秦山核電廠(chǎng)全廠(chǎng)失電事故序列分析

王雞換 江琴佳

（1.中核核電運(yùn)行管理有限公司，浙江 嘉興 314300；2.萬(wàn)納神核控股集團(tuán)有限公司，浙江 嘉興 314300）

0　前言

日本福島核事故使喪失全部交流電源成為了一個(gè)焦點(diǎn)課題。一旦發(fā)生SBO，會(huì)引發(fā)軸封等泄漏，這些泄漏會(huì)主系統(tǒng)水裝量喪失，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致堆芯熔化。本文將對(duì)全廠(chǎng)失電疊加軸封破口事故進(jìn)行分析，分二次熱阱完好和喪失兩種情況，列出事故序列，為操縱員事故預(yù)判提供支持。

1　秦山核電廠(chǎng)發(fā)生SBO事故的概率分析

1.1　喪失廠(chǎng)外電概率

秦山核電廠(chǎng) 320WMe機(jī)組，考慮到降雪量（H1）、龍卷風(fēng)（H2）、暴風(fēng)雨（H3）、颶風(fēng)（H4）、鹽霧（C）及出線(xiàn)的設(shè)計(jì)（B）等方面因素，計(jì)算出嚴(yán)重氣候?qū)е率S(chǎng)外電源的概率（F1）為：

1.2　應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組失效概率

320WMe機(jī)組的廠(chǎng)內(nèi)應(yīng)急電源由三臺(tái)應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)提供，平時(shí)維持兩臺(tái)熱備用。根據(jù)秦山核電1993年到2005年的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得出320WMe機(jī)組的應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組的平均可靠性為：

F2=0.95

1.3　全廠(chǎng)失電概率

不考慮地震、海嘯，僅考慮嚴(yán)重自然災(zāi)害而導(dǎo)致喪失全部廠(chǎng)外電，同時(shí)疊加應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組啟動(dòng)失敗，引發(fā)全廠(chǎng)失電的概率為：

2　發(fā)生SBO事故后主系統(tǒng)參數(shù)變化分析 （二次熱阱完好）

2.1　主系統(tǒng)泄漏情況分析

核電廠(chǎng)發(fā)生SBO事故后，反應(yīng)堆停堆，主泵停運(yùn)，堆芯的功率主要為剩余衰變熱。

由于失去強(qiáng)迫循環(huán)，堆芯熱量導(dǎo)出只能靠自然循環(huán)。在二次側(cè)熱阱正常的情況下，主系統(tǒng)自然循環(huán)流量為6.7%的正常流量，大概能帶出滿(mǎn)功率熱量的3.5%。而衰變熱僅為滿(mǎn)功率時(shí)的3%，自然循環(huán)完全有能力帶走堆芯熱量。

圖1　歸一化功率Fig.1 Normalized powe r

圖2　主泵軸封泄漏和下泄積分流量Fig.2 Integral flow of reactor coolant pum p seal water leakage and letdown

據(jù)上所述，SBO事故后要保證堆芯安全，關(guān)鍵還是要保證一回路的自然循環(huán)、水裝量和二次側(cè)熱阱。但鑒于此時(shí)上充泵和設(shè)冷泵停運(yùn)，導(dǎo)致軸封注水和設(shè)冷水同時(shí)喪失，主泵軸密封直接與高溫高壓的反應(yīng)堆冷卻劑接觸，將在15分鐘后損壞，冷卻劑從軸封損壞處泄漏，形成LOCA。如果下泄管線(xiàn)沒(méi)有隔離，下泄泄漏也會(huì)減少冷卻劑裝量。隨著冷卻劑的持續(xù)泄漏，一回路系統(tǒng)自然循環(huán)將中止。

為了估算主泵軸封的泄漏，采用以下假設(shè)：

（1）事故發(fā)生后兩臺(tái)主泵軸封立刻失效；

（2）假設(shè)初始破口流量約為 48kg/s（兩臺(tái)泵），這個(gè)流量是主泵軸封失效后可能的最大流量；

（3）假設(shè)事故發(fā)生后，下泄通道沒(méi)有隔離，反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)仍有冷卻劑從下泄孔板處泄漏。

根據(jù)以上假設(shè)，模擬出的主泵軸封泄漏和下泄積分流量SBO發(fā)生1個(gè)小時(shí)后，總流失的冷卻劑約為73t（為主系統(tǒng)水裝量的 50%）。

2.2　主系統(tǒng)參數(shù)變化分析

由于主系統(tǒng)平均溫度下降，穩(wěn)壓器電加熱器失電和軸封、下泄的泄漏，穩(wěn)壓器壓力開(kāi)始下降。隨著壓力下降，軸封和下泄泄漏開(kāi)始減少。隨后堆芯對(duì)一回路的加熱作用，遏制了穩(wěn)壓器壓力的下降，并最終穩(wěn)定在主系統(tǒng)飽和溫度（285℃）所對(duì)應(yīng)的飽和壓力上，大概為7MPa。

SBO發(fā)生的前期，穩(wěn)壓器壓力高于主系統(tǒng)飽和壓力，堆芯沒(méi)有氣泡產(chǎn)生。在主系統(tǒng)壓力降到飽和壓力后，堆芯開(kāi)始有氣泡產(chǎn)生，上封頭有蒸汽堆積。在一小時(shí)內(nèi)，由于堆芯一直處于被淹沒(méi)狀態(tài)，主系統(tǒng)熱量由蒸發(fā)器排汽導(dǎo)出，所以燃料包殼的表面最高溫度基本與主系統(tǒng)平均溫度接近，沒(méi)有上升和惡化的趨勢(shì)。

