高位排氣系統(tǒng)運(yùn)行瞬態(tài)壓力載荷分析

武鈴珺 等

摘 要：為進(jìn)一步提高核電廠的安全性，并滿足法規(guī)對嚴(yán)重事故緩解措施的要求，消除事故過程中大量積聚在反應(yīng)堆壓力容器頂部的不可凝結(jié)氣體對機(jī)組安全造成的重大威脅，我國自主研發(fā)的百萬千瓦級壓水式反應(yīng)堆在壓力容器頂部增設(shè)了排放閥門，在事故中通過此路徑將大量積聚在反應(yīng)堆頂部的不可凝結(jié)氣體排出，這個系統(tǒng)即為高位排氣系統(tǒng)。該文通過程序模擬，分析了高位排氣系統(tǒng)在運(yùn)行過程中可能經(jīng)歷的壓力載荷。計算結(jié)果顯示在所分析的工況中，高位排氣系統(tǒng)可能經(jīng)歷的過程包括氣體到氣體、氣體到液體的排放，但總體壓力載荷沖擊幅度不大，不會對系統(tǒng)造成額外風(fēng)險。

關(guān)鍵詞：高位排氣系統(tǒng) 不可凝氣體 氫氣 壓力載荷

中圖分類號：TK47 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）08（a）-0051-04

Analysis the Pressure Change During the High Point Vent System Running Transient

Wu Lingjun Zou Zhiqiang Zhu Dahuan Deng Jian

（Nuclear Power Design and Research Institute of China，Chengdu Sichuan，610213，China）

Abstract：For the purpose that improve the safety of Nuclear Power Plant and meet the law request for severe accident mitigation measure，then avoid inadequate core cooling or impaired natural circulation resulting from the accumulation of non-condensable gases in the Reactor vessel head，the High Point Vent System is designed of 1000 MWe Nuclear Power Plant which is independence projected of China.The basic function of this system is to remove non-condensable gases or steam from the reactor vessel head.This paper will discuss the pressure change during of the high point vent system running transient state by code calculate.The results show that the pressure change is not a main risk for this system.

Key Words：High point vent system； Non-condensable gas； Hydrogen； Pressure change

在三哩島事故（TMI-2）中，反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)內(nèi)產(chǎn)生的氫氣氣泡在壓力容器頂部等位置積聚，阻礙了冷卻劑流動，從而影響了堆芯的冷卻效果。基于以上原因，美國修訂并出臺規(guī)定（10 CFR 50.44修訂、50.46a），要求所有電廠需“提供不可凝氣體從反應(yīng)堆高位排放的能力以及其它為維持足夠堆芯冷卻要求的系統(tǒng)?！盵1]用以事故中排出積聚在一回路高位處的不可凝氣體（主要是氫氣）。

在我國自主研發(fā)的百萬千瓦級壓水式反應(yīng)堆上也增設(shè)了高位排氣系統(tǒng)，通過此系統(tǒng)在事故過程中將大量積聚在壓力容器頂部的不可凝結(jié)氣體排出，保持反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)唯一汽水界面。高位排氣系統(tǒng)包括連接到反應(yīng)堆壓力容器頂部的兩列平行管線。每列包括兩個串聯(lián)的排放閥。系統(tǒng)管路上設(shè)置有一個限流孔板，其目的是為滿足SRP5.4.12中限制LOCA風(fēng)險要求。系統(tǒng)簡化流程示意圖如圖1。

系統(tǒng)運(yùn)行為任意一列閥門打開，將可能積累在壓力容器頂部的不可凝氣體排出，在完成排氣后，將由操作員根據(jù)規(guī)程手動關(guān)閉閥門。高位排氣系統(tǒng)在運(yùn)行過程中產(chǎn)生的一系列熱工瞬態(tài)可能存在劇烈的壓力變化，導(dǎo)致管道、構(gòu)件等經(jīng)歷大的載荷。對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)完整性的評價要求定義這些載荷。該文將對系統(tǒng)在運(yùn)行過程中受到的壓力載荷進(jìn)行分析。

