船用核動(dòng)力裝置SBLOCA破口尺寸敏感性分析

【裝備理論與裝備技術(shù)】

船用核動(dòng)力裝置SBLOCA破口尺寸敏感性分析

邢晉，趙新文，陳玉清,楊磊

(海軍工程大學(xué) 核能科學(xué)與工程系，武漢430033)

摘要：針對(duì)船用核動(dòng)力裝置，采用SCDAP/RELAP5最佳估算程序，研究小破口失水事故(SBLOCA)進(jìn)程，分析破口尺寸對(duì)事故的影響；結(jié)果顯示，破口尺寸的大小對(duì)SBLOCA事故進(jìn)程和后果有較大的影響，破口較小時(shí)，依靠投入高壓安注系統(tǒng)(HPSI)等緩解措施，能夠保證反應(yīng)堆的安全；破口較大時(shí)，由于一回路壓力較高，低壓安注系統(tǒng)(LPSI)無(wú)法投入，導(dǎo)致高壓熔堆；鑒于不同尺寸破口SBLOCA進(jìn)程存在較大差異，在對(duì)于壓水堆小破口失水事故分析研究時(shí)，進(jìn)行破口尺寸敏感性分析是十分必要的。

關(guān)鍵詞：船用核動(dòng)力裝置；小破口失水事故；破口尺寸；敏感性分析

收稿日期：2014-06-26

作者簡(jiǎn)介：邢晉(1991—)，男，碩士研究生，主要從事艦船核安全分析及維修工程研究。

doi:10.11809/scbgxb2015.03.017

中圖分類號(hào)：TL364;TJ83

文章編號(hào)：1006-0707(2015)03-0064-04

本文引用格式：邢晉，趙新文，陳玉清,等.船用核動(dòng)力裝置SBLOCA破口尺寸敏感性分析[J].四川兵工學(xué)報(bào)，2015(3):64-66.

Citation format:XING Jin, ZHAO Xin-wen, CHEN Yu-qing, et al.Sensitivity Analysis of Break Size of SBLOCA for MNPP[J].Journal of Sichuan Ordnance,2015(3):64-66.

Sensitivity Analysis of Break Size of SBLOCA for MNPP

XING Jin, ZHAO Xin-wen, CHEN Yu-qing, YANG Lei

(Department of Nuclear Science and Engineering, Naval University of Engineering, PLA, Wuhan 430033, China)

Abstract:The progress of small break loss of coolant accident (SBLOCA) in marine nuclear power plant (MNPP) was studied based on the best estimate computer code of SCDAP/RELAP5, and the effect of break size on the accident was analyzed. The results show that break size has great influence on the progress and consequence of SBLOCA. The reactor safety can be ensured in the lesser break size accident if taking some effective measures, such as high pressure safety injection system (HPSI) coming into service. However, because of a high pressure in the primary coolant circuit which leads to the low pressure safety injection system (LPSI) out of work, SBLOCA with larger size break could lead to high-pressure core melt accident. Since the progresses of SBLOCA with different break sizes have large differences, the sensitivity analysis of the break size is necessary when researching the SBLOCA in PWR.

Key words: marine nuclear power plant; SBLOCA; break size; sensitivity analysis

冷卻劑喪失事故(LOCA)是船用核動(dòng)力裝置最嚴(yán)重的事故之一[1]，研究表明：在各類內(nèi)部始發(fā)事件對(duì)堆芯嚴(yán)重?fù)p壞頻率中，LOCA貢獻(xiàn)值相對(duì)較大[2-4]。相比大破口失水事故，在反應(yīng)堆運(yùn)行中，小破口失水事故(SBLOCA)發(fā)生的概率較高，同時(shí)SBLOCA發(fā)生時(shí)，由于破口流量小，反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)壓力下降比較慢，低壓安注短期內(nèi)無(wú)法投入，可能導(dǎo)致堆芯在高壓狀態(tài)下發(fā)生熔化，更嚴(yán)重地造成高壓熔噴和直接安全殼加熱[5-7]。

本文以典型船用核動(dòng)力裝置為研究對(duì)象，采用嚴(yán)重事故分析程序SCDAP/RELAP5，建立嚴(yán)重事故分析模型，研究SBLOCA初始事件引發(fā)的嚴(yán)重事故，重點(diǎn)關(guān)注破口尺寸對(duì)SBLOCA進(jìn)程的影響，為船用堆破口失水事故下的應(yīng)對(duì)措施提供參考依據(jù)和建議。

