VVER-1000型核电机组反应堆达临界探索与实践

VVER-1000型核电机组反应堆达临界探索与实践

陶益飞

江苏核电有限公司   江苏连云港   222000

摘要：VVER-1000型核电机组每次换料大修（或退到热态）后，都需要进行达临界操作，达临界操作是反应性相关操作，具有较高的风险，如果操作不当，则会引起反应堆停堆、短周期、意外临界等事故。本文以田湾核电站1、2号机组为例，结合2号机组第十四次换料大修（以下简称OT214大修）达临界棒位优化的研究成果，通过探索和分析反应堆达临界的操作实践，希望可以实现VVER-1000型核电机组整个达临界操作过程的无缝衔接和灵活控制，为后续达临界操作时提供参考。

关键词：VVER-1000型核电机组；反应堆；达临界；大修

达临界操作是大修中的经典操作，也是极其考验核电厂操纵员统筹安排、组织协调和密切监视的一项工作。为了不耽误大修主线工期，保证核安全，有必要对达临界操作进行探索与实践，从而保障核电机组的安全稳定运行。

1.达临界方式概述

田湾核电站1、2号机组反应堆达临界采用“提棒+稀释”的方式，即先将1-9组控制棒提出堆芯，第10组控制棒（以下简称H10）上提至60％堆芯高度，随后持续向一回路注清水稀释至反应堆达临界。达临界棒位优化后，将达临界时H10的预置棒位由60％优化至80％，可以满足达临界过程中调节临界状态的需要，且具有更大的下插裕量，更有利于临界安全；同时，棒位优化后还可以减少临界后“注硼提棒”向启动物理试验要求棒位过渡占用的大修主线工期，减少放射性废液产生量约10吨。另外，随着达临界棒位提高，临界硼浓度也会随之增大，稀释换水量减少约4吨，稀释过程缩短约10分钟。

2.达临界准备工作

一般会提前两至三个班将2KBC10AC001投入备用，但其中会有一些遗留项，需要我们关注。比如2KBC11/12AA101需要送电打开充水，但由于AC21未复位，所以一般都是送电后手摇充水；2KBC10AA101要求送电，但由于热态下防误稀释隔离，暂时无法送电。

接班后联系仪控人员确认2KUL01、2KUL05、2KUL02已投入并且运行正常，确认硼表2KBA60CQ001、2KUL01CQ010、2KUL02CQ010已投入并且运行正常；联系化学人员对2KUL01、2KUL05、2KUL02取样分析硼浓度，确认在线硼表的读数与化学手动分析的结果一致，并根据化学人员给出的最新一回路硼浓度来计算换水量。

计算临界硼浓度和换水量。由于OT214大修第一次达临界是换料后首次启动，临界硼浓度是设计值，无需计算，根据技术支持人员给出的临界硼浓度12.34g/kg（H10=80％，需物理试验），化学人员给出的一回路取样硼浓度17.05g/kg，计算所需注水量为96.99t（大流量注水73.61t，小流量注水23.38t）。OT214大修第二次达临界，临界硼浓度根据最新的《中子物理特性手册》进行计算，技术支持人员计算出的临界硼浓度12.10g/kg（H10=60％，无需物理试验），运行人员计算出的临界硼浓度12.05g/kg，化学人员给出的一回路取样硼浓度13.38g/kg，计算所需注水量为31.41t。由于一回路取样硼浓度13.38g/kg和临界硼浓度+1g/kg（13.05g/kg）过于接近，根据决策，OT214大修第二次达临界不使用大流量注水，直接采用小流量注水达临界。

计算2KBC11BB001水箱液位下降高度。OT214大修第一次达临界前2KBC11BB001水箱液位为13.76m，注水量为96.99t，水箱液位需下降3.77m，最终液位为9.99m；OT214大修第二次达临界前2KBC11BB001水箱液位为13.71m，注水量为31.41t，水箱液位需下降1.22m，最终液位为12.49m。之所以需要计算KBC水箱液位下降高度，是因为当KBC水箱液位高于6m时允许启动KBA00EC003，低于5m时会保护停运KBA00EC003。尤其是到了寿期中后期，临界硼浓度很低，达临界需要更多的清水，过程中就需要进行KBC水箱的切换。因此达临界时所选水箱应有足够的蓄水量或做好切换准备，防止KBA00EC003无法启动或在执行过程中意外停运。

