07核電廠堆芯的安全設計

1、07核電廠堆芯的安全設計3、2、3二氧化碳由于二氧化碳的密度和中子吸收截面均較小，其溫度和壓 力變化對反應性的影響可以忽略。3、3慢化劑慢化劑的選擇和燃料在慢化劑中的配置，應以中子經(jīng)濟性最佳 化的需要（及由此引起的燃料耗用量最佳化的需要）和滿足工程上的要求為依據(jù)。 主要堆型采用輕水、重水或石墨作為慢化介質(zhì)。3、3、1輕水輕水在壓水堆和沸水堆中都同時用作慢化劑和冷卻劑。這兩 種功能不能機械地分割。因此3、2和3、2、1中關(guān)于添加劑、反應性特性、輻照效應等方面的討論對二者都適 用的。3、3、2重水在重水冷卻和慢化的壓力管型反應堆中，慢化劑和冷卻劑之 間有排管容器的排管和壓力管把慢化劑和冷卻劑分隔開

2、。有時，慢化劑可能含有 可溶性中子吸收劑，用于反應性控制或停堆后的反應性抑制。慢化劑還用于冷卻 各種反應堆構(gòu)件，如排管容器本身，儀表支承結(jié)構(gòu)、反應性控制裝置及其導向管。 盡管壓力管和排管破裂的可能性極小，但不能完全排除此種可能。發(fā)生爆管致使 重水冷卻劑射入慢化劑區(qū)域時，部分慢化劑被冷卻劑所取代。如便化劑中含有吸 收劑而冷卻劑不含吸收劑，發(fā)生上述替代時堆芯反應性就有可能上升。停堆系統(tǒng) 的設計必須提供手段使得在發(fā)生這一事故時仍能保持停堆狀態(tài)。反應堆的結(jié)構(gòu)設 計中必須考慮慢化劑的流動和溫度（例如水力、溫差等）的影響。在重水冷卻和 慢化的壓力容器型反應堆中，堆芯區(qū)的?；瘎┡c冷卻劑由冷卻通道分隔。然而，

3、 冷卻劑和慢化劑回路可根據(jù)電廠的運行工況（如功率運行或余熱排出）分隔或連 通。在功率運行時，慢化劑通過少量壓力補償孔和冷卻劑連通，慢化劑的運行壓 力和冷卻劑相同，而溫度則低于冷卻劑。慢化劑溫度系由一個獨立的高壓冷卻系 統(tǒng)保持，在余熱排出運行工況下，冷卻劑和慢化劑互相連通，兩者的壓力、溫度 或液體毒物濃度均無差異。在重水慢化劑中，氮的比放射性會積累得很高，因此 慢化劑系統(tǒng)的設計中必須考慮當慢化系統(tǒng)出現(xiàn)大破口時氟化重水釋放的可能性。 對陵化劑的輻照分解需要采取措施，以控制腐蝕并防止爆炸，詳細的討論見 HAD 102/08o在某事故工況下，壓力管型反應堆中慢化劑具有儲存衰變熱的能力。3、3、3石墨改

4、進型氣冷堆采用石墨作慢化劑。在這類反應堆中，石墨堆 芯系由帶有鍵槽系統(tǒng)的砌塊組成，鍵槽系統(tǒng)保持柵格的對中，堆芯組件配置有約 束結(jié)構(gòu)，以保持其外形。這種慢化劑的安全問題如下：（1）不得妨礙停堆裝置插 入堆芯和保持停堆狀態(tài)。為了證實滿足這一條件，必須評價石墨使堆芯保持穩(wěn)定 位置的能力，而這種能力不會因下列影響而失效：溫度；腐蝕；快中子損傷；輻 照；尺寸變化。假想的地震條件會影響石墨變形和強度特性的限值，因而必須加 以考慮。初始堆芯的慢化劑溫度系數(shù)接近于零，典型情況是稍偏負值，所以冷態(tài) 堆芯具有最大的反應性。平衡堆芯狀態(tài)下，大部分燃料通通中環(huán)已有一定程度的 積累，而且慢化劑溫度系數(shù)為正值。所以平衡堆

