核電廠無(wú)源啟動(dòng)概率安全分析初步研究

鄒志強(qiáng) 張 明 蔣朱敏 張 航 王小吉

（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

核電廠無(wú)源啟動(dòng)是指反應(yīng)堆在無(wú)外加中子源的條件下，利用核燃料鈾238自發(fā)裂變和（α，n）衰變而不斷自發(fā)釋放的中子作為核反應(yīng)堆的啟動(dòng)中子源，完成反應(yīng)堆啟動(dòng)的技術(shù)。目前，世界上采用反應(yīng)堆無(wú)源啟動(dòng)的主要是CANDU重水堆和俄羅斯研發(fā)的VVER核電廠[1]。在M310型機(jī)組嘗試使用無(wú)外加中子源啟動(dòng)方式是田灣核電5、6號(hào)機(jī)組探索的新啟動(dòng)方式。對(duì)于田灣核電5、6號(hào)機(jī)組來(lái)說(shuō)，無(wú)源啟動(dòng)和有源啟動(dòng)相比，主要的差別在于啟動(dòng)過(guò)程中，堆芯次臨界度較深時(shí)，堆外源量程探測(cè)器無(wú)法測(cè)得有效的計(jì)數(shù)，為此無(wú)源啟動(dòng)在稀釋達(dá)臨界的過(guò)程中采用比有源啟動(dòng)更低的稀釋速率，使得反應(yīng)堆可以安全可控地達(dá)到臨界狀態(tài)。

啟動(dòng)過(guò)程的安全分析主要關(guān)注啟動(dòng)提棒過(guò)程完成后，從一回路含硼冷卻劑開始稀釋、稀釋停止后攪混以及提棒達(dá)臨界的過(guò)程中，不同始發(fā)事件引發(fā)的將反應(yīng)堆加速帶入臨界或超臨界狀態(tài)過(guò)程中的風(fēng)險(xiǎn)。本文從概率安全分析（PSA）的角度對(duì)有無(wú)外加中子源的堆芯臨界過(guò)程中可能存在的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行比較分析，從始發(fā)事件、事件序列以及系統(tǒng)等方面說(shuō)明有無(wú)外加中子源對(duì)啟動(dòng)過(guò)程PSA分析后果的影響。

1 無(wú)源啟動(dòng)對(duì)始發(fā)事件的影響

1.1 啟動(dòng)過(guò)程及時(shí)間窗口

借鑒M310反應(yīng)堆的有源啟動(dòng)臨界程序，田灣5、6號(hào)機(jī)組無(wú)源啟動(dòng)達(dá)臨界的步驟可采用與有源啟動(dòng)類似的過(guò)程，采用“提棒—稀釋”或“提棒—稀釋—提棒”方式：即首先將所有停堆棒組和功率補(bǔ)償棒組提出堆芯，R棒組提至指定棒位。然后經(jīng)大流量快速稀釋和小流量慢速稀釋。當(dāng)?shù)箶?shù)計(jì)數(shù)率達(dá)到規(guī)定值或硼濃度與理論計(jì)算的臨界硼濃度的差值小于預(yù)定值時(shí)，停止稀釋并進(jìn)行一回路硼酸攪混，反應(yīng)堆可能在硼濃度攪混均勻過(guò)程中達(dá)到臨界。如果反應(yīng)堆未達(dá)到臨界，則逐步提出R棒趨近臨界。如果R棒組提至咬量位置堆芯仍未臨界，則將R棒組插回到提棒前的棒位上，重復(fù)小流量稀釋、停止稀釋、攪混、提棒過(guò)程，直到堆芯達(dá)到臨界。

由啟動(dòng)達(dá)臨界的過(guò)程可知，無(wú)源啟動(dòng)和有源啟動(dòng)的差別最有可能是在稀釋速率不同而引起的。稀釋速率不同會(huì)導(dǎo)致硼稀釋所用的時(shí)間不同。硼稀釋所需時(shí)間的事件可用下式進(jìn)行計(jì)算：

其中，t為硼稀釋所需時(shí)間，M為稀釋流量，V為一回路冷卻劑體積，C1為稀釋前的硼濃度，C2為稀釋后的硼濃度。

有無(wú)外加中子源的啟動(dòng)過(guò)程的主要區(qū)別在于規(guī)定的稀釋速率有區(qū)別，假設(shè)有源啟動(dòng)和無(wú)源中規(guī)定的快速稀釋流量均為約20m3/h。當(dāng)達(dá)到小流量稀釋的范圍時(shí)，有源啟動(dòng)的小流量稀釋速率約為6m3/h，無(wú)源自動(dòng)的小流量稀釋速率為5m3/h。

