王 志

（中國(guó)核工業(yè)集團(tuán)公司核電部，北京 100822）

AP1000非能動(dòng)堆芯冷卻系統(tǒng)（PXS）包括了非能動(dòng)安全注入子系統(tǒng)、非能動(dòng)余熱排出子系統(tǒng)、安全殼再循環(huán)堆芯冷卻子系統(tǒng)和安全殼內(nèi)pH控制子系統(tǒng)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用重力、壓縮氣體、自然循環(huán)以及對(duì)流等自然驅(qū)動(dòng)力，而不是采用泵、風(fēng)機(jī)或柴油發(fā)電機(jī)等能動(dòng)部件，來(lái)實(shí)現(xiàn)初始事件后的反應(yīng)性控制、余熱排出和放射性物質(zhì)包容；而且可以在沒(méi)有交流電源、設(shè)備冷卻水、廠用水以及暖通空調(diào)等安全級(jí)支持系統(tǒng)的條件下保持系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)。非能動(dòng)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化了系統(tǒng)，減少了控制安全系統(tǒng)所要求的操作人員動(dòng)作的數(shù)量和復(fù)雜程度，提高了可操作性，從而減少了人因失誤，提高了核電廠的安全性。

PXS采用冗余、多樣性等手段達(dá)到安全目標(biāo)，滿足單一故障準(zhǔn)則。

1 非能動(dòng)堆芯冷卻系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)描述

在設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故工況下，能夠建立并維持堆芯冷卻和安全殼完整性，在72 h內(nèi)不需要操作員介入；在完全喪失冷卻劑的嚴(yán)重事故工況下，能夠快速給反應(yīng)堆容器充水，重新淹沒(méi)堆芯并持續(xù)導(dǎo)出堆芯余熱。PXS為抗震I類、安全相關(guān)系統(tǒng)。

P X S是由1臺(tái)非能動(dòng)余熱排出熱交換器（PRHR HX）、2臺(tái)堆芯補(bǔ)水箱（CMT）、2臺(tái)安注箱或蓄壓箱（ACC）、1臺(tái)安全殼內(nèi)置換料水箱（IRWST）和4個(gè)pH調(diào)節(jié)籃及相應(yīng)的管道、閥門(mén)、儀表等組成。圖1為AP1000非能動(dòng)堆芯冷卻系統(tǒng)的三維示意圖。

圖1 AP1000非能動(dòng)堆芯冷卻系統(tǒng)的三維示意圖Fig.1 The 3D schematic of AP1000 passive core cooling system

1.1.1 非能動(dòng)安全注入子系統(tǒng)

圖2為反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)（RCS）提供非能動(dòng)安全注入的子系統(tǒng)，由2臺(tái)CMT、2臺(tái)ACC、1臺(tái)IRWST以及相關(guān)的管道、閥門(mén)和儀表組成。

每臺(tái)CMT的進(jìn)口管連接到1個(gè)冷段，進(jìn)口管也稱為冷段壓力平衡管線。平衡管線上裝有1個(gè)常開(kāi)電動(dòng)閥，CMT壓力與RCS冷段壓力一致，以避免CMT開(kāi)始注入時(shí)發(fā)生水錘現(xiàn)象。

CMT內(nèi)充滿濃度為3 500×10-6的低溫硼水，并布置在安全殼內(nèi)稍高于RCS主管道環(huán)路標(biāo)高的位置。當(dāng)正常補(bǔ)水系統(tǒng)不可用或補(bǔ)水不足時(shí)，CMT對(duì)RCS提供補(bǔ)水。在主蒸汽管道破裂事故或安全停堆事故條件下，CMT中的濃硼水能夠?yàn)槎研咎峁┳銐虻耐６言Ａ俊８鶕?jù)RCS的不同條件，CTM分為兩種運(yùn)行模式。一種是水再循環(huán)模式：當(dāng)冷段充滿冷卻劑時(shí)，驅(qū)動(dòng)力是由進(jìn)口壓力平衡管的高溫冷卻劑與CTM箱中冷水之間的密度差產(chǎn)生的。另一種是蒸汽補(bǔ)償模式：當(dāng)冷段出現(xiàn)汽腔時(shí)，驅(qū)動(dòng)力是由冷段中的蒸汽與CTM箱中水的密度差產(chǎn)生的。當(dāng)CMT被觸發(fā)時(shí)，反應(yīng)堆冷卻劑泵停止運(yùn)行。

圖2 非能動(dòng)安全注入子系統(tǒng)Fig.2 The sub-system of passive safety injection

CMT的出口管連接到反應(yīng)堆壓力容器直接注入管（DVI）以完成向堆芯的注入，DVI連到反應(yīng)堆壓力容器的下降段環(huán)腔。出口管上設(shè)有2臺(tái)并聯(lián)隔離閥、2臺(tái)串聯(lián)止回閥和1個(gè)孔板。2臺(tái)隔離閥都是故障開(kāi)的運(yùn)行模式（在失氣或失電時(shí)處于開(kāi)啟位置）。設(shè)計(jì)2臺(tái)止回閥是為了防止在一些事故（比如大破口失水事故）下安注箱的水由于反應(yīng)堆壓力容器被旁路而倒流進(jìn)入CMT?？装宓淖饔檬怯脕?lái)調(diào)整CMT注入流量，并增加CMT背壓以便在正常余熱排出泵運(yùn)行時(shí)停止注水。

2臺(tái)安注箱內(nèi)充有濃度為2 700×10－6的濃硼水，并由氮?dú)饧訅?，安注箱?nèi)部靜壓為700 psig（4.83 MPa表壓）。安注箱的氣容積占總?cè)莘e的15%。安注箱出口管與DVI管相連接。安注箱的出口管線上有1臺(tái)常開(kāi)電動(dòng)隔離閥、1臺(tái)流量調(diào)節(jié)孔板，并設(shè)有2臺(tái)串聯(lián)止回閥以防止在正常運(yùn)行期間反應(yīng)堆冷卻劑流回安注箱。

