壓水堆核電廠無源技術(shù)的效益分析

王勇智 焦健 詹勇杰

摘要：自2016年開始秦山核電基地7臺壓水堆機組已陸續(xù)開始取消二次中子源技術(shù)改造，目前已完成4臺機組的改造。本文簡要介紹了無源技術(shù)的原理和實際應(yīng)用，詳細(xì)介紹了壓水堆無源技術(shù)應(yīng)用帶來的各項效益。通過研發(fā)無源技術(shù)，突破了650MW機組特有的厚反射層帶來的技術(shù)挑戰(zhàn)，具有很有的創(chuàng)新意義和示范意義，同時這項技術(shù)具有良好的經(jīng)濟效益、安全效益和環(huán)保效益。

關(guān)鍵詞：二次中子源;650MW機組;氚排放

中圖分類號：TL 326 ?文獻標(biāo)志碼：A ? ?文章編號：

核電廠取消二次中子源研發(fā)項目主要來自安全性、經(jīng)濟性和氚排放壓力的考量，二次中子源的設(shè)計使用壽命為15年，每次機組大修都需重新插拔，因此使用存在破損和失效的風(fēng)險，國內(nèi)外都發(fā)生過這種案例。二次中子源需要采購，而且在堆內(nèi)輻照會產(chǎn)生較多的氚排放，因此國際上不少核電站取消了二次中子源使用，這樣可以解決上述問題。

秦山核電基地4臺650MWe機組和1臺320MWe機組，分別于2016年和2017年獲得國家核安全局批準(zhǔn)，并陸續(xù)實施了無源技術(shù)的技術(shù)改造，因此積累了豐富的實際經(jīng)驗，應(yīng)用效果非常好。

本文簡要介紹了無源技術(shù)原理，詳細(xì)分析這項技術(shù)給核電廠帶來的各種效益：經(jīng)濟效益、安全效益以及環(huán)境效益和創(chuàng)新意義。

1 無源技術(shù)簡介

1.1理論分析

根據(jù)點堆動力學(xué)方程可以得到中子密度和外加中子源源強的關(guān)系[1]：

因此從理論上分析，堆內(nèi)中子密度n與中子源強度S呈正比關(guān)系，與1-Keff呈反比關(guān)系，外加中子源強度越大，堆芯中子密度越大。因此只要選擇源強足夠大的已輻照燃料組件，就可以替代二次中子源，實現(xiàn)無源裝料和啟堆。

1.2模擬計算

以650MW壓水堆機組為例，通過對已輻照燃料組件源強的影響因素進行理論分析，發(fā)現(xiàn)燃耗深度、停堆冷卻時間、燃耗富集度都會影響源強大小，但是燃耗深度對源強的影響最明顯，如圖1所示。

從圖1可知，選擇已輻照燃料組件的燃耗深度大于36000MWT/TU，就能克服厚反射層的屏蔽影響，堆外探測器的中子計數(shù)率就能滿足技術(shù)要求。通過多次現(xiàn)場實驗測試，與理論計算結(jié)果吻合較好，驗證了理論計算的正確性。

2 應(yīng)用效果

2016年至今，無源技術(shù)分別在320MWe和650MWe機組上連續(xù)應(yīng)用多年，完全實現(xiàn)了無源裝料、無源啟堆、無源卸料。技術(shù)方案已經(jīng)固化和標(biāo)準(zhǔn)化，所有的技術(shù)參數(shù)均滿足相關(guān)技術(shù)要求，應(yīng)用效果非常好。

3 效益分析

3.1經(jīng)濟效益分析

中國核電旗下的同類已投運壓水堆機組共17臺：海南核電2臺、福清核電6臺、田灣2臺、秦山基地7臺。其中秦山核電累計應(yīng)用5臺，目前該技術(shù)的推廣比例大約30%。按照目前二次中子源的采購價格，單臺機組全壽期可節(jié)省300-400萬的二次中子源采購費用。隨著技術(shù)持續(xù)推廣，僅僅中國核電旗下17臺同類機組，預(yù)計累計可節(jié)省超過5，000萬人民幣的采購費用，經(jīng)濟效益顯著。如果國內(nèi)現(xiàn)有的40多臺的壓水堆機組全部使用無源技術(shù)，則經(jīng)濟效益可達上億元。

