CANDU6核電廠無過濾安全殼通風(fēng)模式的研究

黃高峰，宮 宇，方立凱，錢鴻濤，王佳赟，張 琨

（1.上海核工程研究設(shè)計院有限公司，上海 200233；2.生態(tài)環(huán)境部核與輻射安全中心，北京 100082）

核電廠在嚴重事故下可能會發(fā)生安全殼超壓失效，尤其在全廠斷電事故（Station Blackout Accident，SBO）下，由于缺少安全殼噴淋等冷卻措施，安全殼會發(fā)生超壓失效。實際上，早期的CANDU6設(shè)計并未考慮嚴重事故對策[1]。對于CANDU6核電廠，設(shè)計基準事故下，通過啟用安全殼噴淋和就地空氣冷卻器可以保持安全殼的完整性。然而，在全廠斷電事故下，由于無法啟用安全殼噴淋和就地空氣冷卻器這兩種保持安全殼完整性的措施，IAEA經(jīng)研究得出結(jié)論，約1 d后，會引起安全殼失效[2]。因此，CANDU6在嚴重事故下采用安全殼通風(fēng)排氣的策略尤為必要。

部分商用核電廠或者先進核電廠設(shè)計了嚴重事故下專用的安全殼過濾排放系統(tǒng)，通過過濾、排氣和降壓，防止安全殼發(fā)生超壓失效[3-6]。然而，在CANDU6核電廠的早期設(shè)計中，并無專用的嚴重事故下的安全殼通風(fēng)排氣路徑，而是遵循能用則用的原則。本文利用CANDU6核電廠重水蒸氣回收系統(tǒng)作為通風(fēng)排氣路徑，研究僅利用該通風(fēng)路徑而無過濾模式下對安全殼的響應(yīng)進行分析，包括安全殼完整性和裂變產(chǎn)物源項的研究。

1 計算方法和模型

本文應(yīng)用MELCOR[7]分析程序建立CAN?DU6核電廠的安全殼分析模型，將整個安全殼6層空間劃分為14個控制容積，如圖1所示。安全殼模型各節(jié)點代表的主要隔間見表1。方案中，利用流道連接安全殼內(nèi)的各個隔間，并結(jié)合眾多熱構(gòu)件模擬安全殼內(nèi)的流動和傳熱，以實現(xiàn)安全殼內(nèi)熱工水力和裂變產(chǎn)物狀態(tài)的模擬。重水蒸氣回收系統(tǒng)的進氣口位于A側(cè)換料機室和C側(cè)換料機室（即圖1中的602和605），排氣管線貫穿混凝土安全殼。

本文以全廠斷電事故下的釋放數(shù)據(jù)作為該分析模型的初始輸入數(shù)據(jù)?；鶞使r為無安全殼通風(fēng)時的超壓失效工況，假定安全殼失效壓力為0.5 MPa，失效尺寸為0.4 m當(dāng)量直徑[8]。該工況的事故進程見表2。

安全殼通風(fēng)工況采用通風(fēng)閥門間歇性開閉模式運行，通風(fēng)排氣口的尺寸為0.76 m當(dāng)量直徑。根據(jù)安全殼的失效壓力（0.5 MPa），本文選取了3組開啟和關(guān)閉的整定值，分別是0.479～0.445 MPa、0.445～0.376 MPa和0.445～0.307 MPa。排氣閥門的驅(qū)動由蓄電池供電。

表1安全殼節(jié)點代表的主要隔間Table 1 Main isolation room represented by containment nodes

表2 全廠斷電事故的事故進程Table 2 Accident progression of SBO

2 計算結(jié)果及分析

以下將從安全殼完整性和裂變產(chǎn)物源項兩個方面討論無過濾安全殼通風(fēng)模式。

2.1 安全殼完整性分析

如圖2所示，對于無過濾安全殼通風(fēng)的基準工況，在88 303 s，安全殼壓力達到其失效壓力0.5 MPa（a），隨后安全殼壓力很快下降。在170 689 s，由于排管容器的蠕變失效，堆芯熔融物與堆腔內(nèi)冷卻水的相互作用產(chǎn)生大量的水蒸氣，由此產(chǎn)生一個壓力脈沖。圖3所示為在安全殼失效工況下通過安全殼破口的排放流量，在安全殼失效瞬間，最大水蒸氣流量將達到63 kg/s，在安全殼壓力下降后，水蒸氣排放流量隨之減小。在排管容器失效后，水蒸氣流量又會增加。氫氣的釋入主要分為兩個階段：第一個階段為安全殼失效后的快速卸壓階段；第二個階段為排管容器失效后的堆芯熔融物與混凝土相互作用階段。