1研究對(duì)象及其模型

本文研究的船用核動(dòng)力裝置是典型雙環(huán)路壓水堆，每個(gè)冷卻劑環(huán)路上設(shè)有一臺(tái)立式倒U型管自然循環(huán)蒸汽發(fā)生器和一臺(tái)主冷卻劑泵，在其中一條環(huán)路熱段上安裝有一臺(tái)穩(wěn)壓器。整個(gè)裝置設(shè)計(jì)有壓力安全系統(tǒng)、輔助水系統(tǒng)等核輔助系統(tǒng)以及停堆冷卻系統(tǒng)、安全注射系統(tǒng)等專設(shè)安全設(shè)施。利用SCDAP/RELAP5程序建立典型船用核動(dòng)力裝置的分析模型。一回路主要由反應(yīng)堆壓力容器、蒸汽發(fā)生器、穩(wěn)壓器、主泵以及相關(guān)連接管道組成。其中反應(yīng)堆芯控制體劃分：堆芯徑向分為3個(gè)區(qū)，每個(gè)區(qū)對(duì)應(yīng)一個(gè)冷卻劑通道，外加一個(gè)冷卻劑旁流通道，每個(gè)通道沿軸向劃分為7個(gè)控制體，共28個(gè)控制體。模型同時(shí)包括相應(yīng)的核輔助系統(tǒng)和專設(shè)安全設(shè)施以及二回路相關(guān)設(shè)備(圖1)。

圖1　一回路系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)圖

2計(jì)算及分析

本文分析典型船用反應(yīng)堆額定功率運(yùn)行時(shí)，在裝有穩(wěn)壓器的環(huán)路冷段發(fā)生破口，破口當(dāng)量直徑選取主管道內(nèi)徑尺寸(primary coolant piping innerdiametet,PCPID)的3%～10%，共13個(gè)破口事故。在分析時(shí)并作如下假設(shè)：破口不可隔離；反應(yīng)堆正常緊急停堆；可靠電源投入，系統(tǒng)供電正常；主汽輪機(jī)脫扣，蒸汽發(fā)生器輔助給水投入，二回路輔機(jī)繼續(xù)耗氣，帶走堆芯熱量；高、低壓正常投入。

SBLOCA事故在0.0 s時(shí)發(fā)生，事故初期進(jìn)程與一般壓水堆SBLOCA事故相似，一回路壓力邊界破壞，冷卻劑通過(guò)破口向外噴放，穩(wěn)壓器壓力和水位開(kāi)始下降，如圖2和圖3所示。當(dāng)穩(wěn)壓器水位降至低水位報(bào)警值時(shí)，高壓安注系統(tǒng)自動(dòng)投入，向一回路注水，由于事故初期破口流量大于高壓安注流量(圖4)，一回路冷卻劑繼續(xù)流失；當(dāng)壓力下降至反應(yīng)堆低壓停堆閾值時(shí)，控制棒下插，反應(yīng)堆停堆；由于冷卻劑不斷地流失，堆芯出現(xiàn)裸露；此時(shí)，破口流失的冷卻劑以及蒸汽發(fā)生器二次側(cè)產(chǎn)生蒸汽帶走堆芯熱量，有效地緩解了堆芯溫度的上升；隨著一回路壓力持續(xù)降低，冷卻劑過(guò)冷度逐漸減小，主泵和二回路輔機(jī)耗氣相繼關(guān)閉，此時(shí)，堆芯衰變熱只能依靠破口流出的冷卻劑帶出，由于排熱效率低，不足以及時(shí)除去堆芯衰變熱，因而堆芯冷卻劑大量蒸發(fā)，蒸汽在上腔室的集聚迫使壓力容器水位快速降低，進(jìn)而引起堆芯裸露及溫度快速上升。

在事故中后期，不同破口尺寸事故進(jìn)程有很大的區(qū)別。

1) 對(duì)于3%、3.5%PCPID的破口，在主泵和二回路輔機(jī)耗氣關(guān)閉后，堆芯傳熱惡化，致使堆芯冷卻劑有一個(gè)明顯的升溫升壓的過(guò)程，由于破口流量較小，堆芯水位維持一定的高度，上部裸露的燃料元件依靠堆芯產(chǎn)生的蒸汽能夠得到有效地冷卻，在事故發(fā)生后15 000 s內(nèi)燃料包殼溫度維持在900 K以下(圖5)，沒(méi)有發(fā)生劇烈的鋯水反應(yīng)，燃料元件沒(méi)有發(fā)生破損；事故后期破口流量與高壓安注流量達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，一回路壓力緩慢下降，但仍高于低壓安注投入壓力。

