核電站一回路失水事故分析

1、    核電站一回路失水事故分析    許海峰【摘 要】本文對核電站一回路失水事故（loca事故）的分類及驗收準則進行簡單介紹，主要針對兩種比較典型的loca事故的發(fā)展階段進行詳細介紹，重點描述一回路失水事故發(fā)生后安全系統(tǒng)（ris系統(tǒng)）的動作和堆芯水裝量的變化以及堆芯余熱的導出情況。并對影響loca事故后果的幾個主要因素進行分析，通過堆芯水裝量的變化來判斷燃料包殼的完整性，以此來評價我們核電廠的安全性。【關(guān)鍵詞】loca；等效直徑；破口位置；發(fā)展階段；水裝量0 前言對于核電站來說，限制功率提高的因素不在于中子動力學方面，而在于傳熱學方面的限制，這種限制并

2、不是說在滿功率運行時熱工設(shè)計的裕度不夠，而是指各種設(shè)計基準事故驗收準則的限制。據(jù)統(tǒng)計，壓水堆核電廠中有85%的最大功率受限于大loca事故后燃料包殼溫度不超過1204這個限制條件，還有15%的最大功率受限于全部失流事故中dnbr必須大于某個值的限制，當然，大多數(shù)核電廠是受到兩者的共同限制的。因此，準確地分析loca事故，在保證核電廠有足夠的安全裕度情況下，又可保證核電廠有良好的經(jīng)濟效益。本文就大loca和中l(wèi)oca這兩種比較典型的事故進行分析，并對影響這兩種事故工況的影響因素加以分析，看看它們對loca事故后果的影響。1 loca事故的分類及驗收準則1.1 loca事故的分類：loca事故是依

3、據(jù)一回路破口的等效直徑大小來進行分類的，具體如下：極小破口：等效直徑小于等于9.5mm的破口；小破口：等效直徑在9.5-25mm 之間的破口；中破口：等效直徑在2.5-25cm之間的破口；大破口：等效直徑在25cm以上的破口。1.2 loca事故的驗收準則：（1）事故后包殼溫度峰值不超過1204；（2）事故后包殼總氧化率不超過總厚度的17%；（3）事故后包殼與水反應產(chǎn)生的氫量不超過假想產(chǎn)氫量的1%；（4）事故后堆芯維持可冷卻的形狀；（5）ris系統(tǒng)正常運行后應能保證堆芯的長期冷卻（特別是對一些半衰期較長的核素），并保證堆芯的溫度不超過限值。（1）、（2）準則的目的是為了防止事故后包殼脆化和熔化

4、，從而保證第一道安全屏障的完整性；（3）準則的目的是防止安全殼內(nèi)氫含量達到爆炸濃度，從而保證第三道安全屏障的完整性；（4）、（5）準則是為了保證ris投運后含硼水能重新淹沒并冷卻堆芯，保證有足夠的長期的堆芯冷卻能力。2 中l(wèi)oca事故分析2.1 中l(wèi)oca事故的發(fā)展階段中l(wèi)oca事故指破口等效直徑在2.5-25cm之間的破口，中l(wèi)oca事故發(fā)展一般分為四個階段：第一階段是緩慢噴放階段。過冷液體從破口噴出，系統(tǒng)壓力降低，堆芯的熱量主要通過自然循環(huán)由sg帶走，這個階段sg起到了重要的熱阱功能。第二階段是環(huán)路水封存在階段。隨著一回路系統(tǒng)壓力的降低，漸漸接近二回路的壓力，一、二回路的溫差越來越小，自然

