楊銳

【摘 要】本文針對CANDU6機(jī)組除氣冷凝器噴淋管線由于振動而導(dǎo)致斷裂這一普遍存在的設(shè)計問題，從核電廠運(yùn)行的角度，分析問題產(chǎn)生的根本原因及其影響，并指出在事件發(fā)生后的處理方法，以保證核電廠的安全和經(jīng)濟(jì)效益。

【關(guān)鍵詞】除氣冷凝器;噴淋管線;斷裂;處理

中圖分類號： TG441.7文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A文章編號： 2095-2457（2019）02-0169-003

【Abstract】This Paper aims to analyze the prime origin and effect of Degasser Condenser spray piping rupture from the perspective of nuclear power plant operation， which is the widespread design problem in CANDU6.It also indicate the solution to insure the safety and the economic benefit of the nuclear power plant.

【Key words】Degasser Condenser; Spray piping; Rupture; Process

0 概述

在CANDU6型重水反應(yīng)堆中，為了保證堆芯燃料時刻得到充分的冷卻，主熱傳輸系統(tǒng)（Primary Heat Transport System，簡稱PHTS）必須維持某些特定參數(shù)的穩(wěn)定，其中包括壓力和重水裝量。但是主熱傳輸系統(tǒng)不具備控制其運(yùn)行參數(shù)的設(shè)備，壓力與裝量控制必須由壓力和裝量控制系統(tǒng)（Pressure and Inventory Control System，簡稱PIC）來完成。壓力和裝量控制系統(tǒng)是主熱傳輸系統(tǒng)的重要輔助系統(tǒng)，其功能是控制主熱傳輸系統(tǒng)壓力、重水裝量、以及提供超壓保護(hù)。

除氣冷凝器（Degasser Condenser，簡稱D/C）是壓力與裝量控制系統(tǒng)的重要組成部分，它是一個內(nèi)徑1.98m，高6m，體積約19.83m3的立式圓柱容器。正常運(yùn)行時通過噴淋閥3332-PCV24/25和電加熱器3332-HTR6/7將壓力控制在1.0～1.05MPa之間，將溫度控制在180℃左右，并通過液位控制閥3332-LCV8/15將液位維持在1.0m。其主要功能是用來除去PHTS的不凝結(jié)氣體和冷凝從PHTS或穩(wěn)壓器排出的高溫重水或蒸汽。由于D/C一面連接著高溫高壓的主熱傳輸系統(tǒng)，一面又連接著低溫的熱傳輸壓力裝量控制系統(tǒng)，兼之D/C體積小、正常運(yùn)行期間壓力穩(wěn)定，因此當(dāng)主熱傳輸系統(tǒng)與D/C相連的閥門出現(xiàn)意外開啟或內(nèi)漏等情況時，D/C就會出現(xiàn)非常明顯的壓力變化，這對于及時發(fā)現(xiàn)主熱傳輸系統(tǒng)的設(shè)備缺陷有著重要的意義。

1 除氣冷凝器噴淋管線斷裂事件

1.1 背景

秦山三期兩臺機(jī)組投入商業(yè)運(yùn)行后僅僅幾個月，就發(fā)現(xiàn)穩(wěn)壓器蒸汽釋放閥出現(xiàn)不同程度的內(nèi)漏，D/C噴淋閥出現(xiàn)了頻繁動作的現(xiàn)象。由于CANDU電站燃料設(shè)計燃耗低的特點(diǎn)，必須進(jìn)行在線換料才能保持機(jī)組的功率運(yùn)行，每次換料過程中都會引起PHTS壓力瞬態(tài)。系統(tǒng)超壓后，穩(wěn)壓器蒸汽釋放閥動作，向D/C排放重水蒸汽進(jìn)行卸壓。通過與CANDU業(yè)主聯(lián)合會、韓國月城電站、加拿大G-2電站、加拿大Point Lepreau電站的溝通和反饋，確認(rèn)穩(wěn)壓器蒸汽釋放閥在換料過程中頻繁動作以及發(fā)生內(nèi)漏后引起D/C噴淋閥門頻繁動作等運(yùn)行狀況，是CANDU 6機(jī)組普遍存在的設(shè)計問題。

