小型堆包殼破損狀態(tài)下利用穩(wěn)壓器去除放射性研究

王 偉，陳玉清,*，傅晟威，于 亮

(1.海軍工程大學(xué) 核科學(xué)技術(shù)學(xué)院，湖北 武漢 430033；2.海軍92730部隊(duì)，海南 三亞 572000)

壓水堆運(yùn)行過(guò)程中若燃料元件偶發(fā)破損，一定量放射性物質(zhì)將會(huì)釋放到一回路冷卻劑中，若不能有效去除這些放射性物質(zhì)，疊加破口事故放射性物質(zhì)意外泄漏可能導(dǎo)致船員遭受放射性照射損傷[1-2]。為了提升包殼破損狀態(tài)下的運(yùn)行及輻射安全，電站堆通常采取穩(wěn)壓器噴霧除氣的方式去除系統(tǒng)內(nèi)的惰性氣體[3-4]，船用堆與電站堆的結(jié)構(gòu)及運(yùn)行特性的差別導(dǎo)致利用穩(wěn)壓器噴霧除氣的必要性及效果存在差別[5-6]。首先，電站堆通常不會(huì)停堆，運(yùn)行狀態(tài)下只能通過(guò)噴霧除氣的方式去除惰性氣體；而船用堆啟停相對(duì)頻繁[7-8]，停堆時(shí)穩(wěn)壓器的噴霧補(bǔ)水過(guò)程可析出大量放射性氣體，通過(guò)穩(wěn)壓器高點(diǎn)放氣，惰性氣體便會(huì)釋放到廢物處理系統(tǒng)而去除。其次，電站堆穩(wěn)壓器體積較大，穩(wěn)壓器噴霧除氣的效果要好于船用堆。最后，穩(wěn)壓器噴霧除氣需要嚴(yán)格控制系統(tǒng)壓力，若操作不當(dāng)或除氣安全閥無(wú)法關(guān)閉，將導(dǎo)致反應(yīng)堆意外停閉甚至引發(fā)核事故[9-10]。因此，有必要對(duì)船用堆個(gè)別燃料元件包殼破損狀態(tài)下穩(wěn)壓器噴霧除氣的物理過(guò)程進(jìn)行研究，評(píng)估穩(wěn)壓器噴霧除氣和停堆后高點(diǎn)放氣對(duì)惰性氣體的去除效果。目前對(duì)于穩(wěn)壓器的研究主要體現(xiàn)在正常運(yùn)行或事故工況的熱工水力特性上[11]，對(duì)于反應(yīng)堆運(yùn)行時(shí)穩(wěn)壓器噴霧過(guò)程及停堆時(shí)穩(wěn)壓器充水排氣過(guò)程對(duì)放射性物質(zhì)的遷移特性研究鮮見(jiàn)報(bào)道。MELCOR作為壓水堆常用的嚴(yán)重事故系統(tǒng)分析程序，不但能夠模擬堆芯熔化的嚴(yán)重事故進(jìn)程，也能夠模擬事故下熱工水力過(guò)程以及伴隨著事故進(jìn)程的放射性物質(zhì)遷移擴(kuò)散過(guò)程[12-13]。

為此，本文以MELCOR程序?yàn)楣ぞ?，假設(shè)包殼破損率為0.1%，燃料破損后包殼內(nèi)的惰性氣體全部釋放進(jìn)入冷卻劑[14-15]，建立停堆排氣過(guò)程及穩(wěn)壓器噴霧除氣模型，研究包殼破損狀態(tài)下穩(wěn)壓器除氣運(yùn)行以及反應(yīng)堆停閉后穩(wěn)壓器高點(diǎn)放氣對(duì)惰性氣體的去除作用。本文研究結(jié)果可為小型堆包殼破損狀態(tài)下的運(yùn)行及輻射安全提供理論支撐。

1 停堆過(guò)程及穩(wěn)壓器噴霧除氣建模

不同于電站堆重點(diǎn)關(guān)注運(yùn)行狀態(tài)下穩(wěn)壓器噴霧除氣，船用堆還需關(guān)注停堆過(guò)程穩(wěn)壓器大量噴霧對(duì)放射性的去除作用。為了研究小型堆包殼破損狀態(tài)下利用穩(wěn)壓器去除放射性，需要對(duì)小型堆的停堆過(guò)程及穩(wěn)壓器噴霧除氣功能進(jìn)行熱工水力建模。

