直接注入管線失水事故非能動安全系統(tǒng)運(yùn)行特性研究

黃志剛，張 妍，魯曉東，彭傳新，昝元鋒，卓文彬，閆 曉

(中國核動力研究設(shè)計(jì)院 中核核反應(yīng)堆熱工水力技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610213)

目前第3代先進(jìn)核反應(yīng)堆中，普遍引入了非能動安全技術(shù)，設(shè)計(jì)的非能動安全系統(tǒng)用于緩解失水事故(LOCA)的危害性，及時冷卻堆芯，防止事故進(jìn)一步惡化[1]。發(fā)生設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故時，非能動安全系統(tǒng)按照設(shè)計(jì)要求及時啟動投入運(yùn)行是緩解事故危害最可靠的重要途徑。對于非能動安全系統(tǒng)，目前國內(nèi)外針對相關(guān)的應(yīng)用對象已開展了大量的綜合性能試驗(yàn)研究，并將研究結(jié)果應(yīng)用于安全設(shè)計(jì)[2-11]。從福島事故后主要核大國的行動來看，吸取事故經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，促進(jìn)非能動安全系統(tǒng)的可靠性研究，提高先進(jìn)堆的安全水平將是一項(xiàng)長期持續(xù)的工作。

美國西屋公司的IRIS和AP600/AP1000[2]、韓國的APR1400[3]、歐洲的SWR1000[4-5]、俄羅斯的WWER1000均采用非能動技術(shù)提高反應(yīng)堆的安全性，一些中小型反應(yīng)堆如美國的MASLWR和韓國的SMART也采用了非能動安全系統(tǒng)和自然循環(huán)冷卻方法，這些反應(yīng)堆在研發(fā)和設(shè)計(jì)過程中針對非能動安全系統(tǒng)開展了大量的試驗(yàn)研究，重點(diǎn)關(guān)注和研究反應(yīng)堆在LOCA階段非能動應(yīng)急堆芯冷卻系統(tǒng)的行為特性[12-15]。

中國核動力研究設(shè)計(jì)院提出的小型模塊式反應(yīng)堆ACP100也采用非能動安全系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，非能動安全系統(tǒng)主要由非能動應(yīng)急堆芯冷卻系統(tǒng)、非能動余熱排出系統(tǒng)和自動卸壓系統(tǒng)等組成。為滿足工程應(yīng)用和設(shè)計(jì)分析驗(yàn)證要求，已對波動管和直接注入(DVI)管線LOCA開展了系列試驗(yàn)研究[6-7]。本文主要根據(jù)DVI管線LOCA試驗(yàn)研究，分別分析高壓、中壓和低壓安注系統(tǒng)以及長期再循環(huán)系統(tǒng)的運(yùn)行特性，探索系統(tǒng)運(yùn)行中的相互影響規(guī)律，評估非能動安全系統(tǒng)對堆芯的冷卻效果。

1 試驗(yàn)裝置

非能動安全系統(tǒng)綜合試驗(yàn)裝置是針對中國核動力研究設(shè)計(jì)院提出的小型模塊式反應(yīng)堆ACP100建立的綜合性能裝置，主要系統(tǒng)配置如圖1所示，該裝置以多級雙向比例分析方法為主，采用全高度、等溫和等壓的設(shè)計(jì)方案，功率和容積按1/37.6縮比的方式建設(shè)，主要包括一回路系統(tǒng)、二回路系統(tǒng)、非能動應(yīng)急堆芯冷卻系統(tǒng)(包括高壓安注、中壓安注和低壓安注)、自動卸壓系統(tǒng)、長期再循環(huán)系統(tǒng)和輔助系統(tǒng)等。

圖1 試驗(yàn)回路主要系統(tǒng)流程圖

高壓安注系統(tǒng)包括2個系列，每個系列包括1臺堆芯補(bǔ)水箱(CMT)、1個壓力平衡管線、1個注入管線、1臺隔離閥及相應(yīng)的參數(shù)測量裝置等。CMT設(shè)計(jì)布置位置高于壓力容器，CMT進(jìn)口通過壓力平衡管與反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)相連通，出口管通過壓力容器DVI管線與反應(yīng)堆壓力容器下降段環(huán)腔相連通。在發(fā)生LOCA后，系統(tǒng)壓力下降到12 MPa時觸發(fā)高壓安注系統(tǒng)投入，安注管線隔離閥自動開啟，CMT依靠重力作用自動向壓力容器注水，壓力平衡管線滿水時，則以水循環(huán)方式注入；若壓力平衡管線接管處水裝量減少，出現(xiàn)汽腔，則以蒸汽補(bǔ)償方式注入，通過自然循環(huán)方式，CMT能在長時間內(nèi)提供相對高流量的安注。

