華龍一號(hào)非能動(dòng)安全殼冷卻系統(tǒng)對(duì)嚴(yán)重事故后果影響研究

姜舒婷，鄒文重

(中國核電工程有限公司，北京 100840)

在第三代核電系統(tǒng)中，AP1000、華龍一號(hào)等引入了非能動(dòng)系統(tǒng)的概念，提高了電廠的安全性[1-6]。安全殼是縱深防御的最后一道屏障，在事故工況下，安全殼失效可能導(dǎo)致放射性物質(zhì)直接釋放到環(huán)境中，因此必須要保證安全殼在事故工況下的結(jié)構(gòu)完整性。非能動(dòng)安全殼冷卻系統(tǒng)(PCS)因堆型不同采用的冷卻方式也不盡相同[7-11]。華龍一號(hào)采用分離式熱管形式的PCS，能在超設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故工況下導(dǎo)出安全殼內(nèi)熱量，防止安全殼在長期冷卻階段緩慢超壓，從而保證安全殼結(jié)構(gòu)的完整性[12]。中國核電工程有限公司針對(duì)華龍一號(hào)PCS開發(fā)了瞬態(tài)分析程序模塊[13-15]，該程序模塊主要能解決自然循環(huán)情況下?lián)Q熱器熱量計(jì)算、系統(tǒng)各部分的平均溫度、兩相段的長度與出口含氣量及系統(tǒng)阻力計(jì)算等問題。

現(xiàn)有國際主流嚴(yán)重事故一體化分析程序中，沒有專門針對(duì)分離式熱管形式PCS的程序模塊，這使得使用嚴(yán)重事故一體化分析程序?qū)θA龍一號(hào)進(jìn)行事故分析存在不足。本文利用PCS模塊對(duì)嚴(yán)重事故一體化分析程序進(jìn)行二次開發(fā)，將其與嚴(yán)重事故一體化分析程序耦合，研究事故情況下殼內(nèi)溫度、壓力、氣體組分等的響應(yīng)變化。

1 系統(tǒng)簡(jiǎn)介

PCS主要包含殼內(nèi)的換熱器、換熱水箱、置于水箱中的汽水分離器、蒸汽排放裝置，以及連接的管道及管道上的閥門，其原理圖如圖1所示。

圖1 PCS原理圖

華龍一號(hào)的PCS設(shè)置3個(gè)相互獨(dú)立的系列，每個(gè)系列包括1臺(tái)換熱水箱、1臺(tái)導(dǎo)熱水箱以及兩個(gè)換熱系列(每個(gè)換熱系列包括兩臺(tái)換熱器、1臺(tái)汽水分離器、1臺(tái)常開的電動(dòng)隔離閥、兩個(gè)并聯(lián)常關(guān)的電動(dòng)閥)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用非能動(dòng)設(shè)計(jì)理念，利用置于安全殼內(nèi)的換熱器組，通過水蒸氣在換熱器上的冷凝、混合氣體與換熱器之間的對(duì)流和輻射換熱實(shí)現(xiàn)安全殼的冷卻，通過換熱器管內(nèi)水的流動(dòng)，連續(xù)不斷地將安全殼內(nèi)的熱量帶到安全殼外，在安全殼外設(shè)置換熱水箱，利用水的溫度差導(dǎo)致的密度差實(shí)現(xiàn)非能動(dòng)安全殼熱量排出。

2 事故分析流程

嚴(yán)重事故一體化分析程序MAAP是美國電力公司(EPRI)與美國福斯克聯(lián)合公司(FAI)合作開發(fā)的專門用于核電廠嚴(yán)重事故分析的程序。MAAP程序是反應(yīng)堆冷卻系統(tǒng)和安全殼的一體化仿真工具，集成了熱工水力學(xué)計(jì)算及裂變產(chǎn)物釋放和遷移計(jì)算，可模擬嚴(yán)重事故的進(jìn)程現(xiàn)象，從初始事件開始，既可向安全、穩(wěn)定、可冷卻的反應(yīng)堆狀態(tài)發(fā)展，也可向安全殼結(jié)構(gòu)失效最終導(dǎo)致裂變產(chǎn)物向環(huán)境釋放的事故狀態(tài)發(fā)展。但現(xiàn)有的MAAP程序中沒有模擬PCS的計(jì)算模塊，在事故分析中不能反映PCS功能。