1 壓力載荷分析方法

RELAP5[2]計算程序，是在美國核管會（USNRC）支持下由阿貢國家實(shí)驗(yàn)室（INEL）開發(fā)的，可以用于核反應(yīng)堆事故瞬態(tài)分析的高度通用性的程序。可以模擬包含蒸汽-水-不凝性氣體的流體混合物的各種熱工水力瞬態(tài)。為研究高位排氣系統(tǒng)在運(yùn)行過程中可能經(jīng)歷的壓力載荷，將應(yīng)用RELAP5程序，對反應(yīng)堆及高位排氣系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)的建模，進(jìn)而分析具體的事故瞬態(tài)過程。具體模型節(jié)點(diǎn)劃分如圖2和圖3所示。

2 設(shè)計容量標(biāo)準(zhǔn)對應(yīng)工況的壓力載荷分析

高位排氣系統(tǒng)容量需求的驗(yàn)收準(zhǔn)則是：在反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)設(shè)計壓力和溫度下，排氣系統(tǒng)能夠通過并聯(lián)的兩列路徑中的任意一列在1小時內(nèi)排放相當(dāng)于反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)一半容積的不可凝氣體。驗(yàn)收準(zhǔn)則中對排放容量及壓力、溫度均做了要求，在此設(shè)計容量標(biāo)準(zhǔn)對應(yīng)工況的初始條件下排放氫氣，模擬高位排氣系統(tǒng)運(yùn)行（排放閥門的設(shè)計開啟時間為2 s），分析高位排氣系統(tǒng)管道內(nèi)不同初始介質(zhì)情況下，限流孔板及排放閥門處經(jīng)歷的壓力載荷，結(jié)果如表1所示。

可壓縮流體在管內(nèi)的最大流速受到氣體聲速的限制，即在管路系統(tǒng)某一位置可能發(fā)生臨界流。在管路系統(tǒng)中，隨著流體壓力的下降，氣體在管內(nèi)流速增加，當(dāng)下游的壓力足夠低時，流體在管子內(nèi)某一位置達(dá)到聲速流動，達(dá)到聲速流動后，下游的壓力進(jìn)一步降低不再影響上游的流速，及在系統(tǒng)中存在一達(dá)到臨界流的極限壓降。由設(shè)計方案可知高位排氣系統(tǒng)總的阻力系數(shù)為： K總=68.15，此阻力系數(shù)對應(yīng)的極限壓降為：15.56 MPa。表1中高位排氣系統(tǒng)入口壓力為17.23 MPa，出口壓力為安全殼內(nèi)氣體壓力0.1 MPa，很顯然出入口壓差大于極限壓降，也就是說高位排氣系統(tǒng)在此工況運(yùn)行過程中達(dá)到了臨界流。因此在系統(tǒng)運(yùn)行后達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時，管道中某一位置的平衡壓力由系統(tǒng)各部分的阻力分配決定，如表1所示，雖然排放管道內(nèi)初始介質(zhì)不同，但當(dāng)達(dá)到穩(wěn)定的排放狀態(tài)時，限流孔板處及排放閥門處的平衡態(tài)壓力是固定的。

從表1可以看出，初始排氣管道內(nèi)介質(zhì)與所排放介質(zhì)（氫氣）密度越接近，在排放過程中所經(jīng)歷的壓力載荷變化越平緩，當(dāng)排氣管道內(nèi)介質(zhì)密度與排入氣體密度存在較大差異時壓力會產(chǎn)生波動，達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)所需經(jīng)歷的時間也更長。在排放管道內(nèi)初始介質(zhì)為水蒸汽的情況下，設(shè)計容量標(biāo)準(zhǔn)對應(yīng)工況中排放閥門處所經(jīng)歷的壓力載荷變化最大為6.28 MPa/2.23 s，此載荷變化在排放閥門可承受范圍內(nèi)，不會增加系統(tǒng)運(yùn)行風(fēng)險。

3 事故進(jìn)程中高位排氣系統(tǒng)可能經(jīng)歷的壓力載荷

高位排氣系統(tǒng)的設(shè)置目的為在事故進(jìn)程中排放可能積聚在壓力容器頂部的不可凝氣體，不可凝氣體的主要來源為氫氣。氫氣在事故進(jìn)程中產(chǎn)生的模式有三種：（1）水的輻照分解以及結(jié)構(gòu)材料的氧化等；（2）堆芯燃料在事故過程中發(fā)生鋯水反應(yīng)；（3）壓力容器失效后堆芯熔融物和混凝土相互作用（MCCI）。其中水輻照分解產(chǎn)氫量較少，不會形成雙汽水界面甚至影響自然循環(huán)的氣封現(xiàn)象，而MCCI過程中產(chǎn)氫不是高位排氣系統(tǒng)處置范圍，因此僅關(guān)注鋯水反應(yīng)產(chǎn)生的氫氣的排放問題。鋯水反應(yīng)產(chǎn)生大量氫氣，且形成雙水汽界面從而影響自然循環(huán)的現(xiàn)象會出現(xiàn)在高壓熔堆事故進(jìn)程中，如三哩島事故。

