華龍一號(hào)LOCA疊加安噴失效設(shè)計(jì)擴(kuò)展工況研究

鄭云濤 孫燕宇 詹經(jīng)祥 楊長(zhǎng)江

（中國(guó)核電工程有限公司，北京100840）

0 引言

日本福島核事故發(fā)生后，國(guó)內(nèi)外對(duì)新建核電廠提出了更高的安全要求。為了使核電廠能夠承受比設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故更為嚴(yán)重的事故，促使核電廠安全設(shè)計(jì)的提升，IAEA提出了設(shè)計(jì)擴(kuò)展工況（Design Extension Conditions，DEC），HAF 102—2016《核動(dòng)力廠設(shè)計(jì)安全規(guī)定》中對(duì)核電廠的設(shè)計(jì)擴(kuò)展工況分析也提出了明確要求。目前根據(jù)堆芯是否發(fā)生顯著損傷（堆芯熔化），國(guó)際上將設(shè)計(jì)擴(kuò)展工況分為DEC-A（堆芯未損傷）序列和DEC-B（堆芯損傷）序列。DEC-A工況序列的確定考慮了概率非常低的單一始發(fā)事件、預(yù)期事件或設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故疊加安全系統(tǒng)失效或者多重失效。對(duì)于部分DEC-A工況序列的論證，還需要進(jìn)行與事故序列相關(guān)的核電廠瞬態(tài)熱工水力計(jì)算分析。例如，當(dāng)核電廠一回路主冷卻劑管道上發(fā)生破口事故（LOCA）時(shí)，反應(yīng)堆冷卻劑的喪失將導(dǎo)致堆芯出現(xiàn)裸露和燃料包殼升溫的風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)堆芯余熱將隨著冷卻劑的喪失進(jìn)入安全殼中，使安全殼壓力、溫度快速升高。此時(shí)如果用于應(yīng)對(duì)該設(shè)計(jì)基準(zhǔn)工況的安全功能系統(tǒng)失效（如所有安全殼噴淋系統(tǒng)失效），安全殼內(nèi)的堆芯衰變熱量將無(wú)法及時(shí)移出，安全殼長(zhǎng)時(shí)間維持在高溫高壓的狀態(tài)可能會(huì)導(dǎo)致安全殼失效。因此，為了滿足核電廠安全相關(guān)法律法規(guī)、安全導(dǎo)則和最新的核電安全要求，需要對(duì)部分重要的設(shè)計(jì)擴(kuò)展工況進(jìn)行研究，以確保當(dāng)應(yīng)對(duì)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)工況的安全功能系統(tǒng)出現(xiàn)失效時(shí)，依靠其他安全手段仍能將反應(yīng)堆維持在安全可控狀態(tài)。

本文選取華龍一號(hào)作為研究對(duì)象，華龍一號(hào)為中國(guó)自主化第三代核電技術(shù)，根據(jù)第三代核電設(shè)計(jì)的先進(jìn)理念，提出了能動(dòng)+非能動(dòng)的先進(jìn)壓水堆核電安全設(shè)計(jì)。為了應(yīng)對(duì)安全殼噴淋系統(tǒng)失效，華龍一號(hào)還設(shè)計(jì)了三列非能動(dòng)安全殼熱量導(dǎo)出系統(tǒng)（Passive Contain ment heat removal System，PCS），PCS系統(tǒng)利用自然循環(huán)對(duì)安全殼進(jìn)行冷卻，防止安全殼失效。本文采用最佳估算系統(tǒng)分析程序RELAP5和安全殼熱工水力分析程序COPAT對(duì)華龍一號(hào)LOCA疊加安噴系統(tǒng)失效的設(shè)計(jì)擴(kuò)展工況進(jìn)行了研究，該工況為堆芯未出現(xiàn)顯著損傷的DEC-A工況。分析了該工況下的堆芯安全和安全殼完整性，用于確認(rèn)當(dāng)應(yīng)對(duì)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故的安全殼噴淋系統(tǒng)出現(xiàn)失效時(shí)，華龍一號(hào)的PCS系統(tǒng)能否確保安全殼的完整性，可為其安全相關(guān)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供依據(jù)和參考。

1 計(jì)算模型及假設(shè)

