自然循環(huán)反應(yīng)堆NHR-200Ⅱ失水事故初步研究

王 巖，解 衡，謝 菲

(清華大學(xué) 核能與新能源技術(shù)研究院 先進(jìn)反應(yīng)堆工程與安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100084)

世界經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展導(dǎo)致能源供應(yīng)需求激增，而不斷增加的大量常規(guī)燃煤造成了環(huán)境污染。出于未來長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展的考慮，現(xiàn)今世界各國均已在環(huán)保方面提出了要求，并出臺(tái)了相關(guān)措施法案以應(yīng)對(duì)日益嚴(yán)重的污染問題。核能作為一種清潔能源，為解決這一問題提供了一種有效的解決途徑。在能源需求更為集中的城市或工業(yè)園區(qū)，供熱、供汽是其能源需求的一個(gè)主要方向[1-3]。供熱、供汽的特點(diǎn)限制了熱電場(chǎng)址不宜距離城市過遠(yuǎn)，因此對(duì)核能供應(yīng)者來說，就需要相應(yīng)的設(shè)施具有極高的安全性。清華大學(xué)核能與新能源技術(shù)研究院根據(jù)我國的熱網(wǎng)條件，設(shè)計(jì)的NHR全自然循環(huán)低溫反應(yīng)堆[4-5]，其固有的安全特性使得其恰好滿足了城市核能熱、電、汽供應(yīng)的要求。本文針對(duì)目前設(shè)計(jì)的NHR-200Ⅱ反應(yīng)堆，初步研究其破口事故下的安全特性。

1 NHR-200Ⅱ簡(jiǎn)介

基于已有的NHR-5[6-7]的成功設(shè)計(jì)、建造[8]、運(yùn)行、試驗(yàn)[9]所獲得的大量數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)，并經(jīng)過多年不斷的研究和改進(jìn)，清華大學(xué)核能與新能源技術(shù)研究院提出了改進(jìn)型的NHR-200Ⅱ反應(yīng)堆。根據(jù)應(yīng)用需求，與NHR-5相比，NHR-200Ⅱ的熱工設(shè)計(jì)參數(shù)[10]發(fā)生了變化：NHR-5為加熱管網(wǎng)提供熱水，而NHR-200Ⅱ主要產(chǎn)生和提供飽和蒸汽。為此，NHR-200Ⅱ的熱工水力參數(shù)有明顯提升。NHR-200Ⅱ的堆芯進(jìn)/出口溫度為230 ℃/278 ℃，而NHR-5的堆芯進(jìn)/出口溫度僅為146 ℃/186 ℃。相應(yīng)地，NHR-200Ⅱ的主回路壓力增加到8.0 MPa，而NHR-5的主回路壓力為1.5 MPa。表1為目前設(shè)計(jì)階段下NHR-200Ⅱ和NHR-5的主要設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)比。

NHR-200Ⅱ在設(shè)計(jì)和安全理念上具有很多不同于現(xiàn)有通用壓水堆的特點(diǎn)，為更好地理解NHR-200Ⅱ，本文對(duì)其結(jié)構(gòu)和安全設(shè)計(jì)進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹。

1.1 NHR-200Ⅱ主要結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)

圖1為NHR-200Ⅱ主要堆內(nèi)結(jié)構(gòu)示意圖。NHR-200Ⅱ是一個(gè)一體化布置的容器式輕水反應(yīng)堆，堆內(nèi)冷卻劑采用全自然循環(huán)模式運(yùn)行，主回路沒有循環(huán)泵。反應(yīng)堆堆芯位于反應(yīng)堆殼的底部，由208個(gè)9×9燃料組件組成，相鄰燃料組件之間設(shè)置十字形控制棒。主換熱器布置在壓力殼上部?jī)?nèi)壁周圍，共有14臺(tái)套管式的管殼主換熱器，它們?cè)谶\(yùn)行和假想事故發(fā)生時(shí)將堆內(nèi)熱量從反應(yīng)堆堆芯傳遞到中間回路。主回路冷卻劑在主換熱器內(nèi)套管內(nèi)部和外套管與換熱器套筒間的空間內(nèi)向下流動(dòng)，二次側(cè)冷卻劑在雙層換熱套管間向上流動(dòng)。與目前大多數(shù)需要硼酸來調(diào)節(jié)反應(yīng)堆功率的核電站不同，NHR-200Ⅱ反應(yīng)堆冷卻劑在正常運(yùn)行時(shí)不含硼酸。