通知机操提升一回路温度≥280℃，满足操作单上的其他提棒条件后，就可以开始提升第8-10组控制棒。OT214大修第一次达临界提棒共耗时37min（H10=80％），第二次达临界提棒共耗时83min（H10=60％），第二次棒位低反而耗时长是因为处理控制棒缺陷。

开始提棒后，现场人员解除热态下防误稀释隔离，将2KBC10AA101解隔离送电；主控人员复位AC21信号，保证2KBA00EC001、2KBA00EC003有启动允许和2KBC10AA101、2KBC11/12AA101允许开，然后电动开启2KBC11AA101或2KBC12AA101。然后组织现场人员再次对

2KBC10AC001蒸汽侧和水侧进行疏水排气。

开始提棒后，现场人员对2KBA20/30AP001、2KBA53/52AP001及2KBB11/12AP001进行现场检查，确保泵启动前检查无异常；组织化学人员将2KUA06和2KUA10在线至连续放水状态。2KUA06AA201调阀开度不能过大，只能开到有节流声（开度＜30度），因为流量过大2KUA06CT901＞45℃会保护关闭2KUA06AA101/102且化学人员反馈手套箱会溢流。

提前调整好2KBE和2KBA10AA108的状态。一般情况下，一回路加热至热态过程中，会利用加热排出的介质进行2KBE10系统的硼饱和，2KBE10系统硼饱和完成后，将2KBE10系统接入，维持8.3kg/s的流量。OT214大修第一次达临界前2KBE10系统8.3kg/s+2KBA10AA108脱离关限位，满足2KBA00EC003启动允许和达临界操作单换水流量11.1kg/s的要求；OT214大修第二次达临界前2KBE10系统2kg/s+2KBA10AA108脱离关限位，2KBA00EC003无启动允许，根据决策，将2KBE10AA108全开。调整2KBE系统和2KBA10AA108状态时，切记关注2KBA10AC002温度，必要时将2KAA14AA201打手动全开。

尽早和化学人员确认好2KBD41/42AP001的行程和频率是否满足要求，因为化水人员去调整还需要时间；尽早联系维修人员将2KBA52AP001转开式运行，为小流量换水和搅混做准备。

提前在2MCDS显示画面中调出反应性曲线2JKT10-40FU715-745 XQ02，并调整好坐标轴，以便达临界期间不断监视。

一切准备就绪，投入2KBA00EC003前，联系化学人员对2KUL01、2KUA06、2KUA10取样分析硼浓度，取样后确保这三路都处于连续放水状态，相关数据作为初始数据记录在准备的《反应堆达临界硼酸浓度跟踪表》上。

3.达临界过程

2KBA00EC003执行过程中有多步需要手动干预，注意及时干预，防止错过窗口。XS02步是通过小旁路2KBC83AA104预热2KBC10AC001，在2KBC10CT001＞70℃才会继续往下执行XS03步。整个预热过程很平稳，持续时间大约10min，程序自己调节地很好。

开始换水后，除气器液位开始上涨。当除气器液位高（＞2.1m）时手动启动2KBB泵排水，防止2KBB10EE001自动投入。若2KBB10EE001自动投入，会将2KAA81AA201投入自动并闭锁其关闭，当需要停运2KBB泵时，切除2KBB10EE001后，会切除2KAA81AA201自动并发2s脉冲关闭2KAA81AA201，如果躲过脉冲后没有及时暂停关闭2KAA81AA201，则会导致2KBB泵入口温度高及2KBA10CT005＞90℃保护关闭2KBA10AA107，处理此异常时需暂停大流量换水，疏水降温后重新打开2KBA10AA107，会耽误较长时间。因此，建议手动启动2KBB泵进行排水。

启动2KBB泵后，手动调节2KBB10AA201，使2KBB10CF001流量与上充下泄流量匹配，尽量维持除气器液位稳定。如果将2KBB10AA201放在手动，则除气器液位会缓慢上升或下降，需要通过脉冲多次调节2KBB10AA201的开度；如果将2KBB10AA201放在自动，则除气器液位会自动维持在1.93m，两种方法均可。需要注意的是，后续停运2KBB泵时要保证除气器高液位，因为大流量搅混和小流量搅混持续时间长，除气器液位下降较快，防止达临界期间除气器配水耽误时间和增加工作量。