IRWST中充有濃度為2 700×10－6的濃硼水，并布置在略高于RCS主管道環(huán)路標(biāo)高的位置。2個(gè)IRWST注入系列分別經(jīng)過(guò)2條DVI管線通過(guò)重力把濃硼水從IRWST注入反應(yīng)堆容器。每臺(tái)重力注入系列是由1臺(tái)常開(kāi)隔離閥、2臺(tái)并聯(lián)止回閥和2臺(tái)并聯(lián)爆破閥組成。只有當(dāng)RCS完全泄壓后才能實(shí)現(xiàn)IRWST重力注入。

1.1.2 非能動(dòng)余熱排出子系統(tǒng)

非能動(dòng)余熱排出子系統(tǒng)由1臺(tái)非能動(dòng)余熱排出熱交換器（PRHR HX）以及相關(guān)的閥門(mén)、管道和儀表組成（見(jiàn)圖3）。

PRHR HX淹沒(méi)在IRWST內(nèi)，以水箱中的水作為冷卻介質(zhì)。這種特殊的熱交換器具有一組C形傳熱管束，該傳熱管材料與蒸汽發(fā)生器U形管材料相同，都是Inconel690。傳熱管的設(shè)計(jì)留有充足的堵管裕量，在堵管后PRHR HX仍然滿足導(dǎo)出堆芯余熱的系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。IRWST的位置高于反應(yīng)堆，因此，當(dāng)反應(yīng)堆冷卻劑泵不可用時(shí)，非能動(dòng)余熱排出子系統(tǒng)能夠使冷卻劑依靠自然循環(huán)流過(guò)PRHR HX，從而導(dǎo)出堆芯余熱。

圖3 非能動(dòng)余熱排出子系統(tǒng)Fig.3 The sub-system of passive ressiduel heat removal

PRHR HX的進(jìn)口管線通過(guò)一個(gè)常開(kāi)電動(dòng)閥與RCS I環(huán)路熱段相連接，熱交換器中的壓力和RCS冷卻劑的壓力相同，以防止PRHR HX啟動(dòng)運(yùn)行初期發(fā)生水錘現(xiàn)象。出口管線經(jīng)2臺(tái)并聯(lián)氣動(dòng)隔離閥與蒸汽發(fā)生器下封頭冷段腔室（反應(yīng)堆冷卻劑泵進(jìn)口）連接。2臺(tái)并聯(lián)隔離閥設(shè)置為故障開(kāi)啟（FO）運(yùn)行模式。在正常工況下，出口隔離閥是關(guān)閉的，熱交換器內(nèi)冷卻劑的溫度與IRWST水溫相同。當(dāng)出口管線上隔離閥開(kāi)啟后，由于PRHR HX和反應(yīng)堆之間存在位差和溫差而產(chǎn)生的反應(yīng)堆冷卻劑自然循環(huán)壓頭，其方向與反應(yīng)堆冷卻劑泵（RCP）產(chǎn)生的強(qiáng)制循環(huán)方向相同。因此在反應(yīng)堆冷卻劑泵運(yùn)行時(shí)，PRHR HX以強(qiáng)制循環(huán)加自然循環(huán)方式把堆芯余熱傳遞到IRWST；而在反應(yīng)堆冷卻劑泵停止后，PRHR HX以自然循環(huán)方式冷卻堆芯。

1.1.3 安全殼再循環(huán)堆芯冷卻子系統(tǒng)

安全殼再循環(huán)堆芯冷卻子系統(tǒng)共有兩個(gè)系列，每個(gè)系列分為兩條管線：一條管線上設(shè)有1個(gè)電動(dòng)閥和1臺(tái)爆破閥；另一條管線上設(shè)有1臺(tái)止回閥和1臺(tái)爆破閥。其水源是來(lái)自CTM、ACC和IRWST完成注入后匯集在地坑中的含硼水，它以自然循環(huán)方式為堆芯提供長(zhǎng)期再循環(huán)冷卻。

1.1.4 安全殼內(nèi)pH控制子系統(tǒng)

安全殼內(nèi)pH控制子系統(tǒng)包括4個(gè)充滿顆粒狀磷酸三鈉（TSP）的pH調(diào)節(jié)籃。這些調(diào)節(jié)籃安裝在安全殼內(nèi)，并保證有2個(gè)pH調(diào)節(jié)籃在冷卻水再循環(huán)回路上。其布置要求非常嚴(yán)格：一方面，在發(fā)生嚴(yán)重事故水淹情況時(shí)，即堆芯已損壞、放射性物質(zhì)已經(jīng)釋放到安全殼中，調(diào)節(jié)籃的布置使得化學(xué)添加物溶解于安全殼再循環(huán)水中；另一方面，除了嚴(yán)重事故水淹情況下，調(diào)節(jié)籃的布置應(yīng)把溶解磷酸三鈉腐蝕設(shè)備的機(jī)會(huì)減到最小。

調(diào)節(jié)籃是沿著墻布置的，高于地面約1 ft（30 cm）。它一面由不銹鋼絲網(wǎng)圍成，其他方向是鋼板。當(dāng)安全殼水淹時(shí)水達(dá)到調(diào)節(jié)籃后，磷酸三鈉就會(huì)溶解在安全殼水中，形成非能動(dòng)的化學(xué)物添加，其目的為：

（1）由于磷酸三鈉添加劑將安全殼再循環(huán)水的pH控制在7.0～9.5范圍內(nèi)，這會(huì)減少水中的放射性有機(jī)碘，以及安全殼內(nèi)空氣中放射性碘的含量。因此，調(diào)節(jié)器能夠在堆芯損壞時(shí)限制安全殼內(nèi)放射性物質(zhì)的釋放。

（2）磷酸三鈉添加劑在水淹后期能夠減少不銹鋼部件潛在的應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂的可能性。

1.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)