表1 NHR-5和NHR-200Ⅱ的主要設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)比Table 1 Main design parameter of NHR-5 and NHR-200Ⅱ

圖1 NHR-200Ⅱ堆內(nèi)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Illustration of internal structure of NHR-200Ⅱ reactor

NHR-200Ⅱ設(shè)計(jì)上通過主回路內(nèi)冷卻劑密度差驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)全功率條件下的冷卻劑自然循環(huán)運(yùn)行。壓力殼上部氣體空間充有惰性不凝氣體和飽和蒸汽以維持主回路壓力，使得主回路冷卻劑處于壓水過冷模式運(yùn)行。當(dāng)反應(yīng)堆正常運(yùn)行時(shí)，冷卻劑通過下端堆芯孔板從下腔室向上流入堆芯不同的流道，與堆芯燃料進(jìn)行換熱，帶走熱量。冷卻劑平均溫度從進(jìn)口230 ℃被加熱至出口約278 ℃。被加熱的冷卻劑從堆芯通道流出后，將通過一段用于增強(qiáng)回路自然循環(huán)能力的提升流道，而后在壓力殼上部匯聚并翻轉(zhuǎn)向下流入不同的主換熱器，在主換熱器中與二次側(cè)完成熱交換。冷卻后的水進(jìn)入下降段流道繼續(xù)向下流動(dòng)，并最終匯集在壓力殼下腔室后再次進(jìn)入堆芯。

NHR-200Ⅱ反應(yīng)堆系統(tǒng)共有2個(gè)環(huán)路，每個(gè)環(huán)路包括3個(gè)回路：主回路、中間回路和蒸汽回路。圖2為NHR-200Ⅱ 3個(gè)循環(huán)回路的示意圖。中間回路由電動(dòng)泵驅(qū)動(dòng)流動(dòng)，與中間回路對(duì)應(yīng)的每個(gè)蒸汽回路將與汽輪機(jī)系統(tǒng)或加熱管網(wǎng)等相連。當(dāng)系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，主回路內(nèi)的冷卻劑從堆芯吸收熱量，并通過主換熱器將熱量傳遞到中間回路，然后熱量再由蒸汽發(fā)生器傳遞給蒸汽回路。最后，蒸汽發(fā)生器中產(chǎn)生的飽和蒸汽被輸送到終端，供不同應(yīng)用使用。

圖2 NHR-200Ⅱ循環(huán)回路示意圖Fig.2 Illustration of NHR-200Ⅱ circulation loop

NHR型反應(yīng)堆設(shè)計(jì)上具有自穩(wěn)壓調(diào)節(jié)的特點(diǎn)，這使得當(dāng)熱負(fù)荷變化或發(fā)生輕微擾動(dòng)時(shí)，操作人員無需干預(yù)操作，反應(yīng)堆將自動(dòng)跟蹤熱負(fù)荷變化，并快速恢復(fù)穩(wěn)定。這些特點(diǎn)減少了對(duì)自動(dòng)化控制系統(tǒng)和操作人員的需求，提高了反應(yīng)堆的安全性和經(jīng)濟(jì)性。通過目前對(duì)NHR-200Ⅱ瞬態(tài)過程性能的模擬和分析研究，證明其具有良好的自我調(diào)節(jié)性和穩(wěn)定性，能完全滿足熱網(wǎng)供應(yīng)負(fù)載變化的需求。

