喬雪冬，畢金生，孫 微，靖劍平，王昆鵬，張春明，賈 斌

(環(huán)境保護(hù)部核與輻射安全中心，北京 100042)

TRACE程序在國產(chǎn)先進(jìn)壓水堆核電廠小破口失水事故計算中的應(yīng)用

喬雪冬，畢金生，孫 微，靖劍平，王昆鵬，張春明，賈 斌

(環(huán)境保護(hù)部核與輻射安全中心，北京 100042)

本文利用反應(yīng)堆熱工水力軟件TRACE對三回路國產(chǎn)先進(jìn)壓水堆發(fā)生小破口失水事故進(jìn)行模擬計算，得到事故過程中反應(yīng)堆系統(tǒng)壓力、水位、破口流量的變化和安注系統(tǒng)的投入情況，將計算結(jié)果與CATHARE程序的計算結(jié)果進(jìn)行對比、分析和討論，兩程序計算結(jié)果在趨勢上較符合，驗證了TRACE程序在計算小破口事故的準(zhǔn)確性。

小破口；TRACE；先進(jìn)壓水堆；失水事故

1 引言

TRACE程序(TRAC/RELAP Advanced Computational Engine)是由美國核管會(USNRC)在傳統(tǒng)核電廠系統(tǒng)分析程序TRAC、RELAP等基礎(chǔ)上開發(fā)的專門用于核電廠安全分析的熱工水力學(xué)程序[1]，用于模擬輕水堆、沸水堆以及試驗臺架的LOCA、運(yùn)行瞬態(tài)和其他事故工況。此程序已被納入USNRC最新開發(fā)的先進(jìn)安全分析程序中，目標(biāo)是將NRC傳統(tǒng)的安全分析程序(TRAC、RELAP5等)整合和發(fā)展成為一套更有效率的、現(xiàn)代化的熱工水力安全分析軟件以適應(yīng)今后的核安全審評工作[2]。M. Avramova等在2012年利用OECD與NRC聯(lián)合完成的PSBT基準(zhǔn)例題數(shù)據(jù)進(jìn)行了TRACE 程序在水蒸氣產(chǎn)生和分布方面的驗證計算[3]，取得了較滿意的結(jié)果；Jong-Rong Wang等利用馬鞍山壓水堆核電廠瞬態(tài)運(yùn)行數(shù)據(jù)對TRACE 程序在失流、汽輪機(jī)停機(jī)等事故的應(yīng)用進(jìn)行了評價[4]；馮進(jìn)軍等利用PARCS/TRACE/ROBIN等程序耦合計算了秦山二期的彈棒事故并與核電廠安全分析報告結(jié)果進(jìn)行了對比[5]。

反應(yīng)堆冷卻劑喪失事故是TRACE 程序開發(fā)的主要目的之一，其中，小破口事故過程時間較長、事故各階段熱工水力學(xué)現(xiàn)象特點顯著，是考驗應(yīng)急堆芯冷卻系統(tǒng)等專設(shè)安全設(shè)施可靠性的典型事故，因此有必要利用TRACE程序?qū)a(chǎn)先進(jìn)核電廠的小破口事故進(jìn)行模擬計算，驗證其計算結(jié)果的可信性，支持核電廠安全分析和安全評價工作。

2 事故描述

反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)的管道破裂或在第一個隔離閥內(nèi)與該系統(tǒng)相連的任何管道破裂定義為失水事故(LOCA)。等效直徑在9.5～25mm之間的破口被定義為小破口事故[6]。以往的計算和實驗數(shù)據(jù)，特別是三哩島事故的經(jīng)驗表明，小破口事故雖然冷卻劑喪失相對較少、泄壓程度相對較低，但由于其事故過程長、系統(tǒng)降壓過程波動較大等特點，其導(dǎo)致嚴(yán)重事故后果的可能性也不容忽視。因此，本課題專門對等效直徑為25mm的小破口事故進(jìn)行模擬計算分析。