3.1 高壓熔堆事故序列中高位排氣系統(tǒng)狀態(tài)

選取典型的高壓熔堆嚴(yán)重事故序列“SG給水全部喪失疊加全廠斷電”，不考慮任何操縱員干預(yù)動作，分析事故進(jìn)程中高位排氣系統(tǒng)管道所處狀態(tài)。

典型高壓熔堆事故序列分析結(jié)果中壓力容器內(nèi)水位及高位排氣系統(tǒng)管道內(nèi)含氣率，如圖4所示。從圖中可知，在壓力容器內(nèi)水位開始下降后，高位排氣系統(tǒng)管道內(nèi)的水開始向外蒸發(fā)，堆芯裸露后鋯水反應(yīng)才會大面積發(fā)生，此時高位排氣系統(tǒng)管道內(nèi)限流孔板上游的水將全部蒸干，但由于管道的尺寸和限流孔板的作用，限流孔板下游無法全部蒸干，最終會留有約20%的水實(shí)體。

3.2 事故進(jìn)程中高位排氣系統(tǒng)運(yùn)行可能經(jīng)歷的壓力載荷

根據(jù)典型高壓熔堆嚴(yán)重事故序列分析結(jié)果，按照事故進(jìn)程中鋯水反應(yīng)發(fā)生時高位排氣系統(tǒng)管道內(nèi)氣體含量的初始條件，分析高位排氣系統(tǒng)運(yùn)行過程中，不同排放壓力、氫氣含量初始狀態(tài)下可能經(jīng)歷的壓力載荷。

事故進(jìn)程中，一回路壓力受穩(wěn)壓器安全閥控制，可能的初始排放壓力包括穩(wěn)壓器安全閥的整定壓力17.2 MPa、17.0 MPa、16.6 MPa（三種情況均超過極限壓降，因此僅選取最大值進(jìn)行分析），以及更低的壓力，例如15.5 MPa，或者與SG二次側(cè)安全閥運(yùn)行相平衡的壓力8.6 MPa；系統(tǒng)運(yùn)行時所排放介質(zhì)也存在多種可能，例如氫氣、氫氣和水蒸汽的混合氣體（50%）或者水蒸汽。高位排氣系統(tǒng)管道內(nèi)初始介質(zhì)為水蒸汽和氫氣的混合，其具體成分按照事故進(jìn)程計算結(jié)果設(shè)置。在各種可能的事故狀態(tài)中高位排氣系統(tǒng)所要經(jīng)歷的壓力載荷如表2所示。

表2的分析結(jié)果與表1一致，且高位排放閥門開啟前壓力容器內(nèi)壓力越高，壓力載荷沖擊幅度越大。在初始排放壓力為17.2 MPa排放介質(zhì)為純氫氣的情況下，高位排氣系統(tǒng)所經(jīng)歷的壓力載荷變化最大，為3.78 MPa/0.24 s，此載荷變化在高位排放閥門可承受范圍內(nèi)，不會增加系統(tǒng)運(yùn)行風(fēng)險。

3.3 排放氮?dú)獾膲毫d荷

不可凝氣體的積聚也包括氮?dú)?，氮?dú)膺M(jìn)入壓力容器內(nèi)的情況最可能出現(xiàn)在安注箱排空后，此時很可能氫氣已經(jīng)被排放，高位排氣系統(tǒng)管道內(nèi)充滿水蒸汽狀態(tài)，此種情況下排放氮?dú)猓瑝毫θ萜鲀?nèi)壓力在安注箱注入壓力以下，從表2的趨勢推斷，其壓力載荷變化將在排放閥門可承受范圍內(nèi)，不會增加系統(tǒng)運(yùn)行風(fēng)險。

