核電廠安全殼掃氣回路投運(yùn)時(shí)間的論證分析

楊鵬程，李瓊哲，葉水祥，張 釗，郗海英,楊 智

(蘇州熱工研究院有限公司，廣東 深圳 518026)

近些年來(lái)，國(guó)內(nèi)多個(gè)核電機(jī)組安全殼內(nèi)出現(xiàn)了不同程度的惰性氣體含量高、氧氣含量低等氣體成分不滿足人員進(jìn)入安全殼內(nèi)工作條件的問(wèn)題，導(dǎo)致機(jī)組出現(xiàn)了大修延誤的狀況，影響核電機(jī)組的經(jīng)濟(jì)效益。電廠尋求投運(yùn)安全殼內(nèi)大氣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(ETY)掃氣回路改善安全殼內(nèi)氣體濃度來(lái)滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)人員作業(yè)環(huán)境的要求。投運(yùn)ETY掃氣回路并不會(huì)對(duì)核電機(jī)組的反應(yīng)堆堆芯安全帶來(lái)直接影響，但投運(yùn)過(guò)程中會(huì)開(kāi)啟安全殼隔離閥，安全殼內(nèi)發(fā)生事故的情況下存在放射性釋放的風(fēng)險(xiǎn)。

目前國(guó)內(nèi)核電廠還開(kāi)展有針對(duì)ETY掃氣回路投運(yùn)時(shí)間的分析與研究。本文通過(guò)構(gòu)建一維解析模型、并結(jié)合概率論安全影響分析的方法，分析ETY掃氣回路投運(yùn)后對(duì)安全殼內(nèi)氣體濃度變化以及安全殼放射性屏蔽的影響，并為電廠在日常與大修情況下ETY掃氣回路的投運(yùn)時(shí)間提供參考和建議。

1 ETY掃氣回路簡(jiǎn)介

ETY系統(tǒng)掃氣回路是ETY系統(tǒng)其中的一個(gè)子系統(tǒng)，其流程簡(jiǎn)圖如圖1所示。

圖1 ETY掃氣回路流程簡(jiǎn)圖Fig.1 ETY scavenge loop’s simplified diagram

ETY系統(tǒng)掃氣回路由以下組成：

(1)一根與燃料廠房通風(fēng)系統(tǒng)(DVK)聯(lián)接的通風(fēng)管向安全殼送新風(fēng)，在該風(fēng)管上安裝一個(gè)平衡閥和一個(gè)止回閥，這支風(fēng)管與兩支ETY系統(tǒng)風(fēng)管(均為100%風(fēng)量)連接，將新風(fēng)送入到安全殼底部。

(2)一條空氣凈化處理回路(包括電加熱器、預(yù)過(guò)濾器、高效空氣粒子過(guò)濾器、碘吸附器等)。兩支并聯(lián)的排風(fēng)管道(均為100%風(fēng)量)與凈化處理回路相連，并連至系統(tǒng)的排風(fēng)機(jī)上。

2 ETY掃氣回路投入時(shí)間分析

2.1 ETY吹掃安全殼內(nèi)惰性氣體的時(shí)間

采用一維解析模型計(jì)算的方法，假設(shè)在ETY吹掃過(guò)程中整個(gè)安全殼內(nèi)惰性氣體的濃度是均勻的，且不考慮安全殼外新鮮空氣中惰性氣體濃度，ETY掃氣回路投運(yùn)過(guò)程中只運(yùn)行一列風(fēng)機(jī)，另一列保持備用。

設(shè)當(dāng)任意t時(shí)刻，安全殼內(nèi)惰性氣體濃度為C(t)，在小段時(shí)間Δt時(shí)刻后，安全殼內(nèi)有害氣體濃度變化為C(Δt+t)，得到式(1)：

(1)

式中：Q——一臺(tái)ETY掃氣回路風(fēng)機(jī)(ETY001/002ZV)的額定流量；

V0——核電廠安全殼有效體積。

對(duì)公式(1)進(jìn)行變換，得到公式(2)：

(2)