5、循環(huán)逐漸終止；同時由于一回路過渡段水封的存在，堆芯產(chǎn)生蒸汽不能破口噴出。此時一回路的熱量主要通過破口的冷卻劑噴放和sg傳熱管上段的回流冷凝帶走；由于這兩種傳熱方式的效率較低，不足以排出堆芯的衰變熱，上腔室的水開始汽化，蒸汽在上腔室的聚集迫使壓力容器水位快速降低，從而引起堆芯的裸露和包殼快速升溫，這個階段一回路的壓力接近一個恒定值。第三階段是環(huán)路水封清除階段。由于環(huán)路水封清除，上腔室的蒸汽從破口噴出，上腔室的壓力降低，導致下行段的冷卻劑和安注的水涌入堆芯，堆芯水位得到恢復，燃料包殼得到冷卻。由于蒸汽的排熱效率高，堆芯的熱量主要由蒸汽從破口排出，但一回路水裝量沒有明顯的回升。第四階段即長期冷卻階段

6、。由于壓力降低導致的高壓安注流量的增加和安注箱的投運，一回路水裝量明顯上升，堆芯水位也得到恢復。最后低壓安注系統(tǒng)投運，系統(tǒng)轉(zhuǎn)到再循環(huán)工況。2.2 中l(wèi)oca事故影響因素分析2.2.1 破口位置的影響破口位置一般分為冷段、熱段和汽腔破口。對于冷段破口，一回路因冷卻劑的過冷排放而快速降壓，因壓力低停堆停機，二回路壓力上升，一、二回路壓力基本平衡，一回路進入緩慢降壓階段，當水封消除后，一回路降壓恢復，二回路壓力高于一回路壓力；sg逆向傳熱，二回路溫度降低，壓力也隨之降低。壓力容器的水位剛開始由于穩(wěn)壓器的水沒有排完，壓力容器水位基本不變，當壓力降到上腔室飽和壓力時，上腔室冷卻劑閃蒸，壓力容器水位下降；

7、高壓安注投入，由于注入流量較小，不能補償破口損失，但卻使壓力容器水位下降變緩；當穩(wěn)壓器的水排完后，壓力容器水位快速下降；當降到進出口接管平面時，壓力容器水位出現(xiàn)一段穩(wěn)定期；當自然循環(huán)終止，水封出現(xiàn)時，堆芯冷卻劑汽化，壓力容器水位快速降低；水封消除后，堆芯下部冷卻劑和高壓安注的水涌入堆芯，水位開始恢復；此后堆芯冷卻劑蒸發(fā)仍存在，堆芯水位起伏且還有裸露的可能性；安注箱注入后，堆芯水位開始整體上升。包殼溫度包殼溫度在燃料元件裸露時溫度升得很快，直到水封消除，堆芯下部冷卻劑和高壓安注的水涌入堆芯，包殼溫度大幅度下降，堆芯冷卻劑蒸發(fā)引起堆芯再次裸露的話，包殼溫度還要上升，直到安注箱注入。對于熱段破口，由

8、于冷卻劑的排出一般要經(jīng)過堆芯，即有助于堆芯流量的維持，堆芯的冷卻條件較好，因此堆芯不會裸露，包殼也不會升溫。另外熱段冷卻劑溫度較高，所以飽和噴放出現(xiàn)較早，破口流量小，水裝量損失慢，一回路降壓慢一些。對于汽腔破口，由于穩(wěn)壓器中的水是飽和的，一旦降壓飽和水就會沸騰，水中含汽率大量增加會導致穩(wěn)壓器中水位突然上漲，其余現(xiàn)象同熱段破口。由此可以看出，冷段破口最危險。 2.2.2 破口尺寸的影響破口的尺寸越大，一回路降壓越快，水裝量衰減越快，堆芯裸露越早，裸露越深，但停堆、ris等保護動作也越早，事故進程加快，即堆芯裸露深度與裸露時間是一種相互消長的約束。正是這種約束，使之有一個最危險的破口尺寸。2.2.

