穩(wěn)壓器安全閥在核電廠嚴(yán)重事故中的有效性分析

賴建永 王保平 韓 冰 趙 禹 曾 濤

（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

1979年三里島核事故、1986年切爾諾貝利核事故說(shuō)明，嚴(yán)重事故發(fā)生的概率雖然很低，但是不能排除發(fā)生的可能。特別是2011年3月11日因9級(jí)強(qiáng)震及其引發(fā)的海嘯導(dǎo)致發(fā)生的日本福島第一核電站7級(jí)核事故，再一次說(shuō)明核安全設(shè)計(jì)僅以設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故為限是不夠的，必須考慮嚴(yán)重事故的預(yù)防與對(duì)策。這也屬于核電領(lǐng)域中的墨菲定律現(xiàn)象。

1 嚴(yán)重事故管理

1.1 概述

嚴(yán)重事故分析表明[1]，全廠斷電（SBO）、蒸汽發(fā)生器傳熱管破裂（SGTR）、喪失全部給水（TLOFW）等事故下如果不采取緩解措施，將可能導(dǎo)致發(fā)生高壓熔堆，而堆芯熔融物的高壓噴射將導(dǎo)致安全殼直接加熱（DCH）。

目前，國(guó)際上普遍認(rèn)為壓力容器下封頭失效時(shí)壓力容器內(nèi)壓力不超過(guò)2.0 MPa可以有效地避免高壓熔堆，避免對(duì)安全殼完整性的嚴(yán)重威脅。壓力同期失效示意圖見(jiàn)圖1。

圖1 壓力容器失效圖

1.2 嚴(yán)重事故處理措施

目前，國(guó)際共識(shí)的嚴(yán)重事故管理對(duì)策為采用主動(dòng)卸壓措施來(lái)降低嚴(yán)重事故工況下反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)（RCS）的壓力，其中卸壓時(shí)間包括兩種窗口策略：

早期卸壓：在蒸汽發(fā)生器排空時(shí)開啟穩(wěn)壓器安全閥卸壓；

晚期卸壓：在堆芯出口溫度超過(guò)650℃時(shí)開啟安全閥卸壓。

由于“晚期卸壓”可以使操縱員有更充足的時(shí)間啟動(dòng)嚴(yán)重事故緩解措施，并延緩由于早期卸壓引起的堆芯水量流失，因此，國(guó)際上大多數(shù)電廠都采取“晚期卸壓”策略。

我國(guó)在役的M310型核電機(jī)組采用穩(wěn)壓器安全閥（SRV/PORV）卸壓功能延伸來(lái)完成嚴(yán)重事故下的卸壓，避免高壓堆芯熔融物噴射。在事故發(fā)生后，當(dāng)探測(cè)到堆芯出口溫度達(dá)到650℃后，產(chǎn)生報(bào)警信號(hào)，進(jìn)入U(xiǎn)1規(guī)程，操作員手動(dòng)強(qiáng)制開啟穩(wěn)壓器SRV/PORV進(jìn)行事故卸壓，從而降低一回路系統(tǒng)壓力。

1.3 技術(shù)障礙

由于SRV/PORV的結(jié)構(gòu)特性，采用其卸壓功能延伸來(lái)完成嚴(yán)重事故下的卸壓存在下列技術(shù)障礙：

（1）SRV/PORV先導(dǎo)箱在嚴(yán)重事故工況下的有效性；

（2）電磁驅(qū)動(dòng)裝置的有效性、失電保持開啟狀態(tài)；

（3）可靠電源及時(shí)效性。

1.3.1 先導(dǎo)箱在嚴(yán)重事故工況下的有效性

SRV/PORV先導(dǎo)箱的設(shè)計(jì)溫度僅150℃，先導(dǎo)箱中的梭閥（見(jiàn)圖2和圖3）內(nèi)設(shè)有多個(gè)不可替代的動(dòng)密封件，其材料為非金屬（橡膠類）。因先導(dǎo)箱結(jié)構(gòu)中采用了不能承受高溫、高劑量、抗老化性能有限的橡膠動(dòng)密封件等易損件，易失效，相關(guān)分析表明，多相流（冷凝水、高溫水、汽水兩相流、蒸汽等）在SRV/PORV啟閉約100次后，先導(dǎo)箱將因高溫介質(zhì)導(dǎo)入而損毀。雖然，供貨廠家提供的分析表明：先導(dǎo)箱將最終損毀在開啟狀態(tài)，但目前還沒(méi)有提供各零部件的可靠性及有關(guān)橡膠密封圈損毀后是否會(huì)導(dǎo)致先導(dǎo)箱介質(zhì)流道堵塞等分析報(bào)告。

