一种高温气冷堆无源启动方法与流程

1.本发明涉及反应堆调试、运行领域技术领域，尤其涉及一种高温气冷堆无源启动方法。


背景技术：

[0002]“无源启动”指反应堆在无外加中子源的条件下，仅利用核燃料自发裂变释放的中子作为启动中子源，实现堆内核燃料的自持链式裂变反应，并使反应堆达到初始临界状态的过程。
[0003]
俄罗斯设计的vver型反应堆采用特有的无源启动技术，自20世纪60年代苏联首次成功使用该技术以来，所有vver型反应堆的物理启动都采用无源启动。
[0004]
我国田湾核电站一期工程1号、2号机组分别于2005年12月和2007年5月成功实施无源启动，二期工程3号、4号机组分别于2017年5月和2018年9月成功实施无源启动。
[0005]
高温气冷堆具有固有安全性、燃料元件耐高温(1620℃)、非能动余热排出等诸多优势，被称为“不会熔毁的反应堆”，已经成为我国安全性最高、最接近商业化的第四代核电技术。高温气冷堆与vver型反应堆相比，堆芯设计差别较大，在装料启动上也有不同的特点：首先就是首次装料和临界过程中有一套临时的物理启动系统，可以将中子探测器插入到堆芯反射层中，这样就更容易获得堆芯的中子探测计数，对装料过程进行有效监控；其次，由于高温气冷堆采用球形燃料元件，每个燃料元件的铀装量很小，并且控制棒位于堆芯外面的侧反射层内，单根棒的价值很小，因此在装料和启动过程中由于误加燃料元件或误提棒操作而引入的正反应性很低，不会发生快速引入正反应性事件；再加上高温气冷堆的固有安全性，保证了即使发生正反应性误引入事件，反应堆本身也不会发生大的事故后果。以上特点是高温气冷堆相比vver型反应堆在堆芯装料和启动监控方面的优势，也是保证能够开发和利用无源启动技术的基础。理论上高温气冷堆采用无源启动技术比vver型等压水堆更加安全。
[0006]
目前，国家核安全监管部门在保证安全的前提下，也支持积极探索无源启动技术在非vver型反应堆上的研究及应用。因此，高温气冷堆无源启动是一个很有应用前景的技术，不但能为高温气冷堆的进一步发展提供助力，也能为其它堆型无源启动技术的应用提供重要借鉴，有必要提出一种高温气冷堆无源启动方法。


技术实现要素：

[0007]
本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。
[0008]
为此，本发明的实施例提出一种高温气冷堆无源启动方法。
[0009]
本发明提出了一种高温气冷堆无源启动方法，包括以下步骤：
[0010]
(1)在堆芯侧石墨反射层内布置临时物理启动系统，理论计算不同燃料装载时堆芯外部的中子注量率和中子能谱，对不同位置处的中子响应进行模拟分析，根据中子响应的强弱在反应堆压力容器外面布置高灵敏度中子测量装置和源量程探测器使其在较深次
临界度情况下获得中子计数率；
[0011]
(2)建立堆芯状态计算模型，对首次装料及无源启动过程进行模拟分析，给出堆芯燃料装载与k
eff
的关系图表，并给出源量程探测器和高灵敏度中子测量装置在特定堆芯状态下的中子反应特性，在首次装料过程中通过所述临时物理启动系统验证所述高灵敏度中子测量装置和所述源量程探测器的反应特性，并对所述高灵敏度中子测量装置的布置位置进行适应性调整；
[0012]
(3)平提所有调节棒和补偿棒到接近临界状态，所述接近临界状态为k
eff
＝0.998；
[0013]
(4)分步逐根平提所述调节棒和所述补偿棒，每次提棒高度小于50mm，单根棒提升后稳定1min以上，直到堆芯实现首次临界。
[0014]
在一些实施例中，所述高灵敏度中子测量装置与所述源量程探测器配合进行堆芯中子注量率变化监测以缩小中子注量率监测的盲区范围。
[0015]
在一些实施例中，控制提棒速度使得从所述接近临界状态到临界状态的时间间隔大于60min，控制高温气冷堆从临界状态达到+0.2β
eff
的时间间隔大于10min。
[0016]
在一些实施例中，在所述步骤(3)之前还包括拆除所述临时物理启动系统，对高温气冷堆进行加热、除湿和气氛切换。
[0017]
在一些实施例中，所述在首次装料过程中通过所述临时物理启动系统验证所述高灵敏度中子测量装置和所述源量程探测器的反应特性，并对所述高灵敏度中子测量装置的布置位置进行适应性调整包括以下步骤：
[0018]
向堆芯装入1/3理论初始满装载燃料装载量的混合燃料，计数稳定后，记录所述临时物理启动系统、所述源量程探测器和所述高灵敏度中子测量装置的计数率并与理论值进行对比分析；
[0019]