PXS的設(shè)計(jì)壓力和設(shè)計(jì)溫度取決于最大運(yùn)行工況，即在不同的運(yùn)行模式下系統(tǒng)設(shè)備及部件仍保持完整。系統(tǒng)設(shè)備及部件的大小由滿足系統(tǒng)要求的各自功能需求所決定，比如IRWST設(shè)計(jì)足夠大，用來(lái)裝有足夠的水，從而確保充滿換料水池；在破口管直徑小于10 in（25.4 cm）的LOCA事故工況下，1臺(tái)CMT或1臺(tái)安注箱便足以阻止堆芯熔化等。非能動(dòng)堆芯冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)壓力和溫度見(jiàn)表1，非能動(dòng)堆芯冷卻系統(tǒng)主要設(shè)備技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表2。

表1 非能動(dòng)堆芯冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)壓力和溫度Table 1 The design pressure and temperature of passive core cooling system

表2 非能動(dòng)堆芯冷卻系統(tǒng)主要設(shè)備技術(shù)參數(shù)Table 2 Technical parameters for main equipment in the passive core cooling system

1.3 系統(tǒng)運(yùn)行

當(dāng)從啟動(dòng)給水系統(tǒng)導(dǎo)出的余熱或化學(xué)和容積控制系統(tǒng)的補(bǔ)水不足或不可用時(shí)，PXS為反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)（RCS）提供安全相關(guān)的安全注射和余熱排出功能。

1.3.1 電廠正常運(yùn)行工況下運(yùn)行

（1）在電廠功率下運(yùn)行

在電廠正常功率運(yùn)行時(shí)，PXS不工作，處于備用狀態(tài)。

對(duì)于非能動(dòng)余熱排出子系統(tǒng)：PRHR HX進(jìn)口與RCS的冷段連通，出口管線被2臺(tái)并聯(lián)氣動(dòng)閥隔離。PRHR HX淹沒(méi)在IRWST中，其管側(cè)維持在RCS壓力下充滿低溫冷卻劑。管線的布置可以促進(jìn)PRHR HX中的流體初始自然循環(huán)到RCS。

對(duì)于非能動(dòng)安注子系統(tǒng)：2臺(tái)C M T維持在RCS壓力和安全殼溫度下，充滿了低溫含硼水。從冷段到每臺(tái)CMT頂端的壓力平衡管線處于連通狀態(tài)，出口管線被2臺(tái)并聯(lián)控制閥進(jìn)行隔離。壓力平衡管線的布置可以促進(jìn)CMT最初利用自然循環(huán)的模式將水注入RCS。

2臺(tái)安注箱充入700 psig（4.8 MPa表壓）的氮?dú)狻Ｃ颗_(tái)安注箱到DVI管嘴的出口注入管線上的電動(dòng)隔離閥處于常開(kāi)位置，出口管線上設(shè)有兩臺(tái)串聯(lián)止回閥以維持RCS壓力邊界。

IRWST在安全殼壓力（通常是標(biāo)準(zhǔn)大氣壓）下充滿了低溫濃硼水。由重力注入管線上的2臺(tái)并聯(lián)爆破閥來(lái)維持RCS壓力邊界。

（2）在電廠停運(yùn)工況下運(yùn)行

在電廠停運(yùn)或停堆時(shí)，如果啟動(dòng)給水系統(tǒng)通過(guò)蒸汽發(fā)生器導(dǎo)出堆芯余熱，則PXS不啟動(dòng)。隨著RCS的壓力和溫度的持續(xù)下降，需要執(zhí)行如下操作，用來(lái)隔離PXS以防止影響正常運(yùn)行：當(dāng)RCS壓力下降到1 000 psig（6.89 MPa表壓）時(shí)，關(guān)閉安注箱注入管線上的隔離閥，以防止在RCS壓力低于安注箱壓力時(shí)，安注箱誤注入。

在RCS降壓后并在穩(wěn)壓器疏排開(kāi)始前，關(guān)閉CMT進(jìn)口管線上的隔離閥。

1.3.2 電廠事故工況下運(yùn)行

（1）未發(fā)生失水事故時(shí)運(yùn)行

在未發(fā)生失水事故時(shí)，需要考慮兩種事故類型：由于給水管道破裂造成的RCS加熱事故，以及由于蒸汽管道破裂造成的RCS冷卻事故。

1）給水管道破裂事故工況下運(yùn)行

在不同情況下，給水管道破裂能引起RCS冷卻瞬態(tài)或加熱瞬態(tài)。由于喪失給水所引起的冷卻瞬態(tài)已包絡(luò)在蒸汽系統(tǒng)管道破裂事故分析中，因此，對(duì)于給水管道破裂事故只評(píng)價(jià)RCS加熱瞬態(tài)。在低功率時(shí)小管道破裂的加熱瞬態(tài)影響已包絡(luò)在滿功率時(shí)的給水管道雙端斷裂中。由給水管道失效導(dǎo)致的最嚴(yán)重堆芯狀況是在滿功率時(shí)給水管道的雙端破裂。下面針對(duì)發(fā)生該事故進(jìn)行相關(guān)討論。

啟動(dòng)給水系統(tǒng)（S F W）可導(dǎo)出堆芯衰變熱，以防止反應(yīng)堆冷卻劑過(guò)量加熱和穩(wěn)壓器排水卸壓。若主給水系統(tǒng)（MFW）和啟動(dòng)給水系統(tǒng)（SFW）都不可用，PRHR HX將在蒸汽發(fā)生器低液位信號(hào)或SFW系統(tǒng)低流量信號(hào)觸發(fā)下自動(dòng)啟動(dòng)，導(dǎo)出堆芯衰變熱，從而冷卻RCS。在此階段，PRHR HX流體循環(huán)被主泵（RCP）驅(qū)動(dòng)。當(dāng)RCS冷卻后，穩(wěn)壓器液位降低會(huì)觸發(fā)CMT運(yùn)行。一旦CMT被觸發(fā)，主泵自動(dòng)脫扣，此時(shí)PRHR HX將在自然循環(huán)狀況下運(yùn)行。CMT通過(guò)DVI注入管線將低溫濃硼水注入壓力容器的下降環(huán)腔中，以保持RCS水裝量并增加負(fù)反應(yīng)性。在這個(gè)過(guò)程中，CMT以水再循環(huán)模式運(yùn)行，冷段未出現(xiàn)汽腔。

