WSMR非能動(dòng)安全系統(tǒng)在全廠斷電事故下的事故緩解能力分析

陳 鈞，繆惠芳*，李卓成，石興偉

(1.廈門大學(xué)能源學(xué)院，福建 廈門 361102；2.生態(tài)環(huán)境部核與輻射安全中心，北京 100082)

小型模塊化反應(yīng)堆(指電功率小于300 MW的反應(yīng)堆，以下簡(jiǎn)稱小堆)憑借初期成本低、建造周期短、電廠布置靈活以及用途廣等特點(diǎn)，獲得了廣泛的關(guān)注[1].先進(jìn)的小堆采用將反應(yīng)堆主要系統(tǒng)部件布置于壓力容器內(nèi)的一體化結(jié)構(gòu)，大量采用非能動(dòng)安全設(shè)計(jì)，最大限度地減少運(yùn)行所需的主要零部件，從設(shè)計(jì)上消除了一些特定的事故(如大管道破裂導(dǎo)致的冷卻劑喪失事故)，從而顯著提升了反應(yīng)堆的固有安全性[1-2].

近年來，國(guó)際上提出了多種先進(jìn)的小堆設(shè)計(jì)[3]，且相關(guān)的安全分析也正在逐步開展.西屋公司提出了WSMR(Westinghouse small modular reactor)的設(shè)計(jì)概念[4]，其單堆熱功率為800 MW(電功率大于225 MW)，并對(duì)WSMR在設(shè)計(jì)事故下的系統(tǒng)響應(yīng)進(jìn)行了初步安全分析[5].由韓國(guó)研發(fā)的先進(jìn)系統(tǒng)集成式模塊化反應(yīng)堆(system-integrated modular advanced reactor,SMART)的設(shè)計(jì)已經(jīng)完成[6]，單堆電功率為100 MW，且其反應(yīng)堆系統(tǒng)安全已經(jīng)通過評(píng)估與審核[7]，此外，還對(duì)多種設(shè)計(jì)事故進(jìn)行了模擬和分析(如小破口冷卻劑喪失事故和主回路系統(tǒng)超壓事故)[8-9].由Babcock & Wilcox公司開發(fā)的mPower先進(jìn)小型模塊化反應(yīng)堆的擴(kuò)展性與應(yīng)用性分析也正在進(jìn)行，其設(shè)計(jì)采用的“雙胞胎機(jī)組”(twin-pack set)電功率可達(dá)390 MW[10].與此同時(shí)，中國(guó)也提出了基于HTR-10反應(yīng)堆的球床模塊式高溫氣冷堆HTR-PM的概念[11]，并進(jìn)行了相關(guān)研究和開發(fā)工作，如熱工水力瞬態(tài)研究等[12].

雖然小堆在設(shè)計(jì)和研發(fā)上已經(jīng)取得了一定的成果，但是反應(yīng)堆的技術(shù)變革、安全性與經(jīng)濟(jì)性等問題仍是小堆發(fā)展面臨的巨大挑戰(zhàn)[13].因此在小堆實(shí)現(xiàn)商業(yè)化之前，應(yīng)對(duì)其進(jìn)行全面的安全性評(píng)估，尤其是對(duì)于一系列可能對(duì)反應(yīng)堆造成嚴(yán)重事故后果的事件，全面的安全分析有助于緩解措施的制定以及緊急事故應(yīng)對(duì)能力的提升.其中，全廠斷電事故是可能引發(fā)嚴(yán)重核事故從而導(dǎo)致堆芯損傷的重要事件之一.在傳統(tǒng)大型壓水堆中，常采用對(duì)反應(yīng)堆主回路進(jìn)行卸壓注水的策略來應(yīng)對(duì)全廠斷電事故，從而避免高壓熔堆的發(fā)生[14-15].但由于小堆與傳統(tǒng)壓水堆之間存在概念和設(shè)計(jì)上的差異，兩者在發(fā)生全廠斷電事故時(shí)的系統(tǒng)響應(yīng)和事故進(jìn)程可能存在顯著差異.

