華龍一號余熱排出系統(tǒng)破口事故分析

盛美玲，丘錦萌，唐 輝，楊志義

（1.華龍國際核電技術(shù)有限公司，北京 100036；2.生態(tài)環(huán)境部核與輻射安全中心，北京 100082）

反應(yīng)堆停堆后，堆芯的剩余功率發(fā)出的熱量在很長一段時間內(nèi)仍需要被帶出。在正常停堆冷卻的第二階段，余熱排出系統(tǒng)（RHR）將堆芯熱量傳到設(shè)備冷卻水系統(tǒng)和重要廠用水系統(tǒng)，使反應(yīng)堆堆芯溫度降低至冷停堆溫度。在余熱排出系統(tǒng)接入階段或運行期間，若余排管線發(fā)生破口事故，一回路冷卻劑喪失，在操作人員不及時采取補水、恢復(fù)余熱排出功能及隔離破口等措施的情況下，可能會嚴(yán)重影響反應(yīng)堆的安全［1］。

針對余熱排出系統(tǒng)冷卻劑喪失事故的研究有很多，主要集中在半管運行（主要是在維修冷停堆階段）時余熱排出系統(tǒng)喪失［2-5］的工況。該工況下會出現(xiàn)堆芯熱量無法導(dǎo)出和空氣進(jìn)入余排泵吸入管線對泵造成損壞的狀況。而針對在單相或兩相冷停堆期間，余熱排出系統(tǒng)接入一回路且主管道滿水運行時，余熱排出系統(tǒng)發(fā)生破口事故導(dǎo)致冷卻劑喪失的影響分析較少。《核動力廠設(shè)計安全規(guī)定》（HAF 102—2016）［6］針對設(shè)計基準(zhǔn)事故指出，電廠必須返回到安全狀態(tài)，即需要保證堆芯長期導(dǎo)出余熱，這對余熱排出系統(tǒng)的整個運行周期都提出了更高的要求。因此，我們需要全面評估余熱排出系統(tǒng)在接入階段發(fā)生事故時的安全性和可運行性。

根據(jù)國內(nèi)三代核電機組的設(shè)計特性，余熱排出系統(tǒng)故障或失效會造成安全殼外一回路冷卻劑喪失的事故，使放射性物質(zhì)釋放到環(huán)境中［7］。因此，設(shè)計人員需要對余熱排出系統(tǒng)在安全殼外的管線發(fā)生破口進(jìn)行分析，并使設(shè)計方案有效隔離破口。

本文針對華龍一號的余熱排出系統(tǒng)在停堆期間發(fā)生的破口事故工況進(jìn)行分析，驗證余熱排出系統(tǒng)在接入階段發(fā)生破口事故時的設(shè)計方案是否滿足要求。

1 余熱排出系統(tǒng)描述

華龍一號的余熱排出系統(tǒng)（RHR）設(shè)置了獨立的兩個系列從一回路的兩個環(huán)路的熱段取水，分別通過一臺泵和一個熱交換器后，返回至一回路的兩個環(huán)路的冷段（交叉環(huán)路取水和回水），RHR流程如圖1所示。

圖1 余熱排出系統(tǒng)流程簡圖Fig.1 Flow diagram of residual heat removal system

在余熱排出系統(tǒng)與一回路熱段相連的取水管線上設(shè)有一回路壓力邊界隔離閥0001VP∕0002VP，以及一回路壓力邊界隔離閥兼安全殼隔離閥0003VP∕0004VP，安全殼外設(shè)置安全殼隔離閥0005VP∕0006VP，這6個閥門均是電動隔離閥。每一列余熱排出管線設(shè)置一臺余排泵0001PO∕0002PO和一臺熱交換器0003RF∕0004RF。在余熱排出系統(tǒng)與一回路冷段相連的回水管線上設(shè)置有安全殼隔離閥0007VP∕0008VP和安全殼內(nèi)的止回閥0009VP∕0010VP。

反應(yīng)堆正常運行時，余熱排出系統(tǒng)與一回路隔離，一回路壓力邊界隔離閥0001VP∕0002VP、一回路壓力邊界隔離閥兼安全殼隔離閥0003VP∕0004VP、安 全 殼 隔 離 閥0005VP∕0006VP和0007VP∕0008VP均處于關(guān)閉狀態(tài)。

余熱排出系統(tǒng)分為兩個互相獨立的系列，即第一列和第二列，分布在兩個獨立的廠房。通常，第一列的電動隔離閥和余排泵由A 列電源供電，第二列的電動隔離閥和余排泵由B列電源供電。