圖2 穩(wěn)壓器安全閥運(yùn)行原理圖

圖3 穩(wěn)壓器安全閥先導(dǎo)箱梭閥結(jié)構(gòu)圖

1.3.2 電磁驅(qū)動(dòng)裝置的有效性

SRV/PORV電磁驅(qū)動(dòng)裝置只經(jīng)過(guò)了1E級(jí)的K1鑒定，不能確保電磁驅(qū)動(dòng)裝置各組件在嚴(yán)重事故工況下的有效性，包括功能（啟閉動(dòng)作）是否有效、性能是否可靠（位置指示器、電磁驅(qū)動(dòng)裝置本體性能、控制及電源線纜等在嚴(yán)重事故工況下的有效性）、在嚴(yán)重事故工況下能否保證開啟梭閥的驅(qū)動(dòng)力（驅(qū)動(dòng)力的穩(wěn)定性等）、如何克服電源喪失SRV/PORV自動(dòng)關(guān)閉等問(wèn)題。此外，電磁驅(qū)動(dòng)裝置還存在能否長(zhǎng)時(shí)間帶電運(yùn)行、沒(méi)有持續(xù)帶負(fù)荷運(yùn)行最長(zhǎng)時(shí)間等問(wèn)題。

1.3.3 可靠電源及時(shí)效性

確保在嚴(yán)重事故工況下電磁驅(qū)動(dòng)裝置電源的可靠性是該技術(shù)的又一關(guān)鍵技術(shù)。目前沒(méi)有查到國(guó)際上的相關(guān)技術(shù)資料。

1.4 應(yīng)對(duì)嚴(yán)重事故的有效性分析

我國(guó)在役的M310型核電機(jī)組穩(wěn)壓器安全閥基本都采用了法國(guó)SEBIM公司的SRV/PORV先導(dǎo)閥，因該閥已經(jīng)具備手動(dòng)啟閉功能，滿足嚴(yán)重事故工況下手動(dòng)開啟條件，具備排汽、排水以及汽水混合物的能力。所以，目前我國(guó)在役的M310型核電機(jī)組設(shè)計(jì)技術(shù)，均擬采用穩(wěn)壓器安全閥卸壓功能延伸來(lái)執(zhí)行嚴(yán)重事故工況下一回路卸壓功能。

根據(jù)上文分析，為保證SRV/PORV在嚴(yán)重事故下完成卸壓，提出下列幾點(diǎn)改進(jìn)措施：

（1）保證主閥的有效性；

（2）保證先導(dǎo)箱的有效性；

（3）改進(jìn)電磁驅(qū)動(dòng)裝置；

（4）改進(jìn)電源。

1.4.1 保證主閥的有效性

SRV/PORV主閥活塞腔中活塞環(huán)及閥桿導(dǎo)向結(jié)構(gòu)件（見(jiàn)圖4）均采用了石墨基材料，基本不會(huì)出現(xiàn)卡滯現(xiàn)象，不受環(huán)境溫度、壓力、濕度、放射性劑量等參數(shù)影響。因此SRV/PORV主閥的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料選擇等均能保證其在嚴(yán)重事故工況下的有效性。

圖4 穩(wěn)壓器安全閥主閥結(jié)構(gòu)

1.4.2 保證先導(dǎo)箱的有效性

嚴(yán)重事故工況下安全殼內(nèi)的環(huán)境條件對(duì)先導(dǎo)箱的影響很小，如在嚴(yán)重事故工況下先導(dǎo)箱的外部環(huán)境溫度為安全殼內(nèi)環(huán)境溫度，其不超過(guò)180℃（155～180℃），所以，主要考慮先導(dǎo)箱內(nèi)部高溫介質(zhì)對(duì)其有效性的影響。

