王長(zhǎng)茂

中國(guó)原子能科學(xué)研究院堆工部 北京 102413

中國(guó)實(shí)驗(yàn)快堆作為我國(guó)自主設(shè)計(jì)建造的第一座快中子反應(yīng)堆，于2010 年首次臨界，為了驗(yàn)證CEFR 的固有安全性和自穩(wěn)定性能，在堆上實(shí)施了小反應(yīng)性擾動(dòng)試驗(yàn)。本試驗(yàn)重點(diǎn)研究驗(yàn)證實(shí)際反應(yīng)堆本身的自穩(wěn)定特性，控制系統(tǒng)的特性不在本文討論范圍。因?yàn)樵囼?yàn)時(shí)控制系統(tǒng)處于解除狀態(tài)。

1 試驗(yàn)實(shí)施

1.1 自穩(wěn)定性能的物理基礎(chǔ)

自穩(wěn)定性能是指在反應(yīng)堆出現(xiàn)反應(yīng)性變化后，不依靠調(diào)節(jié)系統(tǒng)動(dòng)作，反應(yīng)堆能夠自行重新達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。自穩(wěn)定性能基于負(fù)的反應(yīng)性反饋。負(fù)反饋是現(xiàn)代反應(yīng)堆設(shè)計(jì)所必需的一個(gè)基本要求。對(duì)于采用氧化物燃料的快堆，重要的反應(yīng)性反饋大致包括多普勒、鈉空泡以及堆芯機(jī)械變形三種反饋。其中，多普勒反饋是固有、可靠的負(fù)的瞬發(fā)反饋反應(yīng)性，在假設(shè)的嚴(yán)重事故工況下起著十分重要的作用[1]。值得注意的是冷卻劑的溫度系數(shù)。在PWR 中，由于燃料的最佳布置以及對(duì)硼濃度的適當(dāng)控制，冷卻劑的密度變化引入的是負(fù)反饋。但在快堆中，由于燃料的富集度高，對(duì)大的堆芯內(nèi)鈉的局部喪失所引起的反應(yīng)性可正可負(fù)，這取決于該變化在堆芯內(nèi)所處的位置。在靠近堆芯中心處，慢化、俘獲和自屏占主導(dǎo)地位，因此反應(yīng)性變化為正；而在靠近堆芯邊緣時(shí)，中子的泄漏則變成主要的，故反應(yīng)性變化為負(fù)。但對(duì)于小型快堆而言，由于堆芯小，任何時(shí)候都是泄漏占主要地位，所以可以做到鈉空泡系數(shù)在所有情況下均為負(fù)值。正是基于以上所述的負(fù)反應(yīng)性反饋，當(dāng)反應(yīng)堆功率增加溫度升高時(shí)，負(fù)反饋產(chǎn)生，限制功率繼續(xù)增長(zhǎng)，從而達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)。使得反應(yīng)堆具有自穩(wěn)性和自調(diào)性。

1.2 反應(yīng)性引入

（1）引入手段。與壓水堆不同，鈉冷快堆反應(yīng)性控制的唯一手段是控制棒。盡管一回路流量變化會(huì)引起堆芯反應(yīng)性的變化。因此向堆內(nèi)引入反應(yīng)性的手段是提升控制棒。CEFR 設(shè)有8 根控制棒，其中3 根安全棒，3 根補(bǔ)償棒和2 根調(diào)節(jié)棒。反應(yīng)堆正常運(yùn)行時(shí)，安全棒位于上終端位置，即提出堆芯。補(bǔ)償棒和調(diào)節(jié)棒位于堆內(nèi)。因此引入反應(yīng)性即可提升補(bǔ)償棒，也可提升調(diào)節(jié)棒。

（2）引入大小。本試驗(yàn)是在反應(yīng)堆運(yùn)行狀態(tài)下進(jìn)行的，根據(jù)反應(yīng)性與周期的關(guān)系：反應(yīng)性的引入不能觸發(fā)周期保護(hù)停堆。功率上升不能達(dá)到保護(hù)限值。

1.3 功率臺(tái)階選擇及穩(wěn)定功率狀態(tài)計(jì)算

（1）試驗(yàn)功率臺(tái)階。CEFR 的運(yùn)行工況為9.45%Pn 以下為三回路為水工況，超過(guò)9.45%Pn 蒸發(fā)器要進(jìn)行汽水工況轉(zhuǎn)換，并轉(zhuǎn)為汽水工況運(yùn)行。即蒸發(fā)器內(nèi)汽液兩相流工況。為了減少三回路不穩(wěn)定對(duì)一、二回路影響，同時(shí)考慮到，引入一定正反應(yīng)性后，功率水平有一定上升。因此試驗(yàn)臺(tái)階選定在低于9.45%Pn 功率水平。同時(shí)，功率水平不能太低，功率太低，堆芯冷卻劑溫升較低，達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)需要的時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)。綜合考慮試驗(yàn)在5%Pn 功率水平進(jìn)行。