只在停堆期間且達(dá)到余熱排出系統(tǒng)接入條件時，如一回路壓力降至3.0 MPa，溫度降至180℃時，RHR系統(tǒng)才投運。

2 余熱排出系統(tǒng)冷卻劑喪失事故

余熱排出系統(tǒng)直接與一回路相連，當(dāng)余熱排出系統(tǒng)管線（尤其是第一道隔離閥上游管線）發(fā)生破裂時，相當(dāng)于一回路發(fā)生了冷卻劑喪失事故（LOCA），而且這種情況下的破口為不可隔離的破口。由于余熱排出系統(tǒng)的能動設(shè)備設(shè)置在安全殼外，當(dāng)安全殼外的余熱排出系統(tǒng)管線發(fā)生破裂時，相當(dāng)于安全殼發(fā)生了旁路事故［8］。本文主要針對這兩種破口位置對余熱排出系統(tǒng)的破口事故進(jìn)行分析。

2.1 RHR系統(tǒng)發(fā)生不可隔離破口事故

RHR 系統(tǒng)與一回路直接相連的第一道隔離閥0001VP∕0002VP 之間的管線破口屬于不可隔離的破口。如果破口尺寸較大，屬于中、大LOCA，則一回路的水裝量會持續(xù)下降，直至下降到主管道標(biāo)高以下。此時，余熱排出系統(tǒng)無法接入，安全注入系統(tǒng)和穩(wěn)壓器安全閥執(zhí)行充—排操作，完成對堆芯的冷卻。如果破口尺寸較小，屬于小LOCA，則一回路的水裝量由安全注入系統(tǒng)保持，達(dá)到余熱排出系統(tǒng)的接入條件時，RHR系統(tǒng)完成對堆芯的冷卻。

在RHR 系統(tǒng)與一回路直接相連的第一道隔離閥0001VP∕0002VP 之間的管線發(fā)生小破口時，不同堆型的余熱排出系統(tǒng)采用不同的應(yīng)對策略。AP1000 堆型的余熱排出系統(tǒng)設(shè)計為非安全相關(guān)系統(tǒng)，在設(shè)計基準(zhǔn)事故的環(huán)節(jié)中，可以由非能動的余熱排出系統(tǒng)完成堆芯冷卻［9］。WWER堆型的余熱排出系統(tǒng)有4個獨立系列［10］，某一列發(fā)生小破口事故，疊加有一列發(fā)生單一故障的情況下，仍然有兩個余熱排出系列可以實現(xiàn)堆芯的冷卻。與上述堆型不同，華龍一號設(shè)置了兩個獨立的余熱排出系列用于應(yīng)對設(shè)計基準(zhǔn)事故，保證了核電廠的經(jīng)濟性和安全性。

當(dāng)RHR 系統(tǒng)與一回路直接相連的第一道隔離0001VP∕0002VP 之間的管線發(fā)生小破口事故，且疊加未發(fā)生破口的余熱排出系列發(fā)生單一故障時，上一節(jié)的余熱排出系統(tǒng)無法正常投運。此時，安全注入系統(tǒng)投入運行，維持一回路水裝量穩(wěn)定，堆芯冷卻需要由帶有小破口的余熱排出系列完成，下面就該工況進(jìn)行具體分析，事故的初始條件見表1。

表1 事故的初始條件Table 1 The initial condition of the accident

在余排泵上游發(fā)生破口，且達(dá)到余熱排出系統(tǒng)接入條件時，一部分流量從破口處流出至安全殼，導(dǎo)致破口位置上游的管線阻力增加，對余排泵的吸入口處的壓力產(chǎn)生影響，進(jìn)而可能影響泵的有效汽蝕余量［11］。又因為在該工況下，余排泵的上游壓力較大（3.0MPa），不會有空氣進(jìn)入余排泵的吸入管線。所以，在此工況和初始條件下，我們只需要分析余排泵的汽蝕余量是否滿足要求，就可以判斷余排泵是否能夠有效運行。

2.2 安全殼外的管線發(fā)生破口事故

當(dāng)安全殼外的余熱排出系統(tǒng)管線發(fā)生破裂時，放射性核素會隨著一回路冷卻劑的排放直接釋放到環(huán)境中。此時，我們需在事故發(fā)生后及時隔離破口，以減少放射性核素向環(huán)境的釋放。隔離時間越早，對環(huán)境造成的放射性后果越?。?］。