盡管各國(guó)已經(jīng)提出了多種小堆概念且進(jìn)行了相關(guān)研究，然而有關(guān)小堆的非能動(dòng)安全系統(tǒng)在全廠斷電事故下的具體研究還十分稀缺，關(guān)于特定非能動(dòng)安全設(shè)備的敏感性分析更是幾乎空白.因此，本研究以WSMR為研究對(duì)象，以全廠斷電事故為基礎(chǔ)事故序列，研究非能動(dòng)安全系統(tǒng)在全廠斷電事故下的事故緩解能力，并針對(duì)堆芯補(bǔ)水箱的有效運(yùn)行數(shù)量以及重新啟用時(shí)間進(jìn)行敏感性分析，研究其對(duì)事故進(jìn)程的影響.本研究結(jié)果可為相關(guān)小堆嚴(yán)重事故管理導(dǎo)則的制定和改進(jìn)提供參考，從而增強(qiáng)小堆對(duì)全廠斷電事故的應(yīng)對(duì)能力，同時(shí)有利于深化對(duì)模塊化小堆的非能動(dòng)安全系統(tǒng)的理解，有助于相關(guān)反應(yīng)堆安全設(shè)計(jì)的改進(jìn).

1 模型與假設(shè)

1.1 WSMR及其非能動(dòng)安全系統(tǒng)

本文的研究對(duì)象為西屋公司設(shè)計(jì)開發(fā)的WSMR，這是一種采用非能動(dòng)安全系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一體式小型模塊化壓水堆.如圖1所示，WSMR將其反應(yīng)堆主要部件集中安置在壓力容器內(nèi)，包括蒸汽發(fā)生器、穩(wěn)壓器、主冷卻劑泵以及控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，熱功率為800 MW(電功率>225 MW)[16].WSMR設(shè)有8個(gè)主冷卻劑泵，能夠提供4 819.0 kg/s強(qiáng)制循環(huán)流量.穩(wěn)壓器內(nèi)置于壓力容器上方空間，其上方設(shè)有安全閥，在系統(tǒng)壓強(qiáng)超過其設(shè)定值(17.0 MPa)后會(huì)自動(dòng)開啟.蒸汽發(fā)生器采用一次通過式設(shè)計(jì)，并將汽水分離功能設(shè)置在反應(yīng)堆外部的蒸汽鼓中，從而有效縮小了設(shè)備尺寸，使整個(gè)系統(tǒng)更為緊湊.

圖1 WSMR的反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)與非能動(dòng)安全系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic drawing of the WSMR’s reactor coolant system and passive safety system

WSMR的非能動(dòng)安全系統(tǒng)設(shè)計(jì)與AP1000類似[5]，其主要部件包括：4個(gè)獨(dú)立堆芯補(bǔ)水箱、安全殼內(nèi)水池及水箱、自動(dòng)卸壓系統(tǒng)、安全殼外水池以及2個(gè)外置最終熱阱水箱[17].其中堆芯補(bǔ)水箱帶有內(nèi)置余熱移除熱交換器，并通過管線與外部最終熱阱水箱相連，從而使其具有獨(dú)立的余熱移除能力.這些安全設(shè)施旨在利用自然循環(huán)移除反應(yīng)堆衰變熱，以確保足夠的堆芯冷卻能力.非能動(dòng)安全系統(tǒng)不需要手動(dòng)操作執(zhí)行，從而降低了事故工況下的人因失誤.由自然循環(huán)所驅(qū)動(dòng)的非能動(dòng)安全系統(tǒng)不需要泵、渦輪、柴油發(fā)電機(jī)等，只需要幾個(gè)自動(dòng)觸發(fā)開關(guān)的閥門，從而提高了系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性，減少了由電源或機(jī)械故障引起的事故[18].Zhang等[19]進(jìn)行了與WSMR相關(guān)的安全分析，并利用RELAP5程序?qū)SMR的熱工水力模型和非能動(dòng)安全系統(tǒng)模型進(jìn)行了驗(yàn)證，本研究所使用的相關(guān)參數(shù)與其一致.