1.2 造成噴淋管線斷裂的原因

（1）噴淋閥3332-PCV24/25前后壓差大，閥前約14MPa，閥后只有1MPa，壓差13MPa，3332-PCV24/25開啟后，閥后壓力突增，對管線造成很大沖擊;

（2）噴淋閥3332-PCV24/25位置管線錯綜復(fù)雜，進(jìn)D/C前有5個直角拐點(diǎn)和一個弧形的180°拐點(diǎn)，閥門開啟后有很大的沖擊力和橫向作用力;

（3）D/C噴淋水取自上充泵（主要用于補(bǔ)充主熱傳輸系統(tǒng)裝量）出口，約40℃，D/C內(nèi)介質(zhì)溫度約187℃，溫差約147℃，這就造成D/C管嘴與噴淋管線的對接處在3332-PCV24/25開啟后瞬間接受40℃冷水的沖刷，產(chǎn)生的熱應(yīng)力非常大。

2 除氣冷凝器噴淋管線斷裂的影響

2.1 重水泄漏

當(dāng)D/C噴淋管線發(fā)生斷裂后，D/C內(nèi)的高溫蒸汽由破口逸出，遇到環(huán)境中冷空氣后迅速凝結(jié)成重水。由于D/C內(nèi)壓力約為1MPa，遠(yuǎn)高于反應(yīng)堆廠房（R/B）內(nèi)壓力，所以不斷有重水蒸汽逸出并冷凝為重水。從以往事件中看出，每次發(fā)生噴淋管線斷裂，都造成了大量的重水泄漏和損失。

2.2 氚釋放

氚是重水中的氘與中子反應(yīng)的產(chǎn)物，具有放射性，會發(fā)生β衰變。氚可以通過呼吸或皮膚進(jìn)入人體。一旦進(jìn)入人體內(nèi)，氚會被人體細(xì)胞用于細(xì)胞代謝，造成直接的內(nèi)照射，大量吸入氚會嚴(yán)重危害吸入者的健康。隨著重水泄漏，重水中的氚也隨著重水蒸汽釋放到反應(yīng)堆廠房中，造成氚污染。

2.3 D/C壓力異常降低

一旦發(fā)生噴淋管線斷裂，由于D/C內(nèi)外壓差達(dá)到1MPa，D/C內(nèi)的壓力必然會下降。D/C內(nèi)兩個可調(diào)的電加熱器，在發(fā)現(xiàn)D/C壓力低于1MPa時會自動投入運(yùn)行以維持壓力。當(dāng)破口較小時，電加熱器能夠維持D/C內(nèi)的壓力穩(wěn)定，此時除了D/C電加熱器輸出增大、D/C壓力小幅波動外，整個系統(tǒng)沒有明顯的異常。當(dāng)破口大到超出了電加熱器的補(bǔ)償能力時，D/C內(nèi)的壓力便會下降。

當(dāng)D/C壓力下降到150KPa以下，由于重水儲存箱3333-TK1比除氣冷凝器位置高，在重力作用下，低溫重水通過上充泵再循環(huán)管線注入D/C，引起D/C液位上升和D/C壓力的進(jìn)一步快速降低。

3 事故的分析與處理

對于D/C噴淋管線由于小裂紋發(fā)生重水泄漏的情況，因事件發(fā)展緩慢，除了反應(yīng)堆廠房內(nèi)重水濃度上升外，短時間內(nèi)沒有其他特別明顯的特征。這時只能通過人員進(jìn)入反應(yīng)堆廠房內(nèi)查漏來確定，在情況明確后，可根據(jù)綜合運(yùn)行規(guī)程GOP004（降功率至冷態(tài)泄壓）停堆，再處理缺陷。

對于D/C噴淋管線發(fā)生完全斷裂的情況，由于破口較大，D/C內(nèi)的壓力會快速下降，此時需要運(yùn)行人員快速響應(yīng)，以減少事故的后果，保證反應(yīng)堆的安全。以下的分析全部是針對噴淋管線完全斷裂的情況。

