蒸汽系統(tǒng)管道破裂事故多樣性保護(hù)驗(yàn)證研究

陳宏霞 吳廣皓 方紅宇 邱志方 蔣孝蔚

（核反應(yīng)堆系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610213）

0 引言

多樣性保護(hù)系統(tǒng)（Diverse Actuation System，DAS）是田灣5、6號機(jī)組重要改進(jìn)項(xiàng)之一，用以應(yīng)對數(shù)字化控制系統(tǒng)（Distributed Control System，DCS）發(fā)生軟件共模故障。當(dāng)DCS系統(tǒng)發(fā)生軟件共模故障時，可能會導(dǎo)致不能觸發(fā)緊急停堆功能、專設(shè)安全設(shè)施驅(qū)動功能等緩解事故后果的保護(hù)功能，從而危及反應(yīng)堆的安全。DAS系統(tǒng)設(shè)計(jì)獨(dú)立于DCS系統(tǒng)的另一套保護(hù)系統(tǒng)。DAS保護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)功能為：在正常情況下，由DCS系統(tǒng)為反應(yīng)堆提供保護(hù)；在DCS系統(tǒng)發(fā)生軟件共模故障的情況下，由DAS系統(tǒng)為反應(yīng)堆提供保護(hù)。

蒸汽系統(tǒng)管道破裂屬于IV類工況極限事故[1]，存在著放射性物質(zhì)大量釋放的潛在后果。發(fā)生蒸汽系統(tǒng)管道破裂后，蒸汽從破口排放，最初使蒸汽流量增加，之后由于蒸汽壓力下降，蒸汽流量減小。從一回路導(dǎo)出能量增加導(dǎo)致冷卻劑的溫度和壓力下降。在慢化劑負(fù)溫度系數(shù)的作用下，冷卻劑降溫導(dǎo)致正反應(yīng)性引入，威脅核電廠的安全。本文對蒸汽系統(tǒng)管道破裂事故疊加軟件共模故障進(jìn)行了分析研究，驗(yàn)證田灣5、6號機(jī)組多樣性保護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是否能夠確保反應(yīng)堆裝置的安全。

1 多樣性保護(hù)設(shè)計(jì)

DAS系統(tǒng)與DCS系統(tǒng)是兩套獨(dú)立的反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)。在核電廠正常運(yùn)行時，DAS系統(tǒng)作為DCS系統(tǒng)的備用保護(hù)系統(tǒng)，因此DAS系統(tǒng)設(shè)計(jì)，既要滿足安全性的要求，又要有較高的經(jīng)濟(jì)性。DAS系統(tǒng)保護(hù)設(shè)計(jì)是以DCS系統(tǒng)為基礎(chǔ)，從核電廠始發(fā)事件出發(fā)，對DAS系統(tǒng)保護(hù)的事故工況進(jìn)行了篩選，其篩選原則如下：

（1）只考慮單一始發(fā)事件后再疊加軟件共模故障，不考慮再發(fā)生其他故障。

（2）對于事故進(jìn)程中本身不會觸發(fā)自動保護(hù)動作的事故，由于不受軟件共模故障的影響，因此在保護(hù)設(shè)計(jì)時不予以考慮，如二回路蒸汽流量過度增加等。

（3）對于疊加軟件共模故障后，可以由原有的多樣性保護(hù)措施（如ATWT緩解系統(tǒng)）進(jìn)行保護(hù)的事故，不在特定事故工況中考慮，如正常給水流量喪失等。

（4）其他事故的驗(yàn)證分析結(jié)果表明可以被包絡(luò)，因此不在特定事故中考慮的事故，如疊加軟件共模故障時，主蒸汽系統(tǒng)事故卸壓可以被蒸汽系統(tǒng)管道破裂事故后果包絡(luò)。

