全廠斷電疊加破口事故分析研究

陳宏坤 袁顯寶 毛璋亮 劉芙蓉 周建軍 杜曉超

摘 要：本文以典型壓水堆核電機(jī)組為研究對象，采用MAAP程序?qū)θ珡S斷電（SBO）疊加不同尺寸破口（LOCA）的冷卻劑喪失事件導(dǎo)致的嚴(yán)重事故工況進(jìn)行分析，對安全殼超壓失效及氫氣風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了研究。通過研究發(fā)現(xiàn)在SBO疊加不同大小破口導(dǎo)致的嚴(yán)重事故進(jìn)程中，在下封頭失效前，安全殼均能保持其完整性。本文研究可為核事故應(yīng)急管理提供了參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：壓水堆;嚴(yán)重事故;全廠斷電;冷卻劑喪失事故;氫氣風(fēng)險(xiǎn)

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.04.163

0 引言

安全殼是壓水堆核電機(jī)組阻止裂變產(chǎn)物向環(huán)境釋放的最后一道安全屏障，壓水堆核電廠在嚴(yán)重事故下，產(chǎn)生的大量蒸汽及氫氣進(jìn)入安全殼，可對安全殼的完整性構(gòu)成威脅，并導(dǎo)致安全殼發(fā)生早期失效或晚期失效，從而使放射性裂變產(chǎn)物釋放到大氣環(huán)境，對周圍環(huán)境和公眾造成嚴(yán)重威脅。因此，對嚴(yán)重事故階段安全殼的安全性進(jìn)行分析尤為重要。

以往學(xué)者[2]對壓水堆核電機(jī)組事故后果較為嚴(yán)重的冷管段小破口事故進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)：由于破口很小，一回路壓力下降緩慢，在壓力容器失效時一回路壓力仍然很高，形成高壓熔堆。安全殼內(nèi)壓力的突升發(fā)生在壓力容器破裂的時候。袁凱[3]研究了核電廠全廠斷電事故下安全殼發(fā)生超壓失效，在壓力容器破損后恢復(fù)電源將使得安全殼內(nèi)蒸汽濃度大幅減小，從而增加氫氣濃度，增加了氫氣風(fēng)險(xiǎn)。許芝蘭[4]通過選取熱管段中破口疊加設(shè)備冷卻水失效和再循環(huán)高壓安注失效，與冷管段大破口疊加再循環(huán)失效，通過對兩種事故工況的分析，證實(shí)了再循環(huán)高壓安注、安全殼噴淋這兩種緩解措施對保證安全殼完整性的重要作用。然而，當(dāng)前對嚴(yán)重事故條件下是否需要關(guān)注安全殼內(nèi)壓力和氫氣風(fēng)險(xiǎn)的研究還不充分。因此，本文擬基于國際認(rèn)可的嚴(yán)重事故程序MAAP，建立典型壓水堆核電機(jī)組嚴(yán)重事故模型，對SBO疊加不同大小破口事故工況下安全殼內(nèi)超壓失效及氫氣風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行研究[1]。

1 嚴(yán)重事故模型構(gòu)建

MAAP4程序是由EPRI開發(fā)的一體化嚴(yán)重事故分析程序，是專門用于核電廠嚴(yán)重事故分析計(jì)算的一體化、模塊化的程序，可用于研究嚴(yán)重事故的序列分析和評估。

1.1 模型的節(jié)點(diǎn)劃分

本文以我國典型的M310壓水堆機(jī)組為參考對象，基于MAAP程序構(gòu)建其嚴(yán)重事故電站模型。

一回路模擬為兩個環(huán)路：一個破損環(huán)路，另外兩個環(huán)路集總為一個完好環(huán)路。嚴(yán)重事故的建模范圍包括了壓力容器、蒸汽發(fā)生器、主泵、穩(wěn)壓器、卸壓箱、冷卻劑主管道等一回路系統(tǒng)，二回路系統(tǒng)采用簡化模擬。整個一回路共劃分為14個控制體。圖1-1給出了一回路控制體劃分示意圖。

安全殼劃分為5個部分，如圖1-1所示，分別是堆腔、下部隔間、上部隔間、環(huán)廊和外部大氣環(huán)境，此外高低壓安注、安注箱、安全殼噴淋系統(tǒng)、輔助給水系統(tǒng)以及安全殼地坑和換料水箱也包括在模型中。安全殼的設(shè)計(jì)壓力為0.52MPa。

1.2 模型的穩(wěn)態(tài)驗(yàn)證

模型建立后通過參考機(jī)組設(shè)計(jì)參數(shù)對模型的可靠性進(jìn)行對比驗(yàn)證，穩(wěn)態(tài)參數(shù)對比結(jié)果如表2-1所示。通過表2-1可以發(fā)現(xiàn)本文嚴(yán)重事故模型在穩(wěn)態(tài)條件下的計(jì)算結(jié)果和參考機(jī)組設(shè)計(jì)參數(shù)符合較好，能夠進(jìn)行嚴(yán)重事故的分析研究工作。