1.1 停堆過(guò)程分析模型的建立

反應(yīng)堆冷停堆過(guò)程，需進(jìn)行系統(tǒng)降溫降壓、消除穩(wěn)壓器氣腔。主冷卻劑系統(tǒng)降溫、降壓主要依賴(lài)于余熱排出系統(tǒng)，并通過(guò)穩(wěn)壓器噴霧降壓的方式合理控制穩(wěn)壓器與回路的溫差直至氣腔消除，消除氣腔過(guò)程需要持續(xù)向穩(wěn)壓器補(bǔ)水。為了實(shí)現(xiàn)上述功能模擬，本文利用MELCOR程序進(jìn)行建模，如圖1所示。余熱排出系統(tǒng)建模始于主泵出口控制體CV728，一回路冷卻劑經(jīng)流道FL729流向余熱排出冷卻器被冷卻后，最終經(jīng)過(guò)流道FL732流回主泵入口控制體CV733。穩(wěn)壓器的補(bǔ)水通過(guò)補(bǔ)水箱CV700經(jīng)流道FL742流入一回路出口控制體CV201。穩(wěn)壓器的噴霧建模始于堆芯入口控制體CV728經(jīng)噴霧閥FL605的開(kāi)啟實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓器的噴霧降壓。

圖1 停堆過(guò)程及穩(wěn)壓器噴霧除氣控制體模型

1.2 穩(wěn)壓器噴霧除氣分析模型的建立

若堆芯燃料元件存在破損，穩(wěn)壓器噴霧除氣是去除惰性氣體的有效方式，除氣分為運(yùn)行狀態(tài)除氣和停堆后穩(wěn)壓器高點(diǎn)放氣除氣，如圖1所示。運(yùn)行狀態(tài)除氣，主要通過(guò)開(kāi)啟除氣閥FL607將惰性氣體排至大氣環(huán)境控制體CV801實(shí)現(xiàn)；停堆后高點(diǎn)放氣主要通過(guò)開(kāi)啟高點(diǎn)放氣閥FL606將惰性氣體排至核反應(yīng)堆堆艙控制體CV800實(shí)現(xiàn)。

1.3 計(jì)算初始條件

為了開(kāi)展先除氣再停堆和停堆前未除氣兩種情況物理過(guò)程的仿真及放射性去除特性研究，本文結(jié)合小型船用堆停堆及穩(wěn)壓器噴霧除氣的操作規(guī)程做出如下假設(shè)：1)按照除氣規(guī)定，穩(wěn)壓器噴霧除氣時(shí)反應(yīng)堆的運(yùn)行功率為20%額定功率；2)假設(shè)反應(yīng)堆的初始運(yùn)行功率為100%額定功率，停堆或降功率至20%額定功率噴霧除氣，均需要持續(xù)噴霧維持穩(wěn)壓器與回路溫差，初始功率的選擇可以保證噴霧除氣量的保守性；3)對(duì)于先除氣再停堆，噴霧除氣開(kāi)始前降功率事件序列列于表1；噴霧除氣的事件序列列于表2，噴霧除氣的控制按該事件序列建模實(shí)現(xiàn)；4)對(duì)于停堆前未除氣，停堆的事件序列列于表3，該過(guò)程噴霧控制穩(wěn)壓器與回路溫差，穩(wěn)壓器補(bǔ)水直至氣腔消除；5)反應(yīng)堆處于壽期末，堆芯累積源項(xiàng)最大，保證了放射性計(jì)算的保守性要求；6)包殼破損率為0.1%，該假設(shè)符合設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故包殼破損率的要求；7)惰性氣體總量按0.1%堆芯源項(xiàng)累積總量考慮，假設(shè)破損包殼內(nèi)的惰性氣體全部釋放進(jìn)入一回路系統(tǒng)。

表1 噴霧除氣開(kāi)始前降功率事件序列

表2 20%額定功率下噴霧除氣過(guò)程事件序列

表3 噴霧除氣結(jié)束后停堆事件序列

2 先除氣再停堆放射性去除研究

2.1 先除氣再停堆物理過(guò)程

2.1.1先除氣再停堆事件序列 表1～3為先除氣再停堆事件序列，遵循該事件序列，可完整地模擬核動(dòng)力裝置從功率運(yùn)行至降功率除氣，以及除氣結(jié)束后停堆消除穩(wěn)壓器氣腔的物理過(guò)程。其中穩(wěn)壓器除氣操作計(jì)算具體分為以下3個(gè)步驟。

