秦二廠2號機組氙振蕩抑制方法研究

沈亞杰，高永恒，詹勇杰，楊　嗣，王澄瀚，劉　臻，王勇智

秦二廠2號機組氙振蕩抑制方法研究

沈亞杰，高永恒，詹勇杰，楊嗣，王澄瀚，劉臻，王勇智

（中核核電運行管理有限公司，浙江 嘉興 314300）

氙振蕩是大型熱中子反應(yīng)堆不可忽視的問題，劇烈的氙振蕩給軸向功率控制帶來嚴峻的挑戰(zhàn)。本文通過對秦二廠2號機組的氙振蕩進行研究分析，發(fā)現(xiàn)振蕩發(fā)散和收斂規(guī)律，即在氙振蕩過程中，若動棒操作引起軸向功率偏差Δ變化與當前Δ的變化趨勢相反，可以有效地抑制氙振蕩，否則將加劇氙振蕩。并以秦二廠3號機組的氙振蕩中衰減和加劇過程進行驗證該規(guī)律。最后，對氙振蕩的抑制方法提出幾點合理建議，為機組的安全穩(wěn)定運行提供了重要保障。

反應(yīng)堆；氙振蕩；軸向功率控制；

秦山第二核電廠4臺機組都屬于CNP600堆型，采用Mode A控制模式。在該控制模式下，由控制棒和硼濃度共同調(diào)控反應(yīng)堆的功率變化。正常運行模式下，徑向功率分布變化較小[1]。而軸向功率分布則經(jīng)常受到運行過程中變量影響，如氙毒，堆芯溫度，控制棒位置和堆芯功率等[2-4]。軸向功率分布發(fā)生變化時，堆芯上下部的氙毒也會發(fā)生變化，從而導(dǎo)致軸向功率偏差Δ發(fā)生振蕩（即氙振蕩），對核電機組安全穩(wěn)定地運行帶來一定的風(fēng)險。

氙振蕩一般發(fā)生于高中子注量率的大型熱中子反應(yīng)堆中，徑向氙振蕩收斂，且其穩(wěn)定性隨著堆芯燃耗加深而增加；軸向氙振蕩方面的穩(wěn)定性隨堆芯燃耗的加深或堆芯功率的升高而降低[5]。因此，軸向氙振蕩是大型熱中子反應(yīng)堆中值得研究和探討的問題。本文討論的氙振蕩都為軸向氙振蕩。抑制氙振蕩的通用策略主要有：當氙振蕩振幅較小時，采用稀釋、硼化的方式，朝著平衡冷熱的方向操作，即利用堆芯上下部燃耗不同而導(dǎo)致慢化劑溫度系數(shù)的不同的原理來控制Δ的變化；當氙振蕩振幅較大時，抑制氙振蕩最有效的方法是調(diào)節(jié)控制棒，且需要在合適的時機進行動棒，否則可能會加劇振蕩[6]。動棒的時機一般為：發(fā)現(xiàn)Δ較快速趨正時下插控制棒，趨負時提升控制棒，插棒幅度不宜過大，保證Δ靠近Δref，可有效地抑制Δ的振蕩[7]。

