核電廠應(yīng)對(duì)全廠失電事故的措施分析

【摘 要】本文以全廠失電（SBO）疊加蒸汽發(fā)生器給水完全喪失的嚴(yán)重事故為模型，分析了該事故工況的演變過程，得出在該嚴(yán)重事故工況下可能造成高壓熔堆、安全殼超壓失效、放射性物質(zhì)大量釋放的嚴(yán)重后果。通過對(duì)福清核電廠應(yīng)對(duì)全廠失電事故措施的分析，表明這些事故緩解措施的應(yīng)用能在很大程度上降低全廠失電事故和其他各種超設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故的后果，保障核電機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行，保證電廠工作人員和公眾的安全。

【關(guān)鍵詞】嚴(yán)重事故；全廠失電；完全喪失給水；高壓熔堆；

一、前言

嚴(yán)重事故，即反應(yīng)堆堆芯嚴(yán)重?fù)p壞或熔化事故，一直被認(rèn)為發(fā)生的概率很低，但事故一旦發(fā)生，很可能導(dǎo)致堆芯熔化，同時(shí)釋放放射性裂變產(chǎn)物，不僅威脅到安全殼的完整性，甚至對(duì)環(huán)境產(chǎn)生放射性污染。日本福島核電廠事故發(fā)生后，公眾對(duì)商用核電站發(fā)生嚴(yán)重事故的恐懼感達(dá)到極點(diǎn)，核能界也充分認(rèn)識(shí)到核電站可能發(fā)生的嚴(yán)重事故的后果，同時(shí)認(rèn)識(shí)到以往核電站設(shè)計(jì)中的不足和缺陷。本文從一名核電從業(yè)者的角度對(duì)福島事故后核電廠在應(yīng)對(duì)SBO 事故的各項(xiàng)措施進(jìn)行簡(jiǎn)要分析，與大家交流學(xué)習(xí)。

二、全廠失電事故進(jìn)程

假設(shè)在極端惡劣的自然災(zāi)害下，失去全部廠外電源和廠內(nèi)電源。如果此時(shí)輔助給水系統(tǒng)的汽動(dòng)輔助給水泵啟動(dòng)失敗，將導(dǎo)致蒸汽發(fā)生器給水全部喪失，其事故進(jìn)程如下：

全廠失電事故發(fā)生后，主泵失電開始惰轉(zhuǎn)，一回路冷卻劑流量迅速下降，開始自然循環(huán)。由于蒸汽發(fā)生器二次側(cè)喪失給水而逐漸出現(xiàn)沸騰，當(dāng)蒸汽發(fā)生器二次側(cè)壓力達(dá)到大氣釋放閥開啟整定值時(shí)，大氣釋放閥打開向外排汽。隨著蒸汽發(fā)生器二次側(cè)水位的降低甚至干涸，一回路逐漸喪失熱阱，自然循環(huán)終止。二次側(cè)熱阱喪失后，一回路熱量無法及時(shí)排除，堆芯溫度也逐漸上升，一回路壓力也迅速上升到穩(wěn)壓器安全閥開啟整定值，穩(wěn)壓器安全閥頻繁開啟，使一回路壓力在16.6MPa附近波動(dòng)。冷卻劑通過安全閥排至卸壓箱，當(dāng)卸壓箱壓力達(dá)到0.7MPa時(shí)，爆破膜爆破，大量冷卻劑釋放到安全殼中，大量的水和蒸汽在安全殼內(nèi)迅速擴(kuò)散導(dǎo)致安全殼內(nèi)壓力迅速上升。在整個(gè)事故過程中，由于兩條應(yīng)急母線同時(shí)失電，導(dǎo)致高低壓安全注入系統(tǒng)無法投入運(yùn)行，且由于一回路持續(xù)高壓，使非能動(dòng)的中壓安注箱也無法投入，導(dǎo)致通過穩(wěn)壓器安全閥排出的冷卻劑無法得到補(bǔ)充，壓力容器的水位迅速下降，堆芯出現(xiàn)沸騰并且開始裸露。堆芯裸露后傳熱進(jìn)一步惡化，鋯合金與飽和蒸汽發(fā)生劇烈反應(yīng)，產(chǎn)生的大量反應(yīng)熱進(jìn)一步加劇了堆芯溫度的上升，同時(shí)伴有大量氫氣產(chǎn)生。隨著堆芯溫度的升高，控制棒、燃料包殼和支撐結(jié)構(gòu)出現(xiàn)熔化，最終導(dǎo)致壓力容器失效，釋放出不可凝氣體和大量放射性物質(zhì)。安全殼可能因不可凝氣體聚積造成安全殼超壓威脅其完整性。安全殼內(nèi)氫氣濃度不斷上升，最終可能發(fā)生燃爆，使安全殼超壓失效。安全殼失效后，放射性氣體和氣溶膠將釋放到環(huán)境中。