1)滿功率降低至30%額定功率，用時(shí)5 min；開(kāi)始主泵轉(zhuǎn)低速，轉(zhuǎn)換過(guò)程200 s。

2)30%額定功率至20%額定功率，用時(shí)1 min；反應(yīng)堆在20%額定功率下運(yùn)行1 min開(kāi)始除氣操作。計(jì)算參數(shù)選取如下：(1)噴霧過(guò)程，噴霧運(yùn)行20 min，關(guān)閉噴霧閥結(jié)束噴霧；(2)除氣過(guò)程，除氣3 min左右；(3)除氣結(jié)束后，程序計(jì)算采用穩(wěn)定運(yùn)行3 min，調(diào)整電加熱元件投入，使系統(tǒng)壓力和溫度恢復(fù)至接近初始狀態(tài)；(4)操作排氣次數(shù)為3次。

3)除氣結(jié)束后運(yùn)行3 min，從20%額定功率降至10%額定功率，用時(shí)1 min，反應(yīng)堆在10%額定功率運(yùn)行2 min開(kāi)始停堆。

2.1.2先除氣再停堆運(yùn)行參數(shù)變化 為驗(yàn)證利用MELCOR程序仿真計(jì)算先除氣再停堆物理過(guò)程的能力，選取了核反應(yīng)堆功率、一回路壓力、穩(wěn)壓器水位及回路出口溫度與穩(wěn)壓器溫度幾個(gè)關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行分析，結(jié)果示于圖2～5。通過(guò)上述參數(shù)的動(dòng)態(tài)變化復(fù)現(xiàn)對(duì)事件序列的假設(shè)。

圖2 核反應(yīng)堆功率

圖3 一回路壓力

圖4 穩(wěn)壓器水位

圖5 回路出口溫度與穩(wěn)壓器溫度對(duì)比

由圖2～5可見(jiàn)，核反應(yīng)堆功率、一回路壓力、穩(wěn)壓器水位、回路出口溫度及穩(wěn)壓器溫度的變化趨勢(shì)與噴霧除氣及停堆過(guò)程的假設(shè)條件一致。在功能實(shí)現(xiàn)上，反應(yīng)堆功率從100%額定功率降至20%額定功率噴霧除氣結(jié)束后實(shí)現(xiàn)停閉；回路壓力在噴霧階段在工作范圍內(nèi)震蕩，除氣結(jié)束后因降溫降壓而降低；穩(wěn)壓器水位在除氣階段基本在工作范圍內(nèi)震蕩，除氣結(jié)束后最終因穩(wěn)壓器氣腔消除而滿水；回路溫度與穩(wěn)壓器溫度溫差通過(guò)控制回路和穩(wěn)壓器降溫速率保持在合理范圍內(nèi)。因此，程序能夠準(zhǔn)確模擬核反應(yīng)堆的先除氣再停堆過(guò)程，從而為基于該仿真過(guò)程的放射性后果分析奠定了良好的基礎(chǔ)。

2.2 先除氣再停堆放射性去除效果分析

圖6示出穩(wěn)壓器內(nèi)惰性氣體占惰性氣體總量的變化。圖7示出穩(wěn)壓器內(nèi)惰性氣體的除氣除去率。結(jié)合噴霧除氣過(guò)程事件序列(表2)，由圖6可見(jiàn)，5 120 s前，穩(wěn)壓器內(nèi)出現(xiàn)的3次惰性氣體上升對(duì)應(yīng)3次噴霧過(guò)程，3次惰性氣體下降對(duì)應(yīng)3次排氣過(guò)程；5 120 s時(shí)，除氣結(jié)束，穩(wěn)壓器內(nèi)剩余惰性氣體的含量為惰性氣體總量的3.26%；由圖7可見(jiàn)，穩(wěn)壓器的3次噴霧除氣過(guò)程共去除的惰性氣體占惰性氣體總量的11.6%。

