(中國(guó)核電工程有限公司，北京　100840)

先進(jìn)核電廠運(yùn)行模式分為6種運(yùn)行模式，分別為功率運(yùn)行模式、蒸汽發(fā)生器冷卻正常停堆模式、余熱排出系統(tǒng)正常停堆模式、維修停堆模式、換料停堆模式和反應(yīng)堆完全卸料模式。最后兩個(gè)模式下核電廠處于停堆情況能量低。模式5：一回路平均溫度小于90 ℃，壓力小于3.0 MPa，包括正常冷停堆工況、一回路卸壓但封閉維修冷停堆工況、一回路微開維修冷停堆工況、一回路充分打開維修冷停堆工況。模式6：一回路平均溫度小于60 ℃，壓力為大氣壓力，只包括換料停堆工況。

在停堆工況下，安全功能的優(yōu)先級(jí)自高至低如下：堆芯冷卻、熱阱、安全殼(包容放射性)、次臨界、完整性(冷態(tài)超壓)、支持系統(tǒng)失效造成的熱阱喪失(反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)RCS未預(yù)期加熱)功能恢復(fù)。

本文對(duì)主系統(tǒng)冷態(tài)超壓和未預(yù)期溫度變化事故后操縱員的主要操作對(duì)一回路的影響進(jìn)行了研究，并提出一個(gè)操作方案。

1　冷態(tài)超壓事故和未預(yù)期溫度變化事故概述

1.1　冷態(tài)超壓

反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)(RCS)的冷態(tài)超壓保護(hù)功能是余熱排出系統(tǒng)(RHR)實(shí)現(xiàn)的。在反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)處于水密實(shí)狀態(tài)時(shí)，由于穩(wěn)壓器的穩(wěn)壓功能喪失，處于滿水狀態(tài)，質(zhì)量和能量擾動(dòng)極易導(dǎo)致系統(tǒng)壓力出現(xiàn)較大波動(dòng)[1]。如果過快引入質(zhì)量或能量，將導(dǎo)致系統(tǒng)壓力快速升高。當(dāng)RCS壓力超過冷態(tài)超壓保護(hù)限值時(shí)，認(rèn)為發(fā)生冷態(tài)超壓事故。

1.2　未預(yù)期溫度變化

RCS和RHR連接后，RHR系統(tǒng)及其支持系統(tǒng)(設(shè)備冷卻水系統(tǒng)WCC、重要廠用水系統(tǒng)WES)的故障可能會(huì)造成一回路溫度的異常變化。在冷停堆及以下運(yùn)行模式下，若發(fā)生未預(yù)期的溫度變化，并且此時(shí)并未執(zhí)行加熱或冷卻控制操作，則認(rèn)為發(fā)生了未預(yù)期溫度變化事故。

在一回路冷卻劑系統(tǒng)得到冷卻后，造成冷卻劑系統(tǒng)溫度發(fā)生未預(yù)期的變化的情況主要是余熱排出系統(tǒng)或其支持系統(tǒng)的故障。

2　典型瞬態(tài)分析

2.1　程序模型

本文計(jì)算使用RELAP5程序。RELAP5程序是美國(guó)愛達(dá)荷國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室(Idaho National Engineering Laboratory，INEL)于20世紀(jì)80年代逐漸開發(fā)，專門用于核電廠事故分析的大型熱工水力最佳估算程序，可用于事故瞬態(tài)和失水事故(LOCA)的計(jì)算分析，是目前最常用的核電廠系統(tǒng)熱工水力分析程序之一。本文計(jì)算模型中包括一回路冷卻劑系統(tǒng)及RHR系統(tǒng)，見圖1。