5、芯的最大反應性狀態(tài)與處于熱運 行溫度的慢化劑有關(guān)，甚至對保持停堆工況的反應堆也是如此。然而在瞬態(tài)工況 時，慢化劑溫度響應時間比燃燃的要慢。燃料的溫度系數(shù)是負的，所以就降低了 慢化劑正溫度系數(shù)的重要性；（2）放射性物質(zhì)向冷卻劑回路中的釋放應盡可能保 持于低的水平。為了做到這點，應限制石墨中雜質(zhì)（尤其是館、C1和B）的含 量；（3）應保證慢化劑在反應堆設計壽期內(nèi)的完整性。必須在C02冷卻劑中加入 甲烷以防止腐蝕，但必須考慮到它的二次效應，并對CO含量加以控制；（4）石 墨砌塊上的氣體分配鉆孔和石墨砌塊之間氣流通道的設計，應為所有砌塊提供適 當份額的冷卻劑，以限制初始堆芯和堆芯整個壽期內(nèi)所有預計的砌

6、塊收縮和生長 狀態(tài)下石墨溫度峰值。3、4反應性控制手段本條討論規(guī)定4、3所提及的正常運行時的反應性控制手段，有關(guān)停堆時的反應性控制將 在本導則的3、6中討論。反應性控制手段必須具有安全地調(diào)節(jié)功率和功率分布的能力， 包括補償某些反應性變化（如氟濃度變化、冷卻劑溫度變化、燃料和可燃毒物的 燃耗、預計的運行瞬態(tài)等引起的反應性變化）的能力，以保持反應堆工藝變量在 規(guī)定的運行限值內(nèi)。所采用的儀表和控制系統(tǒng)必須滿足HAD102/14的要求。3、4、1反應性控制手段的類型不同類型的反應堆用于調(diào)節(jié)堆芯反應性和 功率分布的反應性控制手段有如下幾種類型：慢化劑溫度（壓力容器型重水堆） 慢化劑液位（壓力管型重水堆）

7、；冷卻劑流量（慢化劑密度）（沸水堆）；慢化劑 或冷卻劑中的可溶性吸收劑（壓水堆、加壓重水堆）；裝在管子中的固態(tài)中子吸 收棒或液體吸收劑（壓水堆、沸水堆、改進型氣冷堆、加壓重水堆）；帶有彌散 的或離散的可燃毒物的燃料；燃料組件的軸向移動；換料和裝料方式。3、4、2最大反應性價值和反應性引人速率反應性控制裝置的布置，分組、 抽出速度和抽出程序，連同所采用的聯(lián)鎖系統(tǒng)，必須按能保證裝置在任何可信的 異常抽出都不致于造成燃料超過規(guī)定狀態(tài)的要求設計。必須限制反應性控制裝置 的最大反應性價值或提供聯(lián)鎖系統(tǒng)，以防止在出現(xiàn)壓水堆的“彈棒和沸水堆的 落棒”之類的事故工況時所引起的功率瞬變超過規(guī)定的限值。這些限值的

8、選擇必須保證：a、可能引起放射性向冷卻劑回路釋放的燃料包殼的損壞；b、可能 損壞堆芯結(jié)構(gòu)并妨礙停堆裝置順利插入的熔融燃料和冷卻劑相互作用的風險，處 于一個可接受的低水平。必要時，必須為每次換料后的堆芯作出控制裝置的最大 反應性價值的評價。采用可溶性吸收劑，控制系統(tǒng)必須按堆芯吸收劑濃度的降低 不會造成燃料超過規(guī)定狀態(tài)的要求設計。含硼酸的系統(tǒng)所有部分必須設計成能用 某種方法防止硼酸沉積。例如對含硼酸溶液的各種部件進行加熱（見HAD 102/08 中的4、5）。3、4、3整體功率和局部功率控制用反應性控制手段對堆芯功率進行整體 或局部控制時，堆芯任何部位的燃料的線功率峰值和通道功率不得超過設計限 值