1.2 MELCOR模型

MELCOR是由美國(guó)圣地亞國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(Sandia National Laboratories，SNL)開發(fā)的一款用于輕水式核反應(yīng)堆嚴(yán)重事故分析的工程應(yīng)用計(jì)算機(jī)程序，可用于模擬輕水式核反應(yīng)堆的嚴(yán)重事故進(jìn)程及后果，并監(jiān)測(cè)反應(yīng)堆中裂變產(chǎn)物的遷移和釋放行為[20].由于其優(yōu)良的計(jì)算性能以及較高的計(jì)算精度，MELCOR程序被核能企業(yè)、研究單位及監(jiān)管部門廣泛使用.因此，本研究采用MELCOR程序建立WSMR及其非能動(dòng)安全系統(tǒng)模型，分析其非能動(dòng)安全系統(tǒng)在全廠斷電事故下的事故緩解能力.

WSMR的MELCOR節(jié)點(diǎn)劃分如圖2所示，主要包括安全殼、主冷卻劑系統(tǒng)、主蒸汽系統(tǒng)和非能動(dòng)安全系統(tǒng)幾個(gè)部分.主冷卻劑系統(tǒng)被劃分為堆芯區(qū)域(CV114)、下封頭區(qū)域(CV110)、上腔室區(qū)域(CV118、CV121、CV123)、下降段區(qū)域(CV100)、上升段區(qū)域(CV120)、穩(wěn)壓器(CV122)以及蒸汽發(fā)生器一次側(cè)(CV88)等，其中蒸汽發(fā)生器高度為11.70～18.82 m(相對(duì)于水平面高度);主蒸汽系統(tǒng)包括蒸汽發(fā)生器二次側(cè)(CV209)、主給水模塊(CV213)、蒸汽鼓(CV265)以及蒸汽出口(CV290)等;非能動(dòng)安全系統(tǒng)包括安全殼內(nèi)水池(CV701)、內(nèi)水池水箱(CV703)以及堆芯補(bǔ)水箱(CV440)等.需要說明的是，一共有2個(gè)安全殼內(nèi)水池(CV701、CV702)、2個(gè)內(nèi)水池水箱(CV703、CV704)和4個(gè)堆芯補(bǔ)水箱(CV440、CV450、CV540、CV550)，為了簡(jiǎn)化示意圖，均僅畫出其中一個(gè).MELCOR模型中的控制體模塊由流道相連，其主要流道包括壓力平衡管線、壓力容器直接注入管線以及安全殼內(nèi)水池注入管線等.而MELCOR模型中的熱交換計(jì)算由熱構(gòu)件實(shí)現(xiàn)，主要的熱構(gòu)件在圖中以矩形塊表示.MELCOR模型中的閥門則由帶有控制函數(shù)模塊的流道來控制開關(guān)，主要閥門包括自動(dòng)卸壓系統(tǒng)閥和動(dòng)力卸壓閥等.

圖2 WSMR的MELCOR節(jié)點(diǎn)劃分示意圖Fig.2 The MELCOR nodalization diagram of the WSMR

為了準(zhǔn)確模擬嚴(yán)重事故進(jìn)程中堆芯熔化等復(fù)雜現(xiàn)象，在WSMR的MELCOR模型中對(duì)其堆芯區(qū)域進(jìn)行了詳細(xì)的節(jié)點(diǎn)劃分，如圖3所示.其中在軸向按照高度劃分為14個(gè)軸向?qū)?，?～4層代表下封頭區(qū)域，第5層代表下部支撐板，第6～13層代表堆芯活性區(qū)域，第14層代表上部支撐結(jié)構(gòu)；在徑向按照功率分布劃分為4個(gè)徑向環(huán)，由內(nèi)到外分別為1～4號(hào)環(huán).

1.3 基礎(chǔ)事故序列及假設(shè)

選取全廠斷電事故為基礎(chǔ)事故序列，在事故瞬態(tài)分析中，假設(shè)：1) 在0 s時(shí)發(fā)生全廠斷電事故，2) 所有非能動(dòng)安全設(shè)施失效，3) 事故過程中全程無人為干預(yù).

