模拟机上首次临界试验演练浅析

安 娜

（海南核电有限公司 海口）

一、前言

反应堆首次临界是海南昌江核电厂一个重大节点。由于电厂是新建电厂，多数物理人员对首次临界试验仅具备理论知识，而缺乏实际操作经验。由于公司培训处模拟机已投入使用，经协商最终确定物理人员从6月10日至13日在模拟机上演练首次临界试验全过程，以发现并解决可能出现的各种问题。由于海南昌江核电机组与秦山二期扩建机组堆芯相近，所以本次使用秦山二期4号机组的设计报告及试验规程来试验。考虑人员数量和试验时间等实际情况，分别在模拟机上进行3次独立的达临界过程，并保证3次数据不关联。

二、演练实施

按照实施流程，在完成工前会、人员分配、堆芯状态检查、保护参数设置等工作后开始进行试验。3次试验堆芯起始状态均为一回路硼浓度 CB=1500×10-6，D 棒棒位 D=100 step，S、C、B、A棒位：S=C=B=A=225 step。

1.达临界

（1）第一次临界。临界前期工作按规程实施，见表1。本次临界按照4号机组理论数据临界，预计理论临界硼浓度CB=1288×10-6，临界棒位 D=150 step。从初始状态 CB=1500×10-6，D=100 step开始稀释逼近临界，稀释过程观察外推临界表格1a中的1/M值和△CB值。以下两个条件有一个达到时，应立即停止任何稀释动作：①当1/M≈0.08时；②前硼浓度距离预计临界棒位的外推临界硼浓度还有30×10-6时。

在外推临界表格1b中的1/M为0.088时停止稀释，堆芯稳定后开始提升D棒组逼近临界。提D棒组时主要观察RPN源量程和中间量程的倍增周期，当观测到倍增周期稳定在某一段数据内变化（如120～160 s，或180～240 s等），则反应堆已达到超临界。到达超临界时：D=177 step，稳定的倍增周期T=192 s，根据启动物理试验理论数据报告给出的倍增周期与反应性的关系曲线和数据表，计算临界棒位，即倍增周期192 s对应反应性27.44 pcm，查设计报告D棒在当前状态下的价值，当下插5步时，引入约27.44 pcm的反应性，即下插D棒至172 step，临界棒位D=172 step；堆芯到达临界。

（2）第二次临界。通过第一次临界发现4号机理论数据不可信，且模拟机给出的堆芯状态存在不确定因素。第二次临界重新调整了模拟机状态，同时依照1/M外推法并参考模拟机自带的反应性仪对堆芯盲开，最终得到对应堆芯特性的临界硼浓度值。试验流程与第一次临界相同，此处不再赘述。

表1 第一次临界状态点

试验初始状态：D=100 s，CB=1500×10-6。

稀释结束时，D=100 s，CB=1196×10-6。

到达超临界时：D=152 step，稳定的倍增周期T=240 s。

根据启动物理试验理论数据报告给出的倍增周期与反应性的关系曲线和数据表计算临界棒位，当倍增周期240 s对应下插D棒步数为6步，下插D棒至146 step堆芯到达临界状态。临界硼浓度=1196×10-6，临界棒位 D=146 step。

（3）第三次临界。此次临界目的是验证第二次临界的数据是否准确反应了堆芯状态。考虑临界后的零功率性能试验需要测量D棒组上末端价值，而此数据要求＜50 pcm，为节约时间省略硼化提棒过程，同时观察设计报告偏离真实值的情况，在第二次临界数据的基础上，将预计临界棒位调整为197 step，此棒位对应的理论积分价值=16.91 pcm，＜30 pcm，符合要求。从146 step到197 step的反应性差值△ρ≈144 pcm，此时的硼微分价值约为10 pcm/（1×10-6），折算此时对应的临界硼浓度CB=1196+144/10=1210.4×10-6，所以将第三次预计临界硼浓度假定为1210，D=197 step。