3.1 事故的診斷

D/C噴淋管線發(fā)生完全斷裂后，D/C就有了一個對空的破口，D/C內(nèi)的壓力會快速下降，D/C電加熱器HTR6/7在除氣冷凝器內(nèi)壓力低于1MPa時會自動投入。同時，D/C液位異常升高，反應(yīng)堆廠房內(nèi)空氣中的重水濃度快速上升，主控室會產(chǎn)生空氣中重水濃度高的報警。另外，重水/輕水泄漏檢測系統(tǒng)報警和反應(yīng)堆廠房內(nèi)空氣中氚放射性高報警也有可能產(chǎn)生。

3.2 異常處理

主控室操縱員在確定D/C噴淋管線發(fā)生完全斷裂后，需要立即響應(yīng)：

（1）啟動瞬態(tài)響應(yīng)，廣播反應(yīng)堆廠房人員緊急撤離。

（2）手動脫扣1#停堆系統(tǒng)（SDS#1），執(zhí)行應(yīng)急運(yùn)行規(guī)程EOP-001，確認(rèn)停堆系統(tǒng)動作的有效性。

（3）通知保健物理人員對R/B各房間進(jìn)行取樣，確定R/B內(nèi)各房間的放射性，操縱員根據(jù)放射性水平來決定相應(yīng)的干預(yù)行動。

（4）監(jiān)視R/B內(nèi)放射性劑量，當(dāng)R/B內(nèi)劑量超過3000cps，確認(rèn)安全殼隔離閥自動關(guān)閉，以阻止R/B內(nèi)的放射性物質(zhì)向外擴(kuò)散。

（5）停運(yùn)D/C電加熱器3332-HTR6/7，以防止更多的重水蒸汽通過斷裂管線出向環(huán)境逸出。

（6）隔離D/C，防止重水以其他方式進(jìn)入D/C。

（7）打開3332-PV10對D/C進(jìn)行疏水。

（8）參考GOP004（降功率至冷態(tài)泄壓）對PHTS降溫降壓。由于D/C已經(jīng)被隔離，PHTS無法通過穩(wěn)壓器壓力控制閥3332-PCV5/6來降低系統(tǒng)壓力，因此在PHTS切換至水實體之前只進(jìn)行降溫操作，不進(jìn)行降壓操作。

3.3 對PHTS切換至水實體之前只降溫不降壓的可行性分析

對CANDU堆壓力管的結(jié)構(gòu)完整性構(gòu)成最大威脅的是延遲氫化裂紋（DHC）。在特定工況（低溫高壓）的壓力/溫度環(huán)境下，延遲氫化裂紋崩裂會導(dǎo)致主熱傳輸系統(tǒng)失去冷卻劑事故（LOCA）。

在發(fā)生D/C噴淋管線斷裂的事故工況下，防止延遲氫化裂紋（DHC）產(chǎn)生的對策有：

（1）采用最大允許的速率冷卻PHTS。

（2）保證主熱傳輸系統(tǒng)運(yùn)行于PHTS壓力/溫度（P/T）包絡(luò)線[5]之內(nèi)（即圖1中陰影部分）。

圖1 保證壓力管結(jié)構(gòu)完整性的PHTS壓力/溫度（P/T）包絡(luò)線

由圖1裂紋穩(wěn)定性線計算出的各溫度點(diǎn)對應(yīng)的反應(yīng)堆出口集管（ROH）容許壓力如下：

表1 由裂紋穩(wěn)定性線計算出的各溫度點(diǎn)對應(yīng)的反應(yīng)堆出口集管容許壓力Ps ROH（T）

正常情況下PHTS的壓力為9.89MPa，從表1中可以看出，在該壓力下將PHTS的溫度由260℃降至80℃是在PHTS壓力/溫度（P/T）包絡(luò)線之內(nèi)的。因此在PHTS切換至水實體之前只降溫不降壓是可行的。

3.4 避免重水從破口泄漏

在D/C完全隔離后，上充泵的再循環(huán)流量將全部進(jìn)入D/C內(nèi)，導(dǎo)致D/C內(nèi)液位上升，甚至通過噴淋管線的破口泄漏到反應(yīng)堆廠房內(nèi)。所以，如何避免這種情況的發(fā)生成為了事故處理的重點(diǎn)之一。