9、?？刂葡到y(tǒng)的設計必須考慮由亂振蕩、冷卻劑狀態(tài)變化、堆內(nèi)探測器位置變化 和堆內(nèi)探測器本身的特性變化引起的局部反應性變化所造成功率分布變化。進一 步的說明見3、8和附錄II。3、4、4可燃毒物的影響必須對堆芯可燃毒物燃耗引起的反應性增加作出 評價，并使用其他反應性控制手段加以補償。為了保持慢化劑溫度系數(shù)為負值， 設計人員可以減少慢化劑中所需吸收劑的數(shù)量，通過增加燃料中的可燃毒物以彌 補所要求的吸收效果，可燃毒物還能用于展平功率分布和減少燃料燃耗期間反應 性變化。3、4、5輻照效應反應性控制手段的設計中必須考慮到輻照效應，諸如燃 耗、物理性能的變化、氣體產(chǎn)生和液體回路邊界的污染。3、5堆芯監(jiān)測系統(tǒng)須

10、提供監(jiān)測儀表來監(jiān)測堆芯參數(shù)，諸如堆芯功率（水平、 分布和短時變化），冷卻劑和慢化劑的物理狀態(tài)和反應性控制手段的狀態(tài)，以便 能采取必要的糾正行動。必須監(jiān)測冷卻劑中裂變產(chǎn)物的放射性水平，以驗證其不 超過設計限值。有些設計采用能夠在功率運行時指出破損燃料組件位置的系統(tǒng)。 破損燃料位置監(jiān)測裝置對采用帶負荷換料的堆芯特別有效，因為有可能較容易地 取出破損的燃料，從而使冷卻劑的放射性保持于低水平。破損燃料監(jiān)測裝置的另 一優(yōu)點是能給出冷卻劑流道堵塞或其他實體損壞的早期警報。所有監(jiān)測系統(tǒng)的精 度、響應速度、量程和可靠性必須與其所執(zhí)行的功能相適應（見安全導則 HAD 102/14核電廠保護系統(tǒng)和有關(guān)設施和安全導

11、則HAD 102/14核電廠安全 有關(guān)的儀表和控制系統(tǒng)），必要時監(jiān)測系統(tǒng)還必須附設能進行連續(xù)或定期試驗的 設施。對事故監(jiān)測方面的指導見HAD102/14中的4、9、3。大的堆芯中，可能有必要采用堆內(nèi)中子探測器或Y溫度計對功率 的空間分布進行監(jiān)測。為保證足夠的安全裕度而在堆芯內(nèi)的部位測量局部功率， 并提供燃料最佳利用的數(shù)據(jù)。在此種情況下，探測器測點應按下述原則布置，即 盡可能減少當局部功率密度超標時而又未探測到的可能性。為安全目的，在不同 部位進行監(jiān)測的參數(shù)有：中子通理；冷卻劑溫度；水位；系統(tǒng)壓力；冷卻劑的放 射性。從上述監(jiān)測到參數(shù)可推導出其他一些與安全有關(guān)的參數(shù)，例如：中子通量 倍增時間；中子

12、通量變化率；堆芯內(nèi)通量差；反應性；跨越堆芯的過冷度。監(jiān)測 參數(shù)的選擇取決于反應堆的類型。根據(jù)HAD 102/10和HAD 102/14的要求，設計必 須保證信號及其傳遞線路具有必要的多重性、多樣性和獨立性。在有些反應堆啟 動期間，采用通量測量系統(tǒng)與反應性控制裝置聯(lián)鎖相組合，以保證對特定的通量 范圍選用最合適的監(jiān)測裝置。在反應堆啟動時，特別是首次啟動時，中子通量遠 遠低于滿功率運行時的通量，所以需要用更為靈敏的、臨時的中子探測器來監(jiān)測 中子通量。為使中子通量水平提高到啟動中子通量監(jiān)測器的量程之內(nèi)還可能需要 使用中子源。中子源的設計必須保證：中子源在其計劃壽期內(nèi)有良好的功能；中 子源與燃料組件及其