开始大流量换水后，通知化学人员，每隔30min对反应堆和稳压器取样，并将取样结果记录在《反应堆达临界硼酸浓度跟踪表》上。在换水体积接近计算体积时，需要将2KBB泵入口从2KBA10AA110转为2KBA10AA108，避免后续转搅混时2KBA大泵入口温度超限或压力低跳泵。需要注意的是，打开2KBA10AA108后，除气器出口大量热水直接经2KBA10AC003冷却后去往2KBB泵入口，经过2KBA10AC004的热水大量减少，再生式换热器效果下降，进入除气器的水温度降低，会导致除气器压力快速下降，需要我们手动干预。

化学人员共有3台仪器分析硼浓度，仪器分析的速度不同，需提醒化学人员用最快的仪器分析2KUL01路的硼浓度，大约15min出结果。大流量换水结束后，按操作单要求将2KBA系统转为搅混工况。OT214大修第一次达临界大流量搅混耗时约2h10min。需要注意的是，开始大流量搅混后，就需要化学人员对2KUL01、2KUA06、2KUA10三路都进行取样分析，取样频度30min/次。大流量搅混1h后，由于三路硼浓度已经非常接近，需加快取样频度，改为15min/次，一旦这三路硼浓度之差≤

0.5g/kg后，就可以开始小流量换水。由实践经验可知，在大流量换水及搅混期间，2KUA06路硼浓度会不断下降，2KUL01路和2KUA10路硼浓度会先下降后上升。

开始小流量换水后，通知化学人员修改取样频度：2KUL01路15min/次、2KUA06路30min/次、2KUA10路60min/次。根据相关总结及近几次实际达临界操作经验可知，目前机组上小流量换水达临界并不是机械地选择某一反应性就停止注水或注水量达到后就停止注水，而是通过曲线外推法得到更为准确的停水时机。

在一三四通道源量程工作时，二通道的反应性数值是通过本通道的启动量程计算的（四个通道没有信息交互），它的数值会一直低于其他三个通道，在源量程切换至启动量程时，可以观察到一三四通道的反应性数值会跌落到与二通道同步。OT214大修第一次达临界时一三四通道的反应性数值在-0.34至-0.13之间跌落，OT214大修第二次达临界时一三四通道的反应性数值在-0.24左右跌落。一旦四个通道的反应性数值曲线合一后，斜率会增大，如果停水时间恰当，则随着注水效应减弱，斜率又会变缓，使达临界过程更加平稳。

按照操作单上的小流量换水流量，清水的滞后效应大约是9min，因此停水时机的把握很重要。停水早了，重新注水会耽误时间；停水晚了，可能造成周期过短。具体的停水时机要考虑滞后效应，以外推曲线正好变为0来决定。一名堆操负责停止注水转搅混，一名堆操负责监视功率和周期，做好插棒准备。目前，大修后首次达临界棒位较高，可以略微晚停一会，通过插棒控制反应性，不然随着小流量搅混，稳压器和除气器中的硼酸进入一回路，会导致反应性不断下降，不能稳定升功率至量程切换及为后续的控制棒连接性试验做准备。随着小流量搅混地进行，后续反应性不够了，可以再将棒提回去，最终保持棒位在一个比较合理的位置。

停水后，按操作单要求将2KBA系统转为小流量搅混工况。小流量搅混持续45min至1h后，由于三路硼浓度已经非常接近，需加快取样频度，通知化学人员将稳压器和除气器的取样频度缩短为15min/次，一旦这三路硼浓度之差≤0.2g/kg后，就可以执行后续操作。OT214大修第一次达临界小流量搅混耗时约1h45min，OT214大修第二次达临界小流量搅混耗时约1h50min。由实践经验可知，在小流量换水及搅混期间，2KUA06路硼浓度会不断下降，2KUL01路和2KUA10路硼浓度会先下降后上升。

结束语：

综上所述，大修反应堆达临界的实际换水量是有可能与计算值存在较大偏差的，因此，准确的达临界时机应该以计算换水量、实际换水量、外推曲线、反应性数值等参数综合判断，以往的换水量和停水时的反应性只能用作参考，切忌刻舟求剑。

参考文献：

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[5]王文芳.核反应堆物理高级运行[C].江苏核电有限公司,2018.