對于安全殼通風(fēng)工況，由圖2可知，3個工況均能保持安全殼的完整性。而且，通風(fēng)閥門開啟和關(guān)閉的整定值越高，通風(fēng)閥門動作的頻率越高。整定值越低，最后維持穩(wěn)定的安全殼壓力越低。在通風(fēng)工況下，安全殼向環(huán)境的排氣流量是間歇性的。由于通風(fēng)管徑較大，因此，瞬間排氣流量將大于安全殼失效的最大流量（如圖4所示），通過間歇性地將安全殼內(nèi)積聚的能量排放出去，可以有效使安全殼降壓，從而確保安全殼的完整性。

圖2安全殼壓力Fig.2 Containment pressure

圖3安全殼失效工況的排氣Fig.3 Exhaust of containment failure

圖4安全殼通風(fēng)工況的排氣（0.479～0.445MPa）Fig.4 Exhaust of containment vent（0.479～0.445MPa）

2.2 裂變產(chǎn)物源項分析

對于無過濾安全殼通風(fēng)，需要特別關(guān)注裂變產(chǎn)物源項問題，因為及時了解通風(fēng)時釋到環(huán)境的放射性，可以快速評價廠外的放射性狀況，實施有效的事故管理[9]。

圖5所示為核電廠釋到環(huán)境的惰性氣體份額，對于安全殼失效工況，在安全殼失效后約1 h內(nèi)釋到環(huán)境的惰性氣體份額將會達到90%，隨后，由于安全殼壓力很低，惰性氣體釋到環(huán)境的速率很小。在通風(fēng)工況下，安全殼通風(fēng)口呈間歇性開閉，因此，釋到環(huán)境的惰性氣體份額呈現(xiàn)階梯狀變化趨勢。通風(fēng)工況下釋到環(huán)境的惰性氣體份額要比失效工況小，而且，開啟關(guān)閉整定值越高，釋到環(huán)境的惰性氣體份額越小。

圖5惰性氣體釋到環(huán)境的份額Fig.5 Fraction into environment for noble gas

圖6 Cs組釋到環(huán)境的份額Fig.6 Fraction into environment for group Cs

可沉積的堿金屬Cs組（Cs和Rb）的釋放和遷移特性要比惰性氣體復(fù)雜。Cs是最容易與I結(jié)合的元素，在堿性環(huán)境下，95%的I是以CsI化合物形式出現(xiàn)的[10]，因此，研究Cs組的釋放份額顯得尤為必要。圖6所示為Cs組釋到環(huán)境的份額，由于通風(fēng)工況下更多的Cs組沉積在安全殼內(nèi)，因此，釋到環(huán)境的Cs組明顯減小，只有10-3數(shù)量級。而且，通風(fēng)口開啟關(guān)閉整定值越大，Cs組釋到環(huán)境的份額就越小。

以上分析表明，相比沒有排氣導(dǎo)致安全殼失效的工況，無過濾通風(fēng)工況能夠減少惰性氣體釋到環(huán)境的份額，同時，對于重要放射性核素Cs組也有一定的滯留作用，能夠減少Cs組釋到環(huán)境的份額。

3 結(jié)論

本文通過分析CANDU6核電廠在SBO下利用重水蒸氣回收系統(tǒng)進行無過濾安全殼通風(fēng)的模式，得出以下結(jié)論：

（1）該通風(fēng)模式對保持安全殼的完整性是有利的；

（2）相比沒有排氣導(dǎo)致安全殼失效的工況，該通風(fēng)模式能夠減少惰性氣體釋到環(huán)境的份額，同時，對于Cs組也有一定的滯留作用，能夠減少其釋入環(huán)境的份額；

（3）SBO下排氣路徑上閥門的供電可考慮由蓄電池提供。