华龙首堆首次临界|核动力院“堆芯人”二十载逐梦之旅

2020-10-23 09:35  来源:中国核动力研究设计院    核电  福清核电站  华龙一号  核反应堆

2020年10月21日15时09分,作为国家名片之一的“华龙一号”全球首堆——福清核电厂5号机组反应堆首次达到临界状态,这是“华龙一号”全球首堆带核运行的关键一环和重要起点,福清核电厂5号机组就此开启了崭新的篇章。


2020年10月21日15时09分,作为国家名片之一的“华龙一号”全球首堆——福清核电厂5号机组反应堆首次达到临界状态,这是“华龙一号”全球首堆带核运行的关键一环和重要起点,福清核电厂5号机组就此开启了崭新的篇章。

反应堆临界,就在转瞬即逝的一瞬间,但就在这短短一瞬间背后,是中国核动力研究设计院“堆芯人”们二十年的心血与汗水,是他们对创新探索的持续追求、对核动力事业满腔的热忱。

「自主创新』

攻克177堆芯建模难题

二十年前,核动力院秉承着“自主创新、勇攀高峰”的院训,提出了自主化百万千万压水堆核电机型,其重要标志为177堆芯,即反应堆堆芯装载177盒燃料组件。

全新堆芯概念的提出,也意味着会带来了许多全新未知的问题,这些问题就落在了设计所一室科研人员身上。设计初期在某次校对组件燃耗和堆芯燃耗时,研究人员发现这两组数据存在明显不一致。受限于当年的科研条件,为了找出原因,他们将海量的反应堆堆芯计算文件统统打印出来逐项人工排查。经过巨大的人力和时间投入,最终,科研人员在堆满整个房间的计算纸中锁定了不起眼的两排数据,确定问题集中于堆芯围板反射层计算参数的设置,也因此,通过解决堆芯反射层的计算问题攻克了177堆芯建模难题。

「独立自主」

解决燃料管理高燃耗

相比于之前的157盒组件堆芯,177盒组件堆芯就好像是将原157格的棋盘格扩大了20格。这个创新看似简单,其实却很复杂。在充分考虑热量传递、燃料富集度等组件之间相互制约的因素后,还要能提升堆芯性能,并不是一件容易的事情。

为此科研人员花费几年的时间进行全力攻关,探索可行的燃料管理策略,终于拿出了可行的初步方案,通过了国内顶级专家评审。早期进行的初步燃料管理策略设计时,关键参数之一“组件最大燃耗”的上限值直接参考了较高标准。然而为了获得更大的安全性,国家核安全局批准的该限值更低。

面对即将来临的施工阶段,科研人员不得不推翻几年的设计心血进行重新设计。而组件最大燃耗与堆芯的另一个关键参数“核焓升因子”基本上是此消彼长的关系,想要获得一个二者皆低于限值的、经济性和安全性皆优秀的方案实在是难上加难,尤其是中心组件的燃耗很容易超过限值。此外,物理作为堆芯设计的上游专业,堆芯装载方案的改动牵一发而动全身,为了尽量减小对下游专业的影响,也不能对堆芯做出大幅度的改动。

这项工作就像是带着镣铐过独木桥,需要在参数的平衡间找到最优的布置方式。科研人员顶着“不许失败、不许超限、不许延期”的自我要求和压力,迅速攻关,在短短一个月时间的时间内,就拿出了新限值下的方案论证,在堆芯装载方案没有颠覆性调整的情况下成功地将组件最大燃耗降低到了限值以内,在安全性、经济性和对下游专业的影响下取得了完美的平衡。

「勇攀高峰」

突破堆芯在线监测关键技术

反应堆堆芯是“华龙一号”的心脏,时刻监视堆芯运行情况是确保“华龙一号”安全、经济运行的前提。开发第三代堆芯在线监测系统,立足于堆芯内部固定的探测器测量信息重构堆芯内部物理场分布,实时在线监测堆芯运行状态,是“华龙一号”研发的重要内容之一。在线监测软件系统的研发在国内没有基础,软件系统构架、物理模型建立、探测器选型、信号延迟处理、探测器布置、功率拓展……面对一个个问题,研发团队从零开始,一步一个脚印,凭借自己的智慧硬是从无到有完成了系统构架、模型建立和软件系统的开发。验证结果表明,该系统具备国际同类型软件相同的精度。