（1）降溫降壓所需時間的計算

PHTS所允許的最大連續(xù)降溫速率為2.76℃/分鐘，將PHTS由260℃降至80℃需要約65分鐘，隨后切換至水實體模式，再將壓力以500kPa/2分鐘的速度降至500kPa，停運(yùn)上充泵時，則至少還需要40分鐘。所以，整個降溫降壓過程需要大約2小時。

（2）重水上升至破口所需時間的計算

D/C的內(nèi)徑為1.98米，噴淋管線位于D/C中部距其底部5米處?？梢缘贸鯠/C內(nèi)到噴淋管線位置處的容積約為14.38m3。正常運(yùn)行時，D/C內(nèi)有重水2.49m3[1]。

在正常情況下，兩臺上充泵的再循環(huán)管線節(jié)流孔板RO5和RO10的上游壓力為13.6MPa，下游壓力為1MPa，流量為1.65kg/s。在發(fā)生噴淋管線完全斷裂的極端情況下，可認(rèn)為D/C內(nèi)壓力為大氣壓，即RO5和RO10的下游壓力為0。再循環(huán)管線內(nèi)徑為1英寸，重水密度為1091kg/m3[1]。根據(jù)伯努利方程和流體連續(xù)性方程，節(jié)流孔板前后的壓差與流量的平方成正比，不考慮摩擦等因素的影響（簡化計算，同時也出于保守考慮），可算出單臺泵再循環(huán)最大流量約為1.71kg/s。由此可得出一臺上充泵連續(xù)運(yùn)行1小時，其再循環(huán)管線的水全部進(jìn)入D/C內(nèi)的體積約為5.64m3。

另外由2007年5月2日，1號機(jī)組通過3332-PV10對D/C（常壓）疏水的操作可知，D/C由2.455米降至1.375米，用時1小時25分45秒，可以得出其疏水速率為2.33m3/h。

在發(fā)生噴淋管線完全斷裂后，操縱員隔離D/C，打開3332-PV10對其疏水，并保持1臺上充泵運(yùn)行，此時每小時注入D/C內(nèi)的重水體積為3.31m3。由此可以算出D/C內(nèi)的液位上升到破口處需要3小時36分。如果保持2臺上充泵運(yùn)行，此時每小時注入D/C內(nèi)的重水體積為8.95m3，D/C內(nèi)的液位上升到破口處需要1小時20分。

因此在對PHTS降溫降壓的時候，只能保持一臺上充泵運(yùn)行，操縱員必須抓緊時間對PHTS降溫降壓。如果需求的上充流量超過一臺上充泵的能力，可以要求換料人員將換料機(jī)連接到燃料通道上對PHTS供水。

3.5 保證主熱傳輸系統(tǒng)的裝量

主熱傳輸系統(tǒng)從熱態(tài)零功率降到冷態(tài)零功率這一階段，由于冷卻劑收縮而造成的重水容積的變化，需要重水儲存箱提供約26.9m3的重水裝量，而一條上充泵再循環(huán)管線在整個過程中旁路了約11.3m3的重水裝量，這超出了重水儲存箱的供水能力。因此需要操縱員在適當(dāng)?shù)臅r候從重水供應(yīng)系統(tǒng)傳輸重水到重水儲存箱內(nèi)，以保證PHTS的裝量。

4 結(jié)論

除氣冷凝器噴淋管線由于振動導(dǎo)致的開裂已成為CANDU6型重水堆的重要缺陷和熱點(diǎn)問題，嚴(yán)重影響到了核電廠的安全運(yùn)行和經(jīng)濟(jì)效益。在發(fā)生除氣冷凝器噴淋管線完全斷裂的情況時，操縱員需要迅速發(fā)現(xiàn)并定位故障，及時停堆、隔離除氣冷凝器并輸水，盡早對主熱傳輸系統(tǒng)進(jìn)行降溫降壓。在只啟動一臺上充泵的情況下，操縱員有足夠的時間將主熱傳輸系統(tǒng)降至冷態(tài)泄壓，并在必要時通知換料人員將換料機(jī)連接到主熱傳輸系統(tǒng)以補(bǔ)充重水裝量。另外，操縱員需要及時通過重水供應(yīng)系統(tǒng)對重水儲存箱補(bǔ)水。此時電廠的核安全和經(jīng)濟(jì)性都能得到有效的保障。

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