在非能動(dòng)安全系統(tǒng)事故緩解能力分析中，假設(shè)：1) 在0 s時(shí)發(fā)生全廠斷電事故，2) 非能動(dòng)安全系統(tǒng)正常響應(yīng)，3) 事故過程中全程無人為干預(yù).

在堆芯補(bǔ)水箱敏感性分析中，假設(shè)：1) 在0 s時(shí)發(fā)生全廠斷電事故，2) 除堆芯補(bǔ)水箱及其內(nèi)置非能動(dòng)余熱移除熱交換器外的其余非能動(dòng)安全設(shè)施全部失效，3) 事故過程中全程無人為干預(yù).

2 結(jié)果與討論

2.1 模型穩(wěn)態(tài)驗(yàn)證

本節(jié)對(duì)WSMR的MELCOR模型進(jìn)行了穩(wěn)態(tài)計(jì)算以評(píng)估模型的可靠性，事故發(fā)生前的初始運(yùn)行狀態(tài)對(duì)后續(xù)事故進(jìn)程有很大的影響，穩(wěn)態(tài)運(yùn)行參數(shù)的準(zhǔn)確性表明了模型的可靠性，是后續(xù)瞬態(tài)分析的基礎(chǔ).在WSMR模型的穩(wěn)態(tài)驗(yàn)證中，關(guān)鍵參數(shù)的計(jì)算值和設(shè)計(jì)值如表1所示.計(jì)算結(jié)果表明，MELCOR模型的計(jì)算值與設(shè)計(jì)值吻合良好，且誤差在可接受的范圍內(nèi)，因此使用穩(wěn)態(tài)計(jì)算結(jié)果作為瞬態(tài)計(jì)算的初始條件是合理的.

表1 穩(wěn)態(tài)參數(shù)與設(shè)計(jì)參數(shù)的對(duì)比

2.2 全廠斷電事故瞬態(tài)分析

圖4 全廠斷電事故下的主冷卻劑流量(a)、主回路壓強(qiáng)(b)、蒸汽發(fā)生器水位(c)、堆芯水位(d)、包殼最高溫度(e)和燃料芯塊最高溫度(f)Fig.4 Primary system coolant flow rate (a),primary system pressure (b),steam generator water level (c),core water level (d),the highest temperature of the cladding (e),the highest temperature of the fuel pellet (f) under station blackout accident