2 事故假設(shè)條件

假設(shè)事故前機(jī)組處于滿功率運(yùn)行工況在0s時刻發(fā)生SBO事故，同時冷段發(fā)生LOCA事故。破口的面積分別為0.00049 m2、0.0123 m2、0.3832 m2。SBO事故發(fā)生后反應(yīng)堆立即停堆、主泵惰轉(zhuǎn)、汽輪機(jī)隔離，同時高低壓安注失效、非能動安注箱有效、輔助給水失效。

3 計(jì)算結(jié)果分析

本文對不同工況下主要事故序列進(jìn)行了計(jì)算，具體如表2-2所示。可以看出，在其他條件相同時，隨著破口面積的增大，嚴(yán)重事故發(fā)展的進(jìn)程也就越快，下封頭失效的時間也就越短。

3.1 破口流量隨時間的變化

圖2-1給出了0s發(fā)生SBO疊加冷段大破口（破口面積為0.3832m2）事故時破口流量隨時間的變化規(guī)律。

如圖2-1，當(dāng)冷管段發(fā)生大破口事故時，堆芯內(nèi)的冷卻劑迅速從冷段破口流出進(jìn)入安全殼空間，破口瞬間最大流動速度達(dá)到了2107kg/s，在破口發(fā)生13.9秒時堆芯開始裸露;隨著一回路壓力的下降，破口流速快速下降，在破口事故發(fā)生后164秒時破口流量下降并漸趨平緩。整個事故過程蓄壓安注對破口流量的影響并不明顯。

冷段破口面積為中破口（0.0123m2）和小破口（0.00049 m2）事故時破口流量隨時間的變化關(guān)系如圖2-2所示。和圖2-1相比，可以看出破口處的最大流量隨破口面積的減少而減小，破口面積為大破口（0.3832m2）中破口（0.0123m2）和小破口（0.00049 m2）時，破口處的最大流量分別達(dá)到了2000kg/s、600kg/s以及30kg/s。

圖2-3給出了冷段破口時堆芯液位隨時間的變化關(guān)系。有圖可見雙端剪切斷裂時堆芯液位迅速下降，在1288s左右堆芯液位下降至3.18 m。而隨著破口面積的減小，堆芯液位減小的速度也趨緩。與雙端剪切斷裂不同，在當(dāng)量直徑為25cm的破口時冷卻劑雖然通過破口向安全殼泄漏，但在破口發(fā)生388s后堆芯液位才開始下降，這是因?yàn)樵陂_始階段內(nèi)的冷卻劑雖然減少，但堆芯壓力也迅速降低，堆芯冷卻劑在衰變熱的作用下產(chǎn)生汽化導(dǎo)致液位并不會迅速下降。但隨著堆芯冷卻劑裝量的減少，從388s后堆芯液位開始下降，在573s時由于非能動安注箱開始向堆芯注水，所以堆芯水位又開始回升，但這一過程比較短暫安注箱失效后，堆芯液位逐漸降低直至為0對于小破口的情況，從圖2-3可以看出在前6000s內(nèi)堆芯液位并沒有下降，由于破口處的流量較小堆內(nèi)壓力變化緩慢，在小破口時，堆芯液位在8154s時產(chǎn)生一個很大的波動，這是因?yàn)樾顗喊沧⒃谥亓ψ饔孟伦詣幼⑺?，從圖2-3可以看出此時堆芯內(nèi)水的質(zhì)量變化趨勢相似。

堆內(nèi)水的質(zhì)量的變化如圖2-4所示?？梢钥闯?。破口發(fā)生后堆內(nèi)水的質(zhì)量逐漸減少，且破口越大堆內(nèi)水的質(zhì)量減小的越快。

3.2 安全殼內(nèi)壓力風(fēng)險(xiǎn)分析

發(fā)生全廠斷電疊加破口后，壓力容器下封頭由于熔融物的加熱發(fā)生蠕變而失效。如圖2-5所示，大中小破口均出現(xiàn)安全殼上部隔間壓力峰值，壓力并未超過安全殼設(shè)計(jì)壓力。

隨后安全殼壓力開始緩慢下降，壓力不再升高并有所下降，主要原因是從破口噴放的冷卻劑在安全殼熱構(gòu)件表面冷凝，隨后安全殼噴淋系統(tǒng)啟動開始噴出霧滴，安全殼上部隔間壓力以較快的速度開始下降。由于假設(shè)再循環(huán)噴淋失效，即當(dāng)換料水箱水位低于2.7m時，噴淋泵無法從地坑取水，而主系統(tǒng)不斷釋放出高溫水蒸氣，安全殼熱阱不足以冷卻主系統(tǒng)噴放出的水蒸氣。安全殼內(nèi)上腔室蒸汽摩爾份額如圖2-6所示。