本文通過秦二廠2號機組運行過程中氙振蕩成功抑制的實例，研究分析如何正確地采用控制棒抑制氙振蕩，并以秦二廠3號機組的氙振蕩中衰減和加劇過程進行驗證。

1 氙振蕩的機理及危害

1.1 氙振蕩的機理

氙在反應(yīng)堆中的產(chǎn)生機理如下[8,9]：

在點堆模型中，135I和135Xe的微分方程如下：

（2）

其中：()——時刻的135I的濃度，cm-3；

γI——135I的裂變份額，%；

Xe——135Xe的裂變份額，%；

I——135I的衰變常數(shù)；

Xe——135Xe的衰變常數(shù)；

()——堆芯中子注量率，cm-2·s-1；

f——裂變宏觀截面，cm-1；

aXe——135Xe的微觀吸收截面，cm-2。

135Xe的直接裂變產(chǎn)額僅為0.23%，但是135I直接裂變產(chǎn)額高達6.39%。135Xe的產(chǎn)生量主要來源于135I的衰變，半衰期約為6.7 h。135Xe消耗是通過衰變和（n，r）兩個途徑，該兩個途徑在在1013cm-2·s-1量級時消耗量相當。由于衰變具有一定的滯后性，故當堆芯功率發(fā)生改變，即發(fā)生改變時，135Xe的消耗途徑（n，r）會隨改變迅速響應(yīng)，而135Xe的生成途徑（135I的-衰變）和消耗途徑（135Xe的-衰變）響應(yīng)相對滯后。

由于135Xe的產(chǎn)生和消耗對于的響應(yīng)不同步，當反應(yīng)堆內(nèi)的中子注量率分布發(fā)生傾斜時，在中子注量率減小的區(qū)域，氙濃度最初將增大；而在中子注量率增大的區(qū)域，它的濃度將減小。氙濃度分布的這種變化將隨局部區(qū)域內(nèi)的中子注量率的增大（或減小）而增強（或減弱）該區(qū)域的增殖能力，這就強化了中子注量率的傾斜程度。在中子注量率發(fā)生傾斜的幾個小時之后，在高中子注量率區(qū)域，碘濃度的升高增大了氙的生成率，這將引起該區(qū)域增殖能力的減弱；在低中子注量率區(qū)域，氙濃度因碘濃度的降低而減小，最終引起該區(qū)域增殖能力的增強。這樣，中子注量率變化就沿著原來相反的方向進行，并重復(fù)地下去，就形成了功率密度、中子注量率和135Xe濃度的空間振蕩，簡稱氙振蕩[10-12]。

1.2 氙振蕩的危害

氙振蕩會引起軸向功率變差Δ周期性振蕩。當Δ偏離Δref±3%FP，則會引起主控預(yù)警；當Δ偏離Δref±5%FP時，則要求在連續(xù)12小時內(nèi)累計計時不得超過1小時。此外，氙振蕩會使反應(yīng)堆熱管位置轉(zhuǎn)移和功率密度峰因子改變，并使局部區(qū)域的溫度升高，若不加控制甚至?xí)谷剂显刍浑袷幰矔苟研局袦囟葓霭l(fā)生交替地變化，加劇堆芯材料溫度應(yīng)力的變化，使材料過早地損壞[13-15]。因此，為了保證機組安全穩(wěn)定地運行，氙振蕩必須被及早發(fā)現(xiàn)并加以正確的干預(yù)手段。

1.3 氙振蕩的表征

氙振蕩會引起堆芯軸向功率偏差Δ振蕩，一般氙振蕩的劇烈程度用Δ的振幅來表征，Δ定義為：

其中：H、B——堆芯上部、下部相對功率；

r——當前堆芯功率。

2　氙振蕩事件概述、序列和分析

2.1 事件概述

2017年5月18日，堆芯物理監(jiān)督人員發(fā)現(xiàn)秦二廠2號機組軸向功率偏差Δ存在較明顯的周期性波動，同時運行人員反饋Δ控制困難，機組存在超出運行帶的風(fēng)險。經(jīng)確認，機組存在一定程度的氙振蕩。為保證機組運行安全，有必要及早進行人為干預(yù)，以消除氙振蕩。5月19日17：00左右，在現(xiàn)場物理人員的指導(dǎo)下，主控操縱員手動提升2步控制棒組，以干預(yù)和抑制氙振蕩。后續(xù)對堆芯監(jiān)督確認，經(jīng)過這次干預(yù)后堆芯氙振蕩已基本消除。本次氙振蕩曲線如圖2所示。

2.2 事件序列

本次氙振蕩事件序列如下：

（1） 5月13日前后，2號機組處于長燃料循環(huán)第2個過渡循環(huán)的壽期末運行階段，正常滿功率運行，堆芯燃耗約14 000 MWd/tU，堆芯硼濃度約230×10-6，D棒約209步，Δref為-2.0%FP，Δ約-1.2%FP；

