先進非能動壓水堆防火噴淋對嚴重事故的緩解作用研究

李亞冰，佟立麗，曹學武

(上海交通大學機械與動力工程學院，上海200240)

先進非能動壓水堆防火噴淋對嚴重事故的緩解作用研究

李亞冰，佟立麗，曹學武

(上海交通大學機械與動力工程學院，上海200240)

依據(jù)先進非能動壓水堆的嚴重事故管理導則(SAMG)，消防系統(tǒng)中的防火噴淋系統(tǒng)，盡管屬于非安全相關(guān)的系統(tǒng)，仍可以作為嚴重事故緩解策略，在以下三個方面起到嚴重事故緩解的作用：減少放射性氣溶膠的質(zhì)量；安全殼降溫降壓；安全殼注水。因此本文利用一體化嚴重事故分析程序，選取典型事故序列，評估防火噴淋系統(tǒng)在嚴重事故中的三種緩解作用的有效性為防火噴淋在嚴重事故管理導則中的應用提供技術(shù)支持。分析結(jié)果表明，防火噴淋系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)堆腔淹沒，在一定時間內(nèi)進行安全殼降壓，以及減少安全殼中放射性氣溶膠的含量的作用，但由于系統(tǒng)限制，防火噴淋進行堆腔淹沒的流量不能滿足安全限值，并且只能推遲而不能夠避免安全殼的失效。防火噴淋系統(tǒng)對嚴重事故的緩解作用雖然是有限的，但可為其他相關(guān)系統(tǒng)或設(shè)備的修復提供一定時間。

防火噴淋， 嚴重事故緩解， 嚴重事故管理導則， 非能動先進壓水堆

核電廠建立嚴重事故管理導則是為了應對嚴重事故，緩解嚴重事故的后果，避免放射性產(chǎn)物的大量釋放。近年來針對非能動先進壓水堆的嚴重事故緩解，有著許多不同方面的研究[1,2]。盡管非能動是其改進的主要特點之一，根據(jù)嚴重事故管理導則(SAMG)，非安全相關(guān)的能動系統(tǒng)也可以用于非能動先進壓水堆的嚴重事故緩解。比如在極限工況下，可以利用安全殼空氣過濾系統(tǒng)，對安全殼進行排放卸壓[3]；正常余熱排出系統(tǒng)(RNS)在嚴重事故工況下可以用于實現(xiàn)一回路注水策略[4]。除此之外，安全殼中的防火噴淋可以在嚴重事故工況下實現(xiàn)非安全級的安全殼噴淋功能。

安全殼噴淋系統(tǒng)在EPR[5]、APR1400[6]等反應堆中均作為一項安全系統(tǒng)，用于在事故工況下提供安全殼冷卻。先進非能動壓水堆取消了安全級的安全殼冷卻系統(tǒng)，而采用非能動安全殼冷卻系統(tǒng)，利用重力注水形成水膜冷卻鋼式安全殼。而防火噴淋系統(tǒng)作為消防系統(tǒng)的在安全殼內(nèi)的延伸部分，屬于非安全相關(guān)的能動系統(tǒng)，可以在事故工況下實現(xiàn)安全殼噴淋的功能。防火噴淋集管設(shè)置在安全殼的上部隔間，其噴淋可覆蓋安全殼84%的自由體積[4]。根據(jù)SAMG，在嚴重事故中，開啟防火噴淋可以起到降低安全殼的溫度與壓力，減少安全殼中放射性產(chǎn)物的作用，并且噴淋水在安全殼中積累，可以安全殼注水策略提供水源[7]。然而，關(guān)于其緩解嚴重事故的能力，并沒有足夠的數(shù)據(jù)支持[8]。

本文針對先進非能動壓水堆，分析防火噴淋對嚴重事故的緩解作用開展研究，改進一體化事故分析程序模型，建立防火噴淋的分析模型，選取典型嚴重事故序列，分別對防火噴淋在嚴重事故工況下的安全殼注水策略、安全殼降壓策略以及減少放射性產(chǎn)物策略進行分析，并進一步探討了防火噴淋的開啟條件等影響因素，評估防火噴淋的作用，并為防火噴淋在SAMG中的應用提供建議與參考。

1 分析方法與電廠模型

1.1 電廠模型

本文采用一體化嚴重事故分析程序，在先進非能動電廠模型[1]的基礎(chǔ)上建立防火噴淋系統(tǒng)的模型。防火噴淋系統(tǒng)有上下兩個環(huán)形集管，從第二消防水池取水，此外，安全殼冷卻輔助儲水箱可以為防火系統(tǒng)供水。系統(tǒng)設(shè)有兩臺100%容量的消防泵，主導泵是電動機驅(qū)動，輔泵為柴油機驅(qū)動，具體參數(shù)見表1[4]，系統(tǒng)示意圖見圖1。系統(tǒng)集管提供0.276MPa的噴淋管嘴壓差，這個壓差確定了液滴尺寸分布。保守假設(shè)在這個壓差下的平均液滴尺寸為1000μm。防火系統(tǒng)集管在安全殼背壓為0.138MPa(g)時為每個噴淋管嘴提供3.45m3/h的設(shè)計流量，從而整個噴淋流量約為234.85m3/h。