13、支承結(jié)構(gòu)相容。中子噪聲和噪聲的分析對堆芯部件的松動零 件和早期的機械失效可提供有用的信息。3、6反應堆停堆手段本條論述在運行工況或事故工況下使反應堆進入并保 侍在次臨界狀態(tài)的手段（見規(guī)定4、4）。必須提供手段用以保證堆芯在一個對堆芯反應性有最大影響的停堆 裝置不能插入堆芯時的最大反應性狀態(tài)下，能使反應堆進入次臨界并保侍在次臨 界狀態(tài)。對于運行工況和事故工況，燃料和反應堆冷卻劑系統(tǒng)壓力邊界都不得超 過規(guī)定的狀態(tài)。如規(guī)定所要求，反應堆停堆手段必須包括兩種不同的系統(tǒng)， 每種系統(tǒng)在發(fā)生單一故障時都能執(zhí)行其功能，其中至少有一個系統(tǒng)必須能獨自使 反應堆從運行工況和事故工況進入次臨界狀態(tài)，并具有足夠的停堆深

14、度，它的作 用在和其他系統(tǒng)的工作相結(jié)合時，可防止燃料發(fā)生不可接受的損壞。此外，即使 在堆芯處于最大反應性狀態(tài)時，至少有一個系統(tǒng)必須能單獨使堆芯從正常運行工 況進入次臨界，并在事故停堆后，在足夠長的時間內(nèi)保持停堆狀態(tài)。為了適應長 期保持停堆狀態(tài)的要求，必須查明在停堆工況下能增加反應性的各種預定的操 作，諸如維修和換料操作時吸收體的移動，以保證考慮到了堆芯的最大反應性狀 態(tài)。設計停堆系統(tǒng)時，必須認識預計運行事件后及在事故工況對停堆的重要性。 因此，設備設計必須具有必要的可靠性，以便能在所有假設始發(fā)事件進行停堆， 以滿足安全要求。為了按要求完成安全停堆必須使停堆系統(tǒng)與電廠工藝系統(tǒng)和控 制系統(tǒng)具有必要

15、的獨立性并能防御假設始發(fā)事件引起的后果，以便能按要求進行 停堆。停堆手段的設計必須盡可能符合故障安全原則，并使之具有此類安全系統(tǒng) 所需的髙度可靠性。如果保持停準系統(tǒng)的操作是手動或部分手動的，則必須滿足 手動操作的先決條件（見HAD 102/08中的7、3、2）。停堆手段可部分用于正常運行時的反應性控制和通量整形（見3、4）。這種正常運行時的使用不得危及停堆系統(tǒng)的功能，更詳細的討論見 HAD 102/10 中的7、 8、 4。3、6、1停堆手段的類型不同類型的反應堆可采用不同的手段把負反應性 引入反應堆堆芯，這些手段包括：在慢化劑中注入硼；在慢化劑中注入軋；注入 氮；慢化劑排放；不銹鋼棒、管或字

16、形棒中裝入硼和鎘；錯合金導管中裝入軫棒 和鋼棒；注入硼玻璃珠；管中裝入液態(tài)吸收劑。表1列出了不同堆型所采用的多 樣性停堆手段的例子。表1停堆手段反應堆類型第一系統(tǒng)第二系統(tǒng)沸水堆鋼管中 的B4C注入慢化劑/冷卻劑的硼溶液壓水堆鋼管中的Ag-In-Cd或B4C注入慢化劑 /冷卻劑的硼溶液加壓重水堆鋼管中加入的Cd注入慢化劑的Cd；慢化劑排放； 管中裝入的液態(tài)吸收劑加壓重水堆（壓力容器型）錯合金管中的鈴棒和鋼棒注入 慢化劑的硼改進型氣冷堆硼鋼棒加不銹鋼棒注入堆芯冷卻劑的氮以及注入堆芯 的硼玻璃珠3、6、2可靠性為了使停堆手段高度可靠，必須綜合采用如下措施：（1） 采用盡量簡單的系統(tǒng)；（2）盡可能采用故障安全的設計（1）; （3）考慮觸發(fā)機構(gòu) 的故障模式并在觸發(fā)機構(gòu)中采用多重性和多樣性（例如用于探測停堆需求及為此 做出響應的探測器或觸發(fā)裝置）；（4）使停堆系統(tǒng)盡可能功能隔離和實體分隔（包 括控制和停堆功能的分隔），以適應可信的故障（包括共