安全殼內(nèi)的蒸汽濃度越來越高，最終達(dá)到59.9%，即使如此，啟動一組穩(wěn)壓器安全閥;采用氫氣復(fù)合器，即氫氣復(fù)合器在安全殼內(nèi)氫氣摩爾份額百分比達(dá)到2%時開始工作通過安全殼過濾排氣泄壓方法緩解該風(fēng)險(xiǎn)[6]。

3.3 全殼內(nèi)的氫氣風(fēng)險(xiǎn)分析

不同尺寸的破口安全殼內(nèi)氫氣濃度如圖2-7所示。

如圖所示，在全廠斷電疊加破口事故中，根據(jù)嚴(yán)重事故管理導(dǎo)則（SAMG），安全殼氫氣濃度超過設(shè)計(jì)值，氫氣在安全殼內(nèi)燃燒可能會導(dǎo)致安全殼直接失效并產(chǎn)生直接的裂變產(chǎn)物釋放的途徑，通常氫氣設(shè)定值為4%-6%，本文取6%。截止下封頭失效前，鋯水反應(yīng)生成氫氣，在雙端剪切斷裂與中破口當(dāng)量直徑25cm，均在安全殼氫氣安全濃度范圍內(nèi)。而小破口安全殼內(nèi)氫氣摩爾份額在8393s時發(fā)生劇烈上升狀態(tài)達(dá)到燃爆限值起點(diǎn)，最高燃爆限值達(dá)10.15%，此時安全殼發(fā)生氫氣風(fēng)險(xiǎn)失效?？刹扇〉木徑獯胧榉€(wěn)壓器安全閥泄壓功能延伸，此時需要操作員手動開啟。

4 結(jié)論

本文對相同位置不同尺寸的全廠斷電疊加破口引發(fā)嚴(yán)重事故過程中安全殼的氫氣濃度和壓力，從而研究其對安全殼完整性的影響。

（1）全廠斷電嚴(yán)重事故中，在無緩解措施下，破口流量隨破口尺寸的增大而增大，安全殼內(nèi)鋯水反應(yīng)生成的氫氣摩爾份額隨破口尺寸的減小而增大，由于小破口的氫氣摩爾份額過高，超過了氫氣燃爆限值，導(dǎo)致安全殼發(fā)生氫氣風(fēng)險(xiǎn)，采取開啟安全閥和氫氣復(fù)合器便可有效緩解氫氣風(fēng)險(xiǎn)，從而保持安全殼完整性。

（2）在下封頭失效前，雖然蒸汽摩爾份額越來越高，安全殼上腔室壓力始終保持在設(shè)定壓力值內(nèi)，因此在全廠斷電疊加破口嚴(yán)重事故中，無需考慮破口尺寸大小會對安全殼內(nèi)壓力造成威脅，只需關(guān)注其他參數(shù)諸如氫氣摩爾份額等。

參考文獻(xiàn)：

[1]朱繼洲.核反應(yīng)堆安全分析[M].西安：西安交通大學(xué)出版社，2000

：96-101.

[2]駱邦其，陳巧艷，唐文忠.嶺澳二期百萬千瓦級核電站全廠斷電嚴(yán)重事故初步分析[J].核工程研究與設(shè)計(jì)，2006（57）：1-5.

[3]王高鵬，劉長亮，葉忠昊.小破口引發(fā)的嚴(yán)重事故工況及事故緩解的研究.[J]. 核科學(xué)與工程，2011（31）：61-67.

[4]袁凱，黃高峰，曹學(xué)武.核電廠全廠斷電事故下安全殼響應(yīng)的計(jì)算分析[J].原子能科學(xué)技術(shù)，2010，44（09）：1085-1088.

[5]許芝春，張亞培，蘇光輝等.嚴(yán)重事故條件下安全殼響應(yīng)模擬研究[J].原子能科學(xué)技術(shù)，2018，52（04）：634-640.

[6]駱邦其，林繼銘.CPR1000核電站嚴(yán)重事故重要緩解措施與嚴(yán)重事故序列[J].核動力工程，2010，31（S1）：1-7.

[7]濮繼龍.壓水堆核電廠安全與事故對策[M].北京：原子能出版社，1995.

[8]駱邦其，林繼銘.小破口引發(fā)的嚴(yán)重事故工況及事故緩解的研究 [J].核動力工程，2010，31（S1）：1-7.

[9]陳耀東.嚴(yán)重事故緩解措施對全廠斷電（SBO）事故進(jìn)程影響分析[J].核科學(xué)與工程，2006，2（26）：134-141.

[10]畢金生，靖劍平，石興偉等.大破口觸發(fā)的嚴(yán)重事故分析及緩解措施研究[J].核科學(xué)與工程，2017，37（04）：597-603.

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金（11247021，11805112）;湖北省教育廳科學(xué)技術(shù)研究計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目（D20181206）;湖北省水電機(jī)械設(shè)備設(shè)計(jì)與維護(hù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金（2016KJX15、2017KJX04）項(xiàng)目。

作者簡介：陳宏坤（1991-），男，湖北咸寧人，碩士研究生，從事核電廠嚴(yán)重事故分析工作

*為通訊作者