SRV/PORV每啟閉一次消耗冷凝罐中低溫介質(zhì)約0.1 L，先導(dǎo)箱冷凝罐實(shí)際容積為9.2 L，大約能啟閉100次。根據(jù)嚴(yán)重事故及概率安全評(píng)價(jià)專業(yè)的分析，從事故發(fā)生后安全閥第一次啟跳一直到堆芯出口溫度達(dá)到650℃進(jìn)入U(xiǎn)1規(guī)程操作人員手動(dòng)啟動(dòng)該閥，該閥啟跳次數(shù)小于20次，第二組安全閥啟跳次數(shù)少于2次，其間單組安全閥消耗水量小于2 L，而先導(dǎo)箱冷凝罐容積為9.2 L。因此，在嚴(yán)重事故工況下，操作人員手動(dòng)強(qiáng)制開啟該閥時(shí)先導(dǎo)箱處于有效狀態(tài)。

1.4.3 保證電磁驅(qū)動(dòng)裝置的有效性

電磁驅(qū)動(dòng)裝置是主動(dòng)式遠(yuǎn)程干預(yù)該閥的唯一方式，改進(jìn)電磁驅(qū)動(dòng)裝置的主要要求如下：

（1）為保證在嚴(yán)重事故工況下能手動(dòng)開啟并能提供足夠的驅(qū)動(dòng)力；

（2）為減少在嚴(yán)重事故工況下對(duì)可靠電源的依賴性，當(dāng)喪失電源的工況下，能可靠地保持失去電源前的啟閉狀態(tài)；

（3）經(jīng)過(guò)嚴(yán)重事故工況試驗(yàn)鑒定。

目前，法國(guó)EDF與SEBIM聯(lián)合研制了新型電磁驅(qū)動(dòng)裝置（見(jiàn)圖5）并已完成了嚴(yán)重事故工況下的試驗(yàn)鑒定。該新型電磁驅(qū)動(dòng)裝置主要改進(jìn)為，在喪失電源或安全殼內(nèi)電纜惡化情況下，必須具備保持原有狀態(tài)的功能。所以，法國(guó)EDF與SEBIM閥供貨廠家聯(lián)合研制的新型電磁驅(qū)動(dòng)裝置具有斷電保持位置狀態(tài)（解決了斷電關(guān)閥問(wèn)題），還可通過(guò)滾珠式線控傳動(dòng)裝置（柔性軸）驅(qū)動(dòng)先導(dǎo)箱

圖5 新型電磁驅(qū)動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)圖

此外，該新型電磁閥驅(qū)動(dòng)裝置也滿足了系統(tǒng)改進(jìn)的如下要求：

（1）不改變安全閥正常啟閉功能和強(qiáng)制開閉功能；

（2）不增加非正常開啟風(fēng)險(xiǎn)；

（3）在正常運(yùn)行工況下，不增加持續(xù)開啟的風(fēng)險(xiǎn)；

（4）減少對(duì)現(xiàn)有設(shè)計(jì)的影響，保持原有接口及運(yùn)行機(jī)理；

（5）降低人因影響風(fēng)險(xiǎn)。

在操作人員主動(dòng)干涉時(shí)，只須保證在U1規(guī)程執(zhí)行初期短時(shí)供電，后期可由電磁驅(qū)動(dòng)裝置的永磁體來(lái)保持其開啟狀態(tài)，后期電源狀態(tài)不會(huì)影響其開啟狀態(tài)。

1.4.4 提高可靠電源保障時(shí)間

目前，采用的電磁驅(qū)動(dòng)裝置要求可靠電源供給時(shí)間一直保持至事故末期（PRV下封頭熔穿前，不小于3 h）。若采用改進(jìn)的電磁驅(qū)動(dòng)裝置，在操作人員手動(dòng)開啟安全閥后就可不考慮為其供電的要求，這將降低在嚴(yán)重事故工況下對(duì)可靠電源的依賴性，但開啟時(shí)間（事故序列分析時(shí)間）發(fā)生時(shí)間小于且近2 h，所以，其可靠電源保障時(shí)間也至少需要2 h，或者其供電時(shí)間窗口應(yīng)保證該閥的啟動(dòng)時(shí)間段一致。

2 結(jié)語(yǔ)

我國(guó)M310型核電機(jī)組采用國(guó)際上新型電磁驅(qū)動(dòng)裝置進(jìn)行技術(shù)改進(jìn)，可提高現(xiàn)有M310型核電機(jī)組應(yīng)對(duì)嚴(yán)重事故的可用性及有效性，從而提高核電站應(yīng)對(duì)嚴(yán)重事故的能力。