圖6 先除氣再停堆工況下穩(wěn)壓器內(nèi)惰性氣體占惰性氣體總量的變化

圖7 穩(wěn)壓器內(nèi)惰性氣體的除氣除去率

結(jié)合噴霧除氣結(jié)束后停堆事件序列(表3)，由圖6可見(jiàn)，5 360 s時(shí)，反應(yīng)堆功率降低至10%額定功率，穩(wěn)壓器噴霧保持溫差，余熱排出系統(tǒng)的投入實(shí)現(xiàn)降溫、降壓，壓力降低至低壓安注投入壓力時(shí)，開(kāi)始向回路持續(xù)補(bǔ)水，穩(wěn)壓器滿水后計(jì)算結(jié)束。可見(jiàn)停堆過(guò)程穩(wěn)壓器內(nèi)惰性氣體含量持續(xù)上升，穩(wěn)壓器滿水后，惰性氣體含量占惰性氣體總量的27.4%。

反應(yīng)堆冷停后，再次啟堆前的堆艙檢查需要進(jìn)行高點(diǎn)放氣，穩(wěn)壓器內(nèi)的惰性氣體將被釋放到堆艙內(nèi)而去除，可見(jiàn)，先除氣再停堆去除惰性氣體的總量為惰性氣體的噴霧除氣去除量與高點(diǎn)放氣去除量的總和，大小為39.0%。

3 停堆前未除氣放射性去除研究

3.1 停堆前未除氣物理過(guò)程

3.1.1停堆事件序列 表4列出停堆前未除氣的停堆事件序列，遵循該事件序列，可完整地模擬核動(dòng)力裝置停堆消除穩(wěn)壓器氣腔的物理過(guò)程，具體過(guò)程為：1)滿功率降低至30%額定功率，用時(shí)5 min，主泵開(kāi)始轉(zhuǎn)低速，轉(zhuǎn)換過(guò)程為200 s；2)30%額定功率至10%額定功率，用時(shí)5 min，在10%額定功率運(yùn)行200 s開(kāi)始停堆。

表4 停堆事件序列

3.1.2停堆運(yùn)行參數(shù)變化 為驗(yàn)證利用MELCOR程序仿真計(jì)算停堆前未除氣物理過(guò)程的能力，選取了核反應(yīng)堆功率、一回路壓力、穩(wěn)壓器水位及回路與穩(wěn)壓器溫度幾個(gè)關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行分析，如圖8～11所示，通過(guò)上述參數(shù)的動(dòng)態(tài)變化復(fù)現(xiàn)對(duì)事件序列的假設(shè)。

圖8 核反應(yīng)堆功率的變化

圖9 一回路壓力的變化

圖10 穩(wěn)壓器水位的變化

圖11 回路出口溫度與穩(wěn)壓器溫度的變化

由圖8～11可見(jiàn)，核反應(yīng)堆功率、一回路壓力、穩(wěn)壓器水位、回路出口溫度及穩(wěn)壓器溫度的變化趨勢(shì)與停堆過(guò)程的假設(shè)條件一致。在功能實(shí)現(xiàn)上，反應(yīng)堆功率從100%額定功率降功率直至停閉；回路壓力因降溫降壓而持續(xù)降低；穩(wěn)壓器水位最終因穩(wěn)壓器氣腔消除而滿水；回路溫度與穩(wěn)壓器溫度溫差通過(guò)控制回路和穩(wěn)壓器降溫速率保持在合理范圍內(nèi)。MELCOR程序能準(zhǔn)確模擬核反應(yīng)堆的停堆過(guò)程，從而為基于該仿真過(guò)程的放射性后果分析奠定了良好的基礎(chǔ)。

3.2 停堆前未除氣放射性去除效果分析

圖12示出穩(wěn)壓器內(nèi)惰性氣體占惰性氣體總量的變化。由圖12可見(jiàn)，停堆過(guò)程中穩(wěn)壓器內(nèi)惰性氣體的含量持續(xù)上升，直至穩(wěn)壓器滿水。上升過(guò)程惰性氣體含量隨時(shí)間的變化呈現(xiàn)為斜率不同的3條直線，對(duì)應(yīng)3個(gè)不同階段。