最后，當(dāng)電廠狀況滿足正常停堆要求時(shí)，操作員終止PXS的運(yùn)行，并執(zhí)行電廠正常停堆操作程序。整個(gè)過(guò)程中并不需要安注箱投入。

2）蒸汽管道破裂事故下的運(yùn)行

由蒸汽管道失效導(dǎo)致的最嚴(yán)重堆芯狀況是在零功率時(shí)主蒸汽管道的雙端斷裂。零功率條件下雙端斷裂包絡(luò)了高功率下蒸汽系統(tǒng)小管道失效。

在這種事故下，當(dāng)發(fā)出反應(yīng)堆保護(hù)信號(hào)時(shí)，反應(yīng)堆自動(dòng)停堆。RCS迅速冷卻，CMT投入運(yùn)行而主泵脫扣。主蒸汽隔離閥快速關(guān)閉，防止多于1臺(tái)蒸汽發(fā)生器排放。啟動(dòng)給水系統(tǒng)（SFW）被假定為故障，因此它在最高流量下運(yùn)行。CMT在水再循環(huán)模式下運(yùn)行，注入濃硼水以補(bǔ)充RCS水裝量并增加負(fù)反應(yīng)性。但是在瞬態(tài)期間，該負(fù)反應(yīng)性的增加率不足以阻止反應(yīng)堆重返臨界，也就是說(shuō)正反應(yīng)性增加率（來(lái)自反應(yīng)堆冷卻劑溫度降低）超過(guò)負(fù)反應(yīng)性增加率（來(lái)自CMT的濃硼水），故RCS的快速冷卻可能會(huì)導(dǎo)致反應(yīng)堆重返臨界。隨著事件的延續(xù)，RCS的冷卻速度逐漸減緩，而持續(xù)的來(lái)自CMT的濃硼水使反應(yīng)堆恢復(fù)到次臨界狀態(tài)。在事故期間，如果RCS壓力低于700 psig（4.8 MPa表壓），安注箱動(dòng)作將濃硼水注入反應(yīng)堆壓力容器中。

最后，當(dāng)電廠狀況滿足正常停堆要求時(shí)，操作員終止PXS的運(yùn)行，并執(zhí)行電廠正常停堆操作程序。由于RCS沒(méi)有泄露，CMT以無(wú)排放的水再循環(huán)模式進(jìn)行注入，因此自動(dòng)卸壓系統(tǒng)（ADS）不會(huì)因?yàn)镃MT液位降低而動(dòng)作。

（2）失水事故時(shí)運(yùn)行

失水事故也稱冷卻劑喪失事故（LOCA），是指任意管線破裂或設(shè)備泄露所導(dǎo)致RCS裝量的減少量超過(guò)了正常補(bǔ)水系統(tǒng)的補(bǔ)水能力。對(duì)于AP1000設(shè)計(jì)，RCS管線破口直徑尺寸小于3/8 in（9.5 mm）時(shí)不會(huì)引起失水事故，因?yàn)橐慌_(tái)補(bǔ)水泵的補(bǔ)給流量足夠補(bǔ)償該破口直徑的泄露流量，從而維持RCS壓力。不需要安全相關(guān)系統(tǒng)投入，反應(yīng)堆將正常停堆。

反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)（RCS），假想管道破裂分為大管道破裂（大破口）和小管道破裂（小破口）。大破口指整個(gè)斷面面積等于或大于1 ft2（929 cm2）；小破口指整個(gè)斷面面積小于1 ft2。大破口失水事故稱為大LOCA，小破口失水事故稱為小LOCA。

一旦發(fā)生失水事故，RCS壓力下降，這導(dǎo)致反應(yīng)堆停堆并引發(fā)安全注入。初始時(shí)，CMT在RCS壓力下以水再循環(huán)模式或蒸汽補(bǔ)償注入模式運(yùn)行。對(duì)于小LOCA事故，RCS的水裝量足夠建立CMT水再循環(huán)；在水再循環(huán)模式中每臺(tái)CMT注入流量為14 lb/s（6.356 kg/s）。對(duì)于大LOCA事故，當(dāng)穩(wěn)壓器和冷段迅速排空后，CMT蒸汽補(bǔ)償注入開(kāi)始，在這種模式下每臺(tái)CMT注入流量為135 lb/s（61.29 kg/s）。當(dāng)CMT投運(yùn)后，CMT液位下降，其不同低液位信號(hào)將觸發(fā)對(duì)應(yīng)級(jí)別自動(dòng)卸壓系統(tǒng)（ADS）閥門(mén)動(dòng)作。

RCS壓力持續(xù)下降到低于700 psig（4.8 MPa表壓）時(shí)，安注箱自動(dòng)運(yùn)行。在大LOCA事故或自動(dòng)卸壓系統(tǒng)（ADS）啟動(dòng)后，安注箱注入的硼水通過(guò)DVI管線流入反應(yīng)堆壓力容器，實(shí)現(xiàn)再淹沒(méi)堆芯。RCS和安注箱之間的壓差決定了安注箱注入流量。

作為大LOCA事故下PXS最重要功能之一，PXS通過(guò)重力注入方式從IRWST和安全殼再循環(huán)地坑向RCS供水，從而提供長(zhǎng)期冷卻。隨著RCS壓力降低，IRWST注入管線上的爆破閥和止回閥先后打開(kāi)。2條IRWST重力注入系列開(kāi)始向反應(yīng)堆壓力容器注入硼水，IRWST液位緩緩下降而安全殼液位將升高。當(dāng)安全殼液位達(dá)到pH調(diào)節(jié)籃位置時(shí)磷酸三鈉開(kāi)始溶解。最終安全殼再循環(huán)將建立起來(lái)，安全殼內(nèi)水的自然循環(huán)為堆芯提供長(zhǎng)期再循環(huán)冷卻。