三、核電廠針對(duì)全廠失電事故采取的改進(jìn)措施

（一）全廠失電事故導(dǎo)致的主要后果

1、堆芯失去冷卻：全廠失電導(dǎo)致主給水泵、電動(dòng)輔助給水泵不可用、汽動(dòng)輔助給水泵啟動(dòng)失敗造成蒸汽發(fā)生器給水完全喪失，從而導(dǎo)致堆芯得不到冷卻而升溫升壓；

2、一回路冷卻劑水裝量得不到保證：堆芯冷卻劑通過穩(wěn)壓器安全閥流失，且由于失電導(dǎo)致高低壓安注泵無法啟動(dòng)，造成冷卻劑得不到補(bǔ)充，堆芯水位下降，燃料棒裸露，最終燒毀；

3、安全殼完整性受到威脅：安全殼內(nèi)不凝氣體不斷積聚，壓力不斷上升，威脅安全殼完整性。同時(shí)，安全殼內(nèi)氫氣壓力上升，最終可能發(fā)生燃爆，使安全殼失效；

4、DCS失效：DCS機(jī)柜由交流不間斷電源供電。當(dāng)全廠失電后，交流不間斷電源失去正常電源，由蓄電池供電。隨著蓄電池的放電，DCS將逐漸失去，只能切換至后備盤進(jìn)行操作，可能造成主控室操縱員對(duì)參數(shù)監(jiān)視不夠。

（二）核電廠應(yīng)對(duì)全廠失電事故的措施

全廠失電事故將導(dǎo)致6.6kV交流母線失電、110V直流母線轉(zhuǎn)由蓄電池供電、48V直流母線轉(zhuǎn)由蓄電池供電和220V交流不間斷電源轉(zhuǎn)由蓄電池供電。根據(jù)核電廠事故規(guī)程《RRA隔離時(shí)全廠失電事故》，在全廠失電事故工況下，為保證反應(yīng)堆達(dá)到次臨界的中間停堆狀態(tài)，保證主泵軸封的完整性、維持一回路的水裝量，操縱員將采取以下主要措施：

1、積極組織恢復(fù)外電源，并設(shè)法恢復(fù)應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行，若應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組啟動(dòng)不成功，則立即組織搶修，盡快恢復(fù)其運(yùn)行；

2、LLS柴油發(fā)電機(jī)組自動(dòng)啟動(dòng)，并給水壓試壓泵供電，為主泵提供軸封水，保證第二道安全屏障的完整性；

3、為延長220V交流不間斷電源和48V直流電源的供電時(shí)間，采用蓄電池經(jīng)濟(jì)運(yùn)行方式，即切除部分一回路直流蓄電池負(fù)荷；

4、根據(jù)事故規(guī)程《蒸汽發(fā)生器給水完全喪失》，隨著蒸汽發(fā)生器水位的下降和一回路平均溫度的上升，將啟動(dòng)安全注入系統(tǒng)，通過“充—溢”或“充—排”模式以帶出堆芯熱量，同時(shí)采取辦法恢復(fù)蒸汽發(fā)生器的給水。

（三）福島事故后針對(duì)全廠失電事故采取的改進(jìn)措施及其作用

1、安全殼消氫系統(tǒng)

為防止嚴(yán)重事故后安全殼內(nèi)氫氣不斷積聚，達(dá)到爆炸限值，威脅到安全殼完整性，核電廠增設(shè)了安全殼消氫系統(tǒng)。其作用是在超設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故工況下，氫復(fù)合器啟動(dòng)，從而保持安全殼內(nèi)的平均氫氣濃度在低于燃爆限值，避免安全殼內(nèi)氫氣燃爆而導(dǎo)致的安全殼失效。

2、安全殼過濾排放系統(tǒng)

為防止嚴(yán)重事故后安全殼內(nèi)不凝氣體不斷積聚，壓力上升使安全殼完整性遭到破壞，核電廠增設(shè)了安全殼過濾排放系統(tǒng)。其作用是在超設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故工況下，通過主動(dòng)卸壓使安全殼內(nèi)的大氣壓力不超過其承載限制，以確保安全殼的完整性。并且通過系統(tǒng)中的過濾裝置對(duì)排放氣體中的放射性物質(zhì)進(jìn)行過濾，以減少釋放到環(huán)境中的放射性物質(zhì)。

3、蒸汽發(fā)生器應(yīng)急補(bǔ)水

全廠失電后，動(dòng)力電源喪失，蒸汽發(fā)生器喪失所有給水。為保證堆芯的冷卻，核電廠1、2號(hào)機(jī)組增加了直接為蒸汽發(fā)生器應(yīng)急補(bǔ)水的設(shè)施。其作用是在事故工況下，在蒸汽發(fā)生器壓力降至2MPa時(shí)，消防水車通過設(shè)置在汽動(dòng)輔助給水泵出口的接入管線為蒸汽發(fā)生器提供給水，保證堆芯的冷卻。該供水可以實(shí)現(xiàn)事故后至少72小時(shí)的堆芯冷卻能力，并通過事故后規(guī)程順利導(dǎo)出堆芯余熱，緩解事故后果。

