秦山CANDU6機組首次基于控制棒的保證停堆狀態應用分析

李宇明，傅 杰，沈裕祥，周俊杰，楊 勇，史東旺

(中核核電運行管理有限公司，浙江 海鹽 314303)

0 引言

秦山第三核電廠(以下簡稱秦三廠)是從加拿大引進的重水堆堆型(CANDU6)，目前其兩臺機組的WANO(世界核電營運者協會)綜合性能指標已進入世界核電廠先進行列。在保證安全的前提下，如何進一步發揮重水堆核電廠的優勢，持續提升機組能力因子受到重水堆從業者的重視。

秦三廠機組大修期間，反應堆內核燃料不會卸除，機組置于“保證停堆狀態”，即Guaranteed Shutdown State(以下簡稱GSS)，正常是通過觸發2號停堆系統(以下簡稱2號SDS)注入高濃度的硝酸釓溶液，使慢化劑中釓濃度達到13.0 mg·kg-1以上的保證停堆狀態，處于過度中毒狀態，即Over Poison Guaranteed Shutdown State(以下簡稱OPGSS)。機組啟動條件是通過投運慢化劑凈化系統的除釓樹脂床，移除慢化劑中的釓，使反應堆逐步達到臨界狀態。而達臨界操作為機組啟動的關鍵路徑，整個達臨界過程除釓毒占時約18.8 h。

如何縮短達臨界時間，為本課題研究的方向。經分析，理論上可通過以下方法實現：

1)提高達臨界時的除毒流量。但受流量控制閥設計限制，且不具備擴容可行性，不可行。

2)降低慢化劑中的毒物濃度。實現的方法之一是降低初始釓濃度，但因2號SDS手動注入試驗為強制性試驗，根據以往經驗在大修停堆過程中執行是最經濟合理的，故本方法也不可行；另一種方法是在所有控制棒檢修后，將控制棒插入堆芯，通過在非關鍵路徑上等效移除部分釓毒，以縮短關鍵路徑達臨界時間。這種方法即本課題研究的另一種GSS狀態，即基于控制棒的保證停堆狀態(Rod Based Guaranteed Shutdown State，以下簡稱RBGSS)

1 RBGSS方案可行性研究

1.1 CANDU堆反應性裝置簡介

CANDU6反應堆的控制棒包括停堆棒、機械吸收棒和調節棒[1]，如圖1為反應性控制裝置在堆頂的位置示意。其中停堆棒是空心的鎘圓柱體，共28根，分成兩組，每組14根，其總的反應性價值約為-80 mk。機械吸收棒的材料和結構與停堆棒一致，共4根，分成2組，每組2根，其總的反應性價值約為-10 mk。調節棒由21根鈷棒組成，分成7組，其總的反應性價值約為-15 mk。

圖1 反應性控制裝置在堆頂的位置示意

圖2 CANDU6反應堆慢化劑凈化系統簡圖

1.2 RBGSS安全性分析

停堆大修期間，確保反應堆足夠深度的次臨界狀態，實現可監視的保證停堆狀態至關重要。根據安全分析報告98-03310-AR-003(Rod-Based Guaranteed Shutdown State Analysis for Qinshan CANDU Reactors)[2]，應用WIMS-AECL和RFSP程序，建立正常運行期間天然鈾堆芯和等效天然鈾堆芯的RFSP模型，依據停堆前的運行工況，模擬反應堆停堆、核素衰變，分析RBGSS期間大破口LOCA事故和壓力管/排管破口事故工況，計算堆芯停堆深度，然后推算維持一定次臨界裕量需要的慢化劑毒物濃度。

安全分析結果如下：

1)常規RBGSS：對于天然鈾平衡堆芯，考慮保證停堆期間換料引入5 mk正反應性及慢化劑毒物濃度測量的不確定度，受限事故工況下，常規RBGSS要求的最小測量毒物濃度為2.85 mg·kg-1硼(或0.805 mg·kg-1釓)；對于等效天然鈾平衡堆芯，常規RBGSS要求的最小測量毒物濃度為3.34 mg·kg-1硼(或0.948 mg·kg-1釓)。

2)應急RBGSS(慢化劑毒物部分或全部失去中子吸收性能的應急手段)：對于天然鈾平衡堆芯或等效天然鈾平衡堆芯，不考慮大LOCA或堆內破口事故，僅依靠插入全部的控制棒便能使堆芯次臨界度達到-38.3 mk。應急RBGSS期間，限制條件為不允許開展換料或燃料通道檢查，且主系統保持在冷態卸壓狀態。