圖2 機組氙振蕩曲線

（2） 5月14日晚至15日凌晨期間，機組多次稀釋，同時伴隨控制棒組動作（14日21：40稀釋1 000 L水，D棒組提升1步；15日02：45稀釋1 000 L水，D棒組下插1步；15日06：00稀釋1 000 L水，D棒組下插1步）；Δ相應(yīng)有明顯波動；

（3） 5月18日前后，物理與運行人員相繼發(fā)現(xiàn)2號機組存在氙振蕩；

（4） 5月19日13：00，物理人員根據(jù)氙振蕩的特征，制定了抑制措施，第一個實施最佳時機為當日17：00，第二個時間點為次日7：00左右；

（5） 5月19日17：00，物理與運行人員共同實施抑制措施，手動提升控制棒D棒組2步（當時一回路溫度偏低）；

（6） 5月20日07：00，初步確認堆芯氙振蕩已基本消除，不需實施第二次干預(yù)操作；

（7） 5月22日09：00，經(jīng)過48小時觀察，確認氙振蕩消除。

2.3 事件分析

從歷史數(shù)據(jù)趨勢判斷，秦二廠2號機組氙振蕩起始于5月14日15：00和21：50的兩次提D棒。這兩次提D棒和對應(yīng)的Δ變化趨勢如圖3中的動棒操作1區(qū)域所示。經(jīng)過提升2步D棒后，Δ從-1.5%FP左右變化到-0.2%FP左右。后續(xù)幾次不恰當?shù)目刂瓢魟幼骷觿×穗袷?，不恰當?shù)目刂瓢魟幼髋cΔ變化如圖3中的動棒操作2區(qū)、3區(qū)、4區(qū)域所示。

圖3 氙振蕩初期ΔI和D棒棒位的變化曲線

以動棒區(qū)域2為例：此時，堆芯上部135Xe的生成量應(yīng)大于消耗量，使得135Xe積累，吸收更多中子，從而導(dǎo)致堆芯上部中子注量率h減少，堆芯下部與上部相反，堆芯下部中子注量率b增加，所以Δ向負變化。此過程中，采取了兩次插棒動作，每次各插一步。使得發(fā)生突變，h減少，b增加。由于135Xe的生成量變化有6.7 h左右的滯后時間，在動棒導(dǎo)致突變的一段時間里，消耗量變化主要受的影響。故h突然減少，使得135Xe的積累量相應(yīng)增加，吸收中子數(shù)相應(yīng)增加，從而導(dǎo)致堆芯上部中子注量率h進一步減少；同理，b的增加，在滯后時間內(nèi)，堆芯上部中子注量率b進一步增加。h和b的變化趨勢使得Δ往更負的方向變化，使得氙振蕩加劇。動棒操作3和4導(dǎo)致Δ變化區(qū)域與當時Δ本身變化趨勢相同，都進一步加劇氙振蕩。經(jīng)過觀察分析發(fā)現(xiàn)：2號機組氙振蕩的處理過程中存在明顯的振蕩發(fā)散和收斂規(guī)律，即在氙振蕩過程中進行動棒操作，若該動棒操作引起Δ變化與當前Δ的變化趨勢相反，可以有效地抑制氙振蕩；若相同，則會加劇氙振蕩。

抑制氙振蕩的最佳干預(yù)點應(yīng)該是振幅為0的時間點。因為該時間點的Δ變化趨勢最易判斷，離±5%FP運行帶較遠，具有較高的操作安全裕量，且氙振蕩消除后Δ維持在參考值附近。本次氙振蕩過程中，物理人員選取振幅為0為干預(yù)點，進行動棒操作，快速抑制了氙振蕩，效果顯著。

整個氙振蕩過程中，軸向功率偏差Δ的波動規(guī)律具有明顯的周期性，振幅約為±2.5%FP，振蕩周期約為26 h。最大振幅有短暫時間超越Δref±3%FP的預(yù)警帶，沒有超越±5%FP，未危及機組的安全運行。