等效直徑在9.5mm到25mm范圍的小破口屬于Ⅲ類工況事件，為稀有事件，一般的，事故過程中穩(wěn)壓器水位不能保持；RCS要卸壓，中壓安注泵將投入。

事故過程中引起的反應(yīng)堆保護(hù)主要有：

a) 下列信號使反應(yīng)堆緊急停堆：

——穩(wěn)壓器壓力低。

b) 下列信號之一觸發(fā)安注系統(tǒng)：

——穩(wěn)壓器壓力低；

——安全殼壓力高。

c) 當(dāng)一回路壓力低于安注箱排放壓力整定值時，安注箱開始向反應(yīng)堆冷卻劑環(huán)路注水。

d) 緊急停堆引起下列動作：

——汽輪機(jī)進(jìn)汽閥關(guān)閉；

——與平均溫度低符合隔離主給水的主調(diào)節(jié)閥管線，并且使正常旁路給水閥開啟到某一固定位置。

e) 下列信號之一觸發(fā)輔助給水系統(tǒng)：

——安注信號；

——主給水泵跳閘。

f) 下列信號使快速冷卻啟動：

——安注信號。

快速冷卻定義為通過蒸汽發(fā)生器二次側(cè)大氣釋放閥對反應(yīng)堆冷卻劑進(jìn)行100℃/h的快速冷卻，直到二回路蒸汽壓力降低到4.5MPa，或操縱員干預(yù)時結(jié)束。

g) 下列信號觸發(fā)反應(yīng)堆冷卻劑泵停運(yùn)：

——安注信號與反應(yīng)堆冷卻劑泵進(jìn)、出口壓差低信號符合。

3 分析方法

3.1 計算機(jī)程序

相對于傳統(tǒng)熱工水力學(xué)程序(如CATHARE等)利用剩余容積份額和相間質(zhì)能傳遞近似等處理方法[7]，TRACE 程序使用了非平衡、非均勻流體動力學(xué)模型，能夠較為精確的處理相變問題，可對反應(yīng)堆壓力容器內(nèi)冷卻劑進(jìn)行三維熱工水力計算，并可提供耦合三維中子動力學(xué)程序的接口，是目前在計算方法上較為先進(jìn)的事故分析程序。

TRACE程序?qū)α黧w的模擬遵循守恒方程的基本原理，同時在數(shù)值計算方法中考慮了壁面和相間界面熱流密度引起的參數(shù)的散度，以及界面上應(yīng)力張量引起的變化，考慮到這些修正和影響后的控制方程為：

質(zhì)量方程：

動量方程：

能量方程：

=-P

qωg+qωl+qdl+qdg.

其中，

qil=hilαi(Tsv-Tl)

3.2 分析模型

根據(jù)三回路壓水堆核電廠的特點，將系統(tǒng)做了以下節(jié)塊劃分，反應(yīng)堆系統(tǒng)節(jié)塊圖如圖1所示。模型共設(shè)置三個環(huán)路，分別為LOOP1、LOOP2和LOOP3，每個回路由一個熱管段、一個冷管段、一臺主冷卻劑泵和一臺SG組成。此外，模型中還包含穩(wěn)壓器系統(tǒng)、主蒸汽管道系統(tǒng)、安注系統(tǒng)、上充下泄系統(tǒng)、軸封系統(tǒng)等。

圖1 反應(yīng)堆系統(tǒng)節(jié)點劃分Fig.1 Nodalization of Reactor system

整個壓力容器部分用25個水力學(xué)控制體進(jìn)行模擬，具體部件號和水體描述見表1。圖2為堆芯部件和系統(tǒng)的節(jié)塊圖。

表1 壓力容器水力部件描述Table 1 Description of hydraulic components for vessel

續(xù)表

圖2 壓力容器節(jié)塊示意圖Fig.2 Nodalization of vessel

由圖2所示，模型中壓力容器中的下降段分為112、114、116三塊，用于對應(yīng)三個回路的冷段，并通過多重接管相互連接，實現(xiàn)冷卻劑的橫向交混流動。堆芯處根據(jù)機(jī)組的燃料分區(qū)情況分為5個區(qū)：122、124、126、128和130，135為旁通通道。

