PRHRS隔離閥前后破口事故對非能動堆芯冷卻系統(tǒng)的影響分析

郝博濤，王 楠，鐘 佳，石 洋，房芳芳

(國核華清(北京)核電技術(shù)研發(fā)中心有限公司，北京 102209)

失水事故(LOCA)是壓水堆核電站的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故之一，此類事故可能導(dǎo)致燃料棒損壞，一般把此類事故列為事故工況Ⅲ稀有事故[1]。以CAP1400為代表的第3代核電站采用非能動設(shè)計(jì)理念，采用非能動堆芯冷卻系統(tǒng)(PXS)應(yīng)對核電站事故，保證反應(yīng)堆的安全。為驗(yàn)證CAP1400核電站小破口失水事故(SBLOCA，包括長期冷卻階段)PXS性能，整體試驗(yàn)臺架ACME成功建立[2-3]，并順利完成對不同位置、不同尺寸破口、不同事故疊加等的多種事故工況試驗(yàn)[4-5]，試驗(yàn)結(jié)果對SBLOCA(包括長期冷卻階段)序列[6-7]進(jìn)行完整模擬，并對PXS進(jìn)行了較為全面的評價。

非能動余熱排出系統(tǒng)(PRHRS)是PXS的重要安全設(shè)施[1]，在SBLOCA工況下，主回路冷卻劑泵停轉(zhuǎn)后，一次側(cè)冷卻劑通過PRHRS的自然循環(huán)將堆芯衰變熱載出，并由內(nèi)置換料水箱(IRWST)中的冷卻劑進(jìn)行熱量吸收，達(dá)到對堆芯冷卻的效果[8-9]。在ACME已完成的SBLOCA模擬工況中，通過對比分析了冷管底部1英寸破口、2英寸破口、4英寸破口及8英寸破口試驗(yàn)[4-5]，PRHRS可提供不同程度的自然循環(huán)冷卻效果，其中1英寸破口事故工況自然循環(huán)持續(xù)最為持久。后續(xù)ACME經(jīng)改造后，完成全廠斷電事故模擬工況試驗(yàn)，試驗(yàn)系統(tǒng)經(jīng)歷了主回路升溫、升壓，穩(wěn)壓器安全閥開啟、回座，蒸汽發(fā)生器安全閥開啟、回座，PRHRS投運(yùn)、PRHRS自然循環(huán)建立載出堆芯熱量，最終堆芯功率與PRHRS自然循環(huán)換熱功率平衡，穩(wěn)壓器未出現(xiàn)滿溢，試驗(yàn)事故工況模擬結(jié)束[10]。在全廠斷電事故中期，PRHRS是唯一熱量載出系統(tǒng)，是最為關(guān)鍵的非能動安全設(shè)備[11]。

本文結(jié)合ACME已完成的事故工況[4-5，10]，對PRHRS隔離閥前后破口開展事故工況模擬。

1 ACME及PXS

ACME是以CAP1400作為原型電站，采用1/3高度比和1/94體積比設(shè)計(jì)的PXS整體性能試驗(yàn)臺架[2-3，12]。臺架主回路最高運(yùn)行壓力為9.2 MPa，堆芯最大加熱功率為4.2 MW，用于模擬CAP1400 SBLOCA瞬態(tài)過程[13-14]，詳細(xì)比例參數(shù)[4]列于表1。

表1 ACME比例情況Table 1 Scaling ratio of ACME

ACME系統(tǒng)布置如圖1所示，該系統(tǒng)包括：1) 1臺位于IRWST內(nèi)的PRHRS(本試驗(yàn)事故工況模擬中PRHRS設(shè)備設(shè)置于1/3高度IRWST內(nèi)部，試驗(yàn)中全高IRWST作為安注設(shè)備對堆芯進(jìn)行低壓安注)；2) 非能動安注系統(tǒng)包括2臺堆芯補(bǔ)水箱(CMT)、2臺蓄壓安注箱(ACC)、2臺IRWST，1臺全高度IRWST作為低壓安注設(shè)備，用于模擬原型安全殼內(nèi)主環(huán)路隔間和PXS閥門隔間的兩個地坑儲水罐，另外1臺為1/3高度IRWST，用于安裝PRHRS設(shè)備和自動降壓系統(tǒng)(ADS)1～3噴放的熱量吸收；3) ADS由4級組成，其中1～3級位于穩(wěn)壓器(PZR)頂部，第4級位于熱管段頂部[15]。