3　秦二廠3號機組氙振蕩過程分析驗證

及時抑制氙振蕩是機組安全穩(wěn)定運行的重要前提。由于運行人員對氙振蕩的處理經(jīng)驗較少，容易出現(xiàn)一些反向操作，使得氙振蕩加劇。秦二廠3號機組也曾出現(xiàn)過比較明顯的氙振蕩現(xiàn)象，由于當時運行人員對于處理氙振蕩的經(jīng)驗不足，使得氙振蕩衰減和加劇過程反復(fù)出現(xiàn)。本文選取其中2段氙振蕩衰減的過程和1段氙振蕩加劇的過程進行驗證振蕩發(fā)散和收斂規(guī)律。

3.1 氙振蕩衰減過程

圖4和5是秦二廠3號機組氙振蕩的2個衰減過程。從圖4可知，經(jīng)過時刻1～3的動棒操作后，Δ振蕩趨勢明顯減小，最后基本穩(wěn)定。其中，時刻1～3的動棒操作引起的Δ的變化都與當前的Δ變化方向相反。從圖5也知：經(jīng)過時刻1～5的動棒操作后，Δ振蕩也呈衰減趨勢，最后基本穩(wěn)定。其中，時刻1～5的動棒操作引起Δ變化也都與當前Δ趨勢相反。

圖4 氙振蕩衰減過程1

Fig 4The first attenuation process of xenon oscillation

3.2 氙振蕩加劇過程

圖6為秦二廠3號機組氙振蕩的加劇過程。從圖6可知，經(jīng)過時刻1～4的動棒操作后，Δ振蕩振幅擴大，氙振蕩明顯加劇。其中，時刻1～4的動棒操作引起Δ的變化都與當前的Δ變化方向相同。

圖5 氙振蕩衰減過程2

Fig 5The second attenuation process of xenon oscillation

圖6 氙振蕩加劇過程

4　結(jié)論

通過分析處理秦二廠2號機組的氙振蕩情況，發(fā)現(xiàn)了實際過程中氙振蕩的振蕩發(fā)散和收斂規(guī)律，并通過理論分析和實際處理過程進行驗證。最后給出抑制氙振蕩的幾點建議：

（1）氙振蕩需要提前手動干預(yù)，盡量避免在Δ偏離Δref較大時干預(yù)，尤其是振蕩的峰谷位置；

（2）振幅為0的位置是最佳的干預(yù)點，該時間點的Δ變化趨勢最易判斷，離±5%FP運行帶較遠，具有較高的操作安全裕量，且氙振蕩消除后Δ維持在參考值附近；

（3）氙振蕩抑制方法建議采取多次少量的手動調(diào)節(jié)控制棒的模式。

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Study on Preventing Xenon Oscillation of Unit 2 of Qinshan Ⅱ

SHEN Yajie，GAO Yongheng，ZHAN Yongjie，YANG Si，WANG Chenghan，LIU Zhen，WANG Yongzhi

（CNNP Nuclear Power Operation Management Co.Ltd.，Jiaxing of Zhejiang Prov.314300，China）

Xenon oscillation is a problem that cannot be ignored in large thermal neutron reactors. Serious xenon oscillation brings sever challenges for axial power controlling. Through analyzing xenon oscillation of Unit 2 of Qinshan II, the oscillation divergent and convergent law is found. In the process of xenon oscillation, if moving the control rod, which leads to the axial power deviation ΔI changing opposite to the current trend, can effectively prevent xenon oscillation. On the contrary, it may exacerbate xenon oscillation. Then the law is verified by xenon oscillation attenuation and intensification processes of Unit 3 of Qinshan II. Finally, some reasonable suggestions for preventing xenon oscillations are put forward, which provides important guarantee for the safe and stable operation of the unit.

Reactor；Xenon oscillation；Axial power controlling

TL48

A

0258-0918（2022）01-0088-05

2020-10-22

沈亞杰（1991—），男，浙江海鹽人，工程師，碩士，現(xiàn)主要從事反應(yīng)堆物理熱工方面研究