在長(zhǎng)期再循環(huán)冷卻模式下，堆芯充滿水，衰變熱以安全殼內(nèi)蒸汽形式導(dǎo)出。安全殼的鋼殼相當(dāng)于1臺(tái)熱交換器。鋼殼外側(cè)通過(guò)非能動(dòng)安全殼冷卻系統(tǒng)（PCS）冷卻；在安全殼內(nèi)蒸汽冷凝后，大部分凝結(jié)水通過(guò)凝結(jié)水收集槽而返回IRWST，再通過(guò)IRWST重力注入反應(yīng)堆中。沒(méi)有通過(guò)收集槽而流回IRWST的部分凝結(jié)水，通過(guò)安全殼再循環(huán)方式流回到反應(yīng)堆中。所有PXS注入和再循環(huán)都發(fā)生在安全殼內(nèi)。

對(duì)于小LOCA事故，由控制棒提供初始停堆，而由PXS濃硼水提供負(fù)反應(yīng)性以維持長(zhǎng)期停堆。對(duì)于大LOCA事故，堆芯的排空提供了初始停堆，對(duì)于長(zhǎng)期停堆也是依靠PXS濃硼水提供負(fù)反應(yīng)性來(lái)維持的。

1.3.3 停堆工況事故下運(yùn)行

（1）熱備用、停堆冷卻、加熱期間喪失啟動(dòng)給水

在熱備用、停堆冷卻、加熱工況下，由啟動(dòng)給水系統(tǒng)（SFW）向蒸汽發(fā)生器供水，蒸汽排入主冷凝器或者大氣，因此RCS通過(guò)蒸汽發(fā)生器進(jìn)行冷卻。但是啟動(dòng)給水系統(tǒng)（SFW）是非安全相關(guān)系統(tǒng)，需要考慮它們的失效。在啟動(dòng)給水系統(tǒng)（SFW）失效時(shí)，PRHR HX會(huì)自動(dòng)投運(yùn)以排除堆芯余熱。

化學(xué)和容積控制系統(tǒng)（CVS）也是非安全相關(guān)系統(tǒng)，當(dāng)CVS失效時(shí)，隨著冷卻劑冷卻收縮，穩(wěn)壓器液位降低觸發(fā)CMT自動(dòng)啟動(dòng)，以水再循環(huán)模式運(yùn)行，維持RCS的水裝量。

IRWST為PRHR HX提供熱阱，而非能動(dòng)安全殼冷卻系統(tǒng)（PCS）提供安全相關(guān)最終熱阱。熱量從PRHR HX的傳熱管側(cè)傳到IRWST水中，IRWST水溫升高，2 h左右，IRWST內(nèi)的水開(kāi)始沸騰，產(chǎn)生的蒸汽釋放到安全殼中，并在安全殼內(nèi)冷凝，大部分凝結(jié)水通過(guò)凝結(jié)水收集槽返回到IRWST。

（2）換料期間喪失正常余熱排出

正常換料期間，堆芯衰變熱一般由正常余熱排出系統(tǒng)（RNS）排出。然而正常余熱排出泵是非安全相關(guān)的，需要考慮它們的失效。

在該事故下，假定反應(yīng)堆壓力容器上封頭已移開(kāi)，IRWST中的水已輸送到換料水池內(nèi)，并達(dá)到高液位。由于IRWST排空，無(wú)熱阱，從而導(dǎo)致PRHR HX不可用。為了拆換部件，安全殼設(shè)備閘門(mén)處于打開(kāi)狀態(tài)。正常余熱排出系統(tǒng)失效約9 h后，換料水池內(nèi)的水達(dá)到飽和溫度。因?yàn)閾Q料水池內(nèi)水的加熱速度較慢，在安全殼內(nèi)形成大量蒸汽之前，有足夠的時(shí)間關(guān)閉所有的安全殼貫穿件和設(shè)備閘門(mén)。如果沒(méi)有關(guān)閉安全殼，大約在5 d后，通過(guò)蒸發(fā)，液位降到燃料組件頂部。由于安全殼關(guān)閉，蒸汽被限制在安全殼內(nèi)，并被非能動(dòng)安全殼冷卻系統(tǒng)（PCS）冷凝，安全殼不會(huì)喪失水。這樣通過(guò)安全殼再循環(huán)，建立并維持長(zhǎng)期冷卻。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)瞬態(tài)研究

在進(jìn)行系統(tǒng)主要部件設(shè)計(jì)時(shí)，需要考慮系統(tǒng)設(shè)計(jì)瞬態(tài)。所有瞬態(tài)及其發(fā)生的頻率在部件設(shè)計(jì)和疲勞評(píng)價(jià)過(guò)程中都非常重要。為了保證部件在電站設(shè)計(jì)壽期內(nèi)滿足使用要求，文中的設(shè)計(jì)瞬態(tài)是指在電站壽期內(nèi)預(yù)期發(fā)生的或可能發(fā)生的瞬態(tài)的保守表述，并且每個(gè)設(shè)計(jì)瞬態(tài)初始條件的選擇都是最大化反映瞬態(tài)的嚴(yán)重性。瞬態(tài)由壓力、溫度和流量描述，以評(píng)價(jià)部件的熱疲勞。本文重點(diǎn)選取PRHR HX、CMT以及安注箱等設(shè)備設(shè)計(jì)瞬態(tài)進(jìn)行了研究。

2.1 設(shè)計(jì)瞬態(tài)研究相關(guān)參數(shù)

PRHR HX參數(shù)見(jiàn)表3，CMT參數(shù)見(jiàn)表4，安注箱參數(shù)見(jiàn)表5，IRWST容積參數(shù)見(jiàn)表6，安全殼內(nèi)部溫度參數(shù)見(jiàn)表7。