圖1 ACME布置Fig.1 Layout of ACME

2 PRHRS隔離閥前后破口事故工況設(shè)置及試驗(yàn)邊界條件

2.1 工況設(shè)置

ACME的PRHRS管線破口分為PRHRS隔離閥前后兩種破口事故工況。對于PRHRS隔離閥前破口事故工況，其破口位置相當(dāng)于由連接在穩(wěn)壓器側(cè)的ADS4管線上引出的PRHRS入口管線上發(fā)生破口，效果與熱管破口相似。對于PRHRS隔離閥后破口事故工況，其破口位置相當(dāng)于由連接到蒸汽發(fā)生器(SG)冷腔室的PRHRS出口管線上發(fā)生破口，效果與穩(wěn)壓器側(cè)冷管破口相似，破口位置如圖2所示。另外設(shè)置一項(xiàng)對比試驗(yàn)工況，為冷管底部破口工況。3種工況為相同破口尺寸SBLOCA工況，SBLOCA進(jìn)程一般分為5個階段：欠熱噴放階段、飽和自然循環(huán)階段、ADS觸發(fā)降壓階段、IRWST安注階段和長期地坑再循環(huán)階段[6]。

圖2 破口位置示意圖Fig.2 Schematic diagram of break location

本文對3種工況下的事故進(jìn)程、主回路降溫降壓效果、非能動安全系統(tǒng)的響應(yīng)過程、安注流量、ADS觸發(fā)時間等關(guān)鍵因素進(jìn)行對比分析。3種工況對比列于表2。

2.2 PRHRS隔離閥前后破口初始條件

試驗(yàn)前首先對試驗(yàn)臺架建立穩(wěn)態(tài)，并完成3種工況下試驗(yàn)初始條件及邊界條件的建立，如表3所列。

表2 3種工況對比Table 2 Comparison of three kinds of conditions

表3 ACME 3種工況的初始條件及邊界條件Table 3 Initial condition and boundary condition of ACME for three kinds of conditions

3 試驗(yàn)結(jié)果對比分析

3.1 工況事故序列

PRHRS隔離閥前后破口事故工況進(jìn)程及設(shè)備觸發(fā)情況列于表4。3個工況首先建立試驗(yàn)前穩(wěn)態(tài)。試驗(yàn)開始后，堆芯進(jìn)入衰變模式，主泵進(jìn)入墮轉(zhuǎn)模式，同時主蒸汽隔離閥關(guān)閉、破口閥開啟、CMT隔離閥開啟、PRHRS隔離閥觸發(fā)開啟。隨著主回路冷卻劑在破口處流失，主回路系統(tǒng)出現(xiàn)明顯降溫、降壓，同時堆芯衰變熱對主回路冷卻劑形成升溫、升壓效應(yīng)。當(dāng)CMT隔離閥開啟后，非能動高壓安注設(shè)備CMT開始安注，冷卻劑通過安注管線進(jìn)入下降段，進(jìn)而進(jìn)入堆芯，形成對堆芯的冷卻效果。在600 s左右CMT液位降至ADS觸發(fā)液位，ADS1觸發(fā)開啟；在設(shè)定的延遲時間后ADS2觸發(fā)開啟，ADS對主系統(tǒng)形成快速降壓，主回路系統(tǒng)壓力降至非能動中壓安注設(shè)備ACC隔離閥開啟壓力。在700 s左右，ACC隔離閥開啟，大量冷卻劑進(jìn)入堆芯，堆芯得到良好冷卻效果。此ACC安注期間ADS2會觸發(fā)開啟，在設(shè)定的延遲時間后，約750 s左右，ADS3觸發(fā)繼續(xù)對主系統(tǒng)降壓。當(dāng)ACC排空后，CMT恢復(fù)安注流量，繼續(xù)向堆芯補(bǔ)水。在1 350 s左右，當(dāng)CMT水位下降至更低的設(shè)定值時，ADS4觸發(fā)開啟，進(jìn)一步加速主回路系統(tǒng)的降壓。ADS4打開的同時，由于ADS4排放管線截面積較大，主回路系統(tǒng)降壓效果顯著，系統(tǒng)壓力迅速降至低壓安注設(shè)備IRWST安注壓頭，IRWST開始安注，堆芯度過液位最低階段，液位逐漸回升。在15 000 s左右，系統(tǒng)進(jìn)入地坑長期冷卻建立，堆芯始終處于良好的冷卻狀態(tài)，試驗(yàn)結(jié)束。在PRHRS隔離閥前后破口事故工況下，PXS得到良好驗(yàn)證，PRHRS隔離閥前后破口事故序列與冷管底部相同尺寸破口事故序列基本一致，主回路系統(tǒng)壓力、堆芯溫度、堆芯液位變化趨勢以及各非能動設(shè)備觸發(fā)時間基本相同，但由于破口位置和部分初始參數(shù)的不同，各關(guān)鍵參數(shù)變化趨勢存在不同程度的差異。