將公式(2)左右兩側(cè)進(jìn)行積分得到公式(3)：

(3)

式中：C0為t0=0時(shí)刻安全殼內(nèi)的惰性氣體濃度。根據(jù)公式(3)計(jì)算得到公式(4)：

(4)

變換后得到惰性氣體濃度隨時(shí)間變化的公式(5)：

(5)

式中：C1——目標(biāo)濃度；

t——ETY掃氣回路吹掃的時(shí)間。

查詢A電廠系統(tǒng)設(shè)計(jì)手冊(cè)和系統(tǒng)維修手冊(cè)，A電廠安全殼的有效體積為49 000 m3，ETY掃氣回路風(fēng)機(jī)額定流量Q為1 500 m3/h,將數(shù)值帶入公式(4)和公式(5)可最終得到ETY掃氣回路投運(yùn)后，安全殼內(nèi)惰性氣體濃度隨時(shí)間變化的關(guān)系，如公式(6)和公式(7)所示。

C(t)=C0·e-0.031 t

(6)

(7)

根據(jù)氣體濃度隨時(shí)間的變化，做出ETY掃氣回路投運(yùn)時(shí)間與安全殼內(nèi)惰性氣體濃度變化對(duì)應(yīng)曲線，如圖2所示。

圖2 安全殼內(nèi)氣體濃度隨時(shí)間變化關(guān)系曲線Fig.2 Gas concentration curve over time in containment

若安全殼內(nèi)惰性氣體污染達(dá)到20 MPC，為降至10 MPC，ETY掃氣回路投運(yùn)的時(shí)間為：

t=22.6 h

2.2 ETY吹掃提升安全殼內(nèi)氧含量的時(shí)間

新鮮空氣中氧氣含量較安全殼內(nèi)空氣氧氣含量高，考慮安全殼內(nèi)外氧氣含量差值對(duì)ETY掃氣回路吹掃時(shí)間的影響，參照上述建模分析可得到安全殼內(nèi)氧氣含量隨時(shí)間變化的關(guān)系，如公式(8)所示。

(8)

式中：C1——空氣中氧氣濃度；

C2——目標(biāo)氧氣濃度；

Ci——初始時(shí)刻安全殼內(nèi)氧氣濃度；

K2——修正系數(shù)。

參考A電廠實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，投運(yùn)前安全殼內(nèi)氧含量為18.1%，投運(yùn)38.2 h后安全殼內(nèi)氧含量達(dá)到20%的人員進(jìn)入標(biāo)準(zhǔn)，K2保守取值為1.5，安全殼內(nèi)氧氣含量隨時(shí)間變化的關(guān)系如公式(9)所示：

(9)

由于未考慮安全殼內(nèi)設(shè)備的整體布置及氣體成分濃度的不均勻分布，一維解析建模的整體計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況存在少量偏差，但能夠從總體上反映目前ETY掃氣回路投運(yùn)后安全殼內(nèi)氣體濃度變化的大體趨勢(shì)。

3 ETY掃氣回路投運(yùn)的安全分析

3.1 安全功能分析

投運(yùn)ETY掃氣回路的風(fēng)險(xiǎn)在于投運(yùn)過(guò)程中發(fā)生事故時(shí)，安全殼隔離閥能否按照要求關(guān)閉，將決定放射性物質(zhì)是否釋放到安全殼外，在電廠定期試驗(yàn)T—RPA025以及T—RPB025中，對(duì)ETY掃氣回路投運(yùn)所涉及的安全殼隔離閥的關(guān)閉功能均做了驗(yàn)證，可確保安全殼隔離閥關(guān)閉可用。正常情況下，ETY兩列進(jìn)口風(fēng)管和出口管線上的安全殼隔離閥均為關(guān)閉狀態(tài)，這些閥門在失氣時(shí)，也將會(huì)保持關(guān)閉。安全殼內(nèi)KRT探頭KRT008/009/028 MA以及DVN煙囪探頭KRT017/021 MA監(jiān)控通往安全殼及排往大氣DVN煙囪氣體的放射性，在收到安全殼隔離、安全殼絕對(duì)壓力高(0.12 MPa)和KRT放射性高等保護(hù)信號(hào)時(shí)，安全殼隔離閥將自動(dòng)關(guān)閉，確保第三道屏障有效。