表3 PRHR HX參數(shù)Table 3 PRHR HX parameters

表4 CMT參數(shù)Table 4 CMT parameters

表5 安注箱參數(shù)Table 5 Accumulator parameters

表6 IRWST容積參數(shù)Table 6 IRWST volume parameters

表7 安全殼內(nèi)部溫度參數(shù)Table 7 Containment internal temperature parameters

2.2 PRHR HX設(shè)計(jì)瞬態(tài)研究

由于與RCS熱段相連的PRHR HX進(jìn)口管線處于常開(kāi)狀態(tài)，PRHR HX承受所有來(lái)自RCS的壓力瞬態(tài)。

對(duì)所有PRHR HX設(shè)計(jì)瞬態(tài)都做如下假設(shè)：

（1）PRHR HX進(jìn)口管線水溫與熱段水溫相同。PRHR HX進(jìn)口接管的溫度，在非能動(dòng)余熱排出啟動(dòng)前與IRWST的溫度相同，而在非能動(dòng)余熱排出啟動(dòng)后上升到RCS熱段（環(huán)路I）的溫度。

（2）PRHR HX出口溫度從50 ℉（10 ℃)升至300 ℉（148.9 ℃），再到210 ℉（98.9 ℃）。處于300 ℉（148.9 ℃）的時(shí)間為60 s。

2.2.1 RCS泄漏導(dǎo)致IRWST升溫

在此瞬態(tài)期間，流體為單態(tài)液相的水，PRHR HX和IRWST保持熱平衡。假設(shè)由于RCS通過(guò)PRHR HX傳熱管發(fā)生泄露，IRWST在超過(guò)24 h時(shí)間里從50 ℉緩慢升溫到150 ℉。24 h后，泄漏停止，然后IRWST通過(guò)正常余熱排出系統(tǒng)（RNS）慢慢冷卻至120 ℉（49 ℃）。

2.2.2 喪失廠外電源

喪失廠外電源是在電廠滿功率運(yùn)行時(shí)（保守假設(shè)為102%功率）外部電源喪失。事故將導(dǎo)致反應(yīng)堆緊急停堆和汽輪機(jī)脫扣。所有連接到汽輪發(fā)電機(jī)組總線的電負(fù)荷將失電，包括主泵、主給水泵和冷凝泵。圖4給出了在喪失廠外電源事故工況下PRHR HX壓力瞬態(tài)，也反映了一回路壓力瞬態(tài)。壓力峰值約為320 psig（2.2 MPa表壓)。

此事故工況下，反應(yīng)堆停堆、主泵脫扣，PRHR HX建立自然循環(huán)。此瞬態(tài)期間，RCS熱段溫度下降，如圖5所示，進(jìn)口溫度峰值約為610 ℉（321 ℃）。PRHR HX的介質(zhì)流量約為102 lb/s（46.3 kg/s）。

當(dāng)通過(guò)蒸汽發(fā)生器冷卻R C S（M F W或SFW）的正常方式恢復(fù)時(shí)，PRHR HX自然循環(huán)冷卻停止。整個(gè)過(guò)程中，反應(yīng)堆不停堆，主泵保持運(yùn)行。

在事故開(kāi)始后1 800 s時(shí)，PRHR HX內(nèi)的冷卻劑流動(dòng)被中止。圖6給出了PRHR HX在誤動(dòng)作500 s期間的溫度瞬態(tài)情況，大約50 s后入口溫度和出口溫度保持穩(wěn)定，分別為610 ℉（321 ℃）、390 ℉（199 ℃）。PRHR HX的冷卻劑流量約為533 lb/s（241.7 kg/s）。

圖4 喪失廠外電源時(shí)，PRHR HX壓力瞬態(tài)Fig.4 Loss of off-site power，PRHR HX pressure transient

圖5 喪失廠外電源時(shí)，PRHR HX溫度瞬態(tài)Fig.5 Loss of off-site power， PRHR HX temperature transient

2.2.3 PRHR HX誤動(dòng)作

假設(shè)在102%功率運(yùn)行期間，PRHR HX誤動(dòng)作，反應(yīng)堆冷卻劑通過(guò)熱交換器得到冷卻。在此

圖6 PRHR HX誤動(dòng)作時(shí)，PRHR HX溫度瞬態(tài)Fig.6 PRHR HX false operation ，PRHR HX temperature transient

PRHR HX內(nèi)的介質(zhì)流動(dòng)被中止后，熱交換器傳熱管很快冷卻到I R W S T的溫度200 ℉（93.3 ℃）。通過(guò)正常余熱排出系統(tǒng)（RNS）運(yùn)行將IRWST（以及PRHR HX一起）降到120 ℉（49 ℃）。

2.3 CMT設(shè)計(jì)瞬態(tài)研究

由于與RCS冷段相連的CMT進(jìn)口管線處于常開(kāi)狀態(tài)，CMT承受所有來(lái)自RCS冷段壓力瞬態(tài)。

對(duì)所有CMT設(shè)計(jì)瞬態(tài)都做如下假設(shè)：

（1）冷段平衡管線的水溫與RCS冷段的水溫相同。在CMT啟動(dòng)前，CMT進(jìn)口溫度與CMT內(nèi)水溫相同，而在CMT啟動(dòng)后CMT進(jìn)口溫度逐漸升至與RCS冷段的溫度相同。

（2）在CMT內(nèi)不存在冷熱水的混合，CMT出口溫度一直維持在CMT初始溫度，直到CMT注入完相當(dāng)于1臺(tái)CMT體積的硼水量。

2.3.1 在役試驗(yàn)（IST）

CMT在役試驗(yàn)一般在反應(yīng)堆停堆且RCS處于半管運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，每10 a進(jìn)行一次。故保守估計(jì)在核電廠壽期內(nèi)共發(fā)生10次該試驗(yàn)瞬態(tài)。RCS的溫度相對(duì)較低，為140 ℉（60 ℃），而CMT的水溫為50 ℉（10 ℃）。在此期間，CMT與RCS的壓力相同，為大氣壓。