RBGSS作為GSS的一種實現方式，通過將全部控制棒插入并鎖定在堆芯，同時配合少量的慢化劑毒物，在分析事故工況下堆芯次臨界度滿足小于-30 mk(Keff<0.97)的目標。

RBGSS能可靠地保證大修期間堆芯處于足夠深度的次臨界狀態，滿足安全性要求。

1.3 RBGSS應用經濟性評價

RBGSS實現后的優勢，在非關鍵路徑上從OPGSS切換至RBGSS，降低了慢化劑內的毒物濃度，臨界條件具備后，再從RBGSS開始達臨界，節約了從OPGSS切換至RBGSS在關鍵路徑上的時間。

具體節約時間通過如下簡單模型計算：

假定凈化床的凈化效率為100%，凈化床出口毒物濃度近似零，則慢化劑毒物濃度的變化趨勢如下：

C(t)=C0·exp(-λt)

=0.013 595·F(h-1)

式中，F——慢化劑凈化系統的凈化流量，kg/s；

C0——開始除毒時的毒物濃度，mg·kg-1；

t——慢化劑凈化系統的除毒時間，h；

C(t)——t時刻的毒物濃度，mg·kg-1。

從OPGSS狀態直接達臨界：釓毒物濃度13 mg·kg-1，凈化流量10 kg/s，半減期為5.1 h，從13 mg·kg-1降低到1 mg·kg-1，約需18.8 h；

從RBGSS狀態達臨界：釓毒物濃度2.5 mg·kg-1，從2.5 mg·kg-1降低到1 mg·kg-1，約需5.1 h。

理論上可節約13.7 h的除釓毒時間。

實現RBGSS后，僅一次大修關鍵路徑節約時間，收入約420萬元(按滿功率發電收益核算)，而為創建RBGSS所需支出，主要為安全分析服務費用，以及涉及小的邏輯變更費用，一次性總費用在250萬元左右。因此，RBGSS應用經濟性上優勢非常明顯。

2 RBGSS應用條件分析與創建

在可行性基礎上，要在機組上實現應用，還必需打通所有技術路徑，編寫可實施的應用文件，評價合適的實施條件與窗口。

2.1 慢化劑凈化系統樹脂床隔離閥連鎖邏輯變更

當機組由OPGSS狀態向RBGSS狀態轉換時，需投除釓樹脂床進行除釓毒操作，當前的控制邏輯是當任意一個停堆系統不可用時，連鎖慢化劑凈化系統樹脂床隔離閥關閉，而OPGSS狀態下，2號停堆系統不可用。通過安全評估后進行了變更，增加了慢化劑凈化系統樹脂床隔離閥連鎖邏輯的旁路開關63733-HS801，在OPGSS向RBGSS切換時，1號停堆系統處于不可用狀態，此時允許旁路慢化劑凈化系統樹脂床隔離閥，實現投入除釓樹脂床的目的。

2.2 增加RBGSS相關技術規格書條款

要實現RBGSS，必須有核安全相關技術規格書[3]支持，為此經過充分的討論論證，并經國家核安全局批準，增加了相應的章節：

1)16.3.8.2 Moderator Poison Level for Rod-Based Guaranteed Shutdown State(RBGSS)，明確慢化劑毒物濃度限制：HTS熱態加壓狀態下，慢化劑毒物濃度釓0.96 mg·kg-1(或硼3.4 mg·kg-1)；HTS冷態卸壓狀態下，所有的控制棒全插入堆芯并鎖定，則無最低毒物濃度要求。

如果毒物濃度不滿足要求，則必須立即采取措施恢復限制以上。

2)16.3.34 Rod-Based Guaranteed Shutdown State(BSI 31700，31715)，明確所有控制棒狀態限制：在RBGSS期間，所有的控制棒(停堆棒、機械吸收棒及調節棒)都要保證已全部插入堆芯，并通過管理措施保證所有控制棒的電源都斷開并鎖定在斷開狀態。

