素含量的評(píng)估。

3 核材料平衡區(qū)劃分及關(guān)鍵測(cè)量點(diǎn)設(shè)置

HTR的1#堆芯和2#堆芯獨(dú)立運(yùn)行，共用1套新燃料貯存和1套乏燃料貯存系統(tǒng)。新燃料球經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)接收檢查后放入新燃料庫和新燃料裝料間貯存。在新燃料裝料間內(nèi)，通過搬運(yùn)車將新燃料轉(zhuǎn)運(yùn)至裝料設(shè)備對(duì)堆芯進(jìn)行人工裝料。新燃料球經(jīng)過球路管道、裝料暫存裝置等進(jìn)入1#和2#堆芯，經(jīng)過卸料裝置、碎球分選裝置、燃耗測(cè)量裝置、卸料暫存裝置等卸出堆芯。循環(huán)結(jié)束后，通過卸料管道將卸出的乏燃料卸至乏燃料貯罐，通過地車操作經(jīng)焊接密封后轉(zhuǎn)移至乏燃料貯存豎井貯存。豎井滿足堆芯40 a壽期乏燃料貯存量不外運(yùn)。同時(shí)，為滿足后續(xù)乏燃料研究需要，需對(duì)乏燃料進(jìn)行少量取樣，暫存在取樣罐內(nèi)運(yùn)出廠外進(jìn)行研究。

根據(jù)HTR工藝特點(diǎn)，結(jié)合傳統(tǒng)壓水堆的件料核材料管理模式和散料設(shè)施的散料核材料管理模式，將HTR劃分為3個(gè)核材料平衡區(qū)：新燃料貯存為1個(gè)平衡區(qū)(MBA-1)，包含新燃料庫和新燃料裝料間貯存格架；裝卸料區(qū)、堆芯和取樣罐為1個(gè)平衡區(qū)(MBA-2)，包含新燃料罐、裝料暫存裝置、1#堆芯、2#堆芯、取樣罐、卸料暫存裝置、未滿裝載乏燃料罐及其連接管道；乏燃料貯存為1個(gè)平衡區(qū)(MBA-3)，包含乏燃料貯存豎井。根據(jù)平衡區(qū)劃分，MBA-1和MBA-3采用件料管理模式，采取封隔與監(jiān)視的衡算方法；MBA-2采用散料管理模式，采取不明損失量(MUF)評(píng)價(jià)的衡算方法。

平衡區(qū)劃分及關(guān)鍵測(cè)量點(diǎn)設(shè)置示于圖2，核材料關(guān)鍵測(cè)量點(diǎn)說明列于表1。

圖2 平衡區(qū)劃分及關(guān)鍵測(cè)量點(diǎn)設(shè)置示意圖[12-13]Fig.2 Diagram of balance zone division and key measurement point setting[12-13]

除KMP A、KMP A2外，HTR各盤存關(guān)鍵測(cè)量點(diǎn)的主要測(cè)量手段是燃料球計(jì)數(shù)。HTR在其燃料裝卸系統(tǒng)的各管路上都設(shè)有燃料球計(jì)數(shù)器，其基本原理是利用包圍在管壁外側(cè)的渦流傳感器給出的渦流信號(hào)監(jiān)測(cè)燃料球的通過。計(jì)數(shù)器的設(shè)計(jì)相對(duì)計(jì)數(shù)誤差為10-6。在每一段設(shè)置燃料球計(jì)數(shù)器的管路上，都采取冗余設(shè)計(jì)，即至少有2個(gè)計(jì)數(shù)器。在HTR衡算過程中，對(duì)于KMP A、KMP A2以外的各盤存關(guān)鍵測(cè)量點(diǎn)，選取相關(guān)出入口管路上的1個(gè)計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)作為賬面盤存的源數(shù)據(jù)，另1個(gè)冗余計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)作為物理盤存的源數(shù)據(jù)，2組計(jì)數(shù)器同時(shí)記錄，作為盤存時(shí)賬面盤存和物理盤存的依據(jù)。對(duì)于KMP A、KMP A2，燃料制造商提供的入廠數(shù)據(jù)和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)物清點(diǎn)作為賬面盤存和物理盤存的源數(shù)據(jù)。

4 核材料量測(cè)量

HTR的核材料量計(jì)算以燃耗測(cè)量以及相應(yīng)的燃耗-核素含量對(duì)應(yīng)關(guān)系理論模型為基本技術(shù)手段。其中，在線燃耗測(cè)量是球床式HTR的一大技術(shù)特色，因此在核材料量及其產(chǎn)生和消耗的計(jì)算上，與壓水堆有本質(zhì)區(qū)別。壓水堆沒有也不需要常規(guī)的燃耗測(cè)量過程，燃料組件在堆內(nèi)循環(huán)期間的核產(chǎn)生與核消耗完全是由堆芯物理分析程序計(jì)算得出。而HTR則對(duì)每個(gè)從卸料裝置排出的燃料球都進(jìn)行燃耗測(cè)量，因此可獲得每個(gè)燃料球的直接燃耗數(shù)據(jù)。這是乏燃料內(nèi)核材料含量計(jì)算的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