中壓安注系統(tǒng)包含2個系列，每個系列包括1臺安注箱(ACC)、1個注入管線、1臺止回閥及相應(yīng)的參數(shù)測量裝置等。在正常條件下，ACC內(nèi)有2/3體積的水、1/3體積的氮?dú)馇覊毫υO(shè)置為6 MPa。發(fā)生LOCA后，注入管線壓力下降到6 MPa時觸發(fā)中壓安注系統(tǒng)投入，安注管線止回閥自動開啟，ACC依靠氮?dú)庑钅茏詣酉驂毫θ萜髯⑺珹CC能在短時間內(nèi)提供很大流量的安注。

低壓安注包含2個相同的系列，2個系列共用低壓安注水箱，低壓安注水箱安裝位置高于壓力容器，在系統(tǒng)充分泄壓后，低壓安注系統(tǒng)投入，通過低壓安注水箱與壓力容器之間的位差驅(qū)動注水。

高壓、中壓和低壓安注系統(tǒng)注入管線均最終連接到壓力容器DVI接管上，冷卻劑最終均通過DVI接管注入壓力容器，安注過程不依賴于泵等能動部件，均設(shè)計(jì)為非能動方式。長期再循環(huán)系統(tǒng)則由地坑水箱、安全殼模擬體等組成。裝置主要設(shè)計(jì)參數(shù)與原型比例列于表1。

表1 裝置(M)與原型(P)主要參數(shù)比例對照

試驗(yàn)裝置采集參數(shù)主要包括溫度、壓力、流量和水位等。其中在電加熱堆芯模擬體進(jìn)出口、CMT筒體、ACC筒體和安注管線等位置均設(shè)置了溫度測點(diǎn)；在壓力容器筒體上下端、CMT筒體、ACC筒體和安注管線不同位置均設(shè)置了壓力測點(diǎn)；在高壓、中壓、低壓和再循環(huán)安注管線均設(shè)置有流量測點(diǎn)；在CMT、ACC、低壓安注水箱等設(shè)備上設(shè)置有水位測點(diǎn)。溫度信號采用Ⅰ級精度的鎧裝熱電偶測量，最大誤差為1.02 ℃；壓力采用0.05級的智能式壓力變送器測量，最大誤差為0.21%；流量采用0.5級精度的文丘里流量計(jì)測量，最大誤差為1.03%；水位采用0.05級的智能式壓差變送器測量，最大誤差為0.21%。

2 試驗(yàn)工況

DVI管線LOCA研究包括事故后短期性能試驗(yàn)和長期再循環(huán)試驗(yàn)，本文主要針對DVI管線發(fā)生14 mm破口LOCA試驗(yàn)開展分析，試驗(yàn)一回路系統(tǒng)初始狀態(tài)為額定功率穩(wěn)定運(yùn)行，安全殼初始壓力為0.2 MPa，試驗(yàn)中DVI管線破口發(fā)生位置在第1系列的高壓安注和中壓安注注入接管與壓力容器連接處，稱該系列為破損環(huán)路，另一側(cè)則稱為完整環(huán)路。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)試驗(yàn)工況的要求，開展了DVI管線破口試驗(yàn)研究，破口發(fā)生后，由于冷卻劑喪失，一回路系統(tǒng)壓力自動下降。在壓力下降到12 MPa以下時觸發(fā)高壓安注投入運(yùn)行，CMT向壓力容器注水，在壓力下降到6 MPa以下時觸發(fā)中壓安注投入運(yùn)行，ACC自動向壓力容器注水，系統(tǒng)充分泄壓后低壓安注投入運(yùn)行。安注系統(tǒng)的投入與系統(tǒng)自動降壓過程有關(guān)，在達(dá)到相應(yīng)的壓力信號后自動觸發(fā)投入，表2為DVI管線14 mm破口尺寸對應(yīng)的主要事件和試驗(yàn)記錄的觸發(fā)時間。其中，t=0 s為發(fā)生破口時間(下同)。