圖1　一回路及RHR系統(tǒng)模型示意圖Fig.1　Sketch of the primary system and RHR system

2.2　冷態(tài)超壓事故及緩解措施分析

停運(yùn)主泵及下泄降時(shí)引起冷態(tài)超壓的事故分別為主泵誤開啟(工況1)和上充誤開啟(工況2)。

計(jì)算初始與假設(shè)條件如表1。工況計(jì)算結(jié)果見圖2至圖5。

表1　冷態(tài)超壓工況初始條件Table 1　Initial Conditions for Cold Overpressure

圖2　工況1.1主泵流量Fig.2　Flow rate of RCPs in Case1.1

圖3　工況1.1安全閥壓力Fig.3　Pressure of the RHR safety valve in Case1.1

圖4　工況1.1-1.5一回路壓力Fig.4　Pressure of the primary circuit in Case1.1-1.5

圖5　工況2.1-2.5一回路壓力Fig.5　Pressure of the primary circuit in Case2.1-2.5

以下統(tǒng)稱工況1，時(shí)間窗口見表2。工況1.1：在穩(wěn)定的停堆情況下，2號(hào)主泵誤啟動(dòng)，由于RHR接入一回路系統(tǒng)，通過RHR安全閥降低一回路壓力。工況1.2：在一回路壓力到達(dá)3.4 MPa時(shí)關(guān)閉誤啟動(dòng)的2號(hào)主泵。工況1.3：在一回路壓力到達(dá)3.4 MPa時(shí)關(guān)閉所有主泵。工況1.4：在一回路壓力到達(dá)3.4 MPa時(shí)關(guān)閉所有主泵，且開啟過剩下泄，在一回路壓力到達(dá)2.8 MPa后關(guān)閉過剩下泄。工況1.5：在一回路壓力到達(dá)3.4 MPa時(shí)關(guān)閉所有主泵，且開啟正常下泄，在一回路壓力到達(dá)2.8 MPa后關(guān)閉正常下泄。

以下統(tǒng)稱工況2，時(shí)間窗口見表3。事故始發(fā)事件為上充誤開啟，緩解措施與工況1類似。

本節(jié)的分析得到如下結(jié)論：在停堆工況下主泵開始運(yùn)行導(dǎo)致的冷態(tài)超壓，通過停主泵和開啟下泄的操作可以降低一回路壓力，保證反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)壓力在規(guī)定的限值以內(nèi)；在停堆工況下上充誤開啟導(dǎo)致的冷態(tài)超壓，只停主泵無法降低一回路的壓力，通過開啟下泄可以降低一回路壓力，保證反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)壓力在規(guī)定的限值以內(nèi)；在下泄不可用時(shí)，通過過剩下泄可以降低一回路的壓力，保證反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)壓力在規(guī)定的限值以內(nèi)。

2.3　未預(yù)期溫度變化事故及緩解措施分析

本節(jié)主要研究控制RHR流量穩(wěn)定RCS溫度以及配置RHR、WES、WCC系統(tǒng)等操作。因此未預(yù)期溫度變化的事故主要有RHR二次側(cè)水溫突然升高(工況3)和RHR泵停轉(zhuǎn)(工況4)。

初始情況見表4，工況計(jì)算結(jié)果見圖6至圖7。

表4　未預(yù)期溫度變化工況初始條件Table 4　Initial conditions for unexpected temperature changes

以下統(tǒng)稱工況3，時(shí)間窗口見表5。RHR換熱器二次側(cè)設(shè)備冷卻水入口溫度正常情況下為35 ℃，始發(fā)事件為二次側(cè)入口溫度由35 ℃突然變?yōu)?0 ℃、45 ℃、50 ℃、55 ℃。工況3.1.0和工況3.2.0在經(jīng)歷一段時(shí)間后，一回路壓力溫度穩(wěn)定到另外一個(gè)狀態(tài)，一回路的溫度變化率低于3℃/10 min。而工況3.3.0和工況3.4.0一回路的溫度變化率會(huì)超過3 ℃/10 min，觸發(fā)停堆事故規(guī)程的橙燈，引導(dǎo)操縱員進(jìn)入停堆事故規(guī)程。工況3.3.1和工況3.4.1：在一回路溫度變化率達(dá)到3℃/10 min后調(diào)節(jié)RHR流量，使旁通流量為零，RHR換熱器的流量達(dá)到最大值，穩(wěn)定冷卻劑溫度。工況3.4.2：在一回路溫度變化率達(dá)到3 ℃/10 min后調(diào)節(jié)RHR流量，使旁通流量為零，RHR換熱器的流量達(dá)到最大值，且恢復(fù)WCC母管溫度到40 ℃。

以下統(tǒng)稱工況4，時(shí)間窗口見表6。工況4.1，RHR系統(tǒng)2號(hào)泵在1 000 s停轉(zhuǎn)。工況4.2，RHR系統(tǒng)2號(hào)泵在1 000 s停轉(zhuǎn)后，調(diào)整RHR旁通流量為0，此時(shí)RHR換熱器流量最大。

圖6　工況3溫度變化率Fig.6　Temperature changing Rate in Case3

圖7　工況4溫度變化率Fig.7　Temperature changing Rate in Case4

工況3.1.03.2.03.3.03.3.13.4.03.4.13.4.2二次側(cè)入口溫度/℃35變?yōu)?035變?yōu)?535變?yōu)?035變?yōu)?035變?yōu)?535變?yōu)?535變?yōu)?5瞬態(tài)發(fā)生時(shí)刻/s1 0001 0001 0001 0001 0001 0001 000進(jìn)入事故規(guī)程/s--1 3401 3401 2101 2101 210緩解措施不需要不需要無調(diào)節(jié)旁通流量無調(diào)節(jié)旁通流量調(diào)節(jié)旁通流量,2 000 s恢復(fù)母管溫度到40 ℃一回路狀況完好完好超溫超壓壓力:2.4 MPa溫度:64.1 ℃超溫超壓超溫超壓壓力:2.3 MPa溫度:57.7 ℃

