邵 舸，佟立麗，曹學(xué)武

（上海交通大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，上海200240）

核電廠發(fā)生高壓熔堆嚴(yán)重事故后，壓力容器下封頭失效時(shí)高溫堆芯熔融物將噴射到堆腔中，稱為高壓熔噴（HPME）［1］，導(dǎo)致安全殼大氣被加熱，安全殼結(jié)構(gòu)完整性受到威脅，稱為安全殼直接加熱（DCH）［2］。為避免DCH發(fā)生，通常采取手動(dòng)打開穩(wěn)壓器安全閥實(shí)施一回路卸壓策略。然而在一回路卸壓策略實(shí)施過程中，穩(wěn)壓器安全閥要保持長(zhǎng)時(shí)間開啟狀態(tài)，高溫蒸汽持續(xù)流經(jīng)安全閥，對(duì)安全閥的機(jī)構(gòu)造成影響，有發(fā)生高溫失效的風(fēng)險(xiǎn)［3］。為保證一回路卸壓策略的實(shí)施，OLKILUOTO 1＆2號(hào)機(jī)組對(duì)卸壓閥進(jìn)行了改造確保閥門在嚴(yán)重事故工況下保持常開狀態(tài)［4］，Yonggwang 3＆4以及Ulchin 3＆4機(jī)組增加安全卸壓系統(tǒng)（SDS）以實(shí)施卸壓［5］，EPR堆額外設(shè)置了兩列冗余嚴(yán)重事故卸壓閥（Severe Accident Depressurization Valve，SADV），按照嚴(yán)重事故管理導(dǎo)則當(dāng)堆芯出口溫度達(dá)到650℃時(shí)，操縱員手動(dòng)開啟SADV［6］。嚴(yán)重事故卸壓閥由直流供電的卸壓閥（球形閥）與隔離閥（閘閥）組成。每列嚴(yán)重事故專用卸壓閥（正常運(yùn)行時(shí)關(guān)閉）的卸壓能力為17.6bar下飽和蒸汽量為900t／h，與三列安全閥總的卸壓能力相似（3×300t／h）［7］。參考EPR堆型，在新建的二代加改進(jìn)壓水堆核電廠中擬增加嚴(yán)重事故卸壓閥在嚴(yán)重事故時(shí)對(duì)一回路進(jìn)行快速卸壓。本文以我國(guó)百萬千瓦級(jí)壓水堆核電廠作為對(duì)象，選取典型的高壓熔堆嚴(yán)重事故序列，應(yīng)用機(jī)理性程序建立電廠模型，對(duì)嚴(yán)重事故卸壓閥的快速卸壓能力進(jìn)行分析。

1 事故序列計(jì)算分析

根據(jù)相關(guān)PSA報(bào)告以及美國(guó)核管會(huì)（USNRC）關(guān)于重要嚴(yán)重事故序列的選取準(zhǔn)則［8］，選取喪失廠外電疊加汽動(dòng)輔助給水泵失效（TMLB′），一回路管道小破口（SBLOCA），喪失主給水事故（LOFW）序列，針對(duì)嚴(yán)重事故卸壓閥（SADV）是否動(dòng)作進(jìn)行分析，具體假設(shè)條件見表1。

百萬千瓦級(jí)核電廠分析模型如圖1所示。該模型包括一回路系統(tǒng)及相關(guān)的二回路系統(tǒng)。一回路系統(tǒng)由三個(gè)環(huán)路組成，包括壓力容器，穩(wěn)壓器，蒸汽發(fā)生器，主泵，主管道和中壓安注，其中285節(jié)點(diǎn)模擬SADV。二回路主要簡(jiǎn)單模擬主蒸汽管線，主給水，輔助給水以及汽輪機(jī)。

表1 嚴(yán)重事故序列假設(shè)Table 1 Assumptions for severe accident sequences

圖1 電廠模型節(jié)點(diǎn)圖Fig.1 Node of nuclear power plant model

1.1 SADV不開啟事故序列計(jì)算分析

表2給出了三條事故序列在SADV不開啟時(shí)的關(guān)鍵進(jìn)程點(diǎn)。假定0s事故發(fā)生，蒸汽發(fā)生器由于喪失給水，水位不斷下降直至水完全被蒸干（圖2（a）），無法及時(shí)導(dǎo)出主系統(tǒng)熱量，導(dǎo)致一回路壓力上升。假設(shè)穩(wěn)壓器安全閥有效不發(fā)生故障，所以壓力在安全閥整定值附件波動(dòng)（圖2（b））。假設(shè)高低壓安注失效，同時(shí)一回路壓力并未降至中壓安注整定值，導(dǎo)致堆芯逐漸裸露（圖2（c）），堆芯溫度迅速上升（圖2（d）），隨著堆芯溫度的不斷升高，堆芯開始熔化，下封頭內(nèi)開始出現(xiàn)熔融池（圖3（a）），直至堆芯坍塌到下封頭時(shí)，熔融池高度迅速增加，當(dāng)壓力容器下封頭由于熔融物的加熱蠕變失效時(shí)，一回路壓力為16.5MPa。

圖2 SADV不開啟時(shí)各事故中蒸汽發(fā)生器二次側(cè)水位（a），一回路壓力（b），壓力容器水位（c），堆芯最高溫度（d）的變化Fig.2 Secondary water level of SG（a），RCS pressure（b），water level of RPV（c），highest core temperature（d）in various accidents without opening of SADV