表2 DVI破口工況事件序列

3.1 高壓安注試驗(yàn)結(jié)果

破口發(fā)生后2 000 s內(nèi)2臺CMT壓力隨時間的變化示于圖2，由于CMT頂部壓力平衡管線和壓力容器直接相連，因此破口發(fā)生過程中，完好側(cè)(CMT2)的壓力變化趨勢與一回路壓力變化一致，而對于破損側(cè)(CMT1)，t=35.5 s高壓安注系統(tǒng)投入運(yùn)行前，CMT1的壓力變化趨勢與一回路壓力變化一致，高壓安注系統(tǒng)啟動后，高壓安注管線1#出口與破口處相通，CMT1壓力則快速下降，由于破損側(cè)中壓注入系統(tǒng)的作用，壓力下降到4 MPa附近又逐漸恢復(fù)到與CMT2數(shù)值、趨勢均相當(dāng)?shù)那闆r。圖2中3條虛線分別表示破口發(fā)生后完好側(cè)高壓、中壓和低壓安注系統(tǒng)的啟動時刻，后文中圖示均按此處理。

圖2 CMT出口壓力時程

CMT出口管線流量隨時間的變化示于圖3。高壓安注系統(tǒng)啟動后，破損側(cè)流量迅速上升至26 t/h，而后在30 s內(nèi)由于1#中壓安注系統(tǒng)的抑止作用，該流量下降至19 t/h，當(dāng)1#高壓安注管線略大于1#中壓注入管線的出口壓力時，破損側(cè)高壓安注流量又逐漸漲回至25.5 t/h，隨著一回路系統(tǒng)壓力的下降，破口滯止點(diǎn)壓力減小，相應(yīng)的臨界流量逐漸減小，破損側(cè)高壓安注流量逐漸減小直至CMT1排空。完好側(cè)高壓安注系統(tǒng)啟動后，流量迅速上升至2.7 t/h，同樣地，在約100 s內(nèi)由于2#中壓安注系統(tǒng)的抑止作用，2#高壓安注流量減小為0，直至2#中壓安注系統(tǒng)完成安注后，該流量又逐漸漲回到3.2 t/h，而后隨著CMT2進(jìn)出口溫差逐漸縮小，蒸汽-水循環(huán)驅(qū)動力逐漸下降，2#高壓安注流量緩慢下降。

圖3 CMT出口管線流量時程

CMT水位隨時間的變化示于圖4，高壓安注系統(tǒng)啟動后，破損側(cè)CMT的水位迅速下降，約3 min完全排空，而完好側(cè)高壓安注系統(tǒng)啟動后則分別經(jīng)歷約1 min的水-水循環(huán)和其后的蒸汽-水循環(huán)2個階段。

圖4 CMT水位時程

3.2 中壓安注試驗(yàn)結(jié)果

2個系列ACC的水裝量變化如圖5所示。中壓安注采用氮?dú)庑钅茯?qū)動，運(yùn)行相對簡單，破損側(cè)中壓安注管線(1#)接入口在高壓安注管線1#的上游，因此破口發(fā)生后，依靠1#中壓注入管線接口和破口位置大壓差克服止回閥的壓差啟閉要求，t=2 s時，破損側(cè)中壓安注系統(tǒng)自動投入，開始排水，水裝量逐漸減少，在破口發(fā)生35.5 s時，高壓安注投入運(yùn)行，CMT1注入管線隔離閥開啟，由于CMT和ACC共用注入管線，且破口位置設(shè)置在靠近壓力容器位置的DVI管線處，所以CMT1注入管線隔離閥開啟后，CMT筒體內(nèi)高壓介質(zhì)通過注入管線從破口向外排放，使得ACC1注入管線與DVI管線接管處的壓力從1.4 MPa升高到3.3 MPa，ACC1筒體和注入管線接管之間的壓差減小，ACC1排水減緩，這種情況一直持續(xù)到1級和2級自動卸壓系統(tǒng)啟動后，一回路系統(tǒng)卸壓加快，ACC1排水速率再次加快，直到排空。完好側(cè)ACC2的情況與破口側(cè)ACC1有所區(qū)別，從t=104 s觸發(fā)ACC2投入后，ACC2水位持續(xù)下降。

圖5 ACC水容積時程

3.3 低壓安注試驗(yàn)結(jié)果

低壓安注流量隨時間的變化示于圖6，與高壓安注及中壓安注系統(tǒng)不同的是，低壓安注系統(tǒng)中，1#和2#低壓安注管線共用低壓安注水箱作為安注冷卻水源，t=435 s，通過3A級自動卸壓系統(tǒng)信號觸發(fā)低壓安注系統(tǒng)投入，而后在保證低壓投入不會造成回流的前提下，在t=553 s開啟低壓安注閥，1#、2#低壓安注系列順利投入，通過低壓安注水箱與壓力容器之間的高差驅(qū)動注水，低壓安注投入后建立了穩(wěn)定的安全注入流量，2個系列的低壓安注流量分別達(dá)2.62 t/h和2.7 t/h。