3.2 概率論安全分析

3.2.1 概率分析范圍及數(shù)據(jù)處理

定量分析中僅對(duì)ETY投運(yùn)狀態(tài)對(duì)內(nèi)部事件風(fēng)險(xiǎn)的影響進(jìn)行分析，外部事件風(fēng)險(xiǎn)的影響在結(jié)果分析中進(jìn)行定性分析。

功率工況持續(xù)時(shí)間按照0.923堆·年分析(參考A電廠十八個(gè)月?lián)Q料經(jīng)驗(yàn)過(guò)去六次大修功率工況持續(xù)的平均時(shí)間為337天，約0.923堆·年)。

3.2.2 風(fēng)險(xiǎn)定量分析

由ETY掃氣回路的功能可知，ETY掃氣回路的投運(yùn)不會(huì)對(duì)反應(yīng)堆堆芯的安全造成影響，因此在模型計(jì)算中不對(duì)堆芯損壞頻率CDF和ΔCDF兩個(gè)變量進(jìn)行計(jì)算。

參考國(guó)內(nèi)A電廠功率工況概率安全評(píng)估模型，通過(guò)故障樹(shù)計(jì)算模型中ETY掃氣回路均處于隔離狀態(tài)和投運(yùn)狀態(tài)下的早期放射性大量釋放頻率LERF、ΔLERF、大量早期釋放概率增量ILERP。故障樹(shù)模型(以EPP221貫穿件為例)如圖3、圖4所示，其他貫穿件分析方法與此類似。

圖3 EPP221貫穿件故障樹(shù)(ETY掃氣回路不投運(yùn))Fig.3 The fault tree of EPP221 penetration(ETY scan loop not running)

圖4 EPP221貫穿件故障樹(shù)(ETY掃氣回路投運(yùn))Fig.4 The fault tree of EPP221 penetration (ETY scan loop is running)

3.2.3 定量計(jì)算結(jié)果及分析

(1)定量計(jì)算結(jié)果

具體計(jì)算結(jié)果如表1所示，根據(jù)結(jié)果可知：ETY掃氣回路投運(yùn)對(duì)LERF影響較小。

表1 ETY掃氣回路投運(yùn)的風(fēng)險(xiǎn)影響(功率工況內(nèi)部事件)Table 1 Risk impact of ETY scavenging loop (power condition internal events)

(2)結(jié)果分析

從表1的定量計(jì)算結(jié)果分析，ETY運(yùn)行狀態(tài)變更導(dǎo)致的內(nèi)部事件ILERP<1.00×10-8。保守考慮外部事件風(fēng)險(xiǎn)影響，ETY運(yùn)行狀態(tài)變更導(dǎo)致的總體ILERP仍小于1.00×10-7。參考NUMARC 93-01準(zhǔn)則，系統(tǒng)設(shè)備運(yùn)行配置變更導(dǎo)致的ICDP<1.00×10-6且ILERP<1.00×10-7，相應(yīng)的維修工作按照正常的維修工作過(guò)程控制進(jìn)行，不需額外的風(fēng)險(xiǎn)管理措施。

