張亞東，楊 笑，郭 玥，王占文，岳芷莛

（中國原子能科學(xué)研究院，北京 102413）

49-2游泳池式反應(yīng)堆一回路非能動(dòng)破壞虹吸功能的建立

張亞東，楊 笑，郭 玥，王占文，岳芷莛

（中國原子能科學(xué)研究院，北京 102413）

2013年49-2游泳池式反應(yīng)堆增加了一回路非能動(dòng)破壞虹吸功能，以彌補(bǔ)手動(dòng)破壞虹吸閥門在特殊情況下不能打開的不足。在改造前，分別計(jì)算了在不同孔徑的虹吸破壞孔下一回路正常運(yùn)行時(shí)的漏流和事故情況下虹吸破壞能力。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，在堆水池內(nèi)一次水管道6.5m高處打了一個(gè)1.6cm直徑的孔作為非能動(dòng)破壞虹吸孔。驗(yàn)證表明，新增的非能動(dòng)破壞虹吸孔即不影響反應(yīng)堆的正常運(yùn)行，也具備了破壞虹吸的功能。

49-2游泳池式反應(yīng)堆；一回路；非能動(dòng)破壞虹吸

49-2游泳池式反應(yīng)堆是一座用輕水冷卻、慢化的工程材料考驗(yàn)堆。堆水池為一鋁質(zhì)水池，底面長4.5 m，中間寬2 m，兩端為半圓形，底面積為8.14 m2，高7.88 m［1］。圖1給出了反應(yīng)堆一回路簡圖。

為了防止一次水管道破裂引起堆水池大量失水，一次水管線都在6.9m處繞了一個(gè) “幾”字型彎，這帶來了在一次水管道破裂時(shí)的虹吸問題［1］。在一次水管道斷裂時(shí)能否破壞虹吸對(duì)49-2堆的堆芯安全非常重要。因49-2堆是從堆芯下部抽水，所以一次水出水管道的虹吸破壞對(duì)49 -2堆的安全尤為重要。由于一次水進(jìn)水管道口在標(biāo)高3.26 m的位置，且標(biāo)高3.26 m至4.71 m為網(wǎng)篩結(jié)構(gòu)，故進(jìn)水管斷裂時(shí)不會(huì)由于虹吸造成堆芯裸露。

49-2堆一次水進(jìn)出水管道最高處原設(shè)有兩個(gè)手動(dòng)破壞虹吸閥門［1］。在一般的應(yīng)急情況下，手動(dòng)打開破壞虹吸閥門是可以實(shí)現(xiàn)的。但在強(qiáng)地震導(dǎo)致堆廠房頂或堆頂大廳內(nèi)吊車坍塌時(shí)，手動(dòng)破壞虹吸閥門可能無法打開。另外，在堆芯或輻照裝置損壞等情況下，堆頂大廳劑量水平可能很高，以致工作人員不能進(jìn)入堆頂大廳去打開手動(dòng)破壞虹吸閥門。

目前，非能動(dòng)技術(shù)已在先進(jìn)反應(yīng)堆的各主要安全系統(tǒng)中普遍應(yīng)用，是保障先進(jìn)反應(yīng)堆固有安全性的重要手段［2］。為此，49-2堆需要增加非能動(dòng)破壞一次水虹吸的能力。該功能的增加是2012年1月20日國家核安全局批準(zhǔn)49-2游泳池反應(yīng)堆繼續(xù)運(yùn)行的許可證條件。

1　不同虹吸孔孔徑下虹吸孔旁路流和事故下虹吸破壞能力的計(jì)算

1.1非能動(dòng)虹吸破壞孔高度的選擇

49-2堆正常運(yùn)行時(shí)堆水池水位為7.15 m～7.25 m，低水位警告信號(hào)設(shè)定值為7.15 m，低水位事故停堆信號(hào)值設(shè)定為6.88 m，由二回路向堆水池應(yīng)急補(bǔ)水的水位設(shè)定值是4.88 m。非能動(dòng)虹吸破壞孔應(yīng)設(shè)置在6.88 m至4.88m之間。為防止虹吸結(jié)束后堆芯淹沒較淺或不能淹沒，虹吸孔不能設(shè)置較低。由于一次水管道彎段焊縫多，打孔的震動(dòng)會(huì)影響焊縫的完整，所以虹吸孔的設(shè)置需避開彎段，不能設(shè)置過高。因此，選定非能動(dòng)破壞虹吸孔高度為6.50m。