圖1 防火噴淋系統(tǒng)示意圖Fig.1 Diagram of fire spray system

參數(shù)數(shù)值第二消防水池容積/m31135.62噴淋頭個數(shù)下部環(huán)形集管(148.77m)68個噴淋頭個數(shù)上部環(huán)形集管(153.34m)24個噴淋頭額定流量/(m3/h)3.45(單個噴淋頭)/234.85(總流量)噴淋頭額定壓力設(shè)計值/MPa0.276

防火噴淋管線上，在安全殼外部設(shè)有兩個手動的安全殼隔離閥，內(nèi)部設(shè)置一個止回閥，一個常開的手動安全殼隔離閥，在隔離閥的下游設(shè)置一個遠距離操作閥。在啟動防火噴淋時，首先需要手動打開安全殼外部的安全殼隔離閥，并在主控室或者遠距離停堆工作站操作打開遠距離操作閥，從而啟動防火噴淋。消防系統(tǒng)設(shè)有一臺電動泵與一臺柴油泵，以及獨立的柴油儲存箱，可以提供8h的電源。防火噴淋集管為抗震二類，并且消防系統(tǒng)的安全設(shè)計準則中要求，消防系統(tǒng)在廠區(qū)出現(xiàn)事故或最惡劣的自然條件下仍能夠發(fā)揮安全殼噴淋的作用。這些條件保證了防火噴淋系統(tǒng)在嚴重事故中的可用性。

1.2 噴淋俘獲效率模型

噴淋對氣溶膠的作用機理主要是擴散電泳和噴淋。擴散電泳又稱為蒸汽冷凝過程，指的是在氣體濃度梯度下氣溶膠微粒的移動，即微粒沿著由蒸汽在壁面凝結(jié)所產(chǎn)生的濃度梯度而移動。噴淋指的是在噴淋液滴下落的過程中吸附氣溶膠顆粒，使其隨液滴沉降。噴淋液滴從安全殼大氣中去除的氣溶膠活性效率可被簡單描述如下：

(1)

式中：m——在“t”時刻氣溶膠的質(zhì)量，kg；

λ——噴淋的氣溶膠去除系數(shù)，h-1；

t——時間, h。

本文中采用的氣溶膠去除效率由λ公式2確定：

(2)

式中：λ——氣溶膠去除效率；

FEFFDR——噴淋俘獲效率；

Ws——噴淋體積流速；

V——控制體體積，m3。

FEFFDR為CSE安全殼噴淋實驗中測得的單個液滴吸附效率[6]，俘獲效率分布在0.01～0.05之間，在2小節(jié)的分析中取值為0.02，并在后文中對這一取值進行了敏感性分析。

2 防火噴淋對嚴重事故緩解分析

根據(jù)SAMG，防火噴淋在嚴重事故緩解中，可以在以下策略的實施中起到緩解作用：安全殼注水策略；安全殼降壓策略；減少放射性產(chǎn)物策略。本文針對這三種策略分別選取了相應的典型事故序列，分析防火噴淋對嚴重事故的緩解作用。事故序列的假設(shè)見表2。選取一列第4級ADS閥門誤開啟始發(fā)初始事件疊加堆腔注水管線失效，分析防火噴淋對于安全殼注水策略的作用。一列第4級ADS誤開啟事故序列破口位置高，由于ADS閥門較高，這類事故不會發(fā)生堆腔的冷卻水倒灌進入堆芯，因此壓力容器外部的冷卻尤為重要。選取壓力容器筒體(DCLOCA)發(fā)生1m2破口始發(fā)事件疊加非能動安全殼冷卻系統(tǒng)(PCCS)失效事故序列分析防火噴淋對安全殼降壓的作用，這條事故序列破口面積大，安全殼溫度與壓力升高迅速，威脅安全殼的完整性。大破口事故一回路中的放射性向安全殼中釋放迅速，因此選擇冷段雙端剪切斷裂始發(fā)嚴重事故，分析噴淋對于放射性產(chǎn)物的水洗作用。

2.1 安全殼注水策略

事故假設(shè)堆腔淹沒管線失效，堆芯出口溫度達到923K后，核電廠進入SAMG，考慮20min延遲作為操作員反應時間開啟防火噴淋，以實現(xiàn)安全殼注水策略。圖2給出了防火噴淋的流量曲線，噴淋開啟后，堆腔水位逐漸上升，可達到98英尺，見圖2，對壓力容器進行長期冷卻。

