介紹了先進三代核電機組如何在低中子注量率的情況下通過堆外核測量系統源量程探測器監視反應堆達臨界，并對其達臨界過程中探測器的計數率變化進行比照、分析。通過分析發現，在低中子注量率情況下，利用反應堆啟動率(或周期)的變化能夠實現對反應堆臨界實現與否的判斷。同時，利用相對中子源不同位置的探測器計數率的變化規律，能夠監測反應堆逼近臨界的程度。這一反應堆達臨界方式可以在諸如無源啟動等低中子注量率情況下得到應用。

0 引 言

目前，我國正在推進先進三代核電機組的建設和運行。三門核電廠和海陽核電廠共計 4 臺先進核電機組已全部正式商運，“華龍一號”、“國和一號”等先進核電機組也正在積極籌建中。以在運行的先進三代核電機組為例，在首堆裝料時， 裝載入 2 組含有 252Cf 材料的初級中子源組件，同時機組設計有 4 套源量程探測器用于裝料和啟動，由于這些因素使得該型機組在首次臨界時具有一些特殊的特性。本文以國內某核電機組首次達臨界和再啟動情況為例，闡述某型先進三代核電機組反應堆首次達臨界的特性，并簡要分析這些特性可借鑒的意義，以期為其他在運行或建設機組提供參考。

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1 先進三代核電機組反應堆達臨界概述

1.1 首次達臨界

核電機組反應堆達臨界操作并不追求確切的理論臨界點，而是以實現工程達臨界為目的。基于這一目的，核電機組反應堆在達臨界，特別是臨界判斷方面有一些特殊的要求。依據機組調試規范要求，反應堆首次達臨界時采用稀釋硼濃度達臨界的方式實現。

鑒于某型先進三代核電機組反應性控制特點[1]，該型反應堆設計有 69 組控制棒，分成 3 類控制棒組，分別為停堆棒組(SD1~SD4)、控制棒組(M2、M1、MA~MD)以及軸向偏移控制棒(AO 棒)。控制棒組中 MA~MD 為灰棒，使用24 根鎢棒作為吸收體材料，反應性價值遠小于其他控制棒組。由于其棒微分和積分價值較小，因此，一般不作為試驗時的先導棒組。

1.1.1 首次達臨界的流程首次達臨界的流程為：①提出 4 組 SD 棒;②稀釋反應堆冷卻劑系統(RCS)硼濃度至預計臨界硼濃度+150 mg/L;③全提 AO 棒，再全提 M2\M1\MA~MD 棒組，達到控制棒全提(ARO)狀態;④通過稀釋硼濃度直到反應堆出現臨界特征后，停止稀釋;⑤宣布反應堆臨界;⑥通過 AO 棒控制中子注量率達到一個穩定的工程達臨界點[約為 0.001%額定熱功率(RTP)水平];⑦實施低功率物理試驗內容。

1.1.2 判斷臨界特征 判斷臨界特征主要包括：

①反應堆中間量程探測器顯示有約 0.2 dpm(1dpm 表示每分鐘發生 1 次衰變)的穩定正啟動率;②反應性儀有穩定指示約 35 pcm ( 1 pcm=10-5)的正反應性;③源量程計數率出現明顯的指數增長。

1.2 再啟動達臨界

機組壽期運行過程中反應堆再啟動達臨界與首次達臨界略有不同，可以采用提棒達臨界的方式進行達臨界操作。

根據運行規程，反應堆再啟動達臨界操作流程為：①提出 SD 棒組;②預稀釋 RCS 至預期臨界硼濃度;③提出 AO 棒至預期臨界棒位;④提出 M2 棒組至全提;⑤疊步提出 M 棒組，直至反應堆出現臨界特征;⑥繼續提升控制棒，提升反應堆功率至指定低功率平臺。

1.3 臨界操作特點

基于核電機組不尋求絕對臨界點的特點，其反應堆達臨界操作也相對更為簡潔。硼濃度稀釋達臨界時，通過小流量稀釋(約 6 m3/h 速率)硼濃度的方式不斷地緩慢地向反應堆添加正反應性，直至反應堆堆芯出現正的啟動率，停止稀釋硼濃度操作。隨后，利用當前正的啟動率(周期) 使反應堆中子注量率不斷上升，達到一定的程度后確保堆外核測量系統更為精確地指示。