9、3 主泵運行的影響事故早期，主泵的運行加強sg的輸熱，一回路降壓較快，安全保護動作也較早。主泵運行，提高堆芯下行段的壓力，堆芯水位一直維持較高水平，不出現(xiàn)裸露，因而包殼冷卻較好。主泵運行，加強冷卻劑的攪混，事故后期，冷段破口會增加冷卻劑的流失。3 大loca事故分析3.1 大loca事故的發(fā)展階段大loca事故指破口等效直徑在25cm以上的破口，大loca事故發(fā)展一般也分為四個階段：第一階段為噴放階段。從剛開始的欠熱噴放到后來的飽和噴放，系統(tǒng)的壓力不斷下降，水裝量也不斷下降，堆芯上部裸露，包殼溫度不斷上升，有發(fā)生鋯水反應的可能。第二階段為再充水階段。ris系統(tǒng)將觸發(fā)，安注箱向壓力容器注入含硼水

10、，這將向燃料提供部分冷卻手段，但在初期大量的水變成汽水混合物質(zhì)從破口排出，甚至大量注入的含硼水直接從破口噴出，直至噴放結(jié)束后，大量的水才開始在壓力容器中聚集?？傊@一階段燃料未得到充分的冷卻。第三階段為再淹沒階段。壓力容器中含硼水越來越多，水位開始上漲，由于燃料的表面溫度已經(jīng)達到很高的程度，含硼水剛開始接觸包殼表面時，會發(fā)生池式沸騰，包殼溫度降低后轉(zhuǎn)為泡核沸騰，包殼溫度迅速下降。第四階段為長期堆芯冷卻階段。堆芯全部淹沒后，低壓安注系統(tǒng)從ptr001ba取水注入壓力容器，維持冷卻，當換料水箱的水快用完時，自動轉(zhuǎn)到從地坑取水，通過低壓安注再循環(huán)工況實現(xiàn)堆芯的長期冷卻。3.2 大loca事故影響因

11、素分析3.2.1 破口位置的影響冷段破口會造成較高的危險峰值溫度，因為破口流量與堆芯流量相反，噴放早期冷卻惡化，上腔室壓力高，引起堆芯水位下降，破口流出的冷卻劑溫度低，帶走熱量少，ris注入的水損失較多。熱段破口會造成較高的安全殼峰值壓力。3.2.2 噴放系數(shù)的影響分析表面，并不是噴放系數(shù)越高，包殼表面溫度就越高，包殼表面溫度的大小與噴放結(jié)束時燃料元件貯存的能量多少有很大的關(guān)系。破口大，則事故過程中冷卻劑從正向流向變成反向流動的時間短，惡化冷卻并不嚴重；破口略小一點，流動滯止現(xiàn)象可能更顯著，從而影響噴放早期的元件冷卻，噴放結(jié)束時燃料元件貯存的能量可能更多；而破口再小一點的話，則又會推遲元件裸露

12、的時間，燃料元件貯存的能量又減少了。經(jīng)過計算，cd=0.41，冷段有較高的包殼表面溫度。3.2.3 安注系統(tǒng)的影響1）安注箱壓力的影響安注箱的壓力應與事故進程相適合，一般在噴放結(jié)束后注入堆芯較合適。如果安注箱壓力太高，則在噴放階段可能就排空了，對緩減事故不起作用。2）安注流量的影響一般來說，安注流量越大，事故過程中的包殼峰值溫度越低。但在有些參數(shù)綜合條件下，最大安注流量卻起不利的作用。3.2.4 主泵運行的影響在噴放早期，主泵的運行會導致堆芯再充水現(xiàn)象，對緩減事故有利。接著壓力的降低，導致一回路閃蒸，主泵的運行對事故沒有什么影響，反而會導致主泵的損壞，所以要停運主泵。3.2.5 上封頭溫度的影響上封頭約有10噸冷卻劑，它的溫度的不同對事故進程的影響是不一致的。如果溫度較高（相對于一回路），上封頭的水蒸發(fā)，起到了穩(wěn)壓器的作用，從而使系統(tǒng)壓力降得慢，推遲了安注，而且還會壓迫堆芯水位下降，即越高越嚴重，所以正常運行必須保證上封頭有一定的流量。上封頭冷卻劑溫度不高的話，可以近似認為等于冷段溫度，上