停堆期間主系統冷態超壓及未預期溫度變化保護操作研究

(中國核電工程有限公司，北京　100840)

先進核電廠運行模式分為6種運行模式，分別為功率運行模式、蒸汽發生器冷卻正常停堆模式、余熱排出系統正常停堆模式、維修停堆模式、換料停堆模式和反應堆完全卸料模式。最后兩個模式下核電廠處于停堆情況能量低。模式5：一回路平均溫度小于90 ℃，壓力小于3.0 MPa，包括正常冷停堆工況、一回路卸壓但封閉維修冷停堆工況、一回路微開維修冷停堆工況、一回路充分打開維修冷停堆工況。模式6：一回路平均溫度小于60 ℃，壓力為大氣壓力，只包括換料停堆工況。

在停堆工況下，安全功能的優先級自高至低如下：堆芯冷卻、熱阱、安全殼(包容放射性)、次臨界、完整性(冷態超壓)、支持系統失效造成的熱阱喪失(反應堆冷卻劑系統RCS未預期加熱)功能恢復。

本文對主系統冷態超壓和未預期溫度變化事故后操縱員的主要操作對一回路的影響進行了研究，并提出一個操作方案。

1　冷態超壓事故和未預期溫度變化事故概述

1.1　冷態超壓

反應堆冷卻劑系統(RCS)的冷態超壓保護功能是余熱排出系統(RHR)實現的。在反應堆冷卻劑系統處于水密實狀態時，由于穩壓器的穩壓功能喪失，處于滿水狀態，質量和能量擾動極易導致系統壓力出現較大波動[1]。如果過快引入質量或能量，將導致系統壓力快速升高。當RCS壓力超過冷態超壓保護限值時，認為發生冷態超壓事故。

1.2　未預期溫度變化

RCS和RHR連接后，RHR系統及其支持系統(設備冷卻水系統WCC、重要廠用水系統WES)的故障可能會造成一回路溫度的異常變化。在冷停堆及以下運行模式下，若發生未預期的溫度變化，并且此時并未執行加熱或冷卻控制操作，則認為發生了未預期溫度變化事故。

在一回路冷卻劑系統得到冷卻后，造成冷卻劑系統溫度發生未預期的變化的情況主要是余熱排出系統或其支持系統的故障。

2　典型瞬態分析

2.1　程序模型

本文計算使用RELAP5程序。RELAP5程序是美國愛達荷國家工程實驗室(Idaho National Engineering Laboratory，INEL)于20世紀80年代逐漸開發，專門用于核電廠事故分析的大型熱工水力最佳估算程序，可用于事故瞬態和失水事故(LOCA)的計算分析，是目前最常用的核電廠系統熱工水力分析程序之一。本文計算模型中包括一回路冷卻劑系統及RHR系統，見圖1。

圖1　一回路及RHR系統模型示意圖Fig.1　Sketch of the primary system and RHR system

2.2　冷態超壓事故及緩解措施分析

停運主泵及下泄降時引起冷態超壓的事故分別為主泵誤開啟(工況1)和上充誤開啟(工況2)。

計算初始與假設條件如表1。工況計算結果見圖2至圖5。

表1　冷態超壓工況初始條件Table 1　Initial Conditions for Cold Overpressure

圖2　工況1.1主泵流量Fig.2　Flow rate of RCPs in Case1.1

圖3　工況1.1安全閥壓力Fig.3　Pressure of the RHR safety valve in Case1.1

圖4　工況1.1-1.5一回路壓力Fig.4　Pressure of the primary circuit in Case1.1-1.5

圖5　工況2.1-2.5一回路壓力Fig.5　Pressure of the primary circuit in Case2.1-2.5

以下統稱工況1，時間窗口見表2。工況1.1：在穩定的停堆情況下，2號主泵誤啟動，由于RHR接入一回路系統，通過RHR安全閥降低一回路壓力。工況1.2：在一回路壓力到達3.4 MPa時關閉誤啟動的2號主泵。工況1.3：在一回路壓力到達3.4 MPa時關閉所有主泵。工況1.4：在一回路壓力到達3.4 MPa時關閉所有主泵，且開啟過剩下泄，在一回路壓力到達2.8 MPa后關閉過剩下泄。工況1.5：在一回路壓力到達3.4 MPa時關閉所有主泵，且開啟正常下泄，在一回路壓力到達2.8 MPa后關閉正常下泄。