3.2安全效益分析

傳統(tǒng)有源裝卸料，每次大修裝料后，需要重新對二次中子源進行插拔[2]，這樣可能帶來輻射風(fēng)險，增加人員的受照射劑量，現(xiàn)在國內(nèi)核電廠對人員的劑量水平的控制較為嚴(yán)格，每年的受照射劑量有嚴(yán)格的限制。因此取消二次中子源以后，就不需要上述的插拔倒換工作，避免人員的誤照射。因此具有很好的安全效益。

3.3環(huán)保效益分析

秦山核電機組眾多，氚排放壓力較大，而取消二次中子源研發(fā)項目可有效緩解氚排放壓力。因為在壓水堆堆芯內(nèi)放置的二次中子源受到中子活化后會產(chǎn)生大量的氚。這部分氚在二次源組件中積存，其中一部分通過包殼滲透到反應(yīng)堆冷卻劑中，隨著秦二廠機組陸續(xù)取消二次中子源，堆芯內(nèi)氚產(chǎn)生量應(yīng)該呈現(xiàn)下降趨勢。

以秦二廠650MWe機組為例，通過模擬計算和實際測量，對比實施無源技術(shù)前后的氚產(chǎn)量數(shù)據(jù)，氚產(chǎn)生量確實發(fā)生明顯的變化。結(jié)合行業(yè)公開的氚產(chǎn)量數(shù)據(jù)，大約可以減少15%的氚傳亮，環(huán)保效益顯著。

3.4創(chuàng)新意義

650MWe壓水堆機組的技術(shù)難度較大，相比1000MWe機組，秦山核電650MW機組無源技術(shù)成功克服自身特有的厚反射層技術(shù)瓶頸，通過大量的理論計算和實驗測試，研發(fā)了獨特的無源技術(shù)。該技術(shù)具有創(chuàng)新意義和示范性，創(chuàng)新意義主要體現(xiàn)在以下幾方面：

創(chuàng)新點1：克服了650MW機組特有的厚反射層導(dǎo)致堆外探測器中子計數(shù)可能低于探測下限的技術(shù)挑戰(zhàn);

創(chuàng)新點2：顯著減少氚排放，有效減輕環(huán)境排放壓力;

創(chuàng)新點3：減少大修期間抽插導(dǎo)致二次中子源破損和失效風(fēng)險和人員輻照風(fēng)險。

3 ?結(jié)論

秦山核電基地?zé)o源技術(shù)的研發(fā)和應(yīng)用，表明通過技術(shù)創(chuàng)新和實踐，可以解決長期困擾核電廠的一些技術(shù)問題，有效降低核電廠的氚排放，降低二次中子源破損或泄露帶來的安全風(fēng)險和人員輻射風(fēng)險，節(jié)省二次中子源采購費用，具有良好經(jīng)濟效益、環(huán)保效益、安全效益和創(chuàng)新意義。

參考文獻：

[1] 謝仲生. 核反應(yīng)堆物理分析[M]. 西安：西安交通大學(xué)出版社，2004.

[2] 潘澤飛.壓水核動力電廠反應(yīng)堆物理試驗方法[M].北京：中國原子能出版社，2015.12.

作者介紹：

王勇智（1981.12—），性別：男;籍貫：浙江黃巖;民族：漢族;學(xué)歷 碩士研究生;職稱：高級工程師 職務(wù)：科員 研究方向：壓水堆堆芯物理和燃料管理相關(guān)技術(shù)管理工作 ;單位：中核核電運行管理有限公司 ;郵編314300