否則，必須立即進入OPGSS。

2.3 應用文件要求及準備

經過系統的討論及分析，完成了如下重點規程的開發，以及實施標準作業計劃。

1)98-91110-GOP-001綜合運行規程：機組達臨界，開發RBGSS達臨界的章節；

2)98-91110-GOP-005綜合運行規程：機組進入保證停堆狀態，開發機組停運后通過毒物添加系統毒物罐直接加硝酸釓進入RBGSS規程(小修適用)；

3)98-91110-GOP-014綜合運行規程：機組退出保證停堆狀態操作，開發完整退出RBGSS操作；

4)98-91110-GOP-013綜合運行規程：機組進入保證停堆狀態操作和確認，開發進入RBGSS操作及檢查確認內容；

5)98-68200-OM-001一號停堆系統，適用RBGSS要求的規程優化，如允許在1號停堆系統未就列時打開慢化劑凈化系統樹脂床的入口閥，對慢化劑進行除毒；

6)98-91140-OM-220運行手冊：停堆棒部分落棒試驗，適用RBGSS要求的規程優化，明確RBGSS下不執行此試驗；

7)98-63760-OM-001運行手冊：啟動儀表，適用RBGSS要求的規程優化，明確如果機組處于RBGSS，至少2個通道計數率超過了脫扣設定值并且持續上升，則立即手動觸發2號SDS；

8)98-93400-OM-001運行手冊：電廠化學控制，適用RBGSS要求的規程優化，增加RBGSS期間毒物濃度要求；

9)98-63710-OM-001運行手冊：全廠控制第一部分反應堆調節系統，適用RBGSS要求的規程優化，如在RBGSS下：調節棒自動、手動及應急驅動禁止拔出；MCA自動、手動驅動禁止拔出；

10)98-37000-OM-001運行手冊：反應堆物理，對GSS中影響慢化劑凈化系統可用性的設備摘牌、解鎖，除毒完成后恢復GSS狀態，增加啟動慢化劑大電機的步驟，增加RBGSS下慢化劑凈化系統除毒的內容；

11)98-91110-GOP-001綜合運行規程：機組達臨界，開發OPGSS切換至RBGSS的內容，如圖3所示。

圖3 OPGSS切換至RBGSS的標準作業計劃

3 RBGSS實施準備

3.1 RBGSS實施窗口選擇分析

基于RBGSS的狀態要求和技術規格書的限制，實施RBGSS必須滿足以下前提條件：

1)所有控制棒的檢修已完成。因進入RBGSS需要將停堆棒、機械控制吸收棒和調節棒均插入堆芯，并且大修期間這些控制棒均需要進行檢修，所以需要確認所有控制棒的檢修已完成；

2)2號SDS檢修已完成并恢復可用。根據技術規格書要求，RBGSS期間2號SDS必須可用；

3)應急電源系統(簡稱EPS)年度試驗已完成。因EPS年度試驗需要隔離2號SDS，因此必須等待EPS年度試驗完成。一般考慮在大修后期失去四級電源試驗之前。

3.2 故障預案分析

1)故障一：進入RBGSS時，出現控制棒故障(如無法下插)

進入RBGSS時，如果出現控制棒故障，則RBGSS的狀態將無法得到保證，但由于進入RBGSS的方式是先插入控制棒，確認控制棒全部有效落入堆芯后再進行慢化劑毒物濃度調整。因此，在發現控制棒故障時，還未開始除去慢化劑中的毒物，慢化劑中的毒物濃度仍然滿足OPGSS要求，故可以暫不進入RBGSS，保持在OPGSS狀態，并立即組織人員處理缺陷，待缺陷處理完成后，再決定是否進入RBGSS。

2)故障二：RBGSS期間，如果啟動儀表系統已投運且多通道脫扣

根據以往大修經驗，由于反應堆廠房內電動工具等的使用，可能會引起啟動儀表信號擾動，甚至引起啟動儀表單通道，甚至多通道脫扣。

在RBGSS期間，1號SDS所有的停堆棒已全部落入堆芯，停堆功能失去。2號SDS可實現停堆功能，但2號SDS不會由啟動儀表脫扣來自動觸發。

因此，如果出現該情況，需要立即檢查當前啟動儀表至少兩個通道計數率是否超過了脫扣設定值并且還在持續上升，如果是且無法排除信號擾動原因，則表明反應堆內的反應性異常上升，需立即手動脫扣2號SDS；如果確認是信號擾動原因，或僅觸發了啟動儀表單通道脫扣，在查明啟動儀表通道脫扣的原因，并且異常原因得到糾正后，需要及時將通道復位，不需要手動脫扣2號SDS。