本文采用RELAP5程序建立了華龍一號(hào)的一回路、二回路系統(tǒng)計(jì)算模型，如圖1所示。采用COPAT程序建立了華龍一號(hào)的單節(jié)點(diǎn)安全殼計(jì)算模型。華龍一號(hào)反應(yīng)堆熱工水力計(jì)算模型和安全殼計(jì)算模型所采用的主要參數(shù)見(jiàn)表1。RELAP5程序計(jì)算一、二回路熱工瞬態(tài)行為，COPAT程序計(jì)算安全殼熱工水力響應(yīng)。為了分析反應(yīng)堆堆芯是否發(fā)生裸露及燃料包殼溫度峰值，堆芯模型采用保守假設(shè)，并建立了堆芯熱通道、熱組件和熱棒。堆芯功率、反應(yīng)堆冷卻劑壓力、反應(yīng)堆冷卻劑平均溫度以及安全殼初始參數(shù)等均采用名義值。華龍一號(hào)LOCA疊加安噴系統(tǒng)失效設(shè)計(jì)擴(kuò)展工況研究基本假設(shè)條件為：

表1 計(jì)算模型參數(shù)

圖1 華龍一號(hào)RELAP5計(jì)算模型示意圖

（1）穩(wěn)壓器壓力低信號(hào)觸發(fā)反應(yīng)堆緊急停堆；

（2）反應(yīng)堆停堆信號(hào)使汽輪機(jī)自動(dòng)停運(yùn)；

（3）穩(wěn)壓器壓力低-低信號(hào)觸發(fā)安全注入信號(hào)；

（4）根據(jù)安全注入信號(hào)，二回路主蒸汽大氣釋放閥打開(kāi)，對(duì)反應(yīng)堆冷卻劑進(jìn)行快速冷卻；

（5）安全注入信號(hào)與反應(yīng)堆主冷卻劑泵進(jìn)、出口壓力差低信號(hào)符合觸發(fā)反應(yīng)堆主冷卻劑泵停止運(yùn)行；

（6）安全注入信號(hào)觸發(fā)蒸汽發(fā)生器主給水隔離，同時(shí)觸發(fā)蒸汽發(fā)生器輔助給水啟動(dòng)信號(hào)；

（7）安全殼壓力高4信號(hào)與安全殼噴淋系統(tǒng)流量低信號(hào)符合觸發(fā)非能動(dòng)安全殼熱量導(dǎo)出系統(tǒng)（PCS）啟動(dòng)信號(hào)；

（8）三列非能動(dòng)安全殼熱量導(dǎo)出系統(tǒng)（PCS）均假設(shè)有效；

（9）操縱員動(dòng)作，在第一個(gè)明顯信號(hào)30分鐘后，操縱員進(jìn)入規(guī)程進(jìn)行操作，檢查蒸汽發(fā)生器水位和反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)壓力。

2 事故描述

當(dāng)一回路冷卻劑管道上發(fā)生破口時(shí)，反應(yīng)堆冷卻劑通過(guò)破口進(jìn)入安全殼內(nèi)，引起反應(yīng)堆一回路系統(tǒng)壓力降低，穩(wěn)壓器液位隨之降低。當(dāng)穩(wěn)壓器壓力出現(xiàn)壓力低信號(hào)時(shí)，導(dǎo)致反應(yīng)堆停堆，汽輪機(jī)自動(dòng)停運(yùn)。此時(shí)，反應(yīng)堆二回路系統(tǒng)壓力升高，二回路主蒸汽大氣釋放閥打開(kāi)，對(duì)反應(yīng)堆冷卻劑進(jìn)行快速冷卻。

當(dāng)穩(wěn)壓器壓力出現(xiàn)壓力低-低信號(hào)時(shí)，產(chǎn)生安全注入信號(hào)。安全注入信號(hào)自動(dòng)啟動(dòng)中壓安注和低壓安注，同時(shí)觸發(fā)二回路快速冷卻、主給水隔離和輔助給水啟動(dòng)。當(dāng)全安注入信號(hào)與反應(yīng)堆冷卻劑進(jìn)、出口壓差低信號(hào)符合時(shí)觸發(fā)反應(yīng)堆主冷卻劑泵停運(yùn)。

當(dāng)反應(yīng)堆一回路系統(tǒng)壓力降低到中壓安注注入壓頭，但破口流量仍大于中壓安注流量時(shí)，一回路系統(tǒng)水裝量不斷減少。隨著反應(yīng)堆一回路系統(tǒng)壓力進(jìn)一步降低，安注箱和低壓安全注入投入運(yùn)行，反應(yīng)堆一回路系統(tǒng)的水裝量出現(xiàn)回升，事故才得到緩解。