表2 事故序列假設(shè)表

圖2 防火噴淋流量曲線Fig.2 Flow rate of fire spray system

在AP1000 PRA報告第39章[10]中指出，堆腔淹沒成功的準則是：堆腔注水啟動后70min內(nèi)堆腔水位達到98ft，即熱管段出口位置的安全殼標高。但是由于防火噴淋水流量有限，在該序列計算中，從噴淋開啟到堆腔水位達到98ft需要4.25h，不能滿足這一標準。因此，防火噴淋系統(tǒng)僅可作為堆腔注水系統(tǒng)無法使用情況下的后備系統(tǒng)，對安全殼注水策略緩解作用的緩解能力有限。

圖3 安全殼隔間水位Fig.3 Water level in the containment

2.2 安全殼降壓策略

噴淋開啟條件為安全殼嚴重威脅挑戰(zhàn)中安全殼卸壓限值：0.662MPa(g)(0.765MPa(a))[3]。本文選取5%安全殼失效概率對應的壓力0.833MPa(106psig)作為分析計算中的安全殼失效壓力。壓力容器筒體發(fā)生大破口，大量的高溫高壓的蒸汽進入安全殼，由于PCCS失效，安全殼溫度與壓力迅速升高，在噴淋未開啟的工況中，安全殼于27.5h失效。在24.5h，安全殼壓力達到0.765MPa(a)，手動開啟防火噴淋系統(tǒng)，這期間安全殼壓力與壓力均有所下降(見圖4與圖5)，由于防火噴淋系統(tǒng)沒有換熱器，沒有再循環(huán)系統(tǒng)，40.8h消防水箱排空后，安全殼溫度與壓力又開始回升，并于49.0h安全殼超壓失效。由計算得到，防火噴淋的投入，使安全殼失效推遲了21.5h。因此，防火噴淋系統(tǒng)可以在PCCS失效時用于短期控制安全殼溫度與壓力，延長安全殼失效的時間，延緩嚴重事故的進程。

圖4 安全殼溫度Fig.4 Temperature of containment atmosphere in DCLOCA

圖5 安全殼壓力Fig.5 Containment pressure in DCLOCA

2.3 減少放射性產(chǎn)物策略

防火噴淋開啟條件為堆芯出口溫度達到923K。大LOCA事故發(fā)展迅速，主系統(tǒng)中沉積的揮發(fā)性裂變產(chǎn)物(CsI組)少，堆芯損壞后，CsI組放射性產(chǎn)物大量向安全殼釋放，在未開啟噴淋的工況中，CsI組的質(zhì)量峰值達到10.27kg。噴淋開啟后，從主系統(tǒng)釋放到安全殼的CsI組氣溶膠被噴淋水俘獲，沉積下來，因此CsI組的質(zhì)量峰值只有5.86kg，見圖6。而對于非揮發(fā)性放射性產(chǎn)物(SrO組)，噴淋未開啟時，質(zhì)量峰值為1.42kg，噴淋開啟工況下SrO組的質(zhì)量峰值為1.27kg，見圖7。并且，圖6與圖7中，防火噴淋的開啟，使安全殼中放射性氣溶膠的質(zhì)量降低了2～3個量級，而先進非能動壓水堆地坑中的pH控制能夠有效減少氣溶膠的再揮發(fā)。因此，防火噴淋的開啟可以有效降低安全殼內(nèi)的放射性含量，降低放射性釋放的風險。

圖6 CsI組氣溶膠質(zhì)量Fig.6 Mass of aerosol of group CsI in the containment

圖7 SrO組氣溶膠質(zhì)量Fig.7 Mass of aerosol of group SrO in the containment

3 影響因素討論

3.1 噴淋開啟壓力條件

本小節(jié)針對安全殼降壓策略，分析不同壓力條件開啟對安全殼降壓作用的影響。事故序列假設(shè)見表2，分別計算了在安全殼壓力達到0.407MPa、0.25MPa時，開啟防火噴淋，對安全殼降壓作用的影響。安全殼溫度與壓力對比圖見圖8與圖9。計算結(jié)果表明，隨著噴淋開啟時安全殼壓力的升高，安全殼壓力失效的時間分別延后了11.9h，14.4h，21.5h。這一方面由于，噴淋開啟時安全殼的壓力會影響噴淋的流量，安全殼壓力越高，噴淋流量越小，可以更長時間控制壓力的上升，另一方面，由于早期堆芯衰變熱高，同時安全殼溫度壓力上升幅度大，安全殼溫度與噴淋水的溫差較小。因此，在安全范圍內(nèi)，防火噴淋開啟的安全殼壓力值越高，對安全殼失效的時間延長越長。