在最為保守的工況中，1個(gè)小時(shí)內(nèi)堆芯燃料組件產(chǎn)生的衰變熱能被堆芯中水汽兩相流帶出，燃料棒包殼溫度仍保持在很低的溫度下，堆芯能夠得到有效的冷卻。因此，SBO發(fā)生1個(gè)小時(shí)內(nèi)堆芯是安全的。實(shí)際上，即使發(fā)生SBO事故，主泵的密封不可能立刻失效，失效后出現(xiàn)大的破口流量的概率也是很低的。另外，操縱員可以根據(jù)應(yīng)急操作規(guī)程，依靠蒸汽系統(tǒng)對(duì)主冷卻劑系統(tǒng)進(jìn)行快速降溫也能有效地緩解主系統(tǒng)水裝量喪失。

3　發(fā)生SBO事故后系統(tǒng)參數(shù)變化分析 （二次熱阱失效）

本次假設(shè)的SBO事故為：?jiǎn)适Я怂薪涣麟姡瑫r(shí)輔助給水不可用，并假設(shè)事故后2分鐘，主泵軸封完整性受到破壞產(chǎn)生破口。

由于主泵軸封和下泄未隔離的泄漏，主系統(tǒng)水裝量快速減少，大概在半小時(shí)內(nèi)穩(wěn)壓器排空，并在一小時(shí)左右壓力容器水位也開(kāi)始下降。

由于沒(méi)有輔助給水,蒸發(fā)器大約在一小時(shí)后被蒸干。SG被蒸干后，一回路熱量通過(guò)向軸封破口等處排放蒸汽來(lái)釋放衰變熱量。大約一小時(shí)半后堆芯開(kāi)始裸露。由于軸封破口排放的蒸汽不足以帶走堆芯的衰變熱，造成主系統(tǒng)壓力持續(xù)升高，并達(dá)到穩(wěn)壓器卸壓閥開(kāi)啟定值。通過(guò)穩(wěn)壓器卸壓閥和軸封破口的泄漏，堆芯的水位進(jìn)一步下降，大概兩小時(shí)后堆芯完全裸露。

堆芯裸露后傳熱進(jìn)一步惡化,輻射換熱成為主要的傳熱方式，燃料包殼表面的最大溫度達(dá)到1 500K,鋯合金與飽和蒸汽發(fā)生劇烈反應(yīng),產(chǎn)生的大量氧化熱進(jìn)一步加劇了堆芯溫度的上升。

波動(dòng)管在熾熱蒸汽的作用下會(huì)發(fā)生蠕變破裂，一回路壓力急劇下降,避免了高壓熔堆。一回路壓力下降后，安注箱從堆芯入口處注入大量的冷卻水，壓力容

器內(nèi)水位上升到堆芯頂部以上。隨著安注箱的排空和冷卻劑的蒸發(fā)流失，壓力容器水位再次快速下降，堆芯完全裸露。由于鋯水反應(yīng)產(chǎn)生出大量的氧化熱，導(dǎo)致安全注射并不能冷卻正在熔化的堆芯，最終堆芯會(huì)坍塌至下腔室并熔穿下封頭。約一周左右時(shí)安全殼超壓失效，向環(huán)境急劇釋放放射性裂變產(chǎn)物。隨后隨著安全殼內(nèi)壓力降低，轉(zhuǎn)入后期釋放，且釋放速度越來(lái)越慢。

4　緩解措施分析

對(duì)于小破口事故，盡早向蒸發(fā)器注水能夠有效控制主系統(tǒng)壓力并帶走衰變熱，能減少主系統(tǒng)水裝量的損失，從而緩解事故。

一回路盡早啟動(dòng)降壓也能有效的緩解事故，但前提條件是能通過(guò)蒸發(fā)器控制主系統(tǒng)溫度，避免因?yàn)榭焖俳祲憾鴮?dǎo)致堆芯沸騰。

降低主系統(tǒng)壓力后及時(shí)投入安注箱，確保安注箱的濃硼酸注入堆芯。四個(gè)安注箱有80M3的水容積，能補(bǔ)充主系統(tǒng)在15MPa壓力下一小時(shí)的最大泄漏量。

5　結(jié)論

要盡早投入SBO軸封注水泵。發(fā)生SBO事故后，在軸封損壞前投入軸封注水泵（15分鐘之內(nèi)），不但能防止主泵軸封損壞形成LOCA，并能補(bǔ)償下泄的部分泄漏維持主系統(tǒng)水裝量。

事故過(guò)程中必須盡可能節(jié)省蓄電池的電量，目前秦山320MWe機(jī)組蓄電池的供電能力為一小時(shí)，如果操縱員切除二回路負(fù)荷，蓄電池的供電能力也大概僅為一小時(shí)二十分鐘左右。操縱員要及時(shí)切除不必要的負(fù)荷。發(fā)生SBO事故后，重要的儀表控制信號(hào)的電力均來(lái)自于蓄電池，一旦蓄電池電力耗盡，將無(wú)法監(jiān)視和控制系統(tǒng)狀態(tài)，后續(xù)的干預(yù)、處理及事故應(yīng)急就沒(méi)有依據(jù)。

廠(chǎng)內(nèi)或廠(chǎng)外電力恢復(fù)后，操縱員應(yīng)第一時(shí)間啟動(dòng)安全注射，恢復(fù)主系統(tǒng)水裝量，淹沒(méi)堆芯。

【參考文獻(xiàn)】

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