3)故障三：RBGSS期間，2號SDS手動脫扣后，除釓床能力問題

慢化劑凈化系統有兩臺除釓床，一次正常的大修達臨界需要至少一臺新除釓床的容量。通常情況下，兩臺除釓床大修前配置狀態是：一臺全新床(未使用過)，另一臺在前一次達臨界使用過，除釓能力已減半。OPGSS切換至RBGSS后，兩臺除釓床僅剩半臺床的除釓能力，若RBGSS狀態下發生2號SDS異常注入，慢化劑內的釓濃度將增加至15.5 mg·kg-1，除釓床剩余容量不足以反應堆重返臨界。故，一旦完成OPGSS至RBGSS切換，需立即將失效的除釓床進行樹脂更換，或在大修前將兩臺除釓床配置為全新樹脂床，確保異常情況下的除釓要求。

4)RBGSS期間，涉技術規格書相關異常響應

技術規格書16.3.34.1.3中對于RBGSS有如下要求：

When in the RBGSS，power shall be removed from the shutoff rod and mechanical control absorber drive mechanisms and their clutches to insert the rods and ensure they remain fully inserted.Power shall also be removed from the adjuster absorber drive mechanisms.Administrative controls will ensure these rods remain locked-in for the duration of RBGSS.

CONDITIONREQUIRED ACTIONCOMPLETION TIMEA.Solid rod locking mechanism display fails to show all required rods cor-rectly positioned in-core. A.1Enter OPGSSImmediately

在RBGSS期間，控制棒的電源均在斷開鎖定狀態，如果出現一根或者多根控制棒(控制棒泛指停堆棒、機械控制吸收棒、調節棒)位置指示不在全插入堆芯狀態(真實或僅指示異常)，需要明確異常響應策略。

在RBGSS狀態，控制棒全部處于斷電鎖定狀態，控制棒被拔出的條件不具備，若因控制棒棒位回路電源、行程開關等問題出現異常，通過立即確認所有控制棒的電源、反應性控制平臺活動和測量控制棒實控棒位進行綜合判斷，同時保守決策，立即停止所有可能引入正反應性的操作，停止改變機組運行模式操作。

通過綜合判斷，若僅是顯示異常，則不需要進入16.3.34.1.3條款A，但需立即組織控制棒棒位指示異常缺陷處理，直到異常得到糾正，才能解除之前的保守決策；否則，需按照16.3.34.1.3條款A的要求行動，立即恢復控制棒至全插入堆芯，并立即開始組織進行進入OPGSS狀態的操作。

4 RBGSS應用實踐

4.1 RBGSS應用

在完成RBGSS相關分析、全過程沙盤推演后，秦三廠1號機組在第11次大修期間完成了RBGSS的實踐。

4.1.1 OPGSS切換至RBGSS

秦三廠1號機組第11次大修中，于2021年4月27日23：00開始執行OPGSS切換RBGSS，首先插入停堆棒，確認機械控制吸收棒和調節棒已插入堆芯，然后開始使用除釓床除毒，除毒過程中毒物濃度和啟動儀表SUI的計數率隨時間變化曲線[4]見圖4，4月28日15：40完成切換，機組首次進入RBGSS狀態，整個過程順利。

4.1.2 RBGSS狀態下達臨界

4月30日，從RBGSS狀態開始達臨界操作，首先拔出停堆棒和機械控制吸收棒，然后開始慢化劑除毒。在除毒達臨界過程中取樣分析主慢化劑中的釓和硼濃度，詳細數據見表1。啟動儀表SUI(START-UP instrumentation)指示的中子計數見表2，毒物濃度及計數率隨時間的變化曲線見圖5、圖6。

表2 中子計數

圖5 毒物濃度VS時間

圖6 計數率VS除毒時間

達臨界過程中除毒流量和功率的曲線如圖7所示(除毒流量為圖中綠色曲線)，從圖中可以看出總除毒時間約為8 h 50 min(僅計算除毒時間)。

圖7 RBGSSS時除毒流量VS功率

4.1.3 達臨界過程與OPGSS達臨界過程的對比

以秦三廠1號機組第10次大修OPGSS達臨界為例，OPGSS達臨界過程中除毒流量和功率的曲線如圖8所示(除毒流量為圖中綠色曲線)，從圖中可以看出總除毒時間約為18 h 50 min(僅計算除毒時間)。RBGSS下達臨界比OPGSS下達臨界可以節省約10 h，實際增加收益約285萬元。