3.3 分析假設(shè)

采用較為保守的邊界和初始條件，以使假設(shè)的事故后果更為惡劣，采取假設(shè)條件如下：

運(yùn)行點和初始條件：

——機(jī)組初始運(yùn)行功率為滿功率加上最大的穩(wěn)態(tài)測量誤差；

——反應(yīng)堆冷卻劑平均溫度初始值為其名義值加上最大穩(wěn)態(tài)控制范圍和測量誤差；

——初始穩(wěn)壓器壓力為額定值加上最大的穩(wěn)態(tài)波動和測量誤差，以便延遲緊急停堆和安注信號；

——一回路流量為熱工設(shè)計流量；

——總的堆芯旁通流量取最大，為6.5%；

——10%蒸汽發(fā)生器傳熱管堵塞。

事故工況：

——假設(shè)破口出現(xiàn)在泵和反應(yīng)堆壓力容器進(jìn)口之間的冷管段。

因為安全殼壓力不起重要作用，所以最不利的一種能動故障是產(chǎn)生最小安注流量的故障，即柴油發(fā)電機(jī)故障，它能使一臺中壓泵和一臺低壓泵同時喪失。

4 分析結(jié)果

TRACE程序模型計算得到的事故序列詳見表2，為了驗證程序的計算，將計算結(jié)果與傳統(tǒng)壓水堆系統(tǒng)程序CATHARE的計算結(jié)果進(jìn)行了對比。通過對比可知，兩個序列發(fā)展的基本趨勢一致，TRACE程序的結(jié)果從整體上看系統(tǒng)降壓速度較快，導(dǎo)致停堆信號、安注信號觸發(fā)也相對較快。而反應(yīng)堆冷卻劑泵停運(yùn)的觸發(fā)信號主要是由主泵兩側(cè)壓差決定，這涉及程序模型對整個系統(tǒng)壓力分布的計算和泵模型的選擇等各種因素，因此兩程序在停泵時間的判斷上產(chǎn)生一定差異。主泵停運(yùn)在一定程度上導(dǎo)致堆芯冷卻能力的降低，系統(tǒng)壓力會有一定程度的上升，但總體波動幅度不大，不會產(chǎn)生威脅堆芯安全的影響。

表2 事故序列Table 2 Sequence of events

0s時刻破口發(fā)生，冷卻劑有一回路冷段破口向安全殼內(nèi)噴放，導(dǎo)致穩(wěn)壓器水位、壓力迅速下降，如圖3所示，相比CATHARE程序的計算結(jié)果，TRACE程序計算的壓力降低得更為快速，導(dǎo)致更快的觸發(fā)反應(yīng)堆停堆信號而引發(fā)停堆保護(hù)。此結(jié)果導(dǎo)致了與CATHARE程序結(jié)果的第一個不同：由于CATHARE程序計算的壓力降低速度較慢，使得反應(yīng)堆停堆動作相對較慢，在停堆之前，400s時刻系統(tǒng)壓力已經(jīng)降低到一個變化相對較緩慢的壓力平臺，由于此時還未達(dá)到穩(wěn)壓器壓力低停堆信號，因此整個系統(tǒng)在正常功率水平之下維持較高壓力運(yùn)行了一段時間，直至壓力緩慢下降至觸發(fā)停堆，反應(yīng)堆功率下降。

一般來說，破口事故的噴放階段前期，一回路系統(tǒng)壓力還遠(yuǎn)大于二回路壓力的情況下，其穩(wěn)壓器壓力應(yīng)該還有較大的下降空間，因此，TRACE的計算結(jié)果應(yīng)更為合理，此處的差異還需要試驗數(shù)據(jù)的進(jìn)一步驗證。