統(tǒng)計(jì)每個(gè)經(jīng)過測(cè)量、校正的乏燃料燃耗數(shù)據(jù)，并根據(jù)燃耗與核素含量的依賴關(guān)系對(duì)每個(gè)乏燃料的重金屬含量進(jìn)行評(píng)估，建立完整的記錄系統(tǒng)，即可對(duì)乏燃料庫所包含的關(guān)鍵核素含量進(jìn)行準(zhǔn)確可信的衡算。

5 MUF評(píng)價(jià)方法

5.1 MUF評(píng)價(jià)

HTR平衡區(qū)MBA-1和平衡區(qū)MBA-3以件料模式進(jìn)行衡算，因此MUF為零。平衡區(qū)MBA-2的核材料衡算采用散料管理的方式，其閉合衡算針對(duì)的對(duì)象為球形燃料元件的數(shù)目。對(duì)于燃料元件清點(diǎn)和計(jì)數(shù)，HTR只有各燃料裝卸管路上的計(jì)數(shù)器這一種技術(shù)手段。對(duì)于稱重、破壞性分析在內(nèi)的其他手段，由于燃料元件自身的制造工藝特點(diǎn)，都不具備現(xiàn)實(shí)的可行性。因此，HTR的核材料平衡評(píng)價(jià)在技術(shù)上幾乎完全依賴于燃料球計(jì)數(shù)器。

核材料衡算評(píng)價(jià)是核材料衡算的重要環(huán)節(jié)。在核材料衡算中，核材料平衡通常是指在衡算過程中，衡算所得到的盤存量與經(jīng)過實(shí)際測(cè)量得到的盤存量之間的差異，而這一概念通常又用MUF表示。MUF可定義為物理盤存與賬面盤存之間的差值。對(duì)于HTR，除KMP A和KMP A2以供貨商提供的數(shù)據(jù)為準(zhǔn)外，其他盤存關(guān)鍵測(cè)量點(diǎn)的核材料賬面盤存和物理盤存都必須通過燃料球計(jì)數(shù)器提供的計(jì)數(shù)來進(jìn)行。因此，除新燃料接收環(huán)節(jié)盤存都采用相同的燃料進(jìn)廠數(shù)據(jù)外，各關(guān)鍵測(cè)量點(diǎn)的盤存分別采用同一球流管段的兩個(gè)不同計(jì)數(shù)器提供的計(jì)數(shù)，以上游計(jì)數(shù)器作為賬面盤存的源數(shù)據(jù)，下游計(jì)數(shù)器作為物理盤存的源數(shù)據(jù)。

HTR核材料衡算涉及的重要數(shù)據(jù)包括燃料元件接收量、新燃料庫內(nèi)的燃料球數(shù)、進(jìn)出裝料暫存裝置的新燃料球數(shù)、裝入反應(yīng)堆的新燃料球數(shù)、反應(yīng)堆內(nèi)的燃料球數(shù)、進(jìn)出卸料暫存裝置的乏燃料球數(shù)、卸出反應(yīng)堆的乏燃料球數(shù)、乏燃料庫的燃料球數(shù)、外運(yùn)的用于燃料性能研究的燃料球數(shù)以及外運(yùn)的乏燃料球數(shù)等。通過這些關(guān)鍵數(shù)據(jù)，可對(duì)各盤存關(guān)鍵測(cè)量點(diǎn)進(jìn)行平衡結(jié)算。

5.2 MUF相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差

《中華人民共和國(guó)核材料管制條例》[14]及其實(shí)施細(xì)則[15]對(duì)各類設(shè)施的閉合平衡MUF的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差進(jìn)行了規(guī)定，其中沒有對(duì)HTR進(jìn)行規(guī)定。因此，為進(jìn)行HTR評(píng)價(jià)，需制定有關(guān)HTR閉合平衡MUF的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差要求。

MUF相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差是在大量運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上歸納得出的值。因此，本文僅對(duì)HTR閉合平衡MUF的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差確定的可行性進(jìn)行分析。HTR平衡區(qū)MBA-2主要通過各燃料裝卸管路上的計(jì)數(shù)器對(duì)燃料元件進(jìn)行計(jì)數(shù)衡算，并且計(jì)數(shù)器的誤計(jì)相對(duì)計(jì)數(shù)誤差(系統(tǒng)誤差)是已知的，同時(shí)，HTR裝料系統(tǒng)的人為隨機(jī)誤差也可通過長(zhǎng)期運(yùn)行統(tǒng)計(jì)得到。因此，在系統(tǒng)誤差和隨機(jī)誤差已知的情況下，HTR閉合平衡MUF的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差是可確定的，同時(shí)考慮到HTR的主要衡算手段為計(jì)數(shù)器讀取燃料球個(gè)數(shù)，故MUF的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差可通過燃料球數(shù)或相對(duì)百分?jǐn)?shù)表示。

6 結(jié)論

通過對(duì)HTR的燃料特性和工藝進(jìn)行分析，得出其核材料衡算方式易采用件料+散料兩種模式相結(jié)合的方式進(jìn)行管理。依據(jù)HTR核材料衡算方式，對(duì)其核材料衡算原則、平衡區(qū)劃分及關(guān)鍵測(cè)量點(diǎn)設(shè)置、核材料測(cè)量、MUF評(píng)價(jià)等方面提出了可供參考的方法。目前，此衡算方法已應(yīng)用于國(guó)內(nèi)HTR。