初始状态：CB=1500×10-6，D=100 step。

试验中，在稀释到1209×10-6时，外推临界硼浓度为1166×10-6，见表 2，即相差 43×10-6约 430 pcm，假设此时停止稀释，需要用提升控制棒抵消430 pcm的反应性，而此时参考设计报告，棒位从100 step到堆顶仅有435.91 pcm，分析认为设计报告不完全适用于堆芯，有可能控制棒完全提出还无法临界，再重新插棒进行稀释浪费时间，且430 pcm留有的余量足够大，稍作稀释不会稀释达临界。虽然继续稀释会使达临界棒位变低，但基于以上原因考虑，保守决策，决定继续稀释。稀释结束时CB=1196×10-6，开始提棒达临界，超临界时：D=148 step，稳定的倍增周期=280 s，根据启动物理试验理论数据报告给出的倍增周期与反应性的关系曲线和数据表，计算临界棒位：倍增周期280 s对应反应性19.27 pcm，临界棒位D=144 step；下插D棒至144 step，堆芯达临界。最终临界点临界硼浓度=1196×10-6，临界棒位D=144 step，与第二次临界点非常接近。

表2 临界状态点情况分析表

2.堆外探测器的线性与重叠及零功率物理试验范围确定

在第三次达临界之后，进行了源量程与中间量程、中间量程与功率量程的重叠与线性测量。通过引入不少于80 s的倍增周期，使中子通量呈指数上涨，此时配合教控机上模拟显示的通量、温度和反应性曲线观测多普勒点的出现。

当核加热现象出现时，中间量程电流值：7.558×10-8A；零功率物理试验的上限阈值为：Idoppler=7.558×10-8A，零功率物理试验期间，中子通量不允许超越该水平。因此，实际零功率物理试验上限控制在Idoppler/5=1.51×10-8A的水平上（推荐），以保留足够裕量。需要说明的是，模拟机无法给出RPN功率量程六节电离室的电流和信号，所以试验中选取的以上信号为中间量程电流信号。

三、演练过程和结果的评价

1.堆芯状态差异

堆芯燃料组件的富集度、不同富集度组件的数量、组件位置、燃耗和方位等是影响首次临界理论数据的关键因素。模拟机模拟的堆芯状态不是依照秦山二期四号机组的初始状态模拟的，其给出的初始状态包含有150 MWD/tU燃耗且无法消除，以致堆芯和报告不匹配，所以第一次临界完全参照二期的设计报告来实施是不合适的，后续再用临界结果验证设计报告更无意义。

此外，第一次达临界操作前，教员将模拟机从某一堆芯状态调整至临界硼浓度CB=1288×10-6，临界棒位D=150 step。与实际临界硼浓度CB=861×10-6，临界棒位D=172 step偏差十分严重。分析认为：教员只是单纯地将模拟机数据调整至临界硼浓度CB=1288×10-6，临界棒位D=150 step，而机组实际临界硼浓度和临界棒位仍为模拟机前一个状态下的临界硼浓度和临界棒位。为此，重新对模拟机状态进行了设置。在第二次、第三次临界过程中，将秦山二期扩建四号机组的设计报告仅作参考，重点关注1/M外推临界硼浓度，同时参考模拟机自带的反应性仪示数，最终顺利临界。

2.数据信号处理差异

由于模拟机没有提供端口连接反应性仪、四笔记录仪、八笔记录仪等物理试验设备，试验过程观察数据需要将所需数据由模拟机给出并组态并分屏显示，组态数据包括：1号源量程计数率及其倍增周期、2号源量程计数率及其倍增周期、1号中间量程电流及其倍增周期、2号中间量程电流及其倍增周期、冷却剂平均温度、D棒棒位，同时还需要分屏显示出控制棒位置图、RPN源量程、中间量程图及功率量程图，还有REA系统图用于显示一回路、稳压器等系统的硼浓度等。以上数据还需要模拟机教员手动储存，否则试验后无法获取数据用来处理。