AP1000 堆型的余熱排出系統(tǒng)安全殼外隔離閥與一回路之間的部分采用全壓設(shè)計的理念，并引入“破前漏”（Leak Before Break，LBB）的設(shè)計概念。這種設(shè)計可以降低此種冷卻劑喪失事故的發(fā)生［12］。

華龍一號的余熱排出系統(tǒng)的設(shè)計同樣采用了全壓設(shè)計的理念。全壓設(shè)計降低了安全殼外隔離閥上游管線發(fā)生破口事故的概率。因此，本文重點分析安全殼外隔離閥下游區(qū)域的破口事故，即分析破口發(fā)生在安全殼隔離閥0005VP∕0006VP 的下游與余排泵0001PO∕0002PO 的上游之間，且余排泵的停運不能對破口實現(xiàn)隔離時，余熱排出系統(tǒng)方案隔離的有效性。

3 事故分析

3.1 不可隔離破口事故分析

在一回路與隔離閥0001VP∕0002VP 之間的管線發(fā)生小破口時，由于破口處的背壓為安全殼內(nèi)的環(huán)境壓力（約為一個大氣壓），而上游壓力為一回路壓力，所以，在余熱排出系統(tǒng)整個接入階段，一回路的壓力變化范圍較大，我們需要根據(jù)不同壓力范圍判定破口處是否發(fā)生了阻塞流，進(jìn)而進(jìn)行破口流量和余排泵汽蝕余量的計算。

3.1.1 發(fā)生阻塞流時破口分析

在余熱排出系統(tǒng)剛接入一回路時，一回路的壓力為3.0 MPa，溫度為180℃，此時破口上游壓力較大。根據(jù)阻塞流的判斷依據(jù)，背壓小于流體的飽和蒸氣壓時，部分流體汽化，此后流量不會再增加，即發(fā)生了阻塞流［13,14］。

阻塞流質(zhì)量流密度G的計算公式：

式中，G——發(fā)生阻塞流的質(zhì)量流密度，kg∕(m2·s)；

ρ——流體介質(zhì)的密度，kg∕m3；

p0——破口上游壓力，Pa；

pc——破口下游壓力，Pa。

流經(jīng)破口處的流量W的計算公式：

式中，W——破口處的流量，kg∕s；

D——破口處的直徑，m。

本文根據(jù)表1 的假設(shè)條件、式（1）和式（2），得到發(fā)生破口時的計算結(jié)果，破口處的冷卻劑流量為85.96 kg∕s，見表2。

表2 破口流量計算參數(shù)和結(jié)果Table 2 The parameters and results of break flow rate analysis

在得到破口處的流量后，我們需要對余排泵的有效汽蝕余量（NPSHa）進(jìn)行計算，公式如下：

式中，NPSHa——余排泵的有效汽蝕余量，m；

pa——一回路絕對壓力，Pa；

psat——一回路冷卻劑溫度對應(yīng)的飽和壓力，Pa；

ρ1——流體介質(zhì)的密度，kg∕m3；

ΔH——一回路熱管段最低液位與余排泵的標(biāo)高的高差，m；

Δp——余排泵吸入管線的阻力，Pa。

根據(jù)系統(tǒng)管道阻力的計算方法［15］，每段管道的阻力損失可以表征為阻力系數(shù)與流量平方的乘積。由于破口位置前后的流量不同，因此，本文需要分別計算各自的壓力損失，表3為計算條件及結(jié)果。其中Δp1和Δp2分別為余排泵吸入管線發(fā)生破口位置前、后的管線阻力，Pa；R1和R2分別為余排泵吸入管線發(fā)生破口位置前、后的管線阻力系數(shù)；W1和W2分別為余排泵吸入管線發(fā)生破口位置前、后的流量，kg∕s。

表3 余排泵汽蝕余量計算參數(shù)和結(jié)果Table 3 The parameters and results of NPSHafor the residual heat removal pump

由表3 可知，有效汽蝕余量（NPSHa）為224 m，由于現(xiàn)有在役電站余熱排出泵的必需汽蝕余量（NPSHr）一般約為3 m，所以，該設(shè)計滿足有效汽蝕余量大于必需汽蝕余量的要求。

3.1.2 未發(fā)生阻塞流時破口分析

在余熱排出系統(tǒng)對一回路進(jìn)行冷卻的后期，一回路壓力降至0.1 MPa，溫度降至60℃。此時破口上游壓力較低，根據(jù)阻塞流的判斷依據(jù)，背壓大于流體的飽和蒸氣壓時，破口處未發(fā)生阻塞流。

