模塊式小型堆功率運(yùn)行狀態(tài)落棒事故研究

黃慧劍 辛素芳 王嘉賡 徐良劍 彭 倩

（中國(guó)核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院核反應(yīng)堆系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都610041）

0 引言

ACP100是中核集團(tuán)自主研發(fā)的一種模塊式小型堆[1]，達(dá)到第三代先進(jìn)壓水堆核電站的相關(guān)要求，并于2016年通過了IAEA反應(yīng)堆通用設(shè)計(jì)審查。ACP100采用一體化布置，模塊化制造，具有多重固有安全特性，因此，也可作為破冰船、浮動(dòng)電站等多種海上核動(dòng)力平臺(tái)長(zhǎng)期可靠的能源方案。

模塊式小型堆的顯著特點(diǎn)為功率小、建設(shè)周期短、布置靈活、適應(yīng)性強(qiáng)、選址成本，因此，模塊式小型堆得到廣泛應(yīng)用[2]及持續(xù)深化研究。目前，在模塊式小型堆的設(shè)計(jì)中，電力生產(chǎn)仍為其主要功能，但同時(shí)各種設(shè)計(jì)中都為將來的非電力應(yīng)用保留了非電力生產(chǎn)的應(yīng)用模塊[3]。對(duì)于核反應(yīng)堆，無論是電力生產(chǎn)還是非電應(yīng)用，安全都是設(shè)計(jì)中必須要滿足的基本條件。本文對(duì)ACP100反應(yīng)堆功率運(yùn)行狀態(tài)下的控制棒落棒事故進(jìn)行分析，研究ACP100在落棒事故后堆芯是否滿足安全限制要求。

落棒事故指的是反應(yīng)堆在功率運(yùn)行時(shí)，單個(gè)控制棒組件因機(jī)械故障或電源故障下落到全插入位置，而其他棒組仍處于其正常運(yùn)行范圍之內(nèi)，這可能造成單個(gè)控制棒組相對(duì)于其棒組的大幅錯(cuò)列，從而在堆芯中形成一個(gè)對(duì)熱工不利的功率分布（主要體現(xiàn)為局部功率過高），如果不采取保護(hù)措施，就有可能導(dǎo)致超過堆芯安全限值。

由于控制棒系統(tǒng)機(jī)械失效導(dǎo)致單個(gè)(或多個(gè))控制棒組件掉入堆芯，引起堆芯功率和反應(yīng)性減小，當(dāng)觸發(fā)反應(yīng)堆緊急停堆時(shí)，所有控制棒組在短時(shí)間內(nèi)迅速插入堆芯，使反應(yīng)堆功率快速下降并最終帶至安全狀態(tài)；當(dāng)不能觸發(fā)保護(hù)系統(tǒng)動(dòng)作時(shí)，瞬態(tài)過程中反應(yīng)堆冷卻劑回路和蒸汽回路之間的能量不平衡將導(dǎo)致反應(yīng)堆的平均溫度下降。隨后，在功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)的作用下，調(diào)節(jié)棒實(shí)現(xiàn)受控提升，使核功率上升，直到達(dá)到新的平衡。

在落棒事故瞬態(tài)過程中，當(dāng)不觸發(fā)保護(hù)系統(tǒng)動(dòng)作時(shí)，功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)（也叫平均溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)）的作用可能會(huì)使反應(yīng)堆功率在短期內(nèi)發(fā)生超調(diào)。除因此導(dǎo)致的局部功率增加之外，落棒加上調(diào)節(jié)棒提升引起的功率分布畸變?cè)谀承┕r下也可能導(dǎo)致堆芯發(fā)生偏離泡核沸騰。

1 反應(yīng)堆保護(hù)

1.1 事故探測(cè)