1.2 NHR-200Ⅱ的安全設(shè)計(jì)理念和特點(diǎn)

NHR-200Ⅱ設(shè)計(jì)上充分應(yīng)用了非能動(dòng)和固有安全的設(shè)計(jì)理念。

1) 主回路采用自然循環(huán)運(yùn)行

NHR-200Ⅱ主回路采用自然循環(huán)運(yùn)行導(dǎo)出堆芯熱量，因此主回路中沒有循環(huán)泵，消除了反應(yīng)堆冷卻劑泵故障造成流量喪失事故(LOFA)發(fā)生的可能性，提高了NHR-200Ⅱ的固有安全性。

2) 大的水裝量和較低的壓力/功率密度

NHR-200Ⅱ的系統(tǒng)壓力較常規(guī)壓水堆電廠低得多，其平均線功率密度約60 W/cm，也僅為通常壓水堆的1/3左右，而且其壓力殼主回路中的冷卻劑總量相當(dāng)大，單位熱功率水容積較普通壓水堆高10倍以上，這些有助于反應(yīng)堆堆芯在假定事故條件下的冷卻，對(duì)堆芯余熱排出、防止堆芯失水和緩解事故后果均有較大益處。同時(shí)較大的水裝量降低了反應(yīng)堆壓力容器中子注量率，減少了中子對(duì)反應(yīng)堆壓力容器的輻照影響。

3) 一體化布置的反應(yīng)堆設(shè)計(jì)

NHR-200Ⅱ采用了一體化布置的設(shè)計(jì)。由于沒有大直徑的管道貫穿壓力殼，因此消除了大破口失水事故發(fā)生的可能性。所有壓力殼貫穿件的管件直徑都較小，且大部分位于壓力殼頂部，這有效限制了假想小破口失水事故下的冷卻劑損失量，降低了后果的嚴(yán)重性。通過設(shè)計(jì)分析表明，在低壓、低溫、低功率密度下運(yùn)行的一體化NHR-200Ⅱ發(fā)生失水事故的概率很低，在任何設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故(DBA)和可信的超基準(zhǔn)事故(BDBA)下，堆芯都不會(huì)裸露。NHR-200Ⅱ不需要如通用壓水堆那樣配備堆芯冷卻專設(shè)裝置，如安全注射系統(tǒng)。

NHR-200Ⅱ設(shè)計(jì)中采用的雙層壓力殼設(shè)計(jì)，可進(jìn)一步降低壓力殼破損發(fā)生概率，避免壓力殼破損造成的冷卻劑損失。其設(shè)計(jì)上確保了即使在內(nèi)側(cè)殼底部破裂的情況下，堆芯也始終能被冷卻劑充分覆蓋。

4) 有效反應(yīng)性控制

NHR-200Ⅱ設(shè)計(jì)有兩套緊急停堆系統(tǒng)。其自主設(shè)計(jì)創(chuàng)新的內(nèi)置液壓控制棒驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)(HCDRS)[11-12]，由液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)。由于控制棒封閉在壓力殼內(nèi)，因此排除了控制棒彈出事故。控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)采用“失效安全”的安全設(shè)計(jì)原則，當(dāng)失去電源后，控制棒在重力作用下自動(dòng)落入堆芯，保證了在假定的事故情況下反應(yīng)堆能快速停堆。作為備用停堆的注硼系統(tǒng)，采用重力注硼方式，無需轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)械和動(dòng)力電源，具有很高的可靠性。在ATWS事故發(fā)生時(shí)將被激活，硼酸將被注入系統(tǒng)以確保反應(yīng)堆能在事故情況下得到有效控制。

5) 非能動(dòng)余熱載出

作為NHR-200Ⅱ最重要的安全系統(tǒng)，非能動(dòng)余熱載出系統(tǒng)在假想事故下，將利用自然循環(huán)載出堆芯熱量以冷卻反應(yīng)堆。設(shè)計(jì)上提供兩列獨(dú)立的非能動(dòng)余熱載出回路，每列都能將100%的停堆后衰變熱轉(zhuǎn)移到大氣環(huán)境中，從而提高了反應(yīng)堆堆芯冷卻的可靠性。