圖12 停堆前未除氣工況下穩(wěn)壓器內(nèi)惰性氣體占惰性氣體總量的變化

第1條直線對(duì)應(yīng)穩(wěn)壓器持續(xù)大量噴霧控制穩(wěn)壓器與回路溫差階段。結(jié)合表4中停堆過(guò)程事件序列，由圖8可見(jiàn)，800 s時(shí)，反應(yīng)堆從滿功率降低至10%額定功率，由圖11可見(jiàn)，由于功率的降低導(dǎo)致回路溫度降低，為了保證出口溫度與穩(wěn)壓器溫度的溫差，穩(wěn)壓器持續(xù)大量噴霧，由圖12可見(jiàn)，2 630 s時(shí)，穩(wěn)壓器內(nèi)惰性氣體含量上升至惰性氣體總量的13.4%。

第2條直線對(duì)應(yīng)穩(wěn)壓器間斷噴霧控制穩(wěn)壓器與回路溫差階段。該階段回路持續(xù)降溫降壓，穩(wěn)壓器與回路溫差通過(guò)間斷噴霧即可得到控制(圖11)。穩(wěn)壓器內(nèi)惰性氣體的增加速率相對(duì)平緩，由圖12可見(jiàn)，6 837 s時(shí)，穩(wěn)壓器內(nèi)惰性氣體含量上升至惰性氣體總量的18.4%。

第3條直線對(duì)應(yīng)穩(wěn)壓器持續(xù)補(bǔ)水，間斷噴霧控制穩(wěn)壓器與回路溫差階段。該階段開(kāi)始于6 837 s，回路壓力降低至3.5 MPa(圖9)，開(kāi)始向回路持續(xù)補(bǔ)水直至穩(wěn)壓器滿水(圖10)。穩(wěn)壓器內(nèi)惰性氣體的增加速率處于第1階段和第2階段之間，穩(wěn)壓器滿水后，穩(wěn)壓器內(nèi)惰性氣體含量上升至惰性氣體總量的30.3%(圖12)。

反應(yīng)堆冷停后，再次啟堆前需要進(jìn)行高點(diǎn)放氣，穩(wěn)壓器內(nèi)的惰性氣體將被釋放到堆艙內(nèi)而去除，去除量為惰性氣體總量的30.3%。由2.2節(jié)的研究結(jié)論，先除氣再停堆惰性氣體去除量為惰性氣體總量的39.0%，可見(jiàn)，先除氣再停堆比停堆前不進(jìn)行除氣操作能夠多去除惰性氣體的量為惰性氣體總量的8.7%。

4 結(jié)論

小型堆包殼破損狀態(tài)下利用穩(wěn)壓器去除放射性研究，具體研究結(jié)論如下。

1)利用MELCOR程序?qū)Ψ€(wěn)壓器噴霧除氣和停堆過(guò)程進(jìn)行建模，通過(guò)與假設(shè)的事件序列進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了模型能夠準(zhǔn)確模擬停堆及穩(wěn)壓器噴霧除氣的物理過(guò)程。

2)先除氣再停堆情況下，穩(wěn)壓器除氣過(guò)程結(jié)束后，穩(wěn)壓器內(nèi)剩余惰性氣體的含量為惰性氣體總量的3.26%；除氣過(guò)程共去除惰性氣體占惰性氣體總量的11.6%。除氣結(jié)束后開(kāi)始停堆，穩(wěn)壓器內(nèi)惰性氣體含量持續(xù)上升，穩(wěn)壓器滿水后，惰性氣體含量占惰性氣體總量的27.4%。反應(yīng)堆冷停后，再次啟堆前需要進(jìn)行高點(diǎn)放氣，穩(wěn)壓器內(nèi)的惰性氣體將被釋放到堆艙內(nèi)而去除，可見(jiàn)，先除氣再停堆去除惰性氣體的總量為惰性氣體的噴霧除氣去除量與高點(diǎn)放氣去除量的總和，大小為39.0%。

3)停堆前未除氣情況下，反應(yīng)堆冷停后，再次啟堆前需要進(jìn)行高點(diǎn)放氣，穩(wěn)壓器內(nèi)的惰性氣體將被釋放到堆艙內(nèi)而去除，去除量為惰性氣體總量的30.3%。

4)先除氣再停堆比停堆前未除氣操作能夠多去除惰性氣體的量為惰性氣體總量的8.7%。可見(jiàn)，穩(wěn)壓器噴霧除氣對(duì)穩(wěn)壓器內(nèi)放射性的降低作用有限，考慮到運(yùn)行時(shí)除氣對(duì)運(yùn)行安全的不利影響，建議僅采取停堆后高點(diǎn)放氣進(jìn)行放射性的去除。