張亞東，楊 笑，郭 玥，王占文，岳芷莛

（中國原子能科學(xué)研究院，北京 102413）

49-2游泳池式反應(yīng)堆一回路非能動破壞虹吸功能的建立

張亞東，楊 笑，郭 玥，王占文，岳芷莛

（中國原子能科學(xué)研究院，北京 102413）

2013年49-2游泳池式反應(yīng)堆增加了一回路非能動破壞虹吸功能，以彌補手動破壞虹吸閥門在特殊情況下不能打開的不足。在改造前，分別計算了在不同孔徑的虹吸破壞孔下一回路正常運行時的漏流和事故情況下虹吸破壞能力。根據(jù)計算結(jié)果，在堆水池內(nèi)一次水管道6.5m高處打了一個1.6cm直徑的孔作為非能動破壞虹吸孔。驗證表明，新增的非能動破壞虹吸孔即不影響反應(yīng)堆的正常運行，也具備了破壞虹吸的功能。

49-2游泳池式反應(yīng)堆；一回路；非能動破壞虹吸

49-2游泳池式反應(yīng)堆是一座用輕水冷卻、慢化的工程材料考驗堆。堆水池為一鋁質(zhì)水池，底面長4.5 m，中間寬2 m，兩端為半圓形，底面積為8.14 m2，高7.88 m［1］。圖1給出了反應(yīng)堆一回路簡圖。

為了防止一次水管道破裂引起堆水池大量失水，一次水管線都在6.9m處繞了一個 “幾”字型彎，這帶來了在一次水管道破裂時的虹吸問題［1］。在一次水管道斷裂時能否破壞虹吸對49-2堆的堆芯安全非常重要。因49-2堆是從堆芯下部抽水，所以一次水出水管道的虹吸破壞對49 -2堆的安全尤為重要。由于一次水進水管道口在標(biāo)高3.26 m的位置，且標(biāo)高3.26 m至4.71 m為網(wǎng)篩結(jié)構(gòu)，故進水管斷裂時不會由于虹吸造成堆芯裸露。

49-2堆一次水進出水管道最高處原設(shè)有兩個手動破壞虹吸閥門［1］。在一般的應(yīng)急情況下，手動打開破壞虹吸閥門是可以實現(xiàn)的。但在強地震導(dǎo)致堆廠房頂或堆頂大廳內(nèi)吊車坍塌時，手動破壞虹吸閥門可能無法打開。另外，在堆芯或輻照裝置損壞等情況下，堆頂大廳劑量水平可能很高，以致工作人員不能進入堆頂大廳去打開手動破壞虹吸閥門。

目前，非能動技術(shù)已在先進反應(yīng)堆的各主要安全系統(tǒng)中普遍應(yīng)用，是保障先進反應(yīng)堆固有安全性的重要手段［2］。為此，49-2堆需要增加非能動破壞一次水虹吸的能力。該功能的增加是2012年1月20日國家核安全局批準(zhǔn)49-2游泳池反應(yīng)堆繼續(xù)運行的許可證條件。

1　不同虹吸孔孔徑下虹吸孔旁路流和事故下虹吸破壞能力的計算

1.1非能動虹吸破壞孔高度的選擇

49-2堆正常運行時堆水池水位為7.15 m～7.25 m，低水位警告信號設(shè)定值為7.15 m，低水位事故停堆信號值設(shè)定為6.88 m，由二回路向堆水池應(yīng)急補水的水位設(shè)定值是4.88 m。非能動虹吸破壞孔應(yīng)設(shè)置在6.88 m至4.88m之間。為防止虹吸結(jié)束后堆芯淹沒較淺或不能淹沒，虹吸孔不能設(shè)置較低。由于一次水管道彎段焊縫多，打孔的震動會影響焊縫的完整，所以虹吸孔的設(shè)置需避開彎段，不能設(shè)置過高。因此，選定非能動破壞虹吸孔高度為6.50m。

1.2計算程序及建模

49-2堆正常運行時一回路流量約為277.8 kg·s-1，堆芯進出口壓差約為8950 pa。用熱工水力計算程序relap5對49-2堆一回路進行建模［3，4］。49-2堆節(jié)點圖如圖2所示，其中節(jié)點100指堆芯，160指堆芯之上、虹吸破壞孔之下堆水池，170指虹吸破壞孔之上堆水池，180為游泳池上方大氣空間，1-11為分段的一次水管線，6為虹吸破壞孔，120、130、140分別為連接3臺主泵的分管段，200、300、400為程序計算中時間相關(guān)的控制體。