6) 中間回路設(shè)置

NHR-200Ⅱ的傳熱由3個(gè)回路組成：主回路、中間回路和蒸汽回路。中間回路的工作壓力高于主回路和蒸汽回路。若正常運(yùn)行時(shí)一些主換熱器管出現(xiàn)破裂或發(fā)生某根主換熱器傳熱管斷裂事故，中間回路作為一道隔離屏障，阻止蒸汽回路或后端加熱管網(wǎng)受到來自主回路冷卻劑泄漏的輻射污染，并避免主回路冷卻劑的大量流失。

2 NHR-200Ⅱ失水事故計(jì)算和分析

2.1 事故過程描述

失水事故是壓水堆最為重要的一類事故[13]，失水量一般與事故嚴(yán)重程度密切相關(guān)。當(dāng)失水事故發(fā)生時(shí)，反應(yīng)堆壓力容器內(nèi)的高溫高壓水會(huì)從破裂處噴出，導(dǎo)致反應(yīng)堆壓力容器內(nèi)冷卻劑的減少和安全殼壓力的升高。冷卻劑損失越大，壓力容器中的殘余水量就越少，進(jìn)入安全殼的水就越多。在NHR-200Ⅱ安全設(shè)計(jì)要求中，除了要保證失水事故下最終反應(yīng)堆堆芯能被壓力殼中的水始終有效覆蓋，還必須保證冷卻劑進(jìn)入安全殼不會(huì)造成安全殼超壓損壞。

由于NHR-200Ⅱ的一體化布置的壓力殼設(shè)計(jì)，消除了大破口發(fā)生的可能性，因此安全分析中只考慮那些可信的小破口失水事故。本研究選擇設(shè)計(jì)擴(kuò)展工況中的控制棒引水管斷裂且無法隔離事故進(jìn)行分析。這是因?yàn)榇耸鹿蕰?huì)導(dǎo)致最大的主回路冷卻劑流失量以及最高的安全殼瞬態(tài)壓力。當(dāng)發(fā)生控制棒引水管斷裂且無法隔離事故時(shí)，壓力殼內(nèi)的冷卻劑將由于堆內(nèi)高壓，從控制棒引水管斷裂處噴放進(jìn)入到安全殼中。噴放將導(dǎo)致堆內(nèi)冷卻劑減少，從而液位不斷下降，同時(shí)由于高溫高壓的水噴放進(jìn)入到安全殼中，迅速汽化蒸發(fā)、加熱導(dǎo)致安全殼內(nèi)壓力和溫度也相應(yīng)上升。隨著堆芯衰變余熱通過非能動(dòng)余熱載出系統(tǒng)不斷帶出，堆內(nèi)壓力、溫度將持續(xù)下降；同時(shí)安全殼內(nèi)壓力、溫度也由于散熱冷卻等原因而最終逐漸降低。噴放過程將一直持續(xù)到壓力殼內(nèi)壓力與安全殼壓力平衡，此時(shí)堆內(nèi)壓力、溫度已較低，可根據(jù)需要進(jìn)一步采取相關(guān)措施緩解事故后果。

2.2 分析模型和假設(shè)

本研究針對(duì)NHR-200Ⅱ使用RETRAN-02程序進(jìn)行破口事故的模擬分析。RETRAN-02程序是由美國電力研究院(EPRI)主持研制開發(fā)的水堆大型通用熱工水力系統(tǒng)瞬態(tài)分析程序[14-15]。經(jīng)過多年發(fā)展，具備完善的驗(yàn)證背景和應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，廣泛應(yīng)用于輕水堆核電站的瞬態(tài)熱工模擬和事故安全分析中。本文分析中，針對(duì)NHR-200Ⅱ建立的RETRAN-02物理模型示意簡(jiǎn)圖如圖3所示。