由式（1）可以計(jì)算出田灣5&6號(hào)機(jī)組首次臨界過(guò)程中，無(wú)源啟動(dòng)稀釋達(dá)臨界所需要的時(shí)間預(yù)計(jì)為8.7小時(shí)，假設(shè)攪混和提棒過(guò)程約消耗3個(gè)小時(shí)的時(shí)間，無(wú)源啟動(dòng)過(guò)程總的時(shí)間窗口預(yù)計(jì)為11.7小時(shí)，有源啟動(dòng)達(dá)臨界所需要的時(shí)間預(yù)計(jì)為11.5小時(shí)。由此可見，無(wú)源啟動(dòng)過(guò)程中，由于采用了較小的稀釋流量，導(dǎo)致無(wú)源啟動(dòng)的時(shí)間窗口延長(zhǎng)了0.2小時(shí)。由此可見，無(wú)源啟動(dòng)和有源啟動(dòng)的時(shí)間窗口差距不是很大。在實(shí)際的稀釋過(guò)程中，操作員甚至可以采用相同的稀釋速率進(jìn)行稀釋，這樣計(jì)算的啟動(dòng)時(shí)間窗口則不存在本質(zhì)差別。

1.2 堆芯損壞狀態(tài)的定義

在通常的PSA分析中，堆芯損壞通常指堆芯的燃料棒出現(xiàn)實(shí)質(zhì)性的損壞如因高溫而過(guò)度氧化引起的破損等。在啟動(dòng)過(guò)程PSA分析時(shí)，主要關(guān)注反應(yīng)堆正常啟動(dòng)操作過(guò)程中導(dǎo)致過(guò)度引入正反應(yīng)性的事件發(fā)生后反應(yīng)堆是否能夠成功停堆。因此假設(shè)堆芯損壞定義為：始發(fā)事件導(dǎo)致過(guò)度引入正反應(yīng)性后未能有效終止，反應(yīng)堆發(fā)生超臨界后堆芯未能及時(shí)重返次臨界。無(wú)源啟動(dòng)和有源啟動(dòng)的堆芯損壞狀態(tài)的定義是相同的。

1.3 始發(fā)事件清單的分析過(guò)程

參考同類型電廠的PSA分析始發(fā)事件清單是常用的始發(fā)事件分析方法。田灣5、6號(hào)機(jī)組最終安全分析報(bào)告“核電廠一級(jí)PSA始發(fā)事件清單”作為確定始發(fā)事件的主要方法，在此基礎(chǔ)上結(jié)合工程評(píng)價(jià)來(lái)確定本工程PSA始發(fā)事件。

參考田灣5、6號(hào)機(jī)組的POSB工況（包含啟動(dòng)過(guò)程）下的一級(jí)PSA內(nèi)部事件始發(fā)事件清單，選取對(duì)無(wú)源啟動(dòng)過(guò)程中對(duì)反應(yīng)性引入速率有影響的事件見表1[2]。

表1田灣5、6號(hào)機(jī)組啟動(dòng)PSA的始發(fā)事件篩選（POSB）

基于表1的事件清單，篩選出適用于啟動(dòng)過(guò)程PSA的始發(fā)事件。另外，無(wú)論是無(wú)源啟動(dòng)或是有源啟動(dòng)過(guò)程中都存在發(fā)生極小破口失水事故（LOCA）（破口尺寸小于9.5mm）的可能性，在始發(fā)事件中增加極小LOCA。此外，本文也額外考慮了由于應(yīng)急硼注入系統(tǒng)及反應(yīng)堆化容系統(tǒng)（RCV）硼稀釋引起的失控均勻硼稀釋，即硼稀釋包括了失控均勻硼稀釋和非均勻硼稀釋兩個(gè)子始發(fā)事件。一回路瞬態(tài)主要考慮了會(huì)過(guò)度引入正反應(yīng)性的失控提棒、燃料組件誤裝事件。彈棒事故是由于控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)耐壓殼機(jī)械損壞，導(dǎo)致一回路冷卻劑喪失，RCV注入除鹽水增加，導(dǎo)致正反應(yīng)性引入率增加。

參考一級(jí)PSA內(nèi)部事件始發(fā)事件的頻率以及相關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)，給出啟動(dòng)過(guò)程PSA考慮的始發(fā)事件頻率，始發(fā)事件頻率可以使用如下公式計(jì)算：