1.2計(jì)算程序及建模

49-2堆正常運(yùn)行時(shí)一回路流量約為277.8 kg·s-1，堆芯進(jìn)出口壓差約為8950 pa。用熱工水力計(jì)算程序relap5對(duì)49-2堆一回路進(jìn)行建模［3，4］。49-2堆節(jié)點(diǎn)圖如圖2所示，其中節(jié)點(diǎn)100指堆芯，160指堆芯之上、虹吸破壞孔之下堆水池，170指虹吸破壞孔之上堆水池，180為游泳池上方大氣空間，1-11為分段的一次水管線，6為虹吸破壞孔，120、130、140分別為連接3臺(tái)主泵的分管段，200、300、400為程序計(jì)算中時(shí)間相關(guān)的控制體。

圖1　49-2游泳池式反應(yīng)堆一回路示意圖Fig.1 Diagrammatic sketch of primary system of 49-2 SPR

圖2　49-2泳池堆節(jié)點(diǎn)圖Fig.2 System nodalization of 49-2 SPR

1.3一回路正常運(yùn)行時(shí)虹吸孔漏流和事故下破壞虹吸能力

本文選取非能動(dòng)虹吸破壞孔直徑分別為1.0 cm、1.5 cm、2 cm，模擬計(jì)算了：一回路正常運(yùn)行情況下下虹吸孔漏流量和漏流率；一回路管道泵前發(fā)生破口為D=265 mm的管道雙端斷裂時(shí)虹吸結(jié)束的時(shí)間及虹吸結(jié)束時(shí)池水淹沒堆頂?shù)母叨?；一回路管道泵前發(fā)生小破口時(shí)虹吸結(jié)束的時(shí)間及虹吸結(jié)束時(shí)池水淹沒堆頂?shù)母叨取樵囼?yàn)驗(yàn)證的方便，泵前小破口采用一次水泵放水螺封的數(shù)據(jù) （直徑16 mm、標(biāo)高0.07 m），池水水位為6.65 m。出于保守考慮，假設(shè)發(fā)生虹吸時(shí)管道內(nèi)無局部阻力。模擬計(jì)算結(jié)果見表1。

1.0cm孔徑的虹吸孔下，大破口失水事故虹吸終止時(shí)堆芯已裸露，不能滿足安全需求；1.5 cm和2.0 cm孔徑的虹吸孔下，大破口失水事故虹吸終止時(shí)堆芯還有水屏蔽，滿足安全要求［3］。

表1　各種孔徑破壞虹吸孔的漏流及事故下虹吸破壞能力Table1 The Leakage flow underthe normal operationand the ability of breaking siphon under the accident for variousaperturesof passive siphon breaker

2　非能動(dòng)破壞虹吸改造的實(shí)施和試驗(yàn)驗(yàn)證

2.1非能動(dòng)破壞虹吸方案實(shí)施

2013年10月，實(shí)施了49-2堆的一次水管線非能動(dòng)破壞虹吸孔增設(shè)方案，及虹吸孔增設(shè)后的功能驗(yàn)證。所增設(shè)的非能動(dòng)破壞虹吸孔中心高度6.50 m，孔徑16 mm。孔徑和高度均符合設(shè)計(jì)要求 （孔中心高度6.5 m，孔徑15±2 mm）。

2.2增設(shè)非能動(dòng)破壞虹吸孔后的虹吸破壞能力計(jì)算

由于增設(shè)的非能動(dòng)破壞虹吸孔的孔徑是16 mm，所以對(duì)16 mm孔徑下的非能動(dòng)破壞虹吸能力又進(jìn)行了計(jì)算，破口尺寸和假設(shè)與2.3節(jié)相同。計(jì)算結(jié)果如圖3及圖4所示。

2.3一次水系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)虹吸孔和堆芯流量測量

49-2堆功率為1 000 kW至滿功率3 500 kW時(shí)兩臺(tái)一次水泵運(yùn)行，堆功率10 kW至1 000 kW時(shí)一臺(tái)一次水泵運(yùn)行。

兩臺(tái)一次水泵運(yùn)行時(shí)，非能動(dòng)虹吸破壞孔實(shí)測最大流量值是 1.79 t·h-1，最小值為1.74 t·h-1，平均值為1.77 t·h-1。堆芯B10柵格流量在24.00～24.34 t·h-1之間。一次水總流量一直維持1000 t·h-1不變。虹吸孔流量占一次水總流量的0.18%。

一臺(tái)一次水泵運(yùn)行時(shí)，虹吸破壞孔實(shí)測最大流量值是1.12t·h-1，最小值為1.07 t·h-1，平均值為1.09 t·h-1。堆芯B10柵格流量在16.20～16.48 t·h-1之間。一次水總流量一直維持600 t·h-1不變。虹吸孔流量占一次水總流量的0.18%。