全廠斷電事故發(fā)生以后，反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)發(fā)出信號(hào)釋放控制棒，使其依靠重力自由下落插入堆芯，從而快速停止核反應(yīng).與此同時(shí)，主冷卻劑泵、二次側(cè)主給水泵以及再循環(huán)泵由于失電而惰轉(zhuǎn)，導(dǎo)致主回路冷卻劑流量迅速下降(圖4(a))，堆芯余熱由自然循環(huán)繼續(xù)通過蒸汽發(fā)生器移除.由于堆芯產(chǎn)熱大幅下降，且二次側(cè)熱阱在事故發(fā)生初期還未喪失，所以事故早期主回路內(nèi)堆芯產(chǎn)熱速率不及移熱速率，使主回路壓強(qiáng)在短期內(nèi)下降(圖4(b)).二次側(cè)失去給水后，蒸汽鼓下方閥門自動(dòng)打開，對(duì)蒸汽發(fā)生器進(jìn)行重力補(bǔ)水以維持換熱，使蒸汽發(fā)生器水位在事故早期上升，但由于缺乏額外的補(bǔ)水措施，所以蒸汽鼓內(nèi)水量被耗盡后，蒸汽發(fā)生器水位開始逐漸下降并在3.5 ks時(shí)完全蒸干(圖4(c)).隨著二次側(cè)熱阱的完全喪失，堆芯余熱無法被移除，導(dǎo)致主回路壓強(qiáng)快速回升.如表2所示：在6.9 ks時(shí)，主回路壓強(qiáng)上升至穩(wěn)壓器安全閥設(shè)定值，觸發(fā)安全閥開啟;隨后主回路壓強(qiáng)在安全閥設(shè)定值附近不斷波動(dòng)，同時(shí)主回路內(nèi)冷卻劑不斷蒸發(fā)，導(dǎo)致堆芯水位開始下降.在28.0 ks時(shí)，堆芯水位下降至堆芯活性區(qū)頂部，堆芯開始裸露(圖4(d)).在35.2 ks 時(shí)，堆芯完全裸露.此處選取溫度最高的堆芯節(jié)點(diǎn)為代表作圖，其包殼溫度與燃料芯塊溫度變化如圖4(e)和(f)所示.隨著堆芯逐漸喪失冷卻，包殼溫度急劇升高，在49.8 ks時(shí)，包殼溫度上升至1 477 K，表明包殼開始失效，燃料棒內(nèi)部的部分放射性產(chǎn)物開始由包殼裂縫泄漏至回路中.與此同時(shí)，高溫鋯合金與高溫蒸汽發(fā)生鋯水反應(yīng)產(chǎn)生大量氫氣和熱，加速包殼失效并顯著提升芯塊溫度.由鋯水反應(yīng)所產(chǎn)生的氫氣將積聚在安全殼中，且當(dāng)其濃度達(dá)到一定水平時(shí)可能引發(fā)氫氣爆炸，對(duì)安全殼的完整性構(gòu)成嚴(yán)重威脅.在53.1 ks時(shí)，堆芯溫度驟降為零，表明堆芯發(fā)生坍塌失效.

表2 關(guān)鍵事件發(fā)生時(shí)間點(diǎn)

2.3 非能動(dòng)安全系統(tǒng)事故緩解能力分析

在全廠斷電事故發(fā)生后33 s，隨主回路壓強(qiáng)下降至11.72 MPa，非能動(dòng)安注信號(hào)被觸發(fā)，堆芯補(bǔ)水箱內(nèi)的含硼冷卻水將隨著堆芯補(bǔ)水箱下方閥門的開啟，經(jīng)由壓力容器直接注入管線注入至主回路下降段中，進(jìn)而流入堆芯.直接注入管線流量如圖5(a)所示，在初始安注階段，由于冷卻水的低溫和高密度，冷卻水在較大的壓差下注入，所以初始注水流量較大，在自然循環(huán)逐漸建立以后，安注流量逐漸下降并趨于穩(wěn)定.注入主回路的冷卻水迅速吸收堆內(nèi)大量余熱，使主回路堆芯入口處冷卻劑的溫度大幅下降(圖5(b))，最低溫度降至470 K.與此同時(shí)，主回路壓強(qiáng)也快速下降至6 MPa 左右(圖5(c)).注入的冷卻水流經(jīng)堆芯以后快速吸熱升溫，而后轉(zhuǎn)而向上通過上升段，經(jīng)由壓力平衡管線從上方流回堆芯補(bǔ)水箱中，由此在主冷卻劑系統(tǒng)和堆芯補(bǔ)水箱之間形成自然循環(huán).流回堆芯補(bǔ)水箱內(nèi)溫度較高的冷卻劑在非能動(dòng)余熱移除熱交換器的作用下，將熱量傳遞至反應(yīng)堆外部的最終熱阱水箱中.此處選取燃料芯塊中心節(jié)點(diǎn)溫度作圖，結(jié)果如圖5(d)所示.由于非能動(dòng)安全系統(tǒng)的及時(shí)響應(yīng)，堆芯補(bǔ)水箱在事故發(fā)生后短時(shí)間內(nèi)便對(duì)主回路進(jìn)行安注，此時(shí)堆芯仍處于淹沒狀態(tài)，所以堆芯始終維持在較低的溫度.余熱通過自然循環(huán)不斷被移除，主回路內(nèi)溫度與壓強(qiáng)逐漸趨于穩(wěn)定，全廠斷電事故得到有效緩解.