通過(guò)打開(kāi)CMT出口隔離閥進(jìn)行試驗(yàn)。進(jìn)口接管的溫度從50 ℉（10 ℃）升到140 ℉（60 ℃），如圖7所示。當(dāng)CMT將含硼水注入反應(yīng)堆壓力容器時(shí)，空氣從冷段進(jìn)入CMT。試驗(yàn)持續(xù)足夠長(zhǎng)的時(shí)間以獲得穩(wěn)定的流量，保守采用900 s的時(shí)間來(lái)確定流量和管道阻力。試驗(yàn)期間的平均流量約為25.3 kg/s。570 ℉（299 ℃）。經(jīng)過(guò)2 900 s的注入，當(dāng)冷的CMT含硼水耗盡、熱水開(kāi)始到達(dá)水箱底部后，CMT出口溫度增加。當(dāng)CMT被完全加熱，即出口溫度和進(jìn)口溫度相同時(shí)，在瞬態(tài)結(jié)束時(shí)CMT注入流量停止。事故期間的CMT平均流量約為24.54 kg/s。

圖7 CMT在役試驗(yàn)時(shí)，CMT溫度瞬態(tài)Fig.7 CMT on-line test，CMT temperature transient

CMT在役試驗(yàn)在900 s后通過(guò)關(guān)閉出口隔離閥來(lái)停止。此時(shí)，可以認(rèn)為CMT頂部是熱水（大約占40%）、底部是冷水。在役試驗(yàn)后，需要約94 h與安全殼的自然對(duì)流，才能將CMT冷卻至120 ℉（49 ℃）。

2.3.2 喪失廠外電源

在喪失廠外電源期間，在事故發(fā)生4 750 s后，CMT動(dòng)作并持續(xù)注入2 900 s。CMT壓力一直維持在2 000 psig（13.8 MPa表壓），與RCS的壓力相同。

如圖8所示，在出口隔離閥開(kāi)啟后，570 ℉（299 ℃）的反應(yīng)堆冷卻劑從冷段開(kāi)始進(jìn)入CMT，進(jìn)口管嘴的溫度從50 ℉（10 ℃）上升到

圖8 喪失廠外電源時(shí)，CMT溫度瞬態(tài)Fig.8 Loss of off-site power，CMT temperature transient

在CMT注入停止后，通過(guò)50 ℉的補(bǔ)給水來(lái)實(shí)現(xiàn)CMT的冷卻，經(jīng)約48 h將CMT冷卻至120 ℉（49 ℃）。補(bǔ)給水流量為0.5 kg/s。

2.3.3 RCS誤降壓（1臺(tái)穩(wěn)壓器安全閥開(kāi)啟）

在電廠滿功率運(yùn)行期間導(dǎo)致RCS快速卸壓的一些事故中（如穩(wěn)壓器誤輔助噴淋、穩(wěn)壓器壓力控制器故障造成兩臺(tái)穩(wěn)壓器噴淋閥門(mén)開(kāi)啟，穩(wěn)壓器安全閥開(kāi)啟后發(fā)生故障不能重新關(guān)閉），1臺(tái)穩(wěn)壓器安全閥誤開(kāi)啟將會(huì)導(dǎo)致最嚴(yán)重的RCS壓力瞬態(tài)。因此，常用這種情況來(lái)包絡(luò)其他的RCS誤降壓事故。

1臺(tái)穩(wěn)壓器安全閥門(mén)誤開(kāi)啟將導(dǎo)致RCS快速卸壓，RCS低壓下使得反應(yīng)堆停堆、主泵關(guān)閉，以及CMT、安注箱、PRHR投入運(yùn)行。

圖9給出了在1臺(tái)穩(wěn)壓器安全閥誤開(kāi)啟工況下RCS一次側(cè)壓力隨時(shí)間的變化情況。

在1臺(tái)穩(wěn)壓器安全閥開(kāi)啟事故瞬態(tài)下，CMT最先投入。在CMT出口隔離閥開(kāi)啟后，537.2 ℉（280 ℃）熱的反應(yīng)堆冷卻劑從冷段開(kāi)始進(jìn)入CMT。進(jìn)口管嘴的溫度從50 ℉（10 ℃）升到537.2 ℉（280 ℃）。經(jīng)過(guò)1 600 s的注入，CMT內(nèi)低溫硼水耗盡、440 ℉（227 ℃）熱水開(kāi)始到達(dá)CMT底部，CMT出口溫度增加。

圖9 RCS誤降壓（1臺(tái)穩(wěn)壓器安全閥開(kāi)啟）Fig.9 RCS false depressurizing(The safety valve of one pressurizer opens)

事故發(fā)生時(shí)CMT壓力為2 285 psig（15.76 MPa表壓），投入運(yùn)行后在降至980 psig（6.76 MPa表壓）時(shí)保持穩(wěn)定了500 s左右。在事故發(fā)生1 600 s后，壓力降至375.3 psig（2.6 MPa表壓），CMT出口溫度與進(jìn)口溫度相同，如圖10所示。事故期間的平均流量約為44.3 kg/s。

圖10 CMT-RCS誤降壓（1臺(tái)穩(wěn)壓器安全閥開(kāi)啟）Fig.10 CMT-RCS false depressurizing(The safety valve of one pressurizer opens)

2.4 安注箱設(shè)計(jì)瞬態(tài)研究

安注箱正常情況下與RCS隔離。安注箱正常維持在700 psig（4.8 MPa表壓）的壓力下。只有導(dǎo)致RCS壓力小于700 psig（4.8 MPa表壓）的RCS壓力瞬態(tài)，安注箱才會(huì)自動(dòng)注入。