“华龙一号”选取的堆芯探测器,是在综合研究了国际主流的三代核电站的探测器使用情况并结合了“华龙一号”自身设计特点后,选取的一款最适合的探测器——铑自给能中子探测器。该探测器最大的问题是信号较反应堆实时中子通量情况有延迟,如果不消除信号的延迟,很难确保监测系统的实时性。研究人员为了突破延迟消除技术,经过了数年的集智攻关,突破了探测器延迟消除系列关键技术,性能指标与国外技术所能达到性能指标几乎一样,解决了在线监测系统堆芯内部信号实时性的问题。值得一提的是,探测器延迟消除技术,国外经历了几代人的研发积累和几百堆年的运行经验,而达到同类技术指标,研究人员在毫无经验积累的情况下,自主创新,从研发到测试再到应用,仅用了5年时间。

「未雨绸缪」

夯实物理试验数据精度

“华龙一号”全球首堆采用177堆型,后续零功率物理试验和升功率物理试验将用于检验实际建造堆芯和理论设计的一致性以及物理设计软件的准确性。同时,这些物理试验参数也是电厂安审验收及继续运行的依据,只有按照既定的试验程序,一步一步地确认验收之后,反应堆才能继续运行并提升功率。

为达到福清5号机组的顺利启动并按计划开展各项试验,尽快达到商业运行的目标,需要避免出现试验结果不满足验收准则的情形。鉴于此,设计团队人员未雨绸缪,对试验程序、分析软件和启动物理参数等进行了多方面的优化和核对工作。针对试验的各项程序,在认真学习和吸收以前成熟反应堆启动物理试验程序良好经验的基础上,结合华龙一号177堆型及系统设置的特点,有针对性的设置试验的内容和合理的试验项目的执行顺序,团队人员精益求精,不断优化升版试验规程。

 

其次,为进一步确定所采用分析计算软件的适用性和计算精度,也周全地考虑了多种方式予以验证。一方面,充分利用已运行反应堆的实测试验数据对分析软件进行回归测验,以保证计算软件的建模方法和使用是合理和准确的;另一方面,也积极利用国际上成熟的相关软件对华龙一号首堆堆芯进行物理建模、计算各项启动物理参数并与我们的试验参数结果进行深入的对比,分析各项偏差的原因,以充分佐证启动物理参数的合理性和准确性。针对启动物理试验参数,也是几易其稿,比如采用了燃料组件成品的实际燃料富集度等,使得预测计算堆芯模型尽量保持与实际建造堆芯的一致性,以提高启动物理参数的准确度。物理设计人员殚精竭虑,在项目总师、专业副总师们的带领下,团结协作、集思广益、未雨绸缪,为实现首堆安全启动和物理试验的顺利开展积极贡献应有的价值。

「高度重视」

精兵强将为现场保驾护航

如今,“华龙一号”已成为中国“一带一路”上的一张重要名片,是我国六十五年核工业发展历程上的一颗璀璨明珠,是我国核电创新发展的重大标志性成果,对于我国实现从核电大国向核电强国的历史性跨越具有重大意义。反应堆首次临界,是反应堆生命周期内最重要的关键节点之一,特别是作为“华龙一号”首堆的福清5号机组反应堆的首次临界,承载了非凡的历史意义。

为保障“华龙一号”全球首堆临界试验,核动力院积极响应集团党组“决战一百天,决胜十三五”的动员倡议,按照院所工作部署和现场试验计划,组成了现场、远程两支队伍。核动力院设计所一室主任陈长带领资深技术人员刘晓黎和唐霄作为现场技术支持组奔赴福清与现场调试人员一同倒班,主设人刘启伟、李向阳、李天涯与陈亮、肖鹏、钟旻霄、廖鸿宽和蔡云等骨干设计人员在华阳办公点24小时待命给予理论计算支援。最终,21日15时09分福清核电厂5号机组反应堆首次临界成功,堆芯临界硼浓度设计值与实测值符合非常好。这在2020年这充满挑战更是充满机遇的一年中,又树立了一座不平凡的里程碑。

“华龙一号”反应堆的设计凝结了几代核动力人的心血和努力,解决了一项又一项核电关键技术“卡脖子”的问题,使我国从技术引进国变成技术输出国,实现了我国自主三代核电技术突破,是当之无愧的“大国重器”和“国家名片”。成功临界后,核动力院将积极参与并支持后续物理试验,继续为福清5号保驾护航。



深圳核博会

图为技术


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