表1 田灣5、6號機(jī)組DAS保護(hù)信號及其定值

2 蒸汽系統(tǒng)管道破裂事故驗(yàn)證

2.1 驗(yàn)收準(zhǔn)則

蒸汽系統(tǒng)管道破裂同時出現(xiàn)DCS軟件共模故障，DCS系統(tǒng)失效，由DAS系統(tǒng)觸發(fā)反應(yīng)堆緊急停堆、安注注入以及主蒸汽管道的隔離。

蒸汽系統(tǒng)管道破裂同時出現(xiàn)軟件共模故障，原則上屬于設(shè)計(jì)擴(kuò)展工況。根據(jù)NUREG-0800/BTP7-19[2]和NUREG/CR-6303[3]中有關(guān)的DAS驗(yàn)證分析準(zhǔn)則，結(jié)合多樣性保護(hù)設(shè)計(jì)原則和DAS驗(yàn)證分析的目的，確定IV類工況疊加軟件共模故障驗(yàn)證準(zhǔn)則如下：

（1）允許堆芯內(nèi)較多燃料元件包殼發(fā)生DNB。

（2）燃料元件包殼溫度：對于大、中LOCA要求包殼溫度低于1 204℃；其他事故要求包殼溫度低于包殼脆化限值（1 482℃）。

（3）允許熱點(diǎn)燃料芯塊發(fā)生較多的熔化。

（4）反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)壓力不超過22 MPa。

（5）安全殼壓力低于98%置信水平下安全殼極限承載壓力。

蒸汽系統(tǒng)管道破裂事故疊加軟件共模故障，從堆芯后果和安全殼壓力響應(yīng)兩方面進(jìn)行了DAS系統(tǒng)的驗(yàn)證。

2.2 蒸汽系統(tǒng)管道破裂堆芯后果驗(yàn)證

2.2.1 主要假設(shè)

蒸汽系統(tǒng)管道破裂堆芯后果驗(yàn)證，采用最佳估算的分析方法，分析了兩種工況，100%FP功率水平和熱停堆工況，初始狀態(tài)參數(shù)取名義值。

假設(shè)0 s發(fā)生蒸汽系統(tǒng)管道雙端剪切斷裂。主蒸汽系統(tǒng)隔離之前，三條環(huán)路從破口的排放受蒸汽發(fā)生器限流器的限制；主蒸汽隔離后，受影響環(huán)路繼續(xù)排放蒸汽，未受影響環(huán)路主蒸汽隔離。通過破口的蒸汽流量用Moody關(guān)系式計(jì)算。安全殼背壓假設(shè)始終為0.1 MPa。

假設(shè)主給水流量為額定流量。假設(shè)主給水隔離前，向三臺蒸汽發(fā)生器提供的總的輔助給水流量為520 m3/h；主給水隔離后，向受影響蒸汽發(fā)生器提供的復(fù)制給水流量為250 m3/h。

其余假設(shè)見表2。

表2 主要假設(shè)值

2.2.2 主要結(jié)果

熱停堆工況的事件序列見表3。發(fā)生蒸汽系統(tǒng)管道破裂疊加軟件共模故障，如果未設(shè)置DAS保護(hù)，堆芯會重返臨界，堆芯熱流密度峰值為21.71%FP，高于DCS系統(tǒng)保護(hù)下的蒸汽管道破裂堆芯后果分析結(jié)果，燃料元件有發(fā)生DNB的風(fēng)險。如果設(shè)置DAS保護(hù)，由蒸汽流量高與補(bǔ)償蒸汽壓力低符合信號觸發(fā)主蒸汽隔離，防止蒸汽排放導(dǎo)致反應(yīng)堆進(jìn)一步冷卻；此外，由穩(wěn)壓器壓力低低信號觸發(fā)安注動作，向反應(yīng)堆引入負(fù)反應(yīng)性，從而使得瞬態(tài)過程中反應(yīng)堆不會重返臨界，堆芯熱流密度峰值為2.41%FP，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于由DCS系統(tǒng)保護(hù)下的蒸汽管道破裂堆芯后果分析，因此堆芯不會發(fā)生DNB，燃料元件不會燒毀。瞬態(tài)過程中由于蒸汽管道破裂，蒸汽從破口排放導(dǎo)致一回路冷卻劑降溫降壓，穩(wěn)壓器壓力下降較低，因此冷卻劑系統(tǒng)壓力不會超過22 MPa。