對(duì)所有安注箱設(shè)計(jì)瞬態(tài)都做如下假設(shè)：

（1）安注箱初始溫度在50 ℉（10 ℃）至120 ℉（49 ℃）范圍內(nèi)可變。

（2）安注箱的水完全耗盡時(shí)，安注箱將緩慢升溫至安全殼內(nèi)環(huán)境溫度。

（3）在安注箱全部或部分注入時(shí)，可認(rèn)為其壓力維持在700 psig（4.8 MPa表壓）不變。

2.4.1 在役試驗(yàn)（IST）

每次大修換料期間，安注箱出口止回閥進(jìn)行在役試驗(yàn)。在核電廠壽期內(nèi)該試驗(yàn)的次數(shù)保守估計(jì)在45次以上。在試驗(yàn)期間，首先將安注箱的壓力降到比RCS壓力高40 psig（0.28 MPa表壓），然后打開(kāi)安注箱電動(dòng)隔離閥，此時(shí)安注箱注入流速快到足夠使止回閥全部開(kāi)啟。

當(dāng)安注箱壓力與RCS壓力相同時(shí)，安注箱注入停止。整個(gè)注入時(shí)間大約持續(xù)9 s，注入28 ft3（0.8 m3）的硼水。在試驗(yàn)期間，氮?dú)鉁囟葟?0 ℉（21 ℃）降到50 ℉（10 ℃）。試驗(yàn)結(jié)束后，氮?dú)鉁囟葘⒅匦峦沧⑾渌徒饘俦诘竭_(dá)平衡。

2.4.2 反應(yīng)堆冷卻劑向箱內(nèi)泄漏

RCS可能經(jīng)由安注箱止回閥泄漏到安注箱中。如果泄漏率非常小，反應(yīng)堆冷卻劑以接近安全殼內(nèi)環(huán)境溫度進(jìn)入安注箱，因?yàn)樵诎沧⑾浜蛪毫θ萜髦苯幼⑷耄―VI）管線之間有大約30 ft（9 m）的管道未進(jìn)行保溫。在這種情況下，安注箱氣壓緩慢增加，并隨著安注箱的人為排水而緩慢降低，但安注箱的溫度幾乎不變。

假定泄漏率大到需要安注箱隔離和核電廠停運(yùn)時(shí)，進(jìn)入安注箱的水溫估計(jì)約為冷段溫度537.2 ℉（280 ℃）和安全殼溫度50 ℉（10 ℃）的平均值，即293.6 ℉（145 ℃）。保守假定安注箱處在50 ℉（10 ℃）。因此，安注箱出口管嘴將會(huì)承受一個(gè)從50 ℉（10 ℃）到293.6 ℉（145 ℃）的溫度階躍。同時(shí)安注箱壓力由正常運(yùn)行壓力700 psig（4.8 MPa表壓）增至它的設(shè)計(jì)壓力800 psig（5.5 MPa表壓），然后由操作員將泄漏隔離。而安注箱內(nèi)水溫估計(jì)將不會(huì)升高，因?yàn)椋?/p>

（1）安注箱水裝量很大：1 700 ft3（48.1 m3）。

（2）在關(guān)掉電動(dòng)隔離閥以避免安注箱超壓之前，并沒(méi)有太多的反應(yīng)堆冷卻劑進(jìn)入安注箱。

安注箱被隔離后，出口管嘴將冷卻至安全殼內(nèi)環(huán)境溫度。

2.4.3 氮?dú)庀蛲庑孤?/p>

氮?dú)鈴陌沧⑾湎蛲庑孤?，將?dǎo)致安注箱壓力下降。當(dāng)安注箱壓力降到低允許限值時(shí)，操作員打開(kāi)氮?dú)庋a(bǔ)充管線以增加安注箱壓力。在核電廠壽期內(nèi)，假定經(jīng)過(guò)持續(xù)1個(gè)月的泄露，安注箱壓力從最大技術(shù)規(guī)格書(shū)壓力限值770 psig（5.3 MPa表壓）降到最低允許限值630 psig（4.3 MPa表壓）。

3 結(jié)論

非能動(dòng)堆芯冷卻系統(tǒng)（PXS）設(shè)計(jì)與運(yùn)行以及系統(tǒng)設(shè)計(jì)瞬態(tài)研究表明：PXS系統(tǒng)設(shè)計(jì)和設(shè)備設(shè)計(jì)是合理的、可行的，能夠滿足系統(tǒng)功能要求。

首先，PXS為RCS提供補(bǔ)水，在正常余熱排出系統(tǒng)（RNS）、化學(xué)和容積控制系統(tǒng)（CVS）不可用時(shí)，足以補(bǔ)充RCS冷卻劑水裝量的喪失。

其次，PXS為堆芯冷卻提供了安全注入，以防止堆芯過(guò)熱。PXS能夠水淹安全殼，從而淹沒(méi)反應(yīng)堆壓力容器。因此在嚴(yán)重事故后，壓力容器內(nèi)損壞的堆芯將被硼水覆蓋并得到長(zhǎng)期持續(xù)冷卻。

再次，PXS濃硼水增加了負(fù)反應(yīng)性，恢復(fù)事故停堆裕量，保證長(zhǎng)期安全停堆。

而且，P X S為再循環(huán)水提供了化學(xué)添加劑——磷酸三鈉（TSP），在事故后有高放射性存在時(shí)淹沒(méi)安全殼。該添加劑建立了有利于放射性核素滯留、限制廠外輻射劑量的化學(xué)條件。

此外，P X S設(shè)計(jì)中增加的冗余度和多樣性（比如不同的補(bǔ)水方法、注入模式、閥門(mén)類型），完善了PXS系統(tǒng)的可靠性。

最后，PRHR HX、CMT以及安注箱等重要部件的壓力、溫度等設(shè)計(jì)參數(shù)，滿足PXS系統(tǒng)設(shè)計(jì)瞬態(tài)要求，系統(tǒng)設(shè)備設(shè)計(jì)能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)功能。

我國(guó)的科研人員在自主科研開(kāi)發(fā)ACP100、ACP600、ACP1000過(guò)程中，應(yīng)該借鑒AP1000非能動(dòng)堆芯冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，拓寬研發(fā)思路，早日實(shí)現(xiàn)擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的第三代核電技術(shù)。

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