由以上分析可知，在非能動(dòng)安全系統(tǒng)正常響應(yīng)的情況下，在全廠斷電事故發(fā)生以后，余熱能夠在堆芯補(bǔ)水箱補(bǔ)水以及余熱移除熱交換器的共同作用下持續(xù)被移除，從而快速緩解事故，并保證了堆芯的長(zhǎng)期冷卻.

圖5 在非能動(dòng)安全系統(tǒng)緩解下的直接注入管線流量(a)、主回路冷卻劑溫度(b)、主回路壓強(qiáng)(c)和燃料芯塊中心溫度(d)Fig.5 Direct vessel injection line flow rate (a),primary system coolant temperature (b),primary system pressure (c) and central temperature of the fuel pellet (d) under the passive safety system mitigation

2.4 堆芯補(bǔ)水箱的敏感性分析

由上述分析可知，在全廠斷電事故下，堆芯補(bǔ)水箱對(duì)于事故的緩解起到十分關(guān)鍵的作用.有效投入運(yùn)行的堆芯補(bǔ)水箱數(shù)量直接影響到其所能提供的冷卻水量，以及可調(diào)用的余熱移除熱交換器數(shù)量，從而間接地對(duì)余熱移除效率及事故進(jìn)程造成影響.由于全廠斷電造成的早期二次側(cè)給水喪失，蒸汽發(fā)生器將在短期內(nèi)干涸.二次側(cè)熱阱的喪失使余熱僅能通過主回路與堆芯補(bǔ)水箱之間的自然循環(huán)移除.然而，較低的余熱移除效率可能無法及時(shí)將堆芯衰變熱完全移至堆外，導(dǎo)致事故無法得到緩解.實(shí)際過程中，可能由于各種原因，堆芯補(bǔ)水箱不能及時(shí)響應(yīng)或者只有部分堆芯補(bǔ)水箱可以正常工作，這種情況下的事故緩解能力還需要進(jìn)一步研究.因此，本節(jié)將在假設(shè)除堆芯補(bǔ)水箱及其內(nèi)置非能動(dòng)余熱移除熱交換器外的其余非能動(dòng)安全設(shè)施全部失效的條件下，對(duì)堆芯補(bǔ)水箱的有效運(yùn)行數(shù)量和不同啟用時(shí)間進(jìn)行敏感性分析.

2.4.1 不同堆芯補(bǔ)水箱數(shù)量

本節(jié)對(duì)開啟1個(gè)和2個(gè)堆芯補(bǔ)水箱的事故進(jìn)程進(jìn)行分析，結(jié)果如圖6所示.在只有1個(gè)堆芯補(bǔ)水箱有效運(yùn)行的情況下，在事故前期階段提供了一定的余熱移除能力，在一定時(shí)間內(nèi)有效地將堆內(nèi)溫度維持在較低水平.但僅1個(gè)非能動(dòng)余熱移除熱交換器無法提供足夠的熱移除效率(即堆芯產(chǎn)熱速率大于堆芯移熱速率)，導(dǎo)致主回路冷卻劑儲(chǔ)量不斷減少，堆芯水位從90.4 ks開始下降(圖6(a))，堆芯開始裸露的時(shí)間相較于沒有堆芯補(bǔ)水箱時(shí)延遲了約62.4 ks.在144.0 ks時(shí)堆芯完全裸露，比沒有堆芯補(bǔ)水箱時(shí)延遲了約108.8 ks.在2個(gè)堆芯補(bǔ)水箱有效運(yùn)行的情況下，由于2個(gè)堆芯補(bǔ)水箱提供了更大的注水量，且2個(gè)非能動(dòng)余熱移除熱交換器提供了足夠的余熱移除效率(即堆芯移熱速率大于堆芯產(chǎn)熱速率)，所以堆芯全程處于淹沒狀態(tài)，并且保持了堆芯的長(zhǎng)期冷卻.此處分別選取溫度最高的堆芯節(jié)點(diǎn)為代表作圖，其燃料芯塊溫度變化如圖6(b)所示.在1個(gè)堆芯補(bǔ)水箱有效運(yùn)行的情況下，由于余熱移除效率不足，堆芯發(fā)生裸露后逐漸喪失冷卻，在151.7 ks時(shí)堆芯坍塌，比沒有堆芯補(bǔ)水箱時(shí)延遲了約98.6 ks；而在2個(gè)堆芯補(bǔ)水箱有效運(yùn)行的情況下，由于堆芯始終處于淹沒狀態(tài)，所以堆芯溫度始終維持在600 K左右.