（2）瞬態(tài)功率峰值和穩(wěn)定功率。本試驗(yàn)是在反應(yīng)堆上進(jìn)行的真正試驗(yàn)，具有一定核安全風(fēng)險(xiǎn)。為確保反應(yīng)堆安全，做到對(duì)整個(gè)功率變化過(guò)程做到心中有數(shù)。經(jīng)過(guò)理論計(jì)算，引入10pcm反應(yīng)性后，計(jì)算結(jié)果如下：

試驗(yàn)前 計(jì)算峰值 計(jì)算穩(wěn)定狀態(tài)反應(yīng)堆功率 2.55 3.43±0.13 2.65堆芯入口溫度 267 270堆芯出口溫度 278 283±3 282功率增長(zhǎng) 0 34.6%±5% 3.8%

通過(guò)以上理論計(jì)算可以看出，在引入10pcm 反應(yīng)性后，無(wú)論是功率峰值還是穩(wěn)態(tài)下的功率值距離11%Pn 的功率保護(hù)定值還有很大裕度。根據(jù)CEFR 的運(yùn)行工況，40%功率前，一、二回路流量均為50%額定流量，因此，本試驗(yàn)的進(jìn)行，不會(huì)發(fā)生功率流量不匹配的情況。本試驗(yàn)的實(shí)施不會(huì)對(duì)反應(yīng)堆安全構(gòu)成威脅。

1.4 試驗(yàn)實(shí)施

試驗(yàn)實(shí)施前提是反應(yīng)堆必須處于穩(wěn)定狀態(tài)。即功率維持穩(wěn)定，一、二路流量穩(wěn)定，三回路給水溫度和流量保持穩(wěn)定。同時(shí)堆芯進(jìn)出口溫度3 小時(shí)不變或變化不超過(guò)±1℃。滿足以上條件后，由操縱員解除功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)自動(dòng)狀態(tài)，并將兩套功調(diào)系統(tǒng)投入手動(dòng)狀態(tài)。通過(guò)提升1#調(diào)節(jié)棒24mm（棒位193mm 提升至217mm），觀察功率和過(guò)程檢測(cè)參數(shù)的變化趨勢(shì)。通過(guò)計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)記錄相關(guān)參數(shù)的變化趨勢(shì)。反應(yīng)堆在引入擾動(dòng)7 分鐘后，功率達(dá)到峰值，功率增長(zhǎng)23.76%。

自穩(wěn)定過(guò)程：在堆芯溫度上升后，由于負(fù)反饋效應(yīng)，堆功率開(kāi)始下降，5 小時(shí)后，堆功率2.81MW（4.32%Pn）。堆芯進(jìn)出口溫度分別達(dá)到270/282℃。隨后在維持在該功率水平，并持續(xù)8 小時(shí)，認(rèn)為達(dá)到了最終的穩(wěn)定狀態(tài)[2]。

試驗(yàn)過(guò)程沒(méi)有觸發(fā)有關(guān)的報(bào)警信號(hào)。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

注：① 均指相對(duì)于初始狀態(tài)的功率增長(zhǎng)的百分比。

試驗(yàn)功率變化如下圖：

圖1 小擾動(dòng)后功率變化曲線

（1）試驗(yàn)過(guò)程沒(méi)有發(fā)生試驗(yàn)觸發(fā)的報(bào)警，也沒(méi)有其他報(bào)警發(fā)生。沒(méi)有破壞反應(yīng)堆的正常運(yùn)行。試驗(yàn)選取的功率水平臺(tái)階和引入擾動(dòng)大小是合適的。

（2）CEFR 自穩(wěn)性驗(yàn)證試驗(yàn)是在解除功率自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)下進(jìn)行的，試驗(yàn)結(jié)果表明CEFR 具有良好的自穩(wěn)定性能，是一座安全可靠固有安全性好的核反應(yīng)堆。

3 結(jié)語(yǔ)

自穩(wěn)性試驗(yàn)結(jié)果表明，選取的試驗(yàn)功率臺(tái)階合適，反應(yīng)性引入大小合理，快堆具有良好的自穩(wěn)定能力。