在反應堆再啟動達臨界過程中，由于先前機組運行數據的積累，以及堆芯在線監測系統對堆芯反應性的有效計算，能夠得到較為精確的控制棒臨界棒位。在提棒達臨界階段，以逐步小量提出控制棒的方式，使反應堆不斷逼近微超臨界，并在達到這一狀態且核實安全無誤后，即可向目標功率提升反應堆功率。這一臨界方式能夠高效地實現反應堆臨界運行。

2 首次達臨界及再啟動達臨界數據及分析

2.1 首次達臨界數據及分析

先進三代核電機組反應堆設計有 4 列堆外核測量系統，其中包括源量程(SR)測量系統，分別布置在堆芯內的 0°、90°、180°、270°方向上。因此，相較于其他國內在役核電廠的核電機組， 該機組有額外的 2 個 SR 探測器可用于反應堆臨界啟動中子注量率計數監督。

反應堆在啟動之前 SR 探測器計數率相對較低，在試驗開始之前，接近初級中子源的 2 個 SR 探測器(SRA/B)的有效計數率約為 2~3 s-1，而遠離初級中子源的 2 個 SR 探測器(SRC/D)有效計數率接近于 0。在臨界試驗過程中，通過對 4 個 SR 探測器計數率的監督，可以觀測到反應堆首次達臨界的有關特性。

以下以反應堆首次達臨界實際過程為例，對臨界數據進行分析。

由圖 1 可知，在 4 組 SD 棒提出期間，SRA/B 計數率變化極小，略微有上升趨勢。SRC/D 計數率基本保持不變(C 探測器本底較高)。因此，在較深的次臨界以及中子注量率極低的情況下， SR 探測器計數率基本保持不變。

在完成 SD 棒提出之后，反應堆開始向超出預期臨界硼濃度(150 mg/L)的目標稀釋，圖 2 為整個硼濃度稀釋期間 SR 探測器計數率的變化情況。由圖 2 可知，在稀釋期間，SRA/B 計數率開始增加，而 SRC/D 計數率依然保持不變。

在完成首次稀釋之后，逐步提出控制棒組至ARO 狀態。圖 3 是提出 AO 及所有控制棒期間的SR 探測器計數率趨勢圖。由圖 3 可知，在整個提棒期間，SRA/B 計數率繼續微弱增長，而 SRC/D 計數率依然保持在原值附近波動。

圖 4 是稀釋達臨界期間 SR 探測器計數率趨勢圖，其中橫坐標單位采用了壓縮方法，在 100 min 之前為每 10 min 數據間隔，100 min 之后為每 1 min 的數據間隔。試驗時，前半程稀釋速率約為 15 m3/h，后半程稀釋速率約為 5 m3/h。由圖4 可知，在稀釋過程中，SRA/B 計數率前期緩慢增加，在稀釋至約 136 min 時，SRA/B 計數率出現明顯變化，其增長速率開始增加。根據硼濃度推算，此時離設計 ARO 臨界狀態的次臨界深度

(即遠離臨界的程度，通常用硼濃度來表征)約為-230 mg/L，離堆芯實際次臨界深度約為-300mg/L。隨后，在慢速稀釋條件下，SRA/B 計數率出現明顯指數增長，現場觀測到反應性儀出現正的反應性指示，在滿足臨界判斷條件的情況下， 于 147 min 時終止稀釋，反應堆臨界。反應堆臨界時刻的 SR 探測器計數率僅約 200 s-1，中子注量率很低。

由圖 4 還可見，SRD 在稀釋約 20 min 時，探測器計數率開始明顯增長，根據硼濃度推算，此時的次臨界深度約為 1000 mg/L。隨后，隨著硼濃度的不斷降低，SRD 計數率繼續增高，在稀釋約 135 min 時，SRC/D 的計數率完成對 SRA/B 的追趕，此時及隨后 4 個探測器的計數率基本相當;這一轉折點的次臨界深度約為-300 mg/L。

停止稀釋之后，由于正反應性存在，反應堆中子注量率不斷增長，直至增長到達 SR 探測器需要被閉鎖，此時，中間量程 IR 探測器已經有明顯可靠的指示，隨后，通過下插 AO 棒，控制 IR 探測器中子注量率水平在試驗要求的范圍內。圖5 是停止稀釋至閉鎖 SR 探測器期間的SR 探測器計數率趨勢圖。由圖 5 可知，在宣布反應堆臨界后，反應堆有效可控地以恒定速率提升中子注量率水平。