根据1/3装料原则，向堆芯装入2/9理论初始满装载燃料装载量的混合燃料，计数稳定后，记录所述临时物理启动系统、所述源量程探测器和所述高灵敏度中子测量装置的计数率并与理论值进行对比分析；
[0020]
后续继续根据1/3装料原则，依次装入理论初始满装载燃料装载量与当前堆芯总装载量之差1/3的混合燃料，每次装载完成并待计数稳定后，记录各中子探测器的计数率，并比对分析，直到堆芯完成初始满装载；
[0021]
进行所述高灵敏度中子测量装置在首次装料过程中的中子特性分析，确定高灵敏度中子测量装置的布置位置。
[0022]
在一些实施例中，在首次装料过程中，若所述临时物理启动系统、所述源量程探测器、所述高灵敏度中子测量装置中任一中子探测器的中子计数率达到0.5cps，则根据该系统的中子探测器进行1/3外推装料，完成初始满装载。
[0023]
在一些实施例中，所述步骤(3)中采用1/3提棒原则平提所有所述调节棒和所述补偿棒到接近临界状态的理论棒位置。
[0024]
在一些实施例中，高温气冷堆达到临界状态时堆芯实现无源启动首次临界。
[0025]
在一些实施例中，所述平提所有调节棒和补偿棒到接近临界状态包括以下步骤：
[0026]
上提所有调节棒和补偿棒至堆芯活性区底部高度，所述源量程探测器、所述高灵敏度中子测量装置的计数率稳定后记录各控制棒棒位及各中子计数管的计数率；
[0027]
将所有所述调节棒和所述补偿棒平提200mm，所述源量程探测器、所述高灵敏度中
子测量装置的计数率稳定后记录各控制棒棒位及各中子计数管计数率；
[0028]
后续根据1/3提棒原则，依次逐根平提所有所述调节棒和所述补偿棒，提棒高度为理论临界棒位与当前棒位之差的1/3和200mm中的较小者，每次提棒完成并待计数稳定后，记录各中子探测器的计数率，直到所述调节棒和所述补偿棒的平均棒位接近反应堆k
eff
＝0.998的理论临界棒位。
[0029]
在一些实施例中，若在提棒过程中所述源量程探测器、所述高灵敏度中子测量装置中所有的中子探测器的计数率都达到0.5cps以上，堆芯还未临界，则利用各中子探测器的计数率，根据1/3提棒原则进行达临界操作，直到堆芯实现首次临界。
[0030]
相对于现有技术，本发明的有益效果为：
[0031]
本发明采用无源启动技术，取消了反应堆装料和启动过程中的中子源需求，显著降低了高温气冷堆的建造成本，中子源本身具有强放射性，取消中子源减少了大量的高放废物；
[0032]
本发明高温气冷堆采用无源启动，取消中子源，可以避免锎粉采购的“卡脖子”风险。
附图说明
[0033]
本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
[0034]
图1为高温气冷堆无源启动相关的中子探测器布置示意图；
[0035]
图2为高温气冷堆首次装料及无源启动流程图。
具体实施方式
[0036]
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
[0037]
下面参照附图描述根据本发明实施例提出的高温气冷堆无源启动方法。
[0038]
本发明的高温气冷堆无源启动方法包括以下步骤：
[0039]
(1)在堆芯侧石墨反射层内布置临时物理启动系统，理论计算不同燃料装载时堆芯外部的中子注量率和中子能谱，对不同位置处的中子响应进行模拟分析，根据中子响应的强弱在反应堆压力容器外面布置高灵敏度中子测量装置和源量程探测器使其在较深次临界度情况下获得中子计数率；
[0040]
(2)建立堆芯状态计算模型，对首次装料及无源启动过程进行模拟分析，给出堆芯燃料装载与k
eff
的关系图表，并给出源量程探测器和高灵敏度中子测量装置在特定堆芯状态下的中子反应特性，在首次装料过程中通过临时物理启动系统验证高灵敏度中子测量装置和源量程探测器的反应特性，并对高灵敏度中子测量装置的布置位置进行适应性调整；
[0041]
(3)拆除临时物理启动系统，对高温气冷堆进行加热、除湿和气氛切换；
[0042]
(4)平提所有调节棒和补偿棒到接近临界状态，接近临界状态为k
eff
＝0.998；
[0043]
(5)分步逐根平提调节棒和补偿棒，每次提棒高度小于50mm，单根棒提升后稳定1min以上，直到堆芯实现首次临界。
[0044]
临时物理启动系统为高温气冷堆的原有系统，本发明在此基础上增设高灵敏度中子测量装置，并根据理论计算设置高灵敏度中子测量装置的位置。
[0045]