圖8 OPGSS時除毒流量VS功率

4.2 首次應用RBGSS發現的問題及改進措施

RBGSS首次應用后，就實際遇到的問題，明確了相應的應對措施：

(1)1號停堆系統通道脫扣后，通道脫扣LED燈不亮，與預期不一致

停堆棒插入堆芯，離合器斷電，導致1號停堆系統通道脫扣LED燈失電，所以在通道脫扣時其LED不會亮。這與OPGSS狀態時的現象不一樣。改進措施：在執行文件中將LED燈不亮的原因進行說明，避免引起工作人員的疑惑。

(2)RBGSS狀態的等效釓濃度要求設置可優化

當前RBGSS狀態的等效釓濃度程序要求為2.5～2.7 mg·kg-1，而本次實施過程釓濃度達到約3.4 mg·kg-1時，啟動儀表計數率接近20 000 cps，而根據程序要求，大于20 000 cps需要對啟動儀表探頭重新定位再重新除釓達到目標濃度，啟動儀表探頭重新定位耗時約5 h，繼續將影響失去四級電源試驗的開始時間，而對于RBGSS狀態的等效釓濃度實際只要大于2.5 mg·kg-1即可。改進措施：重新評估結合可實施性，等效釓濃度的范圍設置在2.5～4 mg·kg-1更合理。

(3)進入RBGSS狀態受EPS年度試驗影響

當前EPS年度試驗程序要求隔離2號SDS系統，導致2號SDS系統不可用，限制了RBGSS的應用，只能在EPS年度試驗結束后實施。而EPS年度試驗會導致反應堆廠房內的氚劑量較高，影響2號SDS系統解隔離操作(EPS年度試驗結束后約3 h才具備操作條件)。改進措施：經評估EPS年度試驗隔離2號停堆系統必要性不大，可通過試驗規程進行優化，避免受EPS年度試驗的影響。

(4)啟動儀表投運帶來的影響

對CANDU6反應堆，停堆后功率衰減至低于2×10-7FP前，需要投運啟動儀表，以替代電離室對堆芯功率進行監測。退出啟動儀表必然會增加關鍵路徑的時間(約5 h)。改進措施：通過合理的大修計劃和狀態控制，在投運啟動儀表之前完成OPGSS向RBGSS的切換。在秦三廠1號機組第12次大修中，在投啟動儀表之前就完成了OPGSS向RBGSS的切換，縮短了關鍵路徑的時間4.28 h。

4.3 RBGSS后續需要研究優化項

RBGSS的成功應用創造了新的GSS狀態控制方式，為大修工期優化提供了成功案例，可通過以下幾點后續研究，進一步提高RBGSS實施的優勢：

(1)停堆棒插入方式可行性研究

當前停堆棒插入方式為奇偶兩組(共28根棒)同時各插入一根的方式進行，耗費時間較長，增加了操縱員的負擔?？煽紤]奇偶兩組停堆棒同時插入方式整組排入停堆棒，節省操作時間。

(2)RBGSS狀態期間隔離一個2號SDS系統毒物罐可行性研究

在RBGSS狀態期間，若2號SDS系統異常觸發，將導致慢化劑中釓濃度大于15 mg·kg-1，增加了后續除釓床的除釓容量要求及放射性廢物的產生量，甚至影響關鍵的時間。2號SDS系統共有6個毒物罐，機組滿功能正常運行時5個毒物罐就滿足反應性控制要求，而在RBGSS狀態下，考慮研究隔離其中1個毒物罐的可行性。

(3)小修RBGSS實施方案優化

在OT111大修RBGSS成功實施及經驗積累基礎上，結合小修特點，在滿足技術規格書對RBGSS毒物濃度要求的情況下，精準配置釓毒濃度，合理盡量低，實現小修業績更優。

5 結束語

通過在OT111大修期間首次成功應用RBGSS技術，一方面驗證了RBGSS技術在保證安全基礎上，可縮短至少10 h大修關鍵路徑時間，有非常好的經濟效益，(雙機組增加收益約280萬元/年)；另一方面驗證了項目組成員獨立開發的RBGSS技術文件具有可執行性和技術價值。同時，此次成功實踐說明：在經驗積累基礎上，我們通過技術創新提升核電機組績效是可行的。