3.2 關(guān)鍵參數(shù)對比分析

1) 主回路系統(tǒng)參數(shù)對比分析

圖3為主回路壓力的變化，表明在試驗(yàn)前期，主回路冷卻劑處于過冷狀態(tài)，蒸汽未大量產(chǎn)生，主回路壓力因冷卻劑喪失快速下降，當(dāng)主泵惰轉(zhuǎn)停止后，3個工況均出現(xiàn)一小的壓力升高，主要由于主泵停轉(zhuǎn)，主回路強(qiáng)迫循環(huán)轉(zhuǎn)為自然循環(huán)，一次側(cè)向二次側(cè)的傳熱降低，如圖4所示二次側(cè)壓力變化，此時加熱棒釋放的熱量主要停留在主回路，堆芯處冷卻劑溫度升高并逐漸產(chǎn)生蒸汽，主回路降壓放緩，此時主回路系統(tǒng)進(jìn)入短暫的壓力平臺期。

表4 3種工況事故序列Table 4 Process of accident for three kinds of conditions

圖3 主回路壓力的變化Fig.3 Change of pressure of main loop

圖4 二次側(cè)壓力的變化Fig.4 Change of pressure of secondary side

3個工況中PRHR-01事故進(jìn)程最快，系統(tǒng)降壓速率也較PRHR-02和PRHR-03工況迅速。在試驗(yàn)初期的破口噴放階段，系統(tǒng)降壓較為緩慢，第一個導(dǎo)致主回路迅速降壓的ADS1觸發(fā)，3個工況ADS1觸發(fā)歸一化時間分別為0.039、0.041、0.044，PRHR-01工況的ADS1觸發(fā)時間最早，這就是PRHR-01工況降壓最迅速的直接原因。觸發(fā)各級ADS的條件是CMT液位，如圖5所示，在ADS1觸發(fā)時，PRHR-01工況最快到達(dá)觸發(fā)液位，PRHR-02工況次之，PRHR-03工況最晚。分析主要原因是破口位置對事故工況進(jìn)程的影響，PRHR-01工況為CMT側(cè)冷管底部5 cm小破口，由于破口位置冷卻劑流失，與冷管相連的壓力平衡管線(PBL)較早由循環(huán)模式進(jìn)入排水模式，安注流量更高，而使PRHR-01工況中CMT液位下降更快，進(jìn)而使該工況下ADS1最早觸發(fā)，試驗(yàn)進(jìn)程也最快。PRHR-02工況破口位置處于PRHRS隔離閥前，破口位置與熱管相連，該位置破口對CMT排水模式影響微小。PRHR-03工況破口位置雖然與冷管相連，但處于穩(wěn)壓器側(cè)，而非CMT側(cè)，同樣影響較弱。

堆芯坍塌液位變化如圖6所示。由圖6可知，試驗(yàn)初期3個工況堆芯坍塌液位變化趨勢較為接近，但在約0.013～0.04時間內(nèi)，PRHR-01和PRHR-03工況存在明顯的液位波動，PRHR-02工況堆芯坍塌液位較為平緩，由于此時直接安注管安注流量即為CMT安注流量，因此該階段堆芯液位與CMT安注流量有直接關(guān)系。由圖5c可知，PRHR-01和PRHR-03工況的CMT安注流量呈現(xiàn)較為明顯的波動性，而PRHR-02工況中CMT安注流量較為平緩。出現(xiàn)液位波動的主要原因是因?yàn)槠瓶谖恢玫挠绊懀河捎赑RHR-02工況破口位置為PRHRS換熱器前，該破口位置管線與熱管相連，而CMT設(shè)備通過PBL與冷管相連，因此該位置破口冷卻劑的流失對CMT流量影響較?。籔RHR-01與PRHR-03工況破口位置管線與冷管相連，CMT設(shè)備同樣由PBL與冷管相連，因此PRHR-01與PRHR-03工況破口位置泄壓對CMT上方形成更為快速的壓力傳導(dǎo)，加快了CMT排水模式的進(jìn)程，相對更高安注流量的排水模式下，進(jìn)入堆芯的冷卻劑更多，而此時堆芯處于過熱狀態(tài)，進(jìn)入的冷卻劑增加，進(jìn)而產(chǎn)氣量增加，堆芯壓力將會有一個瞬時壓力波，這樣會反過來降低CMT安注流量，這樣也就形成了CMT液位波動的現(xiàn)象。