圖1　49-2游泳池式反應(yīng)堆一回路示意圖Fig.1 Diagrammatic sketch of primary system of 49-2 SPR

圖2　49-2泳池堆節(jié)點圖Fig.2 System nodalization of 49-2 SPR

1.3一回路正常運行時虹吸孔漏流和事故下破壞虹吸能力

本文選取非能動虹吸破壞孔直徑分別為1.0 cm、1.5 cm、2 cm，模擬計算了：一回路正常運行情況下下虹吸孔漏流量和漏流率；一回路管道泵前發(fā)生破口為D=265 mm的管道雙端斷裂時虹吸結(jié)束的時間及虹吸結(jié)束時池水淹沒堆頂?shù)母叨?；一回路管道泵前發(fā)生小破口時虹吸結(jié)束的時間及虹吸結(jié)束時池水淹沒堆頂?shù)母叨取樵囼烌炞C的方便，泵前小破口采用一次水泵放水螺封的數(shù)據(jù) （直徑16 mm、標(biāo)高0.07 m），池水水位為6.65 m。出于保守考慮，假設(shè)發(fā)生虹吸時管道內(nèi)無局部阻力。模擬計算結(jié)果見表1。

1.0cm孔徑的虹吸孔下，大破口失水事故虹吸終止時堆芯已裸露，不能滿足安全需求；1.5 cm和2.0 cm孔徑的虹吸孔下，大破口失水事故虹吸終止時堆芯還有水屏蔽，滿足安全要求［3］。

表1　各種孔徑破壞虹吸孔的漏流及事故下虹吸破壞能力Table1 The Leakage flow underthe normal operationand the ability of breaking siphon under the accident for variousaperturesof passive siphon breaker

2　非能動破壞虹吸改造的實施和試驗驗證

2.1非能動破壞虹吸方案實施

2013年10月，實施了49-2堆的一次水管線非能動破壞虹吸孔增設(shè)方案，及虹吸孔增設(shè)后的功能驗證。所增設(shè)的非能動破壞虹吸孔中心高度6.50 m，孔徑16 mm。孔徑和高度均符合設(shè)計要求 （孔中心高度6.5 m，孔徑15±2 mm）。

2.2增設(shè)非能動破壞虹吸孔后的虹吸破壞能力計算

由于增設(shè)的非能動破壞虹吸孔的孔徑是16 mm，所以對16 mm孔徑下的非能動破壞虹吸能力又進行了計算，破口尺寸和假設(shè)與2.3節(jié)相同。計算結(jié)果如圖3及圖4所示。

2.3一次水系統(tǒng)正常運行時虹吸孔和堆芯流量測量

49-2堆功率為1 000 kW至滿功率3 500 kW時兩臺一次水泵運行，堆功率10 kW至1 000 kW時一臺一次水泵運行。

兩臺一次水泵運行時，非能動虹吸破壞孔實測最大流量值是 1.79 t·h-1，最小值為1.74 t·h-1，平均值為1.77 t·h-1。堆芯B10柵格流量在24.00～24.34 t·h-1之間。一次水總流量一直維持1000 t·h-1不變。虹吸孔流量占一次水總流量的0.18%。

一臺一次水泵運行時，虹吸破壞孔實測最大流量值是1.12t·h-1，最小值為1.07 t·h-1，平均值為1.09 t·h-1。堆芯B10柵格流量在16.20～16.48 t·h-1之間。一次水總流量一直維持600 t·h-1不變。虹吸孔流量占一次水總流量的0.18%。

圖3　1.6 cm非能動虹吸破壞孔的大破口失水事故計算結(jié)果Fig.3 Calculation result of LBLOCA with 1.6 cm of passive siphon breaker diameter

圖4　1.6 cm非能動虹吸破壞孔的小破口失水事故計算結(jié)果Fig.4 Calculation result of SBLOCA with 1.6 cm of passivesiphon breaker diameter