由以上分析可知，在其余非能動(dòng)安全設(shè)施全部失效的情況下，當(dāng)全廠斷電事故發(fā)生時(shí)，至少需要2個(gè)有效運(yùn)行的堆芯補(bǔ)水箱才能夠有效緩解事故，并保證堆芯的冷卻；僅依靠1個(gè)堆芯補(bǔ)水箱無法緩解事故，堆芯最終仍將失效，但可以大幅延遲事故進(jìn)程，從而為恢復(fù)電力提供充裕的時(shí)間.

圖6 不同數(shù)量堆芯補(bǔ)水箱有效運(yùn)行情況下的堆芯水位(a)和燃料芯塊最高溫度(b)Fig.6 Core water level (a) and the highest temperature of the fuel pellet (b) when different numbers of the core makeup tanks are operating normally

2.4.2 不同啟用時(shí)間

圖7 在不同時(shí)間重新啟用堆芯補(bǔ)水箱時(shí)的堆芯水位(a)和燃料芯塊最高溫度(b)Fig.7 Core water level (a) and the highest temperature of the fuel pellet (b) when the core makeup tanks are reinvested at different times

以上對(duì)堆芯補(bǔ)水箱有效運(yùn)行數(shù)量的敏感性分析的前提為：在事故初期時(shí)堆芯補(bǔ)水箱即能夠在非能動(dòng)安注信號(hào)觸發(fā)后及時(shí)啟用.實(shí)際情況下，可能存在閥門無法打開或其他未知原因而導(dǎo)致堆芯補(bǔ)水箱無法在信號(hào)發(fā)出的第一時(shí)間作出響應(yīng).因此，若考慮4個(gè)堆芯補(bǔ)水箱能夠在事故進(jìn)程中被重新啟用，不同的啟用時(shí)間將對(duì)事故進(jìn)程造成重要影響.圖7為在不同時(shí)間重新啟用堆芯補(bǔ)水箱的堆芯水位與燃料芯塊最高溫度變化，此處分別選取溫度最高的堆芯節(jié)點(diǎn)為代表作圖，以燃料芯塊是否失效作為判據(jù)進(jìn)行敏感性分析.若在20.0 ks時(shí)重新啟用堆芯補(bǔ)水箱，由于此時(shí)堆芯水位還未下降，堆芯仍處于淹沒狀態(tài)，所以在重新啟用堆芯補(bǔ)水箱后，堆芯水位全程保持不變.由于堆芯補(bǔ)水箱內(nèi)冷卻水溫度較低，在其對(duì)主回路注水以后，燃料芯塊最高溫度迅速下降至500 K左右并維持穩(wěn)定，該情況下堆芯始終處于冷卻狀態(tài).若在28.0 ks時(shí)重新啟用堆芯補(bǔ)水箱，此時(shí)堆芯剛開始裸露，因此圖中可觀察到堆芯水位小幅下降，之后隨堆芯補(bǔ)水箱的重新啟用而迅速被冷卻水補(bǔ)充，并在之后的過程中保持不變.由于堆芯剛開始裸露便進(jìn)行了注水，此時(shí)燃料芯塊最高溫度并未發(fā)生明顯上升，所以燃料芯塊最高溫度同樣下降至500 K左右后不再變化.若在35.2 ks時(shí)重新啟用堆芯補(bǔ)水箱，此時(shí)堆芯剛剛完全裸露，燃料芯塊已經(jīng)開始逐漸升溫.隨堆芯補(bǔ)水箱的重新啟用，堆內(nèi)水量迅速得到補(bǔ)充，堆芯快速恢復(fù)至淹沒狀態(tài).雖然燃料芯塊最高溫度已上升至900 K左右，但在冷卻水注入以后，芯塊得到冷卻并迅速降溫，且在長(zhǎng)期過程中保持穩(wěn)定.若在52.5 ks時(shí)重新啟用堆芯補(bǔ)水箱，此時(shí)堆芯已經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間裸露，芯塊最高溫度已經(jīng)上升至1 750 K左右，包殼已經(jīng)失效，且上方的部分燃料已經(jīng)開始熔化，但尚未坍塌，因此堆芯內(nèi)部結(jié)構(gòu)未被破壞.隨堆芯補(bǔ)水箱的重新啟用，燃料外部得到迅速冷卻，但芯塊內(nèi)部的降溫速率低于外部，因此圖中芯塊最高溫度迅速下降后的穩(wěn)定溫度高于500 K.在該情況下，堆芯結(jié)構(gòu)未發(fā)生損壞，堆芯補(bǔ)水箱的重新啟用保證了堆芯結(jié)構(gòu)的完整性.若在53.0 ks時(shí)重新啟用堆芯補(bǔ)水箱，此時(shí)水位變化與在52.5 ks時(shí)的情況類似，然而在該情況下燃料芯塊最高溫度在短時(shí)間內(nèi)迅速上升后驟降為零，表明堆芯在堆芯補(bǔ)水箱重新啟用之前已經(jīng)發(fā)生坍塌，堆芯結(jié)構(gòu)完整性遭到破壞.結(jié)合上述分析可知，若要保持堆芯完整性，避免堆芯結(jié)構(gòu)損壞，重新啟用堆芯補(bǔ)水箱的時(shí)間應(yīng)不晚于52.5 ks.