圖2 SADV不開啟時(shí)各事故中蒸汽發(fā)生器二次側(cè)水位（a），一回路壓力（b），壓力容器水位（c），堆芯最高溫度（d）的變化Fig.2 Secondary water level of SG（a），RCS pressure（b），water level of RPV（c），highest core temperature（d）in various accidents without opening of SADV

圖3 SADV不開啟時(shí)下封頭內(nèi)熔融池高度（a），SADV開啟時(shí)下封頭內(nèi)熔融池高度（b）Fig.3 Molten pool height in lower head of RPV without opening of SADV（a），molten pool height in lower head of RPV with opening of SADV（b）

1.2 SADV開啟事故序列計(jì)算分析

表2給出了3條事故序列在SADV開啟時(shí)的關(guān)鍵進(jìn)程點(diǎn)。假定0s事故發(fā)生后，按照嚴(yán)重事故管理導(dǎo)則，堆芯出口溫度達(dá)到650℃時(shí)，操縱員手動(dòng)開啟SADV。隨后由于冷卻劑從SADV大量排出（圖4（a）），一回路壓力急劇下降（圖4（b）），當(dāng)一回路壓力下降到安注箱的開啟整定值時(shí)，中壓安注投入（圖4（c）），一回路冷卻劑得到補(bǔ)充，壓力容器水位開始上升（圖4（d））。隨著安注箱排空，壓力容器水位在短期上升后逐漸下降，堆芯熔化不可避免。堆芯坍塌到下封頭時(shí)熔融池高度迅速增加（圖3（b）），由于中壓安注投入堆芯開始熔化及坍塌到下封頭的時(shí)間都有延遲。當(dāng)壓力容器下封頭蠕變失效時(shí)，一回路壓力均小于1.38MPa。

2 事故序列對(duì)比分析

根據(jù)美國(guó)核管會(huì)（NRC）的報(bào)告壓力容器下封頭失效時(shí)反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)與安全殼之間的壓差可以作為衡量安全殼直接加熱（DCH）預(yù)防與緩解效果的標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)該壓差小于1.38MPa時(shí)，就可以認(rèn)為不會(huì)發(fā)生安全殼直接加熱（DCH）后果［9］。表2為TMLB′，SBLOCA以及LOFW事故序列主要進(jìn)程。如果操縱員不手動(dòng)開啟SADV，當(dāng)壓力容器下封頭失效時(shí)一回路壓力為16.5MPa，有發(fā)生高壓熔噴與安全殼直接加熱的風(fēng)險(xiǎn)，而開啟SADV后壓力容器下封頭失效時(shí)一回路壓力均小于1.38MPa，可以有效防止高壓熔噴與安全殼直接加熱現(xiàn)象的發(fā)生。

圖4 SADV開啟時(shí)各事故中一回路壓力（a），閥門流量（b），壓力容器水位（c），中壓安注流量（d）的變化Fig.4 RCS pressure（a），flow rate through SADV（b），water level of RPV（c），flow rate of accumulator（d）in various accidents with opening of SADV

表2 典型事故序列進(jìn)程Table 2 Progress of typical accident sequence

3 卸壓閥面積影響分析

選取喪失主給水事故其他條件保持不變，采用閥門面積為4.8×10-3m2的卸壓閥，分析閥門面積對(duì)計(jì)算結(jié)果影響。與閥門面積8.71×10-3m2相比，SADV打開時(shí)間相同，但閥門排放流量減?。▓D5（a）），壓力容器最終在19 050s時(shí)發(fā)生蠕變失效，此時(shí)一回路壓力為0.31MPa，滿足了卸壓的要求（圖5（b））。閥門面積變小使得閥門排放流量減小，一回路壓力下降得更為緩慢，中壓安注投入時(shí)間延遲，堆芯熔化及下封頭熔穿的時(shí)間也相應(yīng)延遲，下封頭失效時(shí)的壓力增加了0.13MPa。

圖5 SADV不同面積下流量（a），一回路壓力（b）Fig.5 Flowrate of SADV（a），RCS pressure（b）with different SADV area

4 結(jié)論

參考EPR堆型，在新建的二代加改進(jìn)壓水堆核電廠中增加嚴(yán)重事故卸壓閥在嚴(yán)重事故時(shí)對(duì)一回路進(jìn)行快速卸壓。選取TMLB′，SBLOCA，LOFW三條典型高壓熔堆事故序列進(jìn)行計(jì)算分析，結(jié)果表明如果操縱員不手動(dòng)開啟嚴(yán)重事故卸壓閥，三條事故序列均有發(fā)生高壓熔噴與安全殼直接加熱的風(fēng)險(xiǎn)；當(dāng)根據(jù)嚴(yán)重事故管理導(dǎo)則開啟嚴(yán)重事故卸壓閥后，可有效降低反應(yīng)堆主回路系統(tǒng)的壓力，防止高壓熔噴與安全殼直接加熱現(xiàn)象的發(fā)生。同時(shí)SADV閥門面積減小將延遲下封頭失效時(shí)間，下封頭失效時(shí)RCS壓力會(huì)有所增加，在所分析的工況下，仍然能夠滿足RCS的卸壓要求。

［1］ Hanson D.J.Depressurization as an accident management strategy to minimize the consequences of direct containment heating［R］.NUREG／CR-5447，USA：NRC，1990.

［2］ Brownson D.A.Intentional depressurization accident management strategy for PWR［R］.NUREG／CR-5937，USA：NRC，1993.

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