具体为，除了在堆芯侧石墨反射层内布置临时物理启动系统外，在首次装料过程中进行外推和监督外，在反应堆压力容器外面布置高灵敏度中子测量装置，在无源启动时，高灵敏度中子测量装置与源量程探测器配合进行堆芯中子注量率变化监测以缩小中子注量率监测的盲区范围。理论计算不同燃料装载时堆芯外部的中子注量率和中子能谱，对不同位置处的中子响应进行精确的模拟分析，根据中子响应的强弱，合理布置高灵敏度中子测量装置和源量程探测器使其尽可能在较深次临界度的情况下获得中子计数。
[0046]
根据理论计算的中子响应的强弱布置高灵敏度中子测量装置和源量程探测器后需要验证验证高灵敏度中子测量装置和源量程探测器的中子反应特性。
[0047]
具体为，建立堆芯状态计算模型，对首次装料及无源启动过程进行全面的模拟分析，给出堆芯燃料装载与k
eff
的关系图表，并给出源量程探测器和高灵敏度中子测量装置在特定堆芯状态下的中子反应特性。在首次装料过程中，通过临时物理启动系统，验证高灵敏度中子测量装置和源量程探测器的反应特性，并对高灵敏度中子测量装置的布置位置进行适应性调整。
[0048]
在一些实施例中，采用1/3装料原则，完成堆芯初始满装载。在首次装料过程中通过临时物理启动系统验证高灵敏度中子测量装置和源量程探测器的反应特性，并对高灵敏度中子测量装置的布置位置进行适应性调整包括以下步骤：
[0049]
向堆芯装入1/3理论初始满装载燃料装载量的混合燃料，计数稳定后，记录临时物理启动系统、源量程探测器和高灵敏度中子测量装置的计数率并与理论值进行对比分析；
[0050]
根据1/3装料原则，向堆芯装入2/9理论初始满装载燃料装载量的混合燃料，计数稳定后，记录临时物理启动系统、源量程探测器和高灵敏度中子测量装置的计数率并与理论值进行对比分析；
[0051]
后续继续根据1/3装料原则，依次装入理论初始满装载燃料装载量与当前堆芯总装载量之差1/3的混合燃料，每次装载完成并待计数稳定后，记录各中子探测器的计数率，并比对分析，直到堆芯完成初始满装载；
[0052]
进行高灵敏度中子测量装置在首次装料过程中的中子特性分析，确定高灵敏度中子测量装置的布置位置。
[0053]
另外，在首次装料过程中，若临时物理启动系统、源量程探测器、高灵敏度中子测量装置中任一中子探测器的中子计数率达到0.5cps，则根据该系统的中子探测器进行1/3外推装料，完成初始满装载。
[0054]
可以理解的是，若高灵敏度中子测量装置的计数率与理论值较接近，则无需调整高灵敏度中子测量装置的布置位置；若高灵敏度中子测量装置的计数率与理论值差异较大，则对高灵敏度中子测量装置的布置位置进行调整。
[0055]
确定高灵敏度中子测量装置的布置位置后，拆除临时物理启动系统，并对高温气冷堆进行加热、除湿和气氛切换以便于进行后续的无源启动流程。
[0056]
采用1/3提棒原则平提所有调节棒和补偿棒到接近临界状态的理论棒位置，接近临界状态为k
eff
＝0.998。具体包括以下步骤：
[0057]
上提所有调节棒和补偿棒至堆芯活性区底部高度，源量程探测器、高灵敏度中子
测量装置的计数率稳定后记录各控制棒棒位及各中子计数管的计数率；
[0058]
将所有调节棒和补偿棒平提200mm，源量程探测器、高灵敏度中子测量装置的计数率稳定后记录各控制棒棒位及各中子计数管计数率；
[0059]
后续根据1/3提棒原则，依次逐根平提所有调节棒和补偿棒，提棒高度为理论临界棒位与当前棒位之差的1/3和200mm中的较小者，每次提棒完成并待计数稳定后，记录各中子探测器的计数率，直到调节棒和补偿棒的平均棒位接近反应堆k
eff
＝0.998的理论临界棒位。
[0060]
高温气冷堆达到接近临界状态后，分步逐根平提调节棒和补偿棒，每次提棒高度小于50mm，单根棒提升后稳定1min以上，直到堆芯实现首次临界。高温气冷堆达到临界状态时堆芯实现无源启动首次临界。
[0061]
另外，若在提棒过程中源量程探测器、高灵敏度中子测量装置中所有的中子探测器的计数率都达到0.5cps以上，堆芯还未临界，则利用各中子探测器的计数率，根据1/3提棒原则进行达临界操作，直到堆芯实现首次临界。
[0062]
在高温气冷堆接近临界状态后，严格控制提棒速度使得从接近临界状态到临界状态的时间间隔大于60min，控制高温气冷堆从临界状态达到+0.2β
eff
的时间间隔大于10min，为运行人员正确判断堆芯状态及采取措施控制堆芯反应性变化留出足够的时间。
[0063]
另外，为了严格控制正反应性引入速率还可以设置无源启动正反应性引入速率保护或报警信号，防止正反应性引入过快事件发生；增加反应堆大厅、反应堆舱室等关键位置的辐射剂量监测，作为堆芯反应性变化的附加监测手段；采取措施，避免非计划的反应性引入，例如主氦风机误加速/启动、一回路进水/水蒸气等。