3.4 高位排氣系統(tǒng)經(jīng)歷由排氣到排水的壓力載荷

在高位排放系統(tǒng)運(yùn)行一段時間后，可能存在兩種結(jié)果：一種是事故進(jìn)程已得到良好控制，但壓力容器內(nèi)水位并未上升到壓力容器頂部，此時關(guān)閉高位排放閥門壓力載荷不會發(fā)生大變化；另一種情況是在排放閥門開啟后一段時間，壓力容器內(nèi)水位上升到滿溢狀態(tài)，理論上，閥門在水進(jìn)入高位排氣系統(tǒng)管道之前應(yīng)關(guān)閉。但實(shí)際上，由于在排氣期間無法精確的判斷壓力容器內(nèi)水位，水也有可能通過高位排氣系統(tǒng)管道排出。此種情況下高位排氣系統(tǒng)將會經(jīng)歷排氣/汽到排水的過程，應(yīng)對此過程中壓力載荷進(jìn)行分析。

根據(jù)事故進(jìn)程的可能性首先設(shè)定排水前壓力容器內(nèi)壓力為16.6 MPa，水溫為飽和態(tài)。此時高位排氣系統(tǒng)已穩(wěn)定運(yùn)行10 s，限流孔板處及排放閥門處壓力分別為16.1 MPa和12.1 MPa，在水排入到高位排氣系統(tǒng)管道內(nèi)之前，管道內(nèi)介質(zhì)存在多種可能，例如氫氣、氫氣和水蒸汽的混合氣體（50%）或者水蒸汽。對高位排氣系統(tǒng)可能經(jīng)歷的排氣/汽到排水過程的分析結(jié)果如表3所示。

在表3所分析工況中，如果氫氣排放后緊接著水實(shí)體排入高位排氣系統(tǒng)管線，會在限流孔板處發(fā)生壓力的震蕩。排放初始限流孔板處排放氫氣壓力（16.1 MPa）與壓力容器內(nèi)壓力（16.6 MPa）相差無幾。水的密度遠(yuǎn)高于氫氣的密度，當(dāng)水實(shí)體推進(jìn)到限流孔板的位置，流動將受到限流孔板的限制而減速，此種情況下限流孔板下游壓力為12.1 MPa，則通過限流孔板的水將會閃蒸為汽水混合物，壓力瞬間上升。之后，汽水混合物在管道內(nèi)向前推進(jìn)，其密度相較于氫氣差別仍然很大，因此與氫氣的推進(jìn)將產(chǎn)生速度差，進(jìn)而使得壓力下降。從排氫氣到排水的過程中，在限流孔板處的壓力載荷正向?yàn)?.88 MPa/0.008 s，反向?yàn)?.12 MPa/0.07 s，仍在排放閥門可承受范圍內(nèi)，不會增加系統(tǒng)運(yùn)行風(fēng)險。

4 結(jié)語

該文通過程序模擬，分析了高位排氣系統(tǒng)在運(yùn)行過程中可能經(jīng)歷的不同工況狀態(tài)下的壓力載荷，包括管道內(nèi)不同初始介質(zhì)、不同排放壓力和排放不同成分介質(zhì)等多種工況的組合。計算結(jié)果顯示在所分析的工況中，高位排氣系統(tǒng)可能經(jīng)歷的過程包括氣體到氣體、氣體到液體的排放，但總體壓力載荷沖擊幅度不大，在系統(tǒng)可承受范圍內(nèi)，不會增加系統(tǒng)運(yùn)行風(fēng)險。

參考文獻(xiàn)

[1]U.S.NRC.“Acceptance Criteria for Reactor Coolant System Venting Systems”.10 CFR 50.46a，2003.

[2]U.S.NRC.RELAP5/MOD3 Code Manual.NUREG/CR-4312，1998.

[3]U.S.NRC.“Follow up Actions resulting from the NRC Staff Reviews Regarding the Three Mile Island Unit 2 Accident”，1979.

[4]U.S.NRC.“Clarification of TMI Action Plan Requirements： II.B.1，Reactor Coolant System Vents”.NUREG-0737，1980.

[5]A.F.Akselrod， T.C.Esselman.“Transient Thermal-hydraulic Analysis of the Reactor Vessel Head Vent System”.Elsevier Science Publishers B.V，1993.