主回路主要由堆芯、上升段、上腔室、主換熱器、下降段以及下腔室組成。中間回路有2條環(huán)路，圖中只顯示了其中1條，其主要由冷腿管路、電驅(qū)動(dòng)泵、熱腿管路、蒸汽發(fā)生器一次側(cè)流路以及容積補(bǔ)償器組成；對(duì)應(yīng)中間回路的蒸汽回路包括給水管線、蒸汽發(fā)生器二次側(cè)流路、汽水分離器、蒸汽腔室以及管線終端等。非能動(dòng)余熱回路通過中間回路冷熱腿管路與系統(tǒng)相連，需要時(shí)其上的隔離閥門開啟，其回路形成自然循環(huán)將堆芯熱量帶出，并與空冷器進(jìn)行熱交換，將熱量移出至大氣環(huán)境。代表安全殼的控制體，其自由容積約為14 000 m3，安全殼壁、內(nèi)部的混凝土、鋼制等組件結(jié)構(gòu)以熱構(gòu)件形式在模型中體現(xiàn)，用于瞬態(tài)中的吸熱、散熱等熱交換過程的計(jì)算。發(fā)生事故的控制棒引水管破口通過閥門組件模擬。

本研究假設(shè)事故發(fā)生前反應(yīng)堆以額定功率運(yùn)行，其主要熱工運(yùn)行參數(shù)列于表1，穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)安全殼內(nèi)壓力為常壓。在0 s時(shí)刻突然發(fā)生控制棒引水管雙端斷裂事故。破口事故發(fā)生后，由于冷卻劑喪失導(dǎo)致堆內(nèi)低液位停堆保護(hù)信號(hào)被觸發(fā)，反應(yīng)堆控制棒下落使反應(yīng)堆緊急停堆，同時(shí)相關(guān)隔離閥門動(dòng)作(其中包括控制棒引水管上的電動(dòng)隔離閥門關(guān)閉)，非能動(dòng)余熱載出系統(tǒng)啟動(dòng)以帶出堆內(nèi)熱量。為證明NHR-200Ⅱ的安全性，在分析中進(jìn)一步假設(shè)了會(huì)造成更為嚴(yán)重事故后果的設(shè)計(jì)擴(kuò)展工況，即破口事故發(fā)生的同時(shí)，疊加安裝于控制棒引水管線上的隔離閥門由于某種原因無法實(shí)現(xiàn)破口隔離功能，此時(shí)堆內(nèi)高溫的冷卻劑將由于壓力殼內(nèi)的高壓，持續(xù)從斷管處向安全殼噴放，直至兩者壓力平衡后停止。

圖3 NHR-200Ⅱ的RETRAN-02物理模型示意簡(jiǎn)圖Fig.3 RETRAN-02 model on NHR-200Ⅱ

2.3 計(jì)算結(jié)果和分析

針對(duì)NHR-200Ⅱ破口事故，其設(shè)計(jì)安全驗(yàn)收準(zhǔn)則要求保證事故過程中反應(yīng)堆堆芯能始終被冷卻劑有效覆蓋，反應(yīng)堆處于可控的安全狀態(tài)。

破口事故發(fā)生后，反應(yīng)堆歸一化功率的變化如圖4所示。隨著冷卻劑從破口不斷噴出，壓力殼內(nèi)主回路冷卻劑不斷減少，堆內(nèi)液位下降，約至75 s，觸發(fā)低液位停堆保護(hù)信號(hào)，從而導(dǎo)致控制棒緊急下落，反應(yīng)堆停堆，功率迅速下降。

圖4 反應(yīng)堆歸一化功率變化曲線Fig.4 Variation of normalized power in LOCA

隨著破口冷卻劑不斷噴放，反應(yīng)堆內(nèi)壓力下降，如圖5所示。在前期由于噴放流量較大，因此壓力下降較快。后期堆內(nèi)壓力與安全殼壓力差逐漸減小，噴放減弱，因此壓力下降較慢。