2) 對(duì)于4%～7%PCPID的破口，在主泵和二回路輔機(jī)耗氣關(guān)閉后，由于堆芯的傳熱惡化，堆芯冷卻劑壓力和溫度也會(huì)出現(xiàn)上升，但是上升的幅度隨著破口尺寸的增大而減小；隨著事故的發(fā)展，堆芯溫度和壓力呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，降溫降壓速率與破口尺寸呈正相關(guān)；但是由于冷卻劑的大量流失，堆芯水位迅速下降，對(duì)于4.5%和5.5%PCPID的破口出現(xiàn)了堆芯完全裸露的情況，堆芯上部裸露的燃料元件得不到有效的冷卻，溫度上升，當(dāng)包殼溫度達(dá)到1 300 K后，蒸汽和鋯合金發(fā)生劇烈的氧化反應(yīng)，燃料元件溫度迅速上升，達(dá)到2 800 K 以上，燃料元件發(fā)生熔化，而且開(kāi)始熔化的時(shí)間與破口尺寸呈反相關(guān)；發(fā)生熔堆時(shí)，一回路壓力介于4～6 MPa之間，高于低壓安注投入壓力閾值，事故發(fā)展為高壓熔堆嚴(yán)重事故；在事故后期，一回路壓力降至低壓安注投入閾值，但是由于注入堆芯的水瞬間汽化以及堆芯熔融物落入下腔室造成壓力超過(guò)低壓安注投入閾值，致使低壓安注不能持續(xù)的向堆芯注水；對(duì)于4%～5%PCPID的破口，事故后期，一回路壓力高于4 MPa，6%～7%PCPID的破口，事故后期壓力維持在低壓安注投入閾值壓力左右。

3) 對(duì)于7.5%～10%PCPID的破口，事故發(fā)生初期，一回路冷卻劑溫度和壓力迅速下降，在主泵和二回路輔機(jī)耗氣關(guān)閉后，堆芯傳熱惡化，堆芯水位迅速下降，裸露的堆芯包殼溫度在不到1 000 s的時(shí)間內(nèi)升到2 800 K，堆芯發(fā)生熔化。在堆芯開(kāi)始熔化時(shí)，一回路的壓力已經(jīng)降到低壓安注投入閾值以下，觸發(fā)低壓安注投入，但是未能阻止熔堆事故的發(fā)生，只能對(duì)事故后果起到一定的緩解的作用。

在4%～10%PCPID的SBLOCA事故中，堆芯燃料元件均發(fā)生不同程度的熔化，熔化程度呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，6%PCPID破口造成的堆芯損壞情況最為嚴(yán)重(圖6)，這是由于，隨著破口尺寸的增加，一回路冷卻劑流失量越多，堆芯裸露的程度越嚴(yán)重，燃料元件熔化份額增加；但是，破口尺寸越大，一回路壓力下降速率越快，更早地觸發(fā)低壓安注投入(圖7)，堆芯水位得到恢復(fù)，有效地緩解了堆芯熔化程度。

在發(fā)生熔堆的破口中，隨著事故的發(fā)展，堆芯結(jié)構(gòu)被破壞，部分堆芯熔融物落入壓力容器下腔室，形成一定高度的碎片床，但是由于高壓安注持續(xù)的向堆芯注水以及后期低壓安注的投入，對(duì)碎片床進(jìn)行了冷卻，下封頭未被熔穿，保證壓力容器的完整性，避免了高壓熔噴。

圖2　穩(wěn)壓器壓力

圖3　堆芯水位

圖4　破口流量

圖5　包殼溫度峰值

圖6　堆芯燃料元件熔化份額

圖7　堆芯開(kāi)始熔化及低壓安注投入時(shí)間

3結(jié)論

通過(guò)對(duì)船用核動(dòng)力裝置破口大小為3%～10%主管道內(nèi)徑的失水事故進(jìn)行建模分析，可以得出以下結(jié)論：

1) 在SBLOCA事故中，破口尺寸對(duì)事故進(jìn)程和后果影響很大。對(duì)于破口尺寸較小的事故，在高壓安注正常投入的情況下，能夠維持一定的堆芯水位，只依靠破口流失的冷卻劑能夠帶走堆芯余熱，避免堆芯熔化嚴(yán)重事故的發(fā)生；隨著破口尺寸的增大，堆芯冷卻劑流失過(guò)快，單純依靠高壓安注不能維持一回路冷卻劑的裝量，導(dǎo)致堆芯熔化嚴(yán)重事故。

2) 對(duì)于某些破口尺寸失水事故，事故發(fā)生后一回路壓力下降速率較慢，致使低壓安注不能及時(shí)投入，只依靠高壓安注，不能阻止堆芯冷卻劑裝量的減少，造成高壓熔堆嚴(yán)重事故。

3) 在事故初期，采用二回路輔機(jī)繼續(xù)耗氣的方式，能更快地降低一回路的壓力，但是輔機(jī)耗氣受到蒸汽發(fā)生器二次側(cè)壓力的限制，不能持續(xù)地投入，只依靠破口流量不能有效地降低一回路壓力，需要在事故緩解措施中考慮其他泄壓方式，如一回路直接泄壓[8]。

4) 鑒于不同破口尺寸SBLOCA進(jìn)程存在較大差異，在分析研究壓水堆小破口失水事故時(shí)，需要對(duì)破口大小進(jìn)行敏感性分析，確定對(duì)事故進(jìn)程影響較大的臨界破口尺寸，從而更好地選取典型的破口尺寸研究事故現(xiàn)象。

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(責(zé)任編輯楊繼森)