3 結(jié) 論

本研究利用嚴(yán)重事故分析程序MELCOR對(duì)WSMR及其非能動(dòng)安全系統(tǒng)進(jìn)行建模，分析其非能動(dòng)安全系統(tǒng)在全廠斷電事故下的事故緩解能力，著重探討堆芯補(bǔ)水箱的事故緩解作用，并針對(duì)堆芯補(bǔ)水箱的有效運(yùn)行數(shù)量與不同啟用時(shí)間進(jìn)行了敏感性分析.分析計(jì)算結(jié)果表明：全廠斷電事故會(huì)導(dǎo)致堆芯冷卻能力下降，從而造成堆芯坍塌失效，進(jìn)一步對(duì)安全殼的完整性造成重大威脅；而非能動(dòng)堆芯補(bǔ)水箱能夠?yàn)榉磻?yīng)堆提供額外的冷卻劑，并與主回路建立自然循環(huán)，利用余熱移除熱交換器將堆芯余熱移至堆外最終熱阱水箱中，從而快速緩解事故并保證堆芯的長(zhǎng)期冷卻.對(duì)堆芯補(bǔ)水箱的敏感性分析結(jié)果表明：在其余非能動(dòng)安全設(shè)施全部失效的情況下，至少需要2個(gè)正常運(yùn)行的堆芯補(bǔ)水箱才能避免堆芯失效，僅依靠1個(gè)堆芯補(bǔ)水箱無法最終緩解全廠斷電事故，但可以大幅延遲事故進(jìn)程，從而為恢復(fù)電力提供充裕時(shí)間；若考慮在事故進(jìn)程中重新啟用堆芯補(bǔ)水箱以保證堆芯結(jié)構(gòu)完整性，避免堆芯坍塌，其重啟時(shí)間應(yīng)不晚于52.5 ks.本文的研究結(jié)果有助于指導(dǎo)制定與改進(jìn)小堆相關(guān)嚴(yán)重事故管理導(dǎo)則，從而增強(qiáng)小堆對(duì)全廠斷電事故的應(yīng)對(duì)能力，同時(shí)有利于深化對(duì)小堆非能動(dòng)安全系統(tǒng)的理解，幫助改進(jìn)相關(guān)反應(yīng)堆安全設(shè)計(jì).