圖3　1.6 cm非能動(dòng)虹吸破壞孔的大破口失水事故計(jì)算結(jié)果Fig.3 Calculation result of LBLOCA with 1.6 cm of passive siphon breaker diameter

圖4　1.6 cm非能動(dòng)虹吸破壞孔的小破口失水事故計(jì)算結(jié)果Fig.4 Calculation result of SBLOCA with 1.6 cm of passivesiphon breaker diameter

驗(yàn)證表明，一次水系統(tǒng)運(yùn)行正常時(shí)流經(jīng)虹吸破壞孔的流量很小，完全在堆芯漏流的變動(dòng)范圍內(nèi)，不會(huì)對(duì)堆芯流量產(chǎn)生較大影響，不會(huì)影響反應(yīng)堆正常運(yùn)行時(shí)堆芯的冷卻。

2.4泵前小破口下虹吸破壞能力模擬試驗(yàn)

考慮到實(shí)際安全影響和大量一次水排放的后處理負(fù)擔(dān)，對(duì)非能動(dòng)破壞虹吸孔在泵前大破口下的破壞虹吸能力只進(jìn)行程序模擬分析，不再實(shí)際驗(yàn)證。泵前小破口下非能動(dòng)破壞虹吸能力用打開一次水泵甲放水螺封來模擬的方法驗(yàn)證，結(jié)果列于表2。

2.5試驗(yàn)與計(jì)算結(jié)果比較

（1）16 mm直徑非能動(dòng)破壞虹吸孔在發(fā)生小破口失水事故時(shí)虹吸破壞能力的程序計(jì)算結(jié)果是：24.2 min虹吸孔露出水面，45.8 min虹吸終止，虹吸終止時(shí)堆水池水位為6.445 m。實(shí)際測量時(shí)間序列比計(jì)算值推遲很多，這是由于在計(jì)算時(shí)出于保守考慮，沒有考慮管道的局部阻力，即計(jì)算過程中破口處水流量較大，從而導(dǎo)致實(shí)際驗(yàn)證結(jié)果的虹吸結(jié)束時(shí)水位比計(jì)算值要高。

（2）破壞虹吸后堆水池水位比計(jì)算值高，即堆芯淹沒更多，反應(yīng)堆更安全，堆頂部輻射劑量水平更低；

（3）破壞虹吸所需時(shí)間比計(jì)算值長，因此失水情況下有更多時(shí)間應(yīng)急補(bǔ)水。

表2　泵前小破口下非能動(dòng)破壞虹吸能力驗(yàn)證試驗(yàn)時(shí)間序列Table 2 Time series of passive siphon break ability test under small crevasse before pump

3　人員受照劑量控制和放射性廢水排放

破壞虹吸整改期間，在堆水池排水至6 m后，堆頂大廳空間的輻射劑量水平是5～15 μSv·h-1，水面的劑量水平是11～15 μSv·h-1，一次水管道附近的輻射劑量最高。在破壞虹吸整改項(xiàng)目期間，進(jìn)入堆頂大廳和一次水泵房進(jìn)行施工和試驗(yàn)的16名49-2堆工作人員的集體劑量為484μSv，累計(jì)個(gè)人劑量最高為61 μSv。在破壞虹吸整改項(xiàng)目實(shí)施及驗(yàn)證期間向原子能科學(xué)研究院弱放管線排放一次水4.5 t。

4　總結(jié)

在一次水出水管道上增設(shè)的非能動(dòng)破壞虹吸孔是49-2堆重要的虹吸破壞手段，不受動(dòng)力和環(huán)境影響，能保障堆芯安全和堆外輻射安全；試驗(yàn)驗(yàn)證表明，49-2堆正常運(yùn)行時(shí)非能動(dòng)虹吸破壞孔的漏流占一次水總流量的0.18%，在漏流允許范圍內(nèi)，不影響堆芯冷卻；當(dāng)一次水管線發(fā)生各種尺寸的破口時(shí)，能實(shí)現(xiàn)非能動(dòng)破壞虹吸功能；在增設(shè)非能動(dòng)破壞虹吸功能及試驗(yàn)驗(yàn)證的過程中，工作人員受照劑量和放射性流出物排放得到有效控制；手動(dòng)破壞虹吸閥門仍可保留，當(dāng)事故中條件允許時(shí)，還按原事故處理規(guī)程中的打開手動(dòng)破壞虹吸閥門來破壞虹吸。

［1］儲(chǔ)紹初.49-2游泳池反應(yīng)堆 （追溯性）安全分析報(bào)告［R］.北京：中國原子能科學(xué)研究院，1990.

