安全注入的停運分析

信文強 常修猛 方 旭

（中核核電運行管理有限公司，浙江 海鹽 314300）

1 安全注入系統的功能

安全注入系統（RIS），作為CP600壓水堆核電站重要的專設安全設施，在反應堆冷卻劑系統發生失水事故或主蒸汽系統發生管道破裂事故時，通過向堆芯注入完成堆芯應急冷卻功能，保證堆芯湮沒，防止燃料包殼熔化，保持堆芯的幾何形狀和完整性，并向反應堆冷卻劑系統快速注入濃硼溶液，以補償由于不可控地產生蒸汽致使反應堆冷卻劑過冷而引起的容積變化和反應性的增加，從而可以使反應堆迅速安全停堆，并防止反應堆重返臨界。

2 安全注入的必要性分析

對于各類設計基準事故，在僅考慮單一故障準則的基礎上，安全注入系統啟動后，及時準確的停運安全注入，對于某些事故處理就顯得尤為重要。過量的安全注入不但對于事故處理無益，而且很可能將事故引入更加嚴重的工況，破壞核安全屏障，甚至可能導致放射性不可控排放。

各類過量安注的風險分析：

（1）誤安注（事故規程I3.1包含的各類工況）：穩壓器滿水，由于穩壓器壓力的升高而使安全閥連續被頂開，第二道屏障面臨破壞的危險。

（2）蒸汽發生器換熱管破裂：一回路水將故障的蒸汽發生器充滿，進而將其安全閥頂開（有可能液態排放），引起嚴重的放射性對外排放（不可控）。

（3）安全殼內、外主蒸汽管道破裂：故障蒸汽發生器排空后，一回路壓力過高，故障蒸汽發生器的機械應力甚至達到NDTT的限值。

（4）一回路小破口：對于一回路最小的破口，安注流量明顯大于破口漏量，其風險與多余的發注并無兩樣。

（5）一回路中破口和大破口：這是唯一不要求安注停運的事故。因為在整個事故過程中安注都是必要的。

結論：

幾乎所有的事故工況，都面臨安注停運的問題，而且通常在短時間內便要求停運。

下面首先以一回路小破口工況為例，分析一下安注系統停運的條件及準則。

3 安全注入停運的總原則

根據上述各類事故工況的分析，我們可以得到一條安全注入停運的總原則：一旦一回路的水裝量足夠甚至多余，就可以停運安注。如果失水情況惡化可以再啟動安注。

既然一回路的水裝量決定了安注是否過量，那么一回路水裝量如何讀取呢？當然是穩壓器液位，可是穩壓器水位能絕對代表一回路的水裝量嗎？

答案當然是不一定，穩壓器實際水位并不總是能夠代表一回路的水裝量，因為存在主管道內存在蒸汽而在穩壓器內是水的工況。

——在壓力容器頂蓋內部形成汽腔——穩壓器內汽相破口（三里島事故）

如果一回路處于欠飽和工況，也只有在該工況下，穩壓器的水位才能很好地代表一回路的水裝量。因此必須保證一回路流體處于不飽和狀態。

如果要想給出一回路的水裝量，必須有足夠的飽和裕度條件來保證穩壓器水位測量的真實有效性。因此安注的停運準則與穩壓器的水位及飽和裕度相關。

4 關于飽和裕度△Tsatt的兩個關鍵量20℃與40℃

再啟動準則：為保證在一回路單相工況時水裝量并且保證一回路主泵的正常運行，設計計算一個最小的飽和裕度余量，即第一臺高壓安注泵停運后△Tsat回到20℃以下，要求重新啟動之前停運的高壓安注泵，稱之為再啟動的準則。

最小飽和裕度余量是這樣確定的：

（1）4℃的余量是考慮主泵的需要

（2）考慮到不可凝氣體的存在留有6℃的余量

（3）考慮到測量通道的偏差有10℃的余量

第一臺高壓安注泵停運的準則

對于某一給定大小的破口，一回路總是平衡在某一個壓力下（如圖1）

當第一臺安注泵停運以后，安注泵出口壓力的改變會導致平衡壓力的下降（如圖2）

圖2

PA＝2臺高壓安注泵時平衡壓力

PB＝1臺高壓安注泵時平衡壓力

假設該壓力的下降時對應的TRIC不變，則壓力的下降（即兩個壓力對應的飽和溫度下降）可以轉為為△Tsat的變化。通過事故分析計算總結，停運一列安注所引起△Tsat最大的下降是20℃。