在其他機組的首次達臨界過程中，觀察到了以上同樣的現象，同樣出現了低中子注量率臨界、4 個 SR 計數率趨勢變化相同的情況。

2.2 再啟動達臨界數據及分析

反應堆再啟動達臨界可以選擇提棒達臨界方式。本文以該核電機組在運行 30 MW·d/t(U)之后的再啟動達臨界為例，對機組運行一定時間， 堆芯組件經過一定時間輻照之后再次臨界的特性進行分析。

圖 6 是經過一段時間運行后，反應堆再啟動臨界提棒達臨界過程數據趨勢圖。再啟動達臨界使用提棒達臨界的方式，在提出控制棒之前，首先將反應堆硼濃度預先稀釋至預計臨界硼濃度; 隨后，再不斷提出 AO 和 M 棒組使反應堆向微超臨界逼近。接近臨界時，控制棒的提出要相對謹慎，以小步數提出控制棒，直至反應堆出現不超過 0.5 dpm 的正啟動率，或反應堆 SR 探測器計數率出現明顯的指數增長。出現這一情況后，達到臨界即可繼續提出控制棒，提升中子注量率至預先設定的范圍內。之前的稀釋過程中，因較深的次臨界度關系，SR 探測器計數率并沒有大的變化。圖 6 中的數據均是完成稀釋后，控制棒提出過程中的 SR 探測器的中子計數率數據。

對圖 6 進行分析，在提出 AO 和 M2 過程中， SR 探測器計數率變化不大;在隨后的 M1 棒組以及其后的 MD 棒組提出過程中，SR 探測器計數率增長趨勢明顯增加。根據核實報告數據推算，此時 M1 棒組提出后堆芯次臨界度約為-300 mg/L。提出控制棒至達到微超臨界之后，反應堆以穩定的指數增長趨勢安全提升中子注量率。

另外，可以在提棒達臨界過程中觀察到遠離SR 的 SRC/D 計數率追趕 SRA/B 計數率的趨勢。在提出 M1 棒組之后， SRC/D 計數率基本與SRA/B 保持一致。

以上現象在機組燃耗約為 635 MW·d/t(U)之后的再啟動臨界過程中依然能夠觀察到。

2.3 達臨界數據分析結論

根據以上分析可知，機組反應堆達臨界過程有如下特性：

(1)在次臨界深度較深時，SR 探測器計數率的變化不明顯。

(2)在次臨界深度較深時，遠離初級中子源的 2 個 SR 探測器的計數率明顯低于靠近初級中子源的 2 個探測器，而當 4 個探測器數據基本相當時，反應堆已逼近臨界。

(3)反應堆達臨界時的中子注量率水平比較低，特別是首次達臨界時，約為 200～300 s-1;再啟動達臨界點的 SR 探測器計數率也僅在 800～ 1000 s-1 左右。

(4)出現臨界特征之后，繼續提升中子注量率至合理的工程臨界點，而后再記錄堆芯臨界棒位和硼濃度，這一臨界方式能高效可控地實現反應堆臨界。

針對以上特性可以發現：無論是硼濃度稀釋達臨界還是提棒達臨界方式，反應堆都能從極低的中子注量率下安全地實現臨界，這與機組特殊的臨界判斷和實現方式有一定關系。反應堆并不刻意追求臨界點，而是以控制臨界時刻的正啟動率(周期)范圍為目的，這使得反應堆能夠更為靈活地控制反應堆中子注量率，從而高效實現工程臨界。

另外，利用 4 個 SR 探測器的數據之間的偏差能夠有效地輔助對反應堆臨界狀態的分析和判斷，為傳統的以倒計數率監督為手段的臨界監督方式提供了額外的監督手段。

3 結 論

本文主要介紹了先進三代核電機組反應堆首次達臨界的試驗方法和再啟動達臨界的操作方法，同時簡要闡述了該型機組堆外核測量系統 SR 探測器相關設計特性，并以已運行機組首次達臨界和再啟動達臨界實際經驗數據對其達臨界的特性進行了分析，得出以下結論：

(1)該機組反應堆在低中子注量率情況下實現了臨界。該低中子注量率臨界的實踐可以作為其他諸如無源啟動等低中子注量率反應堆臨界情況的參考。

(2)機組采用 4 套 SR 探測器進行臨界監督， 靠近初級中子源的 2 套探測器和遠離初級中子源的 2 套探測器之間的偏差變化，在一定程度上表征了低中子注量率臨界情況下臨界逼近狀況的變化，可以作為臨界監督的輔助手段。

（作者：山東核電有限公司 魏文斌，邢超）