以下統稱工況2，時間窗口見表3。事故始發事件為上充誤開啟，緩解措施與工況1類似。

本節的分析得到如下結論：在停堆工況下主泵開始運行導致的冷態超壓，通過停主泵和開啟下泄的操作可以降低一回路壓力，保證反應堆冷卻劑系統壓力在規定的限值以內；在停堆工況下上充誤開啟導致的冷態超壓，只停主泵無法降低一回路的壓力，通過開啟下泄可以降低一回路壓力，保證反應堆冷卻劑系統壓力在規定的限值以內；在下泄不可用時，通過過剩下泄可以降低一回路的壓力，保證反應堆冷卻劑系統壓力在規定的限值以內。

2.3　未預期溫度變化事故及緩解措施分析

本節主要研究控制RHR流量穩定RCS溫度以及配置RHR、WES、WCC系統等操作。因此未預期溫度變化的事故主要有RHR二次側水溫突然升高(工況3)和RHR泵停轉(工況4)。

初始情況見表4，工況計算結果見圖6至圖7。

表4　未預期溫度變化工況初始條件Table 4　Initial conditions for unexpected temperature changes

以下統稱工況3，時間窗口見表5。RHR換熱器二次側設備冷卻水入口溫度正常情況下為35 ℃，始發事件為二次側入口溫度由35 ℃突然變為40 ℃、45 ℃、50 ℃、55 ℃。工況3.1.0和工況3.2.0在經歷一段時間后，一回路壓力溫度穩定到另外一個狀態，一回路的溫度變化率低于3℃/10 min。而工況3.3.0和工況3.4.0一回路的溫度變化率會超過3 ℃/10 min，觸發停堆事故規程的橙燈，引導操縱員進入停堆事故規程。工況3.3.1和工況3.4.1：在一回路溫度變化率達到3℃/10 min后調節RHR流量，使旁通流量為零，RHR換熱器的流量達到最大值，穩定冷卻劑溫度。工況3.4.2：在一回路溫度變化率達到3 ℃/10 min后調節RHR流量，使旁通流量為零，RHR換熱器的流量達到最大值，且恢復WCC母管溫度到40 ℃。

以下統稱工況4，時間窗口見表6。工況4.1，RHR系統2號泵在1 000 s停轉。工況4.2，RHR系統2號泵在1 000 s停轉后，調整RHR旁通流量為0，此時RHR換熱器流量最大。

圖6　工況3溫度變化率Fig.6　Temperature changing Rate in Case3

圖7　工況4溫度變化率Fig.7　Temperature changing Rate in Case4

工況3.1.03.2.03.3.03.3.13.4.03.4.13.4.2二次側入口溫度/℃35變為4035變為4535變為5035變為5035變為5535變為5535變為55瞬態發生時刻/s1 0001 0001 0001 0001 0001 0001 000進入事故規程/s--1 3401 3401 2101 2101 210緩解措施不需要不需要無調節旁通流量無調節旁通流量調節旁通流量,2 000 s恢復母管溫度到40 ℃一回路狀況完好完好超溫超壓壓力:2.4 MPa溫度:64.1 ℃超溫超壓超溫超壓壓力:2.3 MPa溫度:57.7 ℃

由本節的分析可以發現，WCC或WES系統故障造成RHR換熱器二次側入口溫度升高時，通過調整RHR的流量可以一定程度上重新控制一回路的溫度和壓力，若無法穩定一回路的溫度和壓力，說明RHR的冷卻能力不足，需要檢查WCC和WES系統的故障，恢復WCC母管的溫度才能重新控制一回路的溫度和壓力。

表6　工況4的時間窗口Table 6　Time windows for cold overpressure in Case 4

2.4　RHR帶熱能力及停堆時間研究

經過上節的分析發現，有必要研究RHR換熱器在不同狀態下的帶熱能力，保證換熱器的熱負荷與堆芯衰變熱相匹配。根據技術規格書的要求，在一回路溫度大于70 ℃時，要有一個主泵運行。

本節研究在低功率情況下，在RHR只有一列運行，一列WCC中的一個熱交換器運行時，系統的熱容量，即最大熱負荷。

表7　工況5具體描述及主要結果Table 7　Descriptions and main results of Case 5

工況5.1.1至5.1.5一回路狀態穩定，而工況5.1.6一回路壓力溫度持續上升，見圖8和圖9，表明堆芯出口溫度為90 ℃時，RHR的換熱能力只能帶出衰變熱19 MW(工況5.1.5)。因此衰變熱大于19 MW(停堆時間為17.9小時)建議運行范圍為堆芯出口溫度大于90 ℃。依此類推得到停堆期間的建議運行范圍，見圖10及表8