由本節(jié)的分析可以發(fā)現(xiàn)，WCC或WES系統(tǒng)故障造成RHR換熱器二次側(cè)入口溫度升高時(shí)，通過調(diào)整RHR的流量可以一定程度上重新控制一回路的溫度和壓力，若無法穩(wěn)定一回路的溫度和壓力，說明RHR的冷卻能力不足，需要檢查WCC和WES系統(tǒng)的故障，恢復(fù)WCC母管的溫度才能重新控制一回路的溫度和壓力。

表6　工況4的時(shí)間窗口Table 6　Time windows for cold overpressure in Case 4

2.4　RHR帶熱能力及停堆時(shí)間研究

經(jīng)過上節(jié)的分析發(fā)現(xiàn)，有必要研究RHR換熱器在不同狀態(tài)下的帶熱能力，保證換熱器的熱負(fù)荷與堆芯衰變熱相匹配。根據(jù)技術(shù)規(guī)格書的要求，在一回路溫度大于70 ℃時(shí)，要有一個(gè)主泵運(yùn)行。

本節(jié)研究在低功率情況下，在RHR只有一列運(yùn)行，一列WCC中的一個(gè)熱交換器運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)的熱容量，即最大熱負(fù)荷。

表7　工況5具體描述及主要結(jié)果Table 7　Descriptions and main results of Case 5

工況5.1.1至5.1.5一回路狀態(tài)穩(wěn)定，而工況5.1.6一回路壓力溫度持續(xù)上升，見圖8和圖9，表明堆芯出口溫度為90 ℃時(shí)，RHR的換熱能力只能帶出衰變熱19 MW(工況5.1.5)。因此衰變熱大于19 MW(停堆時(shí)間為17.9小時(shí))建議運(yùn)行范圍為堆芯出口溫度大于90 ℃。依此類推得到停堆期間的建議運(yùn)行范圍，見圖10及表8。圖10給出了推薦運(yùn)行的范圍，為了保證RHR有足夠的裕量，推薦核電廠運(yùn)行在圖中的綠色區(qū)域，首次從理論上給出了最惡劣停堆工況(只有一列換熱器可用)安全運(yùn)行的界限，幫助操縱員進(jìn)行判斷。

圖8　工況5.1一回路壓力Fig.8　Pressure of the primary system in Case5.1

圖9　工況5.1一回路溫度Fig.9　Temperature of the primary system in Case 5.1

圖10　停堆工況推薦運(yùn)行范圍Fig.10　Proposed range of the shutdown operation

主泵堆芯出口溫度/℃一列RHR換熱能力/MW對(duì)應(yīng)的停堆時(shí)間/h有1臺(tái)主泵運(yùn)行901917.9801538.8701191.4所有主泵停運(yùn)701446.2631191.460(設(shè)計(jì)值)10120.7507274.74031 017.6

3　結(jié)論

本文選取停堆工況下主泵開始運(yùn)行及上充誤開啟導(dǎo)致的冷態(tài)超壓事故和系統(tǒng)故障始發(fā)的未預(yù)期溫度變化事故，針對(duì)操縱員降壓操作進(jìn)行了計(jì)算。得到以下結(jié)論：

1)在停堆工況下主泵開始運(yùn)行導(dǎo)致的冷態(tài)超壓，通過停主泵和開啟下泄的操作可以降低一回路壓力，保證反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)壓力在規(guī)定的限值以內(nèi)；

2)在停堆工況下上充誤開啟導(dǎo)致的冷態(tài)超壓，只停主泵無法降低一回路的壓力，通過開啟下泄可以降低一回路壓力，保證反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)壓力在規(guī)定的限值以內(nèi)；

3)在下泄不可用時(shí)，通過過剩下泄可以降低一回路的壓力，保證反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)壓力在規(guī)定的限值以內(nèi)；

4)WCC或WES系統(tǒng)故障造成RHR換熱器二次側(cè)入口溫度升高時(shí)，通過調(diào)整RHR的流量可以一定程度上重新控制一回路的溫度和壓力，若無法穩(wěn)定一回路的溫度和壓力，說明RHR的冷卻能力不足，需要檢查WCC和WES系統(tǒng)的故障，恢復(fù)WCC母管的溫度才能重新控制一回路的溫度和壓力；

5)為了保證RHR有足夠的裕量，本文還給出了一個(gè)推薦運(yùn)行范圍，給出停堆后一回路的冷卻劑溫度與時(shí)間的關(guān)系，首次從理論上給出了最惡劣停堆工況(只有一列換熱器可用)安全運(yùn)行的界限。