張磊 曲莎

中國中原對外工程有限公司 北京 100044

1 介紹

為了確定核電廠嚴重事故條件下的適當決策，核電廠響應分析對于獲取安全和風險邊際至關重要。由于熱力學的影響，裂變產(chǎn)物在不同事故下的釋放情況復雜，因此，在嚴重事故中研究裂變產(chǎn)物在安全殼內的行為是必不可少的。在LOCA期間，氣態(tài)形式的放射性碘是最重要的源核素之一，因為它具有高反應性、高裂變產(chǎn)率、環(huán)境流動性。本文介紹一種分析模型對反應堆建筑物內的空氣中氣態(tài)碘進行模擬的方法，用于研究元素碘的物理行為。

2 模擬方法

2.1 壓水反應堆的特征

雙回路壓水反應堆冷卻系統(tǒng)，包括一個反應堆壓力容器，兩個冷卻劑回路，兩個蒸汽發(fā)生器和一個連接在其中一個回路中的穩(wěn)壓器。輕水用作反應堆的冷卻劑和慢化劑。二回路包括主給水系統(tǒng)、主蒸汽系統(tǒng)等。關鍵堆芯安全設備系統(tǒng)包括緊急堆芯冷卻系統(tǒng)，余熱排出系統(tǒng)和應急給水箱等[1]。反應堆堆芯包含69個控制棒組件和177個燃料組件。每個組件中有208個燃料棒。堆芯燃料棒長度為3.66米，其中反應堆容器的高度為12.42米，含水量為113.55立方米?？刂瓢粲葾g-Ln-Cd組成，濃度分別為85%Ag，10%In和5%Cd。燃料棒外徑為1.092厘米，而燃料棒間距為1.443厘米。燃料芯塊的總體實質尺寸與標準燃料芯塊的尺寸相同。

2.2 嚴重事故的假設

本文考慮了嚴重事故情況下的LOCA損失，高壓噴射系統(tǒng)和低壓噴射系統(tǒng)等無法使用等情況。由于閥門故障，應急儲水箱也被認為不可用。在LOCA期間，安全殼的大氣溫度和壓力由蒸汽產(chǎn)生速率、冷卻速率和系統(tǒng)的幾何形狀決定。在LOCA之后不久，預計安全殼的溫度達到80℃，壓力達到7.533Pa[2]。

2.3 數(shù)學建模

介紹在安全殼內釋放的半動力學模型碘活性，以研究在嚴重事故情況下的內含碘行為。數(shù)學模型是一組耦合線性方程。這些線性方程只是容器內體積活度增益和體積活度損失差異的平衡方程。體積活動的增加是由于受損燃料中碘的持續(xù)釋放和自由表面的再懸浮。另一方面，體積活動的損失是由于自然衰變、再循環(huán)過濾，通過噴霧系統(tǒng)去除，從容器中泄漏，以及沉積在壁和自由表面上的碘損失。因此，該模型需考慮由于自然衰變而去除碘的衰減常數(shù)，在容納表面上的碘沉積而導致的損失項，噴霧的損失，通過再循環(huán)過濾的損失，由于排氣系統(tǒng)泄漏導致的損失[3]。

液滴收集效率需考慮元素碘的氣相傳質系數(shù)、液相傳質系數(shù)、安全殼空氣中的液滴暴露時間、液滴蒸汽中的碘擴散系數(shù)、液滴直徑、擴散元素碘的分子量、液體水的粘度等。

無遏制表面上的表面活性也具有增益項和損失項，需考慮表面活度的變化率。影響變化率的因素包括碘在自由表面上的沉積速率，重新懸浮碘。在核電廠正常運行期間，自由表面和空氣中的標稱活動量可以忽略。因此可忽略事故進展的初始表面活動。核電站常規(guī)操作引起的安全殼空氣中的標稱空氣活動通過吹掃和清潔系統(tǒng)不斷清理。因此，與意外釋放的活動相比，這種空中活動可以忽略不計。因此，初始意外釋放體積空氣傳播活動可以通過燃料釋放部分、冷卻劑釋放部分及堆芯損傷等因素來表達。

本文假設只有10%-20%的活動是隨著事故的進展而立即活動。在混合冷卻劑與混合速率之后，剩余的活動在封閉空氣中傳播。作為時間的函數(shù)，活動通過受損燃料的冷卻劑不斷進入密閉空氣。因此，損傷燃料是一種連續(xù)的來源，有助于遏制空氣中的活動。因為，當LOCA啟動時，泄漏率瞬間達到非常高的值，因此，隨著抽吸釋放，該冷卻劑活動立即在空氣中傳播。即使具有如此高的泄漏率，也只能有20%-25%的總冷卻劑損失。

2.4 計算方法

模型需對如下方面進行考慮：體內碘容納活動：需評估在反應堆安全殼正常條件下的碘的空氣傳播體積活度，即沒有噴霧的正常排氣和再循環(huán)速率；堆芯損傷效果：需模擬安全殼內碘的體積活動的堆芯損傷效應；瞬時釋放效果：LOCA是由于冷卻液管道的不受控制的泄漏造成的，冷卻劑爆發(fā)釋放導致放射性碘立即逃逸，需模擬安全殼內碘的體積活度以獲得各種瞬時爆發(fā)釋放值；混合率對碘活性的影響：需模擬各種混合速率的延遲堆芯釋放，其通過冷卻劑有助于空氣傳播的體積活動，碘在水中具有復雜的化學性質；泄漏率的影響：抑制壓力顯著影響碘活性的量化，由于蒸汽和氫氣的產(chǎn)生，安全殼中的壓力升高，這可能導致安全殼泄漏增加，因此，需模擬不同排氣率值的碘的體積活度；再循環(huán)率的影響：模擬了安全殼內碘的體積活度，以獲得90%的再循環(huán)過濾效率的各種再循環(huán)值；噴射流量對安全殼容積活動的影響；再循環(huán)過濾器效率對體積活動的影響：在傳統(tǒng)的壓水堆安全殼設計中，安全殼清洗和清潔系統(tǒng)與炭過濾器一起使用。炭過濾器可有效收集元素碘，并且收集碘的效率為99.9%。然而木炭本質上是吸濕的，其效率隨時間降低。在事故期間，還產(chǎn)生蒸汽，其引導碘流動導致收集效率降低，因此需模擬碘對各種過濾效率值的空氣傳播活動；噴霧液滴對碘活性的影響：在LOCA期間，安全氣氛溫度開始上升，并在幾分鐘內達到80℃。噴霧系統(tǒng)的驗收標準是隨著溫度和壓力的升高而激活的。此外，噴霧收集效率還取決于容納空氣的溫度，因為它取決于碘（元素和有機物）的擴散。

3 結語

本文介紹了一種半容量動力學模型，用于動態(tài)研究安全殼內釋放的元素碘的體積活度，對模擬LOCA期間安全殼內釋放的碘活性的研究提供一種參考。