圖8 噴淋開啟條件-安全殼溫度Fig.8 Temperature of containment atmosphere under different operating conditions

圖9 噴淋開啟條件-安全殼壓力Fig.9 Containment pressure under different operating conditions

3.2 噴淋脈沖式開啟方式

本小節(jié)以0.728MPa為噴淋開啟條件，分別計算了噴淋開啟0.5h，1h，2h后關(guān)閉，當安全殼壓力回升到開啟條件時，再次開啟噴淋的開啟方式對安全殼壓力的控制效果，事故假設(shè)與2.2小節(jié)相同。噴淋單次開啟時安全殼壓力持續(xù)下降，而噴淋脈沖式開啟安全殼壓力在噴淋開啟整定值附近震蕩。無脈沖工況中，安全殼失效時間為47.8h，脈沖開啟0.5h、1h、2h分別對應的安全殼失效時間為49.4h，49.1h與48.9h。因此，噴淋的脈沖式開啟可以延長安全殼的失效時間，但在實際操作中應綜合考慮方案可執(zhí)行性與閥門的可靠性，最終確定脈沖開啟的時間。

3.3 俘獲效率討論

根據(jù)實驗結(jié)果，噴淋俘獲效率在0.01～0.05之間，因此本小節(jié)分別計算了俘獲效率為0.01與0.05，分析俘獲效率對計算結(jié)果的影響，事故假設(shè)與2.3小節(jié)相同，計算結(jié)果如圖11與12所示。在公式(2)中，氣溶膠去除系數(shù)與噴淋俘獲效率成正比，因此FEFFR=0.01與FEFFDR=0.05這兩條曲線組成了由于噴淋俘獲效率的影響引起的計算誤差的誤差帶。同時也說明，高的噴淋俘獲效率有利于放射性氣溶膠的去除。在M310反應堆的安全殼噴淋系統(tǒng)中設(shè)置有化學添加箱，用以在安全殼噴淋中加入NaOH以提高噴淋液滴對氣溶膠的水洗作用。因此可以在防火噴淋系統(tǒng)中增加化學添加箱，從而有利于嚴重事故下防火噴淋對氣溶膠的水洗作用。

Fig.10 Containment pressure in pulsing operation (a) 噴淋脈沖式開啟-安全殼壓力對比圖; (b) 噴淋脈沖式開啟-安全殼壓力局部圖

圖12 俘獲效率對SrO組氣溶膠質(zhì)量的影響Fig.12 Mass of aerosol of group SrO-FEFFDR

4 結(jié)論

本文通過對非能動壓水堆的非安全級防火噴淋系統(tǒng)的進行建模，選取事故序列進行分析計算，分析了其在嚴重事故下能夠起到的緩解作用，得到以下結(jié)論：(1) 防火噴淋在安全殼注水，安全殼降壓以及減少放射性裂變產(chǎn)物的幾個策略中能夠起到緩解作用；(2) 對于安全殼注水策略，安全殼噴淋使堆腔水位達到98ft的時間大于70min，因此緩解作用能力有限；(3) 防火噴淋只能短期內(nèi)控制安全殼狀態(tài)，不能避免安全殼失效。本文的分析，可以為嚴重事故管理做理論支持，但具體操作規(guī)程還需要考慮系統(tǒng)的可用性與可操作性的進一步詳細分析。

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Mitigation on Severe Accidents with Fire Spray System in Advanced Passive PWR

LI Ya-bing，TONG Li-li，CAO Xue-wu

(School of Mechanical Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai, 200240, China)

The fire spray system (FSS) of the Advanced Passive PWR as a part of the fire protection system can provide a non-safety related containment spraying function for severe accident mitigation which is included in the Severe Accident Management Guidelines (SAMG) of the Advanced Passive PWR. The effectiveness of the FSS is investigated on three effects for severe accident mitigation which are injecting into the containment, controlling the containment condition, and washing out fission product through three representative severe accident scenarios analysis with integral accident analysis code. Results show that the FSS can be effective for injecting into the containment, controlling the containment condition for a short term, and washing out fission product. However the FSS has its limitation: the flow rate of FSS cannot reach the safety criterion for cavity flooding, and containment failure can only be postponed but not avoided. Despite its limitation, the FSS can be effective as an alternative severe accident mitigation measurement for postponing the process of accidents for safety system recovery.Key words: Fire Spray System; Severe Accident Mitigation; Severe Accident Management Guideline; Advanced PWR

2015-12-29

國家自然科學基金資助項目(11205099)

李亞冰(1990—)，女，河南平頂山人，博士研究生，現(xiàn)從事核能科學與工程專業(yè)方面研究

曹學武:caoxuewu@sjtu.edu.cn

TL364.4

A

0258-0918(2016)06-0836-07