圖5 CMT液位(a)、前期液位(b)和流量(c)的變化Fig.5 Change of liquid level (a), prophase liquid level (b) and flow rate (c) of CMT

圖6 堆芯坍塌液位的變化Fig.6 Change of collapsed liquid level of core

2) PRHRS管線前后參數(shù)對比

PRHRS入口流量和試驗(yàn)前期PRHRS入口流量如圖7所示。由圖7可見：在0～0.1時間內(nèi)，3個工況PRHRS入口流量均有一定波動，但PRHR-02和PRHR-03工況流量波動更小，且流量更高。0～0.04時間范圍內(nèi)，PRHR-02工況流量較PRHR-03的更高，在0.04～0.1時間范圍內(nèi)，PRHR-03工況流量較PRHR-02的更高。此現(xiàn)象表明，PRHRS隔離閥前后破口較冷管底部破口PRHRS流量更高，PRHRS換熱效果更佳，該現(xiàn)象主要由于PRHRS隔離閥前后破口處冷卻劑流失產(chǎn)生的泄壓效果對PRHRS內(nèi)流體流動有促進(jìn)作用，PRHR-02工況中PRHRS換熱器上游流體經(jīng)過破口仍可形成較PRHR-01工況更高的流量，而對PRHR-03工況流量促進(jìn)更為明顯，且持續(xù)時間更長，說明在隔離閥前后處出現(xiàn)破口，對PRHRS換熱效果有更大的促進(jìn)作用。

PRHRS出口流量和試驗(yàn)前期PRHRS出口流量如圖8所示。由圖8可見：出口流量持續(xù)時間同樣在0～0.1時間內(nèi)，后續(xù)無明顯流量顯示，其中PRHR-02工況除前期主泵強(qiáng)迫循環(huán)下有一定流量，后續(xù)幾乎無流量出現(xiàn)，PRHR-01工況出口流量持續(xù)至0.067左右，但流量波動較大；PRHR-03工況出口流量持續(xù)時間最長，至0.1左右，流量較PRHR-02工況也更為穩(wěn)定。該現(xiàn)象表明PRHR-03工況破口處冷卻劑流失促進(jìn)了PRHRS內(nèi)流體流動，強(qiáng)化了PRHRS的換熱效果。結(jié)合圖9中IRWST內(nèi)部流體溫度，3個工況中PRHRS換熱量由高到低為PRHR-03、PRHR-01、PRHR-02。同時由圖6a可知，在試驗(yàn)進(jìn)行至0.1時間后，堆芯坍塌液位PRHR-03工況最高，其余兩工況液位水平相當(dāng)，同樣驗(yàn)證了PRHR-03工況堆芯冷卻效果最佳。

圖7 PRHRS入口流量的變化Fig.7 Change of flow rate of PRHRS inlet

圖8 PRHRS出口流量的變化Fig.8 Change of flow rate of PRHRS outlet

圖9 IRWST內(nèi)部溫度的變化Fig.9 Change of temperature in IRWST

4 結(jié)論

針對整體試驗(yàn)臺架ACME開展的PRHRS隔離閥前后破口及冷管底部破口試驗(yàn)，分析了不同破口位置下的事故進(jìn)程、非能動設(shè)備觸發(fā)情況、主回路壓力變化、PRHRS換熱過程對堆芯冷卻效果的影響，得到如下結(jié)論。

1) ACME開展的PRHRS隔離閥前后破口試驗(yàn)事故進(jìn)程符合典型SBLOCA進(jìn)程，非能動堆芯冷卻系統(tǒng)各部件均正常工作，堆芯活性區(qū)始終處在堆芯混合液位以下，堆芯得到持續(xù)、充分冷卻。

2) 對于SBLOCA，破口位置不同對試驗(yàn)進(jìn)程有一定程度影響，隔離閥前后破口工況下，CMT安注流量波動更明顯，安注流量更低，進(jìn)而使得CMT液位變化緩慢，試驗(yàn)進(jìn)程較冷管破口工況更慢。

3) 3個工況對比表明，隔離閥后破口試驗(yàn)工況PRHRS換熱量最大，堆芯坍塌液位最高，堆芯冷卻效果最佳，而隔離閥前破口試驗(yàn)工況PRHRS換熱量最小。