中國核電工程有限公司針對(duì)華龍一號(hào)PCS開發(fā)了瞬態(tài)分析程序模塊——PCS模塊，模塊的核心是冷凝模型，其準(zhǔn)確性經(jīng)過驗(yàn)證，計(jì)算結(jié)果與典型試驗(yàn)工況的換熱功率相對(duì)偏差為2.3%，該計(jì)算偏差是可以接受的[13]。

本文利用PCS模塊對(duì)嚴(yán)重事故一體化分析程序進(jìn)行二次開發(fā)，將其與MAAP程序耦合，建立完整的非能動(dòng)安全殼冷卻系統(tǒng)瞬態(tài)計(jì)算模型，用于事故分析。耦合的變量為：程序計(jì)算時(shí)間步長，s；安全殼隔室溫度，K；安全殼隔室蒸汽分壓，Pa；安全殼隔室壓力，Pa；殼內(nèi)氣體成分包括蒸汽、N2、O2、CO、CO2和H2。

耦合程序計(jì)算流程為：一體化程序初始化后，開始進(jìn)行計(jì)算，如果參數(shù)滿足PCS啟動(dòng)條件，則PCS模塊投入計(jì)算，并將計(jì)算的PCS帶走的熱量和冷凝水質(zhì)量(冷凝的蒸汽質(zhì)量)返回一體化程序，得到安全殼內(nèi)的溫度和壓力響應(yīng)變化。此過程隨著事故進(jìn)程循環(huán)反復(fù)。PCS與殼內(nèi)環(huán)境進(jìn)行能量交換，引起殼內(nèi)混合氣體份額、冷凝水質(zhì)量以及溫度壓力的改變。耦合之后的PCS模塊收斂準(zhǔn)則是在當(dāng)前時(shí)間步長中的最大迭代數(shù)內(nèi)(最大迭代步數(shù)為200)回路的節(jié)點(diǎn)溫度殘差≤10-3。如收斂，則隨著一體化程序進(jìn)行下一時(shí)間步長繼續(xù)計(jì)算；如在最大迭代步數(shù)內(nèi)不能收斂，則將時(shí)間步長/2作為一體化程序上一步的時(shí)間步長進(jìn)行重新計(jì)算，如此反復(fù)，直到收斂為止。圖2示出耦合后的瞬態(tài)計(jì)算模型事故分析流程圖。

圖2 事故分析流程圖

3 PCS對(duì)事故后安全殼內(nèi)參數(shù)的影響

3.1 事故序列假設(shè)

利用耦合的計(jì)算程序計(jì)算華龍一號(hào)在有、無PCS情況下安全殼內(nèi)溫度壓力等的響應(yīng)曲線。選擇大破口(LLOCB)工況：1)0 s時(shí)刻發(fā)生熱段雙端斷裂大破口事故，疊加全場(chǎng)斷電；2)安注系統(tǒng)失效(安注水箱有效)；3)安全殼噴淋系統(tǒng)失效；4)堆腔注水系統(tǒng)失效；5)PCS有效。

3.2 計(jì)算結(jié)果與分析

3.2.1安全殼上部空間溫度 圖3示出安全殼上部空間溫度的變化。由圖3可見，在事故初始，主回路噴放的蒸汽進(jìn)入安全殼上部空間，殼內(nèi)大氣溫度迅速升高，并達(dá)到峰值，約為450 K。隨后主回路內(nèi)的蒸汽噴射量減少，安全殼內(nèi)未熱飽和的熱構(gòu)件(包含水池)繼續(xù)吸收熱量，殼內(nèi)空間的溫度開始迅速下降。隨后堆芯掉入下封頭，下封頭內(nèi)的水被蒸發(fā)形成的蒸汽進(jìn)入到殼內(nèi)造成第2個(gè)溫度峰值，之后溫度又逐漸降低。壓力容器在8 260 s左右破裂，排出的熱量開始進(jìn)入上部空間，殼內(nèi)溫度再次上升。隨著進(jìn)入安全殼上部空間的熱量減少，同時(shí)空間內(nèi)的熱構(gòu)件繼續(xù)吸收熱量，溫度再次逐漸下降。在事故前期，PCS對(duì)安全殼內(nèi)的溫度降低作用有限。有PCS時(shí)，事故進(jìn)行到10 000 s之后，PCS作用使大空間的溫度有明顯降低，在計(jì)算時(shí)間結(jié)束時(shí)，比無PCS的安全殼上部空間溫度低20 K，約為400 K，將溫度控制在設(shè)計(jì)溫度范圍內(nèi)。PCS只是帶走安全殼內(nèi)的熱量，不改變堆的事故進(jìn)程。