表3 熱停堆事件序列

100%FP功率水平下的事件序列見表4，DNBR變化見圖2，穩(wěn)壓器壓力變化見圖3。在100%FP功率水平發(fā)生蒸汽系統(tǒng)管道破裂疊加軟件共模故障，6.3 s達(dá)到DAS保護(hù)功率量程中子注量率高信號觸發(fā)反應(yīng)堆緊急停堆，7.4 s控制棒開始下插，8.1 s出現(xiàn)最小DNBR，其值為1.86，高于限值1.20，因此燃料包殼沒有發(fā)生DNB的危險，燃料元件不會燒毀。瞬態(tài)過程中由于蒸汽管道破裂，蒸汽從破口排放導(dǎo)致一回路冷卻劑降溫降壓，穩(wěn)壓器壓力下降較低，因此冷卻劑系統(tǒng)壓力不會超過22 MPa。

2.3 蒸汽系統(tǒng)管道破裂安全殼壓力驗(yàn)證

2.3.1 主要假設(shè)

蒸汽系統(tǒng)管道破裂安全殼壓力驗(yàn)證，采用最佳估算的分析方法，對功率譜進(jìn)行了分析，包括100%FP、75%FP、50%FP、25%FP和熱停堆五種工況，初始狀態(tài)參數(shù)取名義值。

假設(shè)0 s發(fā)生蒸汽系統(tǒng)管道雙端剪切斷裂。受影響環(huán)路的蒸汽排放受限流器的影響，未受影響環(huán)路的蒸汽經(jīng)蒸汽聯(lián)箱通過從破口排放。

通過破口的蒸汽流量用Moody關(guān)系式計(jì)算。安全殼背壓假設(shè)始終為0.1 MPa。

假設(shè)主給水流量為210%的額定流量，使得向安全殼排放的蒸汽質(zhì)量更多。

假設(shè)向受影響蒸汽發(fā)生器提供的輔助給水流量為250 m3/h。

其余假設(shè)見表5。

表5 安全殼壓力評價事件序列

2.3.2 主要結(jié)果

蒸汽管道破裂事故疊加軟件共模故障后，安全殼壓力驗(yàn)證的主要結(jié)果見表5。在初始功率水平為50%FP、75%FP和100%FP功率水平下將會由DAS系統(tǒng)功率量程中子注量率高信號觸發(fā)緊急停堆，在初始功率水平為25%FP功率水平下將會由DAS系統(tǒng)穩(wěn)壓器壓力低低觸發(fā)緊急停堆。這五種工況下均會觸發(fā)主蒸汽隔離和安注動作，并且初始反應(yīng)堆功率水平越高，其安全殼峰值壓力越高。在100%FP功率水平下，安全殼壓力峰值壓力最大，其值為0.518MPa，低于98%置信水平下的安全殼極限承載壓力0.772MPa，滿足安全殼壓力準(zhǔn)則要求。

3 結(jié)語

田灣5、6號機(jī)組DAS系統(tǒng)設(shè)置4個停堆保護(hù)、1個主蒸汽隔離保護(hù)和1個安注保護(hù)。蒸汽系統(tǒng)管道破裂疊加DCS軟件共模故障分析結(jié)果表明，在DAS系統(tǒng)的保護(hù)下，堆芯不會發(fā)生DNB，燃料元件不會燒毀，冷卻劑系統(tǒng)壓力不會超過22 MPa，安全殼壓力低于98%置信水平下的安全殼極限承載壓力，從而保證了反應(yīng)堆的安全。