驗證表明，一次水系統(tǒng)運行正常時流經(jīng)虹吸破壞孔的流量很小，完全在堆芯漏流的變動范圍內(nèi)，不會對堆芯流量產(chǎn)生較大影響，不會影響反應(yīng)堆正常運行時堆芯的冷卻。

2.4泵前小破口下虹吸破壞能力模擬試驗

考慮到實際安全影響和大量一次水排放的后處理負(fù)擔(dān)，對非能動破壞虹吸孔在泵前大破口下的破壞虹吸能力只進行程序模擬分析，不再實際驗證。泵前小破口下非能動破壞虹吸能力用打開一次水泵甲放水螺封來模擬的方法驗證，結(jié)果列于表2。

2.5試驗與計算結(jié)果比較

（1）16 mm直徑非能動破壞虹吸孔在發(fā)生小破口失水事故時虹吸破壞能力的程序計算結(jié)果是：24.2 min虹吸孔露出水面，45.8 min虹吸終止，虹吸終止時堆水池水位為6.445 m。實際測量時間序列比計算值推遲很多，這是由于在計算時出于保守考慮，沒有考慮管道的局部阻力，即計算過程中破口處水流量較大，從而導(dǎo)致實際驗證結(jié)果的虹吸結(jié)束時水位比計算值要高。

（2）破壞虹吸后堆水池水位比計算值高，即堆芯淹沒更多，反應(yīng)堆更安全，堆頂部輻射劑量水平更低；

（3）破壞虹吸所需時間比計算值長，因此失水情況下有更多時間應(yīng)急補水。

表2　泵前小破口下非能動破壞虹吸能力驗證試驗時間序列Table 2 Time series of passive siphon break ability test under small crevasse before pump

3　人員受照劑量控制和放射性廢水排放

破壞虹吸整改期間，在堆水池排水至6 m后，堆頂大廳空間的輻射劑量水平是5～15 μSv·h-1，水面的劑量水平是11～15 μSv·h-1，一次水管道附近的輻射劑量最高。在破壞虹吸整改項目期間，進入堆頂大廳和一次水泵房進行施工和試驗的16名49-2堆工作人員的集體劑量為484μSv，累計個人劑量最高為61 μSv。在破壞虹吸整改項目實施及驗證期間向原子能科學(xué)研究院弱放管線排放一次水4.5 t。

4　總結(jié)

在一次水出水管道上增設(shè)的非能動破壞虹吸孔是49-2堆重要的虹吸破壞手段，不受動力和環(huán)境影響，能保障堆芯安全和堆外輻射安全；試驗驗證表明，49-2堆正常運行時非能動虹吸破壞孔的漏流占一次水總流量的0.18%，在漏流允許范圍內(nèi)，不影響堆芯冷卻；當(dāng)一次水管線發(fā)生各種尺寸的破口時，能實現(xiàn)非能動破壞虹吸功能；在增設(shè)非能動破壞虹吸功能及試驗驗證的過程中，工作人員受照劑量和放射性流出物排放得到有效控制；手動破壞虹吸閥門仍可保留，當(dāng)事故中條件允許時，還按原事故處理規(guī)程中的打開手動破壞虹吸閥門來破壞虹吸。

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The Construction of Passive Siphon Breaker for Primary System of 49-2 SPR

ZHANG Yadong，YANG Xiao，GUO Yue，WANG Zhanwen，YUE Zhiting
（China Institute of Atomic Energy，Beijing 102413，China）

The passive siphon breaker function of primary system was built for 49-2 SPR to make up the manual siphon breaker，which cannot be opened under special circumstances，in2013.The Leakage flow through passive siphon breaker hole under the normal operationand the ability of breaking siphon under the accidentfor various apertures of passive siphon breakerswere calculated separately.According to the calculation results，a 1.6 cm diameter hole on the pipe of primary system bored at 6.5 m high is used as passive siphon breaker.Experimental validation showed that the new passive siphon breaker does not affect the normal operation of the reactor，also meet siphon break function.

49-2 SPR；primary system；passive siphon breaker

TL339

A

1672-5360（2016）03-0059-05

2015-09-17

2016-08-22

49-2反應(yīng)堆預(yù)防與糾正性維修項目，項目編號 NO.163207

張亞東（1981—），男，甘肅會寧人，高級工程師，碩士，核能科學(xué)與工程，現(xiàn)主要從事反應(yīng)堆的研究工作