反應(yīng)堆一回路系統(tǒng)冷卻劑通過(guò)破口釋放到安全殼后，引起安全殼壓力迅速升高。當(dāng)安全殼壓力達(dá)到設(shè)定值時(shí)，觸發(fā)安全殼噴淋系統(tǒng)啟動(dòng)信號(hào)。由于安噴系統(tǒng)失效，其產(chǎn)生的安噴流量低信號(hào)自動(dòng)觸發(fā)PCS系統(tǒng)啟動(dòng)，PCS系統(tǒng)投運(yùn)持續(xù)將安全殼內(nèi)的衰變熱導(dǎo)出至安全殼外，維持安全殼壓力和溫度低于其設(shè)計(jì)值，從而有效防止安全殼失效，保證堆芯長(zhǎng)期冷卻。

3 計(jì)算結(jié)果及分析

本文選取引起堆芯裸露后包殼升溫最高的10.0 cm破口作為分析工況。表2為該工況過(guò)程中的事件觸發(fā)序列，圖2至圖8為該工況一回路、二回路主要參數(shù)及安全殼壓力、溫度和內(nèi)置換料水箱溫度的變化情況。

圖2 穩(wěn)壓器和蒸汽發(fā)生器二次側(cè)壓力

圖8 安全殼內(nèi)置換料水箱溫度

表2 LOCA疊加安噴失效事件序列

0時(shí)刻反應(yīng)堆一回路系統(tǒng)主冷卻劑管道發(fā)生10.0 cm破口事故后，反應(yīng)堆一回路系統(tǒng)壓力在事故發(fā)生30 s內(nèi)快速下降。反應(yīng)堆一回路系統(tǒng)冷卻劑裝量迅速減少，穩(wěn)壓器壓力隨之降低。當(dāng)反應(yīng)堆一回路系統(tǒng)的穩(wěn)壓器壓力出現(xiàn)壓力低信號(hào)時(shí)，反應(yīng)堆停堆信號(hào)使反應(yīng)堆執(zhí)行停堆動(dòng)作，停堆后觸發(fā)汽輪機(jī)關(guān)閉。隨著反應(yīng)堆一回路冷卻劑系統(tǒng)的壓力持續(xù)下降，穩(wěn)壓器壓力出現(xiàn)壓力低-低信號(hào)，產(chǎn)生安全注入信號(hào)。然后，安全注入信號(hào)觸發(fā)蒸汽發(fā)生器二次側(cè)快速冷卻開(kāi)啟，并執(zhí)行主給水隔離和啟動(dòng)輔助給水動(dòng)作。事故發(fā)生前期，由于一回路壓力降低、中壓安注流量增大和安注箱投運(yùn)，使一回路水裝量從最低點(diǎn)快速回升而重新淹沒(méi)堆芯。此后，安注流量等于破口流量并確保堆芯不再裸露，從而包殼溫度也不會(huì)急劇上升。整個(gè)事故過(guò)程中，由于反應(yīng)堆堆芯出現(xiàn)裸露而引起的燃料包殼溫度最大峰值為579.2℃，與安全準(zhǔn)則1 204℃限值還有很大裕量。

當(dāng)冷卻劑噴放到安全殼后，安全殼壓力迅速升高至設(shè)定值時(shí)觸發(fā)PCS系統(tǒng)，PCS系統(tǒng)的投入持續(xù)將釋放到安全殼內(nèi)的堆芯衰變熱導(dǎo)出至安全殼外。事故初期，安全殼壓力、內(nèi)置換料水箱（IRWST）水溫逐漸上升；事故48小時(shí)后，IRWST水溫達(dá)到131℃左右，安全殼壓力保持在0.4 MPa左右，安全殼溫度、安全殼壓力、IRWST水溫達(dá)到平衡狀態(tài)。安全殼壓力始終低于華龍一號(hào)的安全殼設(shè)計(jì)壓力值0.52 MPa，安全殼完整性得以保證。

圖3 堆芯水位

圖4 破口與安注流量（前3 000 s）

圖5 熱棒包殼溫度

圖6 安全殼大氣壓力

圖7 安全殼大氣溫度

4 結(jié)論

本文采用RELAP5程序和COPAT程序建立了華龍一號(hào)的計(jì)算模型，針對(duì)華龍一號(hào)LOCA事故疊加所有安噴失效的設(shè)計(jì)擴(kuò)展工況進(jìn)行了研究。計(jì)算結(jié)果表明：LOCA事故疊加所有安噴系統(tǒng)失效后，反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)的自動(dòng)操作和操縱員動(dòng)作能夠?qū)⑹鹿蕩У椒€(wěn)定狀態(tài)，整個(gè)事故過(guò)程中堆芯是安全的；安全殼噴淋系統(tǒng)失效后觸發(fā)非能動(dòng)安全殼熱量導(dǎo)出系統(tǒng)（PCS）運(yùn)行，能夠?qū)踩珰毫Α囟染S持在可接受的水平內(nèi)，PCS系統(tǒng)有效防止了安全殼的失效。