圖6為安全殼內(nèi)壓力變化曲線。伴隨著堆內(nèi)高溫、高壓的冷卻劑不斷進(jìn)入安全殼，在安全殼內(nèi)發(fā)生閃蒸并加熱安全殼，使得安全殼內(nèi)的壓力上升。由于事故前期噴放流量較大，因此壓力上升較快，在3 000 s左右達(dá)到最高，約為0.21 MPa。此后在冷卻劑噴放減弱、安全殼向外部環(huán)境的散熱以及安全殼內(nèi)部部件結(jié)構(gòu)的吸熱等多方面因素綜合影響下，安全殼壓力逐漸下降，100 000 s后已降至接近0.1 MPa。

圖5 壓力殼內(nèi)壓力變化曲線Fig.5 Variation of primary pressure in LOCA

圖6 安全殼內(nèi)壓力變化曲線Fig.6 Variation of containment pressure in LOCA

圖7為破口事故發(fā)生后壓力殼主回路內(nèi)冷卻劑流失變化情況。當(dāng)堆內(nèi)壓力與安全殼壓力基本平衡時(shí)，破口冷卻劑噴放也幾乎停止，可認(rèn)為堆內(nèi)冷卻劑不再流失。此時(shí)通過破口從壓力殼主回路內(nèi)流失的冷卻劑總量約占初始裝量的55%，即此時(shí)主回路內(nèi)冷卻劑剩余總量約占初始裝量的45%。經(jīng)過計(jì)算分析，此時(shí)的剩余冷卻劑裝量仍能有效覆蓋堆芯，并具有相當(dāng)裕量，因此保證了反應(yīng)堆堆芯始終處于安全狀態(tài)，不會(huì)發(fā)生堆芯裸露熱燒毀的嚴(yán)重后果。

圖7 破口冷卻劑累積排放量變化曲線Fig.7 Variation of coolant loss in LOCA

圖8為破口發(fā)生后堆芯燃料組件最小偏離泡核沸騰比(MDNBR)的計(jì)算結(jié)果?？梢姡l(fā)生破口事故后，很快觸發(fā)緊急停堆，因此MDNBR沒有減小，并在停堆后很快上升，說明燃料組件在事故過程中沒有出現(xiàn)傳熱惡化的情況，反應(yīng)堆堆芯處于安全狀態(tài)。

圖8 MDNBR變化曲線Fig.8 Variation of MDNBR in LOCA

3 總結(jié)

NHR-200Ⅱ是一種先進(jìn)的全功率自然循環(huán)反應(yīng)堆，可用于城市區(qū)域熱電供應(yīng)、工業(yè)蒸汽產(chǎn)生以及其他諸多方面的工業(yè)應(yīng)用。與目前運(yùn)行的常見壓水堆不同，在NHR-200Ⅱ研發(fā)中創(chuàng)新采用了一系列非能動(dòng)安全設(shè)計(jì)理念，使得其具有很好的安全特性。

失水事故是壓水型反應(yīng)堆最為重要的一類事故。由于NHR-200Ⅱ的一體化布置設(shè)計(jì)，沒有貫穿壓力殼的大直徑管線，從而消除了現(xiàn)有商用壓水堆電廠存在發(fā)生大破口事故的可能性。本研究在所有可信的小破口事故中選取后果最為嚴(yán)重的控制棒引水管斷裂且無法隔離的事故進(jìn)行了模擬和分析。分析結(jié)果表明，破口發(fā)生后，堆內(nèi)冷卻劑將從破口噴放進(jìn)入到安全殼中，導(dǎo)致堆內(nèi)冷卻劑減少，安全殼升溫升壓。噴放過程將一直持續(xù)到堆內(nèi)壓力與安全殼壓力基本平衡后結(jié)束，此時(shí)堆內(nèi)剩余冷卻劑仍能有效覆蓋反應(yīng)堆發(fā)熱堆芯，并通過非能動(dòng)余熱載出系統(tǒng)帶走堆內(nèi)熱量、冷卻堆芯，使得反應(yīng)堆處于安全狀態(tài)，而不需要安注等專設(shè)安全設(shè)施。這說明NHR-200Ⅱ的非能動(dòng)安全設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、有效，具有很高的安全性。