流經(jīng)破口處的流量W的計算公式［15］：

式中，ρ1——流體介質(zhì)的密度，kg∕m3；

根據(jù)式（3）和式（4）可以計算出余排泵汽蝕余量和破口處的流量，相關(guān)結(jié)果見表4。

表4 破口流量及余排泵汽蝕余量計算參數(shù)和結(jié)果Table 4 The parameters and results of break flow rate and NPSHafor the residual heat removal pump

由表4 可知，有效汽蝕余量（NPSHa）為10.03 m。由于現(xiàn)有在役電站的余熱排出泵的必需汽蝕余量（NPSHr）一般約為3 m，所以，該設(shè)計滿足有效汽蝕余量大于必需汽蝕余量的要求。

3.1.3 一回路各類溫度下破口分析

由于余熱排出系統(tǒng)需要把一回路溫度從180℃降至60℃，所以，針對停堆階段一回路處于各類溫度和壓力下的小破口，我們需要進(jìn)行破口流量和余排泵汽蝕余量分析，結(jié)果見表5。

表5 各類溫度下破口分析Table 5 The analysis of break flow under different temperatures

由表5可知，在停堆階段，余熱排出系統(tǒng)接入一回路后，若余排管線發(fā)生不可隔離的小破口，堆芯狀態(tài)、破口流量和余排泵的汽蝕余量均不同。在一回路壓力較高時，隨著溫度的降低，破口流量不斷增大，但是余排泵的有效汽蝕余量也增加；在一回路溫度降低至冷停堆60℃時，隨著一回路壓力的降低，破口流量不斷減小，但是余排泵的有效汽蝕余量也在減小。余排泵有效汽蝕余量的最低值為10.03 m，仍高于余排泵的必需汽蝕余量。所以，該設(shè)計滿足有效汽蝕余量大于必需汽蝕余量的要求，堆芯熱量可以由帶有小破口的余排列導(dǎo)出。

3.2 安全殼外的管線發(fā)生破口分析

安全殼隔離閥的狀態(tài)在反應(yīng)堆正常運行和停堆工況下，取決于系統(tǒng)本身的運行要求［16］。本文對余熱排出系統(tǒng)吸入管線在安全殼內(nèi)外設(shè)置的安全殼隔離閥的狀態(tài)考慮如下：一回路壓力邊界隔離閥兼安全殼隔離閥0003VP∕0004VP為常關(guān)狀態(tài)，安全殼外隔離閥0005VP∕0006VP的狀態(tài)可以為常關(guān)，也可以為常開。因此，本文對安全殼外隔離閥的兩種情況分別進(jìn)行破口事故分析。

3.2.1 安全殼外隔離閥常開

當(dāng)安全殼外隔離閥0005VP∕0006VP 的狀態(tài)為常開時，本文分析破口發(fā)生在安全殼隔離閥0005VP 或0006VP 的下游，余排泵0001PO∕0002PO 的上游的情況。由于兩列完全獨立，配置相同，分布在兩個安全廠房內(nèi)，因此，僅以第一列余熱排出管線為例，即破口發(fā)生在0005VP下游，第二列管線的情況同理可知。

上一節(jié)提到發(fā)生這種破口事故時，操作人員需要快速隔離破口，減少放射性核素的釋放。但在發(fā)生上述事故時，我們需要考慮疊加單一故障要求［17,18］。本文假設(shè)的單一故障是喪失一列電源，對應(yīng)供電列的電動閥保持原位，無法進(jìn)行控制。

根據(jù)前述章節(jié)的描述，余熱排出系統(tǒng)通常的配電設(shè)計是第一列由A 列電源供電，第二列由B列電源供電。但是，在發(fā)生安全殼外的余排管線破口疊加喪失一列電源時，發(fā)生破口的余排管線無法隔離，放射性核素將持續(xù)釋放到環(huán)境中。

因此，對于安全殼外隔離閥屬于常開的余熱排出系統(tǒng)，安全殼內(nèi)外隔離閥的供電方案需進(jìn)行改進(jìn)，如圖2所示。其中，第一列的安全殼內(nèi)隔離閥由A列供電，安全殼外隔離閥由B列供電，第二列同理。當(dāng)0005VP 和0001PO 之間的管線發(fā)生破口時，0003VP和0005VP均接收關(guān)閉信號，相應(yīng)廠房的壓力和液位監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測到破口并發(fā)出該信號。同時，考慮疊加單一故障，A 列電源喪失（B 列電源喪失同理），0003VP 無法控制，0005VP閥門可以實現(xiàn)隔離功能。

圖2 安全殼外隔離閥常開時的供電示意圖Fig.2 Schematic diagram of power supply when the containment isolation valve is normally open