4、一回路應(yīng)急補(bǔ)水

從第2節(jié)全廠失電事故進(jìn)程分析中得知，在全廠失電且汽動(dòng)輔助給水啟動(dòng)失敗的嚴(yán)重事故工況下，堆芯冷卻劑將穩(wěn)壓器安全閥流失，且由于失電導(dǎo)致高低壓安注泵無法啟動(dòng)，造成冷卻劑得不到補(bǔ)充，堆芯水位下降，燃料棒裸露，最終燒毀。為此，核電廠增設(shè)了“一回路應(yīng)急補(bǔ)水”設(shè)施。其作用是在全廠失電事故情況下，當(dāng)二回路排熱手段不可用時(shí)，通過開啟穩(wěn)壓器安全閥，對(duì)一回路降壓至2MPa以下，通過位于H4管線上的應(yīng)急補(bǔ)水管線實(shí)施一回路的補(bǔ)水，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)堆芯的冷卻。

5、6.6kV中壓移動(dòng)電源系統(tǒng)

全廠失電后，動(dòng)力電源全失，從而造成蒸汽發(fā)生器喪失所有給水。為此，核電廠增設(shè)了6.6kV中壓移動(dòng)電源。其作用是在廠內(nèi)和廠外電源以及附加柴油發(fā)電機(jī)全部喪失時(shí)，為一臺(tái)電動(dòng)輔助給水泵供電，保證蒸汽發(fā)生器的給水供應(yīng)。蒸汽發(fā)生器產(chǎn)生的蒸汽通過GCT-a排向大氣導(dǎo)出堆芯熱量，從而冷卻堆芯。

通過配置的移動(dòng)式應(yīng)急電源為電動(dòng)輔助給水泵供電，以緩解事故后果，并為恢復(fù)廠內(nèi)外交流電源提供時(shí)間窗口，以增強(qiáng)應(yīng)對(duì)全廠失電的能力。

6、400V低壓移動(dòng)電源系統(tǒng)

（1）400V低壓移動(dòng)電源對(duì)穩(wěn)壓器安全閥的影響

在全廠失電且蒸汽發(fā)生器完成喪失給水的嚴(yán)重事故工況下，根據(jù)《蒸汽發(fā)生器給水完全喪失》的處理原則，需要在蒸汽發(fā)生排空（約為4000秒）后30分鐘時(shí)開啟穩(wěn)壓器安全閥對(duì)一回路進(jìn)行卸壓，避免具有更大潛在威脅的高壓熔堆。然而在全廠失電事故發(fā)生1小時(shí)37分鐘后，能否在主控室手動(dòng)開啟穩(wěn)壓器安全閥呢？

穩(wěn)壓器安全閥強(qiáng)制開啟電磁線圈的動(dòng)力電源有兩路：一路由直流母線經(jīng)過電磁閥箱提供，另一路由LNE360CR提供。然而，直流母線蓄電池的供電時(shí)間均為1小時(shí)，顯然不能保證穩(wěn)壓器安全閥的開啟。

（2）400V低壓移動(dòng)電源對(duì)RPS保護(hù)組和DCS機(jī)柜的影響

核電廠RPS保護(hù)組和DCS機(jī)柜、記錄儀表由220V交流不間斷電源供電。在全廠失電的嚴(yán)重事故工況下，220V交流不間斷電源失去正常電源，轉(zhuǎn)由蓄電池供電。但是蓄電池僅能保證1小時(shí)的供電。如果220V交流不間斷電源失電，將導(dǎo)致DCS不可用，RPS保護(hù)儀表及機(jī)柜喪失。

鑒于以上兩個(gè)原因，核電廠增加了一臺(tái)400V低壓移動(dòng)柴油發(fā)電機(jī)組。在全廠失電且LLS失去的情況下，為穩(wěn)壓器安全閥電磁閥的供電、DCS機(jī)柜的供電以及部分反應(yīng)堆控制儀表的供電，以保證其正常運(yùn)行。

四、結(jié)論

通過對(duì)核電廠應(yīng)對(duì)全廠失電事故措施的分析，表明這些事故緩解措施的應(yīng)用能在很大程度上降低全廠失電事故和其他各種超設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故的后果，保障核電機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行，保證電廠工作人員和公眾的安全。

參考文獻(xiàn)：

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[2]陳學(xué)峰，核電廠全廠斷電事故分析，中國核電，2011，4（1）：46-51

[3]中國核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院.核電廠一期工程一、二回路應(yīng)急補(bǔ)水改進(jìn)實(shí)施方案

作者簡(jiǎn)介：熊興華（1984-4），男，福建省福州市福清市人，工作單位：福建福清核電有限公司，職務(wù)：科員.