[0064]
如图1-2所示，在一些实施例中，高温气冷堆首次装料及无源启动流程包括：
[0065]
s1:安全棒上限位、调节棒和补偿棒下限位，吸收球吹出堆芯；
[0066]
s2:采用1/3装料原则，完成堆芯初始满装载，装料过程中验证中子探测器的响应特性；
[0067]
s3:拆除临时物理启动系统，随后完成堆芯加热、除湿及气氛切换；
[0068]
s4:采用1/3提棒原则，平提所有调节棒和补偿棒到k
eff
＝0.998理论棒位；
[0069]
s5:逐根平提调节棒和补偿棒，严格控制单次提棒的高度及提棒后的停留时间；
[0070]
s6:堆芯实现无源启动首次临界。
[0071]
具体为：投入反应堆首次装料相关的临时物理启动系统、源量程探测器、高灵敏度中子测量装置等系统和设备，确保各参数设置合理、工作正常。核实试验先决条件，确保堆芯已装入规定要求的纯石墨球垫层，所有安全棒处于上限位、所有调节棒和补偿棒处于下限位，全部吸收球吹出堆芯等，记录堆芯温度等初始参数。
[0072]
向堆芯装入1/3理论初始满装载燃料装载量的混合燃料，待计数稳定后，记录各中子探测器的计数率，并与源量程探测器和高灵敏度中子测量装置对应堆芯状态下的理论反应特性进行比对分析。其中，中子探测器指临时物理启动系统、源量程探测器、高灵敏度中子测量装置的中子探测器。
[0073]
根据1/3装料原则，向堆芯装入剩余(1﹣1/3)理论初始满装载燃料装载量1/3的混合燃料，即2/9理论初始满装载燃料装载量的混合燃料，待计数稳定后，记录各中子探测器的计数率，并比对分析。
[0074]
后续依然根据1/3装料原则，依次装入理论初始满装载燃料装载量与当前堆芯总装载量之差1/3的混合燃料，每次装载完成并待计数稳定后，记录各中子探测器的计数率，并比对分析，直到堆芯完成初始满装载。
[0075]
若临时物理启动系统、源量程探测器、高灵敏度中子测量装置中任一中子探测器的中子计数率能够达到0.5cps，也可以根据该系统的中子探测器进行1/3外推装料，完成初始满装载。
[0076]
进行高灵敏度中子测量装置在首次装料过程中的中子特性分析，确定无源启动过程中该装置的4个中子探测器(比如he-3计数管)的布置位置。
[0077]
拆除临时物理启动系统，然后对反应堆进行加热、除湿和气氛切换。
[0078]
投入反应堆无源启动相关的源量程探测器、高灵敏度中子测量装置等系统和设备，确保各参数设置合理、工作正常。
[0079]
核实试验先决条件，所有安全棒处于上限位、所有调节棒和补偿棒处于下限位，全部吸收球吹出堆芯等，记录堆芯温度等初始参数。
[0080]
上提所有调节棒和补偿棒至堆芯活性区底部高度(纯石墨球垫层的最上部)，待源量程探测器、高灵敏度中子测量装置的计数率稳定后，记录各控制棒棒位及各中子计数管的计数率。
[0081]
将所有调节棒和补偿棒平提200mm，待源量程探测器、高灵敏度中子测量装置的中子计数管计数率稳定后，记录各控制棒棒位及中子计数管计数率。
[0082]
后续根据1/3提棒原则，依次逐根平提所有调节棒和补偿棒，提棒高度为理论临界棒位与当前棒位之差的1/3和200mm中的较小者，每次提棒完成并待计数稳定后，记录各中子探测器的计数率，直到调节棒和补偿棒的平均棒位接近(小于50mm)反应堆k
eff
＝0.998的理论临界棒位。
[0083]
分步逐根平提调节棒和补偿棒，每次提棒高度小于50mm，单根棒提升后要稳定1分钟以上，密切关注源量程探测器、高灵敏度中子测量装置的中子计数率变化，直到堆芯实现首次临界。
[0084]
若在提棒过程中源量程探测器、高灵敏度中子测量装置中所有的6个中子探测器的计数率都达到0.5cps以上，堆芯还未临界，也可以利用各中子探测器的计数率，根据1/3提棒原则进行达临界操作，直到堆芯实现首次临界。
[0085]
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述可以针对不同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
[0086]
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
[0087]
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。