從外部事件風(fēng)險(xiǎn)角度，參考現(xiàn)有外部事件風(fēng)險(xiǎn)分析成果，在所有外部事件中，內(nèi)部火災(zāi)對(duì)堆芯損壞風(fēng)險(xiǎn)的貢獻(xiàn)相對(duì)較高，和內(nèi)部事件基本相當(dāng)。其他外部事件如地震、內(nèi)部水淹等對(duì)堆芯損傷風(fēng)險(xiǎn)的貢獻(xiàn)相對(duì)內(nèi)部事件低了一到兩個(gè)量級(jí)，可被定性篩選。

ETY安全殼隔離閥及控制盤柜涉及的火災(zāi)區(qū)域如表2所示(各閥門串聯(lián)關(guān)系請(qǐng)參見(jiàn)圖1)，只有安全殼貫穿件上兩個(gè)串聯(lián)閥門同時(shí)失效才會(huì)導(dǎo)致貫穿件隔離失效，進(jìn)而可能產(chǎn)生放射性釋放的后果，但同一貫穿件上兩個(gè)串聯(lián)閥門及控制盤柜均處在不同火災(zāi)區(qū)域，因此單一區(qū)域火災(zāi)事故不會(huì)導(dǎo)致ETY掃氣回路相關(guān)貫穿件隔離失效。兩區(qū)域同時(shí)火災(zāi)，或一區(qū)域發(fā)生火災(zāi)疊加另一設(shè)備隨機(jī)失效，發(fā)生概率很低，可被定性篩選?？梢哉J(rèn)為，ETY掃氣回路的投運(yùn)對(duì)反應(yīng)堆機(jī)組放射性屏蔽功能的影響非常有限。

表2 ETY安全殼隔離閥及支持系統(tǒng)涉及的火災(zāi)區(qū)域Table 2 The fire area involved in ETY containment isolation valves and support system

4 結(jié)論

綜上所述，ETY掃氣回路具有降低核電機(jī)組大修前安全殼內(nèi)惰性氣體含量以及提升氧含量的功能，保護(hù)工作人員免受惰性氣體及缺氧環(huán)境的影響。

在反應(yīng)堆機(jī)組實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，采用間歇運(yùn)行的方式投運(yùn)ETY掃氣回路，按照建立的安全殼內(nèi)氣體含量隨ETY掃氣回路投運(yùn)時(shí)間變化的一維解析模型推算，ETY掃氣回路投運(yùn)后40小時(shí)，安全殼內(nèi)惰性氣體含量降至約原氣體含量的30%，投運(yùn)后166小時(shí)，安全殼內(nèi)氧氣含量可從18%提升至約20.9%。

從安全功能角度分析，投運(yùn)ETY掃氣回路的風(fēng)險(xiǎn)是可控的；從概率論角度分析，即使以全年投運(yùn)ETY掃氣回路作為安全殼放射性釋放風(fēng)險(xiǎn)分析的輸入條件，ETY掃氣回路對(duì)安全殼放射性釋放風(fēng)險(xiǎn)的影響也是很小的，且是可以被定量接受的。

根據(jù)核電廠運(yùn)行技術(shù)規(guī)范的編寫慣例，設(shè)備運(yùn)行時(shí)間限制一般選擇為1小時(shí)、8小時(shí)、24小時(shí)、3天、7天、14天以及30天，當(dāng)前運(yùn)行技術(shù)規(guī)范對(duì)ETY掃氣回路的時(shí)間限制為180小時(shí)(7.5天)，結(jié)合國(guó)內(nèi)A電廠近六年日常以及大修準(zhǔn)備數(shù)據(jù)，在保證安全水平、滿足電廠實(shí)際運(yùn)行需求、且符合運(yùn)行技術(shù)規(guī)范編寫管理的前提下，建議ETY掃氣回路投運(yùn)的全年累計(jì)投入時(shí)間為14天，14天的運(yùn)行時(shí)間既考慮了目前機(jī)組的實(shí)際運(yùn)行需求，也考慮了隨著國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的不斷完善和對(duì)人員防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)的不斷提升對(duì)安全殼內(nèi)各類氣體含量控制帶來(lái)的挑戰(zhàn)。