其中，為啟動(dòng)過(guò)程始發(fā)事件頻率，

為參考的始發(fā)事件頻率，為啟動(dòng)過(guò)程時(shí)間，參考的始發(fā)事件所在工況的時(shí)間。

可以看出，由于啟動(dòng)時(shí)間窗口的不同，無(wú)源啟動(dòng)PSA分析始發(fā)事件頻率比有源啟動(dòng)PSA分析始發(fā)事件頻率高約2%。始發(fā)事件頻率篩除了頻率小于1E-8的始發(fā)事件類，包括界面LOCA、控制組件彈出和蒸汽管道破裂疊加蒸汽發(fā)生器傳熱管斷裂三類事件。得到啟動(dòng)過(guò)程PSA的始發(fā)事件初步清單。

在確保風(fēng)險(xiǎn)分析的完備性基本得到保證的前提下，需要對(duì)已確定的始發(fā)事件進(jìn)行適當(dāng)?shù)姆纸M，以減少事件樹與故障樹分析的工作量，這是PSA分析的通常做法。無(wú)源啟動(dòng)和有源啟動(dòng)的始發(fā)事件分組沒(méi)有區(qū)別，經(jīng)分組后確定的始發(fā)事件分組詳見表2。

表2 啟動(dòng)PSA的始發(fā)事件分組

2.小LOCA小破口穩(wěn)壓器安全閥破口事故過(guò)程中引入正反應(yīng)性的過(guò)程類似小破口事故，歸并入小LOCA 2根傳熱管斷裂3.極小LOCA極小破口 破口尺寸在同一范圍，事故過(guò)程類似，歸并為極小LOCA 3.不可隔離蒸汽管道破口安全殼內(nèi)大破口安全殼外主蒸汽隔離閥上游處大破口事故特征為不可隔離的蒸汽管道破口，歸并為不可隔離的蒸汽管道破口安全殼內(nèi)小破口 事故被安全殼內(nèi)大破口包絡(luò)5.可隔離蒸汽管道破口安全殼外主蒸汽隔離閥下游處大破口事故特征為可隔離的蒸汽管道破口，歸并為可隔離的蒸汽管道破口安全殼外小破口 事故被安全殼外大破口包絡(luò)6.瞬態(tài)一回路瞬態(tài)二回路瞬態(tài)事故過(guò)程正反應(yīng)性引入率增加的過(guò)程類似失控均勻硼稀釋7.硼稀釋失控非均勻硼稀釋 事故進(jìn)程中正反應(yīng)性引入的過(guò)程與均勻硼稀釋不同

始發(fā)事件的頻率主要根據(jù)一級(jí)PSA內(nèi)部事件始發(fā)事件的頻率經(jīng)過(guò)啟動(dòng)過(guò)程的時(shí)間窗口進(jìn)行折算，由于無(wú)源啟動(dòng)和有源啟動(dòng)的時(shí)間窗口不同，其始發(fā)事件頻率存在差異，無(wú)源啟動(dòng)在確定始發(fā)事件的頻率時(shí)，采用較長(zhǎng)的時(shí)間進(jìn)行折算，本文中無(wú)源啟動(dòng)PSA分析的時(shí)間窗口為11.7小時(shí)，有源啟動(dòng)時(shí)間窗口考慮為11.5小時(shí)。由此折算得到的始發(fā)事件的頻率見表3。

表3 啟動(dòng)PSA的始發(fā)事件頻率

2 無(wú)源啟動(dòng)對(duì)事件序列分析的影響

第1節(jié)始發(fā)事件分析得到了7類始發(fā)事件。本節(jié)分析無(wú)源啟動(dòng)過(guò)程對(duì)啟動(dòng)過(guò)程PSA分析的影響。

在反應(yīng)堆即將達(dá)臨界或更早的時(shí)刻發(fā)生中破口失水事故后，上充流量將自動(dòng)增大，以最大上充速率向一回路注入清水，加大反應(yīng)性引入速率。由于中子注量率較低“穩(wěn)壓器低壓力”停堆信號(hào)閉鎖。安注由“安全殼高壓”信號(hào)或穩(wěn)壓器壓力低觸發(fā)，安注信號(hào)觸發(fā)高壓安注向一回路注入硼水，反應(yīng)堆得以保持次臨界。安注信號(hào)引起停堆信號(hào)，控制棒插入堆芯后，反應(yīng)堆可以保持次臨界狀態(tài)。如果高壓安注未能成功注入，當(dāng)一回路壓力持續(xù)降低到安注箱向反應(yīng)堆注入硼水后，反應(yīng)堆得以保持次臨界。從中LOCA事故的進(jìn)程來(lái)看，無(wú)源啟動(dòng)和有源啟動(dòng)過(guò)程中，事故后的事故進(jìn)程和響應(yīng)并無(wú)區(qū)別，事件樹題頭和成功準(zhǔn)則也無(wú)區(qū)別。