圖6 低壓安注流量時程

3.4 一回路系統(tǒng)參數(shù)

堆芯模擬體進(jìn)出口溫度和壓力隨時間的變化示于圖7，破口發(fā)生后由于冷卻劑喪失系統(tǒng)快速卸壓，約200 s時系統(tǒng)壓力下降到2 MPa以下，之后在1 MPa下持續(xù)約200 s，在自動卸壓系統(tǒng)投入運(yùn)行后系統(tǒng)壓力降低到0.3 MPa。在事故后期，自動卸壓系統(tǒng)的及時投入可有效降低一回路系統(tǒng)的壓力，使得低壓安注能盡快投入，及時向堆芯注水冷卻。在破口剛發(fā)生的70 s內(nèi)，堆芯模擬體進(jìn)口溫度略有上升，但遠(yuǎn)低于飽和溫度，70～553 s低壓安注系統(tǒng)投入前，堆芯模擬體進(jìn)口溫度隨壓力下降而逐漸降低，低壓安注系統(tǒng)投入后，堆芯模擬體進(jìn)口溫度逐漸低于飽和溫度，至2 000 s時，過冷度已大于30 ℃。破口發(fā)生后，堆芯模擬體出口溫度和對應(yīng)壓力下的飽和溫度一致，隨飽和溫度逐漸下降。在t=105 s時，出口溫度維持在280 ℃，而后由于自動卸壓系統(tǒng)投入，且系統(tǒng)卸壓有利于安注注入，出口溫度繼續(xù)下降，低壓安注系統(tǒng)啟動后，對堆芯模擬體起到了明顯的冷卻作用，至2 000 s時，堆芯模擬體出口已有6 ℃的過冷度。

圖7 堆芯模擬體溫度和壓力時程

3.5 長期再循環(huán)性能

在破口發(fā)生后約7.5 h，系統(tǒng)運(yùn)行進(jìn)入長期再循環(huán)階段。長期再循環(huán)階段的系統(tǒng)流量變化如圖8所示。由于長期再循環(huán)通過堆坑取水，主要滿足事故后長期運(yùn)行階段堆芯衰變熱的導(dǎo)出，因此在長期再循環(huán)建立初期系統(tǒng)流量略有波動，之后趨于穩(wěn)定，約為90 kg/h。

圖8 長期再循環(huán)流量時程

4 結(jié)論

1) DVI管線14 mm破口LOCA條件下，由于破口側(cè)DVI管線失水，注入管線壓力快速下降，破口側(cè)的ACC先啟動，在系統(tǒng)壓力降低到12 MPa時CMT注入管線隔離閥開啟，CMT與破口側(cè)DVI注入管線連通，使得ACC與DVI接管位置壓力升高，減緩了ACC排空速度。完好側(cè)的CMT先于ACC啟動，在ACC啟動時，CMT注入受到抑制，在ACC注入完成后，CMT注入再次恢復(fù)。

2) 低壓安注系統(tǒng)啟動前，堆芯模擬體出口溫度逐漸下降，但接近飽和溫度，堆芯模擬體進(jìn)口溫度大多存在至少5 ℃的過冷度，低壓安注系統(tǒng)啟動后，對堆芯模擬體產(chǎn)生明顯的冷卻效果，堆芯模擬體出口溫度亦逐漸出現(xiàn)明顯的過冷度。

3) 發(fā)生LOCA后，高壓安注系統(tǒng)能在卸壓全過程通過非能動方式為系統(tǒng)提供冷卻劑注入，中壓安注系統(tǒng)能在系統(tǒng)壓力下降到6 MPa后的較短時間為系統(tǒng)提供大流量的冷卻劑注入，在系統(tǒng)充分卸壓后低壓安注系統(tǒng)可提供長時間的較低流量冷卻劑注入，通過高壓、中壓和低壓安注系統(tǒng)配合運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)LOCA后全程均有冷卻劑注入壓力容器冷卻堆芯。

4) DVI管線破口LOCA發(fā)生7.5 h內(nèi)，能啟動并形成較為穩(wěn)定的長期再循環(huán)流動，持續(xù)導(dǎo)出堆芯衰變熱，確保一回路系統(tǒng)溫度和壓力不再升高。