作為事故的糾偏措施，功率運(yùn)行時(shí)的落棒事故在事故發(fā)生的最初期即可能由下列方法探測(cè)出來：

（1）反應(yīng)堆堆內(nèi)控制棒棒位指示器；

（2）控制棒偏離其所在棒組位置的報(bào)警信號(hào)；

（3）位于堆外四個(gè)方位處的核測(cè)量通道或位于堆內(nèi)的堆芯出口熱電偶探測(cè)器（出口溫度非對(duì)稱分布偏離度較大時(shí)報(bào)警）。

1.2 減輕落棒事故后果的預(yù)防設(shè)計(jì)

為了減少落棒事故發(fā)生的概率，控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)在設(shè)計(jì)過程中，特別是對(duì)于模塊式小型堆采用的這種電磁驅(qū)動(dòng)夾持機(jī)構(gòu)都進(jìn)行了專門設(shè)計(jì)。另外，還將若干束控制棒束組成對(duì)稱分布的組別，也是作為減輕由于落棒或提棒事故引起的控制棒錯(cuò)列造成的后果的手段之一。

1.3 反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)

根據(jù)模塊式小型堆保護(hù)信號(hào)的設(shè)置情況，落棒事故可采用的緊急停堆信號(hào)有：

（1）中子注量率負(fù)變化率高停堆信號(hào)保護(hù)；

（2）穩(wěn)壓器壓力高或反應(yīng)堆出口溫度高。

2 落棒事故限制準(zhǔn)則與計(jì)算方法

2.1 落棒事故限值準(zhǔn)則

落棒事故屬于中等頻率事故。分析必須證實(shí)：在考慮保守假設(shè)的前提下，偏離泡核沸騰比（DNBR）應(yīng)不低于限制準(zhǔn)則值1.18。

2.2 落棒事故計(jì)算方法

該事故的分析計(jì)算分以下幾步進(jìn)行：

（1）由堆芯三維物理熱工程序計(jì)算不同循環(huán)及壽期下的落棒價(jià)值以及對(duì)應(yīng)的堆芯徑向和軸向功率不均勻因子；

（2）采用系統(tǒng)程序?qū)β浒羲矐B(tài)進(jìn)行分析，得到瞬態(tài)過程中核熱功率、反應(yīng)堆冷卻劑溫度（含入口、出口及平均溫度）以及冷卻劑系統(tǒng)壓力隨時(shí)間的變化；

（3）在第二步的基礎(chǔ)上，采用堆芯子通道程序計(jì)算最小DNBR，驗(yàn)證其滿足安全限值要求。

3 功率運(yùn)行狀態(tài)落棒事故

3.1 主要假設(shè)

安全分析始終應(yīng)以保守作為前提，因此，在分析過程中采用的假設(shè)應(yīng)使瞬態(tài)過程中的最小DNBR值和燃料棒DNB份額（如有發(fā)生）最惡劣。

3.1.1 初始工況假設(shè)

以滿功率狀態(tài)作為初始工況分析該瞬態(tài)。

為了使瞬態(tài)過程中熱工參數(shù)趨于保守，分析中采用如下初始條件：

考慮穩(wěn)態(tài)熱工測(cè)量誤差后，初始功率設(shè)定為103%滿功率；

考慮測(cè)量誤差及波動(dòng)偏差后，反應(yīng)堆冷卻劑初始平均溫度在額定值上增加2.5℃；

考慮測(cè)量誤差及波動(dòng)偏差后，反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)壓力在額定值上減少0.2 MPa；

反應(yīng)堆一回路流量為熱工設(shè)計(jì)流量（最小流量）。

3.1.2 初因事件和功能假設(shè)

該事故起因?yàn)榉磻?yīng)堆在額定滿功率運(yùn)行時(shí)，控制棒組件意外掉入堆芯，引起堆芯功率下降和堆芯功率分布發(fā)生畸變，當(dāng)不能觸發(fā)保護(hù)系統(tǒng)動(dòng)作時(shí)，調(diào)節(jié)棒組由于功率失配而提升，使堆芯功率回升。

當(dāng)控制棒發(fā)生落棒事故時(shí)，部分工況無法被探測(cè)到，部分工況能被探測(cè)到并觸發(fā)保護(hù)，出于保守考慮，我們假定單束控制棒發(fā)生落棒均無法被探測(cè)到。