圖3 穩(wěn)壓器壓力Fig.3 Pressure of Pressurizer

兩種計算結(jié)果顯示，反應(yīng)堆系統(tǒng)在事故的1000s左右，一回路系統(tǒng)壓力進(jìn)入壓力平臺期，即此時一回路的壓力下降不明顯，堆芯內(nèi)的余熱主要靠一回路、二回路的自然循環(huán)導(dǎo)出。不同的是，CATHARE程序結(jié)果有較大的壓力波動，因為在此時刻，主泵因兩側(cè)壓差低觸發(fā)停運(yùn)，導(dǎo)致了堆芯冷卻的進(jìn)一步惡化而使壓力上升，而TRACE程序結(jié)果則較平穩(wěn)的下降，其結(jié)果中，主泵的停運(yùn)觸發(fā)是在約1300s時刻，此時系統(tǒng)壓力已經(jīng)降低到一個較低水平，因此主泵導(dǎo)致的壓力波動不顯著，這是兩程序結(jié)果的第二個較明顯的不同。反映到破口流量上，也顯示了與壓力變化一致的變化特征，在1000s時刻后的一段時間內(nèi)，TRACE程序結(jié)果較為平緩而CATHARE程序結(jié)果則出現(xiàn)了一個較為明顯的破口流量上升，但隨著系統(tǒng)壓力的進(jìn)一步下降，兩種計算都顯示了壓力、流量逐步下降的趨勢，且整體符合較好，具體見圖4所示。

圖4 破口流量Fig.4 Break Flowrate

由于計算假設(shè)了產(chǎn)生最小安注流量的故障，即柴油發(fā)電機(jī)故障，它能使一臺中壓泵和一臺低壓泵同時喪失。因此，安注流量采用了合理假設(shè)范圍內(nèi)最小的值。中、低安注泵的總流量是與系統(tǒng)壓力相關(guān)的，所以在安注箱投入之前，安注的流量是與系統(tǒng)壓力變化相關(guān)的，由于CATHARE程序計算結(jié)果中，壓力在1000s時刻后出現(xiàn)一個較小的峰值，相應(yīng)的，安注流量在此刻也出現(xiàn)了一個相對低值，除此之外，兩種計算的結(jié)果符合的比較好。在事故后期4500s之后，由于安注箱的開始投入，安注流量會出現(xiàn)較為明顯的振蕩上升現(xiàn)象，這是由于系統(tǒng)壓力與安注箱壓力較為接近的原因，隨著系統(tǒng)壓力的進(jìn)一步下降，安注流量會逐漸平穩(wěn)，具體見圖5所示。

圖5 安注流量Fig.5 Safety Injection flowrate

由于TRACE程序?qū)ζ瓶诹髁康墓烙嫿Y(jié)果偏低，導(dǎo)致總的堆內(nèi)失水總量相對較少，因此堆芯一直保持較高的水位，并且，前期失水量不足以使堆芯上部出現(xiàn)汽水分離界面，所以在事故前、中期，堆芯水位沒有明顯的下降。兩種計算都證明了，在整個事故過程中，堆芯水位有較小幅度的下降，但始終能保持堆芯淹沒的狀態(tài)，不會出現(xiàn)堆芯組件失水過熱的現(xiàn)象，具體見圖6所示。

圖6 堆芯水位Fig.6 Core water Level

5 結(jié)論

本文針對三回路國產(chǎn)先進(jìn)壓水堆核電廠，利用TRACE程序建立系統(tǒng)模型，進(jìn)行了冷段發(fā)生小破口失水事故分析，并與傳統(tǒng)壓水堆系統(tǒng)程序CATHARE的計算結(jié)果進(jìn)行了對比，結(jié)果表明：