允許停運第一臺安注泵的最嚴格準則：△Tsat＞40℃

為了降低該停運條件，我們考慮通過改變之前我們所假設的條件—通過降低TRIC以補償Tsat的下降,以保證△Tsat的裕度不變。

可降低TRIC又會帶來一個新的問題，一回路流體冷卻會帶來收縮，而這種收縮相當于增加了泄露流量，將Q破口的曲線向右移動的一部分。而這部分收縮，造成了穩壓器液位下降，進而使壓力下降，Tsat下降，所以能否通過降低TRIC來補償Tsat的下降，就需要考慮收縮過程中比較TRIC和Tsat的下降大小。

根據上述分析，我們得到了停運第一臺高壓安注泵的結論：

——如果穩壓器是空的，則冷卻收縮所造成的壓力下降是非常快的，我們不允許在停泵的同時還有冷卻。因此停運第一臺高壓安注泵的標準是嚴格要求△Tsat＞40℃。

——如果穩壓器是欠飽和的，由于冷卻使得飽和溫度的下降較TRIC下降得更快，我們也不允許在停泵的同時還有冷卻。因此停運第一臺高壓安注泵的準則也是嚴格要求△Tsat＞40℃。

——如果穩壓器是飽和的，并且穩壓器不會因該瞬態被排空，即穩壓器水位是足夠的。通過事故分析計算，得到穩壓器水位的最低值應定在30%即-2.45m（窄量程），可以考慮將停運第一臺高壓安注泵的條件，放寬到△Tsat＞20℃。

圖3

5 向正常上充工況過渡

向正常上充工況過渡較之停運第一臺安注泵更加敏感，因為在切換過程中，將停止向一回路注水，并且一旦需要再投運安注，就需要更多的操作以及有較大的犯錯誤的風險，因而保持△Tsat＞20℃，并且提高了穩壓器水位值的標準。

圖4

6 安注停運失敗后新的嘗試

若要第二次停運高壓安注泵，必須將△Tsa在原有基礎上再增加10℃，但穩壓器的水位仍可保持不變。

由安注過渡到正常上充工況，必須較第一次停運安注的條件更苛刻一些，即△Tsa增加10℃，NPZR加高1m。

7 其它事故

誤安注

對于誤安注工況下的停運安注條件基本上與一回路小破口工況一致，此外對于此類工況還需考慮到一個特殊問題：而對于隔離高壓注入管線，為避免無硼伴熱系統加熱的管道中，特別是流量平衡閥處的管道中出現硼結晶，需進行徹底沖洗。因此，規定關閉高壓注入管道之前必須達到的條件：

一當安全殼底部大氣溫度≥15℃時，穩壓器水位＞75%；一當安全殼底部大氣溫度＜15℃時，穩壓器水位＞100%。

因為在一般情況下安全殼底部大氣溫度常年在15℃以上，出于保守考慮在安全殼底部大氣溫度低于15℃時，通過穩壓器滿水來避免硼結晶，該條件保證了高壓冷端注入管內的硼濃度低于5260ppm（3℃時結晶）。

主蒸汽管道破裂

當主蒸汽管道破裂后，對一回路的冷卻導致反應性的上升，而安注動作將引入足夠的負反應性來補償。這種冷卻，帶來的是體積的減少而不是水裝量的損失。由于SG破口帶來的冷卻所引起的收縮效應是顯而易見的。因此，在A2.1和A2.2中，安注停運的準則與其它的安注工況是一樣的。

8 總結

本文僅對在單一故障準則下各類安注投入的事故工況中，安注停運的條件進行了定性分析，并結合事故規程的執行，分析了各限制條件的物理意義，因本人知識結構有限，難免有些錯誤之處，敬請斧正。