［2］周濤，李精精，琚忠云，等.非能動(dòng)自然循環(huán)技術(shù)的發(fā)展與研究［J］.核安全，2013，12（3）：32-36.

［3］The RELAP5 Code Development Team.ELAP5/MOD3.3 code manual，volumeⅡ，Appendix A：Input requirements［M］. USA：Idaho National Engineering Laboratory，2010.

［4］岳芷廷，宋云鵬，劉興民，等.49-2游泳池式反應(yīng)堆非能動(dòng)破壞虹吸孔方案設(shè)計(jì)及計(jì)算分析［J］.原子能科學(xué)技術(shù)，2014，48（9）：1601-1604.

［5］尤明慶，陳小敏.實(shí)現(xiàn)虹吸過程的條件［J］.焦作工學(xué)院學(xué)報(bào) （自然科學(xué)版），2003，22（6）：487-489.

［6］黃昌蕃，匡波.非能動(dòng)安全系統(tǒng)可靠性評(píng)估方法初步研究［J］.核安全，2012（1）：35-41.

［7］王中堂.加強(qiáng)嚴(yán)重事故研究，提高核電廠安全水平［J］.核安全，2014（1）：1-3.

［8］陳娟，周濤，劉亮，等.非能動(dòng)系統(tǒng)可靠性分析方法比較研究［J］.華電技術(shù)，2013，35（2）：14—17.

［9］王永清，儲(chǔ)紹初，王留貴，等.49.2游泳池反應(yīng)堆幾種假想事故分析［J］.原子能科學(xué)技術(shù)，1990，24（6）：68-72.

［10］周濤，李精精，汝小龍，等.核電機(jī)組非能動(dòng)技術(shù)的應(yīng)用及其發(fā)展［J］.中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2013，33（8）：81一89.

［11］MANGAL A，JAIN V，NAYAK A K.Capability ofthe RELAP 5code to simulate natural circulation behavior in test facilities［J］.Progress in Nuclear Energy，2012，61：1—16.

［12］馮健，賀群武，周擁輝.核電站乏燃料水池冷卻系統(tǒng)虹吸破壞管性能安全分析［J］.原子能科學(xué)技術(shù)，2014，6：997—1003.

［13］王飛，聶常華，黃彥平.穩(wěn)態(tài)自然循環(huán)特性計(jì)算分析［J］.核科學(xué)與工程，2005，25（1）：61—65.

［14］JAFARI J，F(xiàn)RANCESCO D A，HOSSEIN K，et a1.Reliabilityevaluation of a natural circulation system［J］.Nuclear Engineering and Design，2003，22（1）：79-104.

［15］MARQUES M，PIGNATEL J F，SAIGNES P，et a1.Methodologyfor the reliability evaluation of a passive system and its integration into a probabilistic safety assessment［J］.Nuclear Engineering and Design，2005，235：2612-2631.

［16］玉宇，童節(jié)娟，劉濤，等.非能動(dòng)系統(tǒng)可靠性分析方法探討［c］.中國核學(xué)會(huì)2009年學(xué)術(shù)年會(huì)論文集.北京：原子能出版社，2009：56-61.

The Construction of Passive Siphon Breaker for Primary System of 49-2 SPR

ZHANG Yadong，YANG Xiao，GUO Yue，WANG Zhanwen，YUE Zhiting
（China Institute of Atomic Energy，Beijing 102413，China）

The passive siphon breaker function of primary system was built for 49-2 SPR to make up the manual siphon breaker，which cannot be opened under special circumstances，in2013.The Leakage flow through passive siphon breaker hole under the normal operationand the ability of breaking siphon under the accidentfor various apertures of passive siphon breakerswere calculated separately.According to the calculation results，a 1.6 cm diameter hole on the pipe of primary system bored at 6.5 m high is used as passive siphon breaker.Experimental validation showed that the new passive siphon breaker does not affect the normal operation of the reactor，also meet siphon break function.

49-2 SPR；primary system；passive siphon breaker

TL339

A

1672-5360（2016）03-0059-05

2015-09-17

2016-08-22

49-2反應(yīng)堆預(yù)防與糾正性維修項(xiàng)目，項(xiàng)目編號(hào) NO.163207

張亞東（1981—），男，甘肅會(huì)寧人，高級(jí)工程師，碩士，核能科學(xué)與工程，現(xiàn)主要從事反應(yīng)堆的研究工作