1) TRACE和CATHARE程序?qū)涠涡∑瓶谑鹿实挠嬎愣急砻髟谑鹿蔬M(jìn)程中堆芯一直處于可冷卻狀態(tài)，反應(yīng)堆是安全的；

2) TRACE程序?qū)τ谙到y(tǒng)壓力、水位、流量的計算合理，在破口流量和破口導(dǎo)致的壓力變化上，TRACE與CATHARE程序計算結(jié)果存在偏差，但參數(shù)變化總體趨勢是基本一致的；

3) TRACE程序在事故前期噴放階段對壓力的計算結(jié)果與CATHARE程序存在不同，TRACE程序計算的一回路壓力平臺區(qū)發(fā)生在穩(wěn)壓器壓力降至稍大于二回路壓力之時，這個結(jié)果更為符合傳統(tǒng)壓水堆小破口事故分析的一貫看法。

[1] TRACE V5.0 USER’S MANUAL[R]. U. S. Nuclear Regulatory Commission，2010.

[2] Jong-Rong Wang，Hao-Tzu Lin，Chunkuan Shih. Assessment of the TRACE Code Using Transient Data from Maanshan PWR Nuclear Power Plant[R]. Office of Nuclear Regulatory Research U.S. Nuclear Regulatory Commission，Washington，DC，20555-0001，2010.6.

[3] M. Avramova，A. Velazquez-Lozada，A. Rubin1. Compa-rative Analysis of CTF and Trace Thermal-Hydraulic Codes Using OECD/NRC PSBT Benchmark Void Distribution Database[J]. Science and Technology of Nuclear Installations，2012，2013(6).

[4] Jong-Rong Wang，Hao-Tzu Lin，Chunkuan Shih. Assessment of the TRACE Code Using Transient Data from Maanshan PWR Nuclear Power Plant[R]. U.S. Nuclear Regulatory Commission. NUREG/IA-0241.

[5] 馮進(jìn)軍，胡威，周克峰，等. 用PARCS/TRACE/ROBIN 程序系統(tǒng)研究秦山二期彈棒事故[J].核科學(xué)與工程，2015(3).

[6] 俞爾俊，李吉根. 核電廠核安全[M]. 北京：原子能出版社，2010：125-132.

[7] 黃彥平、曹念、文彥，等.CATHARE程序的主要特征及應(yīng)用[J]. 核動力工程，2003，12：540-544.

[8] TRACE V5.0 THEORY MANUAL[R]. U.S. Nuclear Regulatory Commission，2010.

[9] Symbolic Nuclear Analysis Package(SNAP)User’s Manual[R]. Applied Programming Technology，Inc.

SmallBreakLOCAaccidentcalculationofthree-loopDomesticAdvancedPWRbyusingthecodeofTRACE

QIAOXue-dong,BIJin-sheng,SUNWei,JINGJian-ping,WANGKun-peng,ZHANGChun-ming,JIABin

(Nuclear and Radiation Safety Center, MEP, Beijing 100042)

In this paper SB-LOCA accident calculation of three-loop Domestic Advanced PWR is carried out by the reactor thermal hydraulic code of TRACE，the results include reactor system pressure，core water level，break flow rate and safety injection system operating condition. Further the calculation results are compared with the ones got with CATHARE code to make verification that whether the results we got are correct.

Small Break；TRACE；Advanced PWR；LOCA

2017-05-11

大型先進(jìn)壓水堆及高溫氣冷堆電站國家科技重大專項：CAP1400安全審評關(guān)鍵技術(shù)研究(2013ZX06002001);大型先進(jìn)壓水堆及高溫氣冷堆電站國家科技重大專項：CAP1400核安全監(jiān)管重要試驗驗證(2015ZX06002007)

喬雪冬(1979—)，男，內(nèi)蒙古呼倫貝爾人，博士，核反應(yīng)堆熱工水力與安全分析方面研究

賈 斌：jiabin@chinansc.cn

TL33

A

0258-0918(2017)06-1026-07