在实际反应堆试验中，也需用KIC系统组态以上所列部分数据，但KIC系统可自动存储机组运行数据。且四笔记录仪和八笔记录仪也会将接入的反应性、通量、温度、D棒组棒位等信号数据全部自动记录下来，便于实时数据处理使用。

3.硼浓度显示差异

在模拟机上进行稀释操作时，观察发现某时刻一回路硼浓度读数是1197×10-6，稳压器硼浓度读数1210×10-6；等待一回路搅浑均匀30 min后，一回路硼浓度读数是1197×10-6，稳压器硼浓度读数1206×10-6。在等待均匀的过程中，均匀前后一回路硼浓度读数基本没有变化，稳压器硼浓度降低并向一回路硼浓度靠近。咨询后得知，模拟机实时反馈的一回路硼浓度为堆芯搅浑均匀后的硼浓度。而在实际堆芯中，硼表读数与实际硼浓度存在偏差，一回路硼浓度多采用化学分析值。化学分析有滞后性，在等待均匀过程中一回路硼浓度和稳压器硼浓度都有明显可见的变化。

4.试验项目差异

首次临界试验中，需要对物理反应性仪进行校核，确定其测量误差应＜4%。而模拟机上无法连接物理反应性仪。后得知模拟机自带反应性仪能实时提供堆芯真实反应性，可以利用这个特性来校核模拟机自带的反应性仪测量误差。实施方法与校核物理反应性仪相同，只是此种方法不能检验物理人员使用物理反应性仪的操作水平，受时间限值，在此次模拟机演练中没有实施校核反应性仪试验项目。

5.外推差异

在实际堆芯临界时，1/M外推法可参考的数据有：根据一回路测量硼浓度外推、根据硼表外推、根据稀释水量反推硼浓度外推。实际堆芯试验中，由于一回路测量硼浓度为分析硼浓度，分析耗时，不能用于实时外推。而硼表测量的硼浓度与实际硼浓度存在偏差，外推不准确。考虑到安全性和时效性，使用已知稀释水量反推堆芯硼浓度，再用此硼浓度进行外推是比较准确和可行的方法。而在模拟机试验中发现，模拟机上根据稀释水量反推临界硼浓度总是比一回路实际硼浓度偏小30～40×10-6，这种情况与实际堆芯不符。造成这种情况，可能有以下原因：

（1）模拟机的稀释算法和模型包括稳压器计算和模型，与实际工况不同。

（2）试验过程中为节省时间，采用“快时因子”选项，类似快进功能一样将试验过程提高了5倍，而在读取数据时没有取消“快时因子”。假设读取所有数据需用时30 s，而在模拟机系统里数据已经变化了150 s。

（3）利用的计算公式、理论模型和一回路水装量与模拟机不同，以及管道残存量没有参与计算也可能造成误差。

（4）触发了系统动作，没有注意到改变一回路硼浓度的报警等。

由于模拟机上显示的一回路硼浓度即为模拟搅浑均匀后的堆芯硼浓度，该值较为准确，在模拟机上亦能实时显示。基于以上情况，第二、三次临界过程，1/M外推依照一回路硼浓度反推临界硼浓度来实施，可满足试验要求。

四、结论

通过对试验观测到的差异性情况进行分析可知，虽然模拟机演练反应堆首次临界与真实堆芯的临界存在较大差异，但均可通过相应手段来减小或祛除这些差异造成的影响，通过这些手段，模拟机演练首次临界试验完全可行。在今后的工作应注意：一是考虑将其他物理试验用模拟机演练，并以此辅助物理人员进行试验培训和授权工作；二是考虑对模拟机进行改进，以使其模拟出更符合实际堆芯的状态。这对公司和个人都具有非常大的意义。