3.1.3 與堆芯相關(guān)假設(shè)

出于保守考慮，采用核設(shè)計(jì)提供的所有循環(huán)下不同壽期統(tǒng)計(jì)出的最不利的堆芯功率分布，且假定在瞬態(tài)過程中堆芯功率分布維持為落棒后最惡劣的分布。

瞬態(tài)過程中，保守地采用最小反應(yīng)性反饋使事故后果趨于惡劣。

使用的反饋系數(shù)見表1。

3.1.4 控制與保護(hù)系統(tǒng)

落棒事故的顯著特點(diǎn)是落棒之后，由于棒位的錯(cuò)列，因此產(chǎn)生局部功率畸變；同時(shí)，在考慮功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)可用時(shí)，反應(yīng)堆功率會(huì)回升至滿功率甚至出現(xiàn)短時(shí)間內(nèi)功率超調(diào)，因此，考慮控制系統(tǒng)可用是一種保守的假設(shè)方式。

落棒事故中，反應(yīng)堆系統(tǒng)的緊急停堆保護(hù)可能由上文中提及的信號(hào)觸發(fā)。通過對(duì)模塊式小型堆的反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析可知，停堆保護(hù)信號(hào)都是基于成熟的技術(shù)和冗余的通道最終實(shí)現(xiàn)的，具備很高的可靠性[4]。但在事故分析中，人們?nèi)匀槐Ｊ氐丶僭O(shè)上述信號(hào)均不觸發(fā)停堆保護(hù)，以使事故后果趨于惡劣。

3.2 事故進(jìn)程與結(jié)果分析

當(dāng)發(fā)生一束控制棒落棒時(shí)，在事故瞬態(tài)初期，由于落棒引入負(fù)反應(yīng)性，使反應(yīng)堆功率呈現(xiàn)很明顯的下降趨勢(shì)，由于一二回路的功率與負(fù)荷短期內(nèi)失配，從而使反應(yīng)堆溫度和壓力也相應(yīng)地下降。之后，在反應(yīng)堆功率控制系統(tǒng)的作用下，控制棒組受控地提升以恢復(fù)反應(yīng)堆的功率水平，在這一過程中，由于控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)存在一定的滯后，在短時(shí)間內(nèi)會(huì)發(fā)生功率超調(diào)的現(xiàn)象，瞬態(tài)下的反應(yīng)堆功率短時(shí)間內(nèi)可能超過額定功率水平，這對(duì)于熱工安全是不利的。在經(jīng)過短期的功率負(fù)荷失配后，在控制系統(tǒng)的作用下，反應(yīng)堆又將重新平衡在穩(wěn)定狀態(tài)。

圖1~圖4分別給出了落棒事故過程中核功率、反應(yīng)堆冷卻劑平均溫度、穩(wěn)壓器壓力和最小DNBR隨時(shí)間變化的曲線。在瞬態(tài)過程中最小DNBR值始終大于準(zhǔn)則值1.18，這表明在落棒事故過程中，反應(yīng)堆燃料包殼表面始終保持完整，第一道安全邊界未被突破，反應(yīng)堆是安全的。

圖1 歸一化核功率曲線

圖4 最小DNBR曲線

4 結(jié)語

圖2 反應(yīng)堆冷卻劑平均溫度曲線

圖3 穩(wěn)壓器壓力曲線

本文針對(duì)國(guó)內(nèi)自主研發(fā)的模塊式小型堆ACP100在功率運(yùn)行狀態(tài)下的落棒事故進(jìn)行了分析，分析方法及假設(shè)滿足核反應(yīng)堆安全分析要求[5]。據(jù)分析結(jié)果判斷，落棒事故發(fā)生后，即便保守地考慮反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)不起作用，最小DNBR仍高于限值。這表明在落棒事故過程中，反應(yīng)堆燃料包殼表面始終保持完整，安全屏障未被突破，反應(yīng)堆是安全的。