圖3 安全殼上部空間溫度的變化

3.2.2安全殼上部空間壓力 圖4示出安全殼上部空間壓力的變化。由圖4可見，在事故初始，蒸汽進(jìn)入上部空間，安全殼內(nèi)壓力迅速升高，并迅速達(dá)到峰值，約為3×105Pa。安全殼內(nèi)熱構(gòu)件(包含水池)冷卻了部分大空間的蒸汽，同時(shí)隨著主回路內(nèi)的蒸汽噴射量減少，空間內(nèi)的壓力開始逐步下降。隨后堆芯掉入下封頭，下封頭內(nèi)的水被蒸發(fā)形成的蒸汽進(jìn)入到殼內(nèi)造成了第2個(gè)壓力峰值，之后安全殼上部空間壓力又逐漸降低。壓力容器在8 260 s左右破裂，堆芯熔融物掉入堆坑，堆坑有水存在，熔融物加熱堆坑的水至飽和，開始產(chǎn)生蒸汽，蒸汽進(jìn)入安全殼上部空間，并造成了安全殼內(nèi)壓力上升。隨著安全殼內(nèi)空間蒸汽的減少，安全殼內(nèi)的壓力開始下降并逐步穩(wěn)定，約為3×105Pa。在事故前期，PCS對(duì)安全殼內(nèi)的壓力降低作用有限。隨后安全殼內(nèi)達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定的壓力約為2.3×105Pa。有無PCS的殼內(nèi)壓力差約為7×104Pa。由于后期PCS冷卻箱的溫度上升，過冷度減小，帶出熱量小于進(jìn)入殼內(nèi)空間的熱量，殼內(nèi)空間壓力又緩慢升高。另外，冷卻水箱溫度不同，PCS對(duì)上部空間壓力影響是不同的，水箱初始溫度越低，上部空間壓力也越低。PCS只是帶走安全殼內(nèi)的熱量，不改變堆事故進(jìn)程。

圖4 安全殼上部空間壓力的變化

3.2.3安全殼上部空間的蒸汽質(zhì)量份額 圖5示出安全殼上部空間蒸汽質(zhì)量份額的變化。由于主回路破口噴放的蒸汽進(jìn)入安全殼上部空間，安全殼上部空間的蒸汽質(zhì)量份額迅速上升，此后由于破口噴放的蒸汽減少，以及大空間內(nèi)熱構(gòu)件(包含水池)的吸熱，蒸汽因冷凝而減少，蒸汽質(zhì)量份額呈下降趨勢(shì)。隨后堆芯掉入下封頭，下封頭內(nèi)的水被蒸發(fā)形成的蒸汽進(jìn)入到殼內(nèi)造成了第2個(gè)蒸汽質(zhì)量份額峰值，此后蒸汽質(zhì)量份額逐步降低。由于熱構(gòu)件及PCS的吸熱及冷凝作用，殼內(nèi)空間的蒸汽持續(xù)減少。在8 260 s左右，壓力容器破損，堆芯熔融物掉入堆坑，堆坑有水存在，熔融物加熱堆坑的水至飽和，開始產(chǎn)生蒸汽，大空間的蒸汽質(zhì)量份額又開始緩慢增加，直到約50 000 s時(shí)，堆坑水被蒸干，大空間的蒸汽質(zhì)量份額逐步達(dá)到穩(wěn)定。由圖5可見，有無PCS的殼內(nèi)大空間平均蒸汽質(zhì)量份額相差0.1。不同的水箱初始溫度對(duì)蒸汽質(zhì)量份額也有一定的影響。

圖5 安全殼上部空間蒸汽質(zhì)量份額的變化

4 結(jié)論

本文將開發(fā)的PCS模塊與一體化程序耦合，利用耦合程序研究了安全殼內(nèi)溫度、壓力和氣體組分在事故工況下的瞬態(tài)響應(yīng)特性，解決了一體化程序?qū)θA龍一號(hào)PCS進(jìn)行事故分析存在不足的問題，對(duì)于華龍一號(hào)的事故分析具有重要意義。同時(shí)，通過計(jì)算得到了PCS對(duì)安全殼內(nèi)溫度、壓力、蒸汽質(zhì)量份額的影響：投入PCS可將安全殼溫度降低約20 K，使溫度控制在設(shè)計(jì)溫度之內(nèi)；有無PCS的壓力差約為7×104Pa；有無PCS的大空間平均蒸汽質(zhì)量份額差值約為0.1。