在停堆、需要余熱排出系統(tǒng)開啟、投入運行的工況下，若考慮疊加單一故障要求（本處也假設(shè)喪失一列電），0003VP 或0004VP 其中一個閥門無法開啟，但是由于0005VP 和0006VP處于常開狀態(tài)，只要保證0003VP 和0004VP 其中一個閥門能夠打開，即可投運一列余熱排出系統(tǒng)。

3.2.2 安全殼外隔離閥常關(guān)

當(dāng)安全殼外隔離閥0005VP∕0006VP 的狀態(tài)為常關(guān)時，本文分析破口發(fā)生在安全殼隔離閥0005VP的下游，余排泵0001PO的上游的情況。

若余熱排出系統(tǒng)配電設(shè)計是第一列由A 列電源供電，第二列由B列電源供電，在發(fā)生安全殼外的余排管線破口疊加喪失一列電源時，發(fā)生破口的余排管線無法隔離。若第一列的安全殼內(nèi)隔離閥由A列供電，安全殼外隔離閥由B列供電，第二列的安全殼內(nèi)隔離閥由B列供電，安全殼外隔離閥由A 列供電，在發(fā)生安全殼外的余排管線破口疊加喪失一列電源時，發(fā)生破口的余排管線可以實現(xiàn)隔離。但是，在停堆階段，對于需要余熱排出系統(tǒng)開啟、投入運行的工況，若考慮疊加單一故障要求，假設(shè)喪失A列電，0003VP 和0006VP 無法開啟，由于0005VP和0006VP處于常關(guān)狀態(tài)，兩列余熱排出系統(tǒng)均無法投運。

因此，對于安全殼外隔離閥屬于常關(guān)的余熱排出系統(tǒng)，安全殼內(nèi)外隔離閥的供電方案需進(jìn)行改進(jìn)，如圖3所示。其中，第一列的安全殼內(nèi)隔離閥由A列供電，安全殼外隔離閥由B∕A列交叉供電，即平時由B列供電，如果需要切換供電時，可由操作員手動切換到A 列供電，第二列同理。當(dāng)0005VP 和0001PO 之間的管線發(fā)生破口時，0003VP和0005VP均接受關(guān)閉信號。同時，考慮疊加單一故障，A列電喪失（B列電喪失同理），0003VP 無法控制，0005VP 閥門可以實現(xiàn)隔離功能。

圖3 安全殼外隔離閥常關(guān)時的供電示意圖Fig.3 Schematic diagram of power supply when the isolation valve outside the containment is normally closed

在停堆、需要余熱排出系統(tǒng)開啟、投入運行的工況下，若考慮疊加單一故障要求（假設(shè)喪失一列電），假設(shè)喪失A 列電，0003VP 和0006VP 無法開啟，由于0005VP 和0006VP 處于常關(guān)狀態(tài)，兩列余熱排出系統(tǒng)均無法投運，需要操作員手動切換0006VP 為B 列供電，第二列余熱排出系統(tǒng)可以投運。在停堆、需要余熱排出系統(tǒng)投運對堆芯進(jìn)行冷卻（屬于第二階段冷卻）時，堆芯的熱工參數(shù)較低，由操作員手動切換電源之后，開啟余熱排出系統(tǒng)，仍滿足安全分析要求。

3.3 事故分析結(jié)果

通過上述兩節(jié)的分析可知，余熱排出系統(tǒng)與一回路相連的管線發(fā)生不可隔離的小破口時，余熱排出系統(tǒng)可對堆芯進(jìn)行冷卻，帶有小破口的余熱排出管線的余排泵不會發(fā)生汽蝕風(fēng)險，能夠?qū)崿F(xiàn)堆芯冷卻功能。

余熱排出系統(tǒng)安全殼外的管線發(fā)生破口可能造成安全殼旁通事故，無論是安全殼外隔離閥是常開還是常關(guān)狀態(tài)，均能實現(xiàn)自動隔離，且不影響余熱排出系統(tǒng)需要投運時的功能。

4 結(jié)論

本文主要針對華龍一號的余熱排出系統(tǒng)的破口事故導(dǎo)致冷卻劑喪失的工況進(jìn)行分析，分別論證了在余熱排出系統(tǒng)與一回路相連的管線發(fā)生不可隔離的小破口時，余排泵的汽蝕余量滿足要求。本文通過對余熱排出系統(tǒng)接入階段的破口事故分析，可以進(jìn)一步為余熱排出系統(tǒng)的工程設(shè)計和優(yōu)化提供參考。