在小破口失水事故發(fā)生時(shí)，初始進(jìn)程與大破口類似，在一回路壓力降低到安注箱投入以前，源量程中子注量率停堆信號(hào)觸發(fā)停堆，此時(shí)控制棒落入堆芯，RCV上充泵的吸入口自動(dòng)切換到換料水箱。小LOCA事故無(wú)源啟動(dòng)和有源啟動(dòng)過(guò)程中的事件樹相同。極小LOCA事故后，安注系統(tǒng)不會(huì)觸發(fā)，由源量程中子注量率停堆信號(hào)觸發(fā)停堆，無(wú)源啟動(dòng)和有源啟動(dòng)過(guò)程中的事件樹相同。

在蒸汽管道破口事故序列分析中，根據(jù)破口是否可以隔離分為兩類。破口隔離后，反應(yīng)堆二次側(cè)冷卻將終止，對(duì)反應(yīng)性的影響也會(huì)終止。如果隔離失敗，則和破口不可隔離的事故進(jìn)程類似，通過(guò)高壓安注注入或安注信號(hào)引起的停堆或者源量程中子注量率停堆信號(hào)觸發(fā)停堆。在此過(guò)程中無(wú)源啟動(dòng)和有源啟動(dòng)過(guò)程中的事件樹也相同。

瞬態(tài)與極小LOCA的事故進(jìn)程類似，無(wú)源啟動(dòng)和有源啟動(dòng)過(guò)程中的事件樹相同。硼稀釋事故主要是指非均勻硼稀釋過(guò)程，如果發(fā)生主泵由于主外電源喪失而停運(yùn)，產(chǎn)生防硼誤稀釋保護(hù)信號(hào)，將RCV上充泵的吸入口自動(dòng)切換到換料水箱，否則只能通過(guò)操縱員識(shí)別事故，并通過(guò)手動(dòng)隔離稀釋源，切換上充泵到換料水箱。在此過(guò)程中無(wú)源啟動(dòng)和有源啟動(dòng)過(guò)程中的事件樹也是相同的。

3 無(wú)源啟動(dòng)對(duì)系統(tǒng)分析的影響

根據(jù)第2節(jié)的事件序列分析，無(wú)源啟動(dòng)和有源啟動(dòng)過(guò)程的事件樹題和成功準(zhǔn)則是相同的。表4給出事件樹題頭的失效準(zhǔn)則。無(wú)源啟動(dòng)和有源啟動(dòng)的失效準(zhǔn)則相同，在反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)、化容系統(tǒng)、安注系統(tǒng)等系統(tǒng)分析時(shí)，無(wú)源啟動(dòng)與有源啟動(dòng)過(guò)程也不存在區(qū)別。

表4 啟動(dòng)過(guò)程事件樹題頭、失效準(zhǔn)則

4 結(jié)論

（1）田灣5、6號(hào)機(jī)組采用無(wú)源啟動(dòng)和有源啟動(dòng)，對(duì)于啟動(dòng)過(guò)程PSA分析來(lái)講，始發(fā)事件清單是相同的，始發(fā)事件頻率的區(qū)別主要表現(xiàn)為啟動(dòng)過(guò)程的時(shí)間窗口導(dǎo)致的差別。

（2）無(wú)源啟動(dòng)和有源啟動(dòng)PSA中的事件序列沒(méi)有區(qū)別。

（3）在系統(tǒng)分析的要求中，無(wú)源啟動(dòng)和有源自動(dòng)對(duì)反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)、化容系統(tǒng)、安注系統(tǒng)等系統(tǒng)分析的要求沒(méi)有區(qū)別。

（4）無(wú)源啟動(dòng)PSA定量化結(jié)果（CD頻率）比有源啟動(dòng)PSA結(jié)果因始發(fā)事件頻率升高而略有增長(zhǎng)，根據(jù)始發(fā)事件頻率的估算，無(wú)源啟動(dòng)PSA的CD頻率增長(zhǎng)約2%，無(wú)源啟動(dòng)和有源啟動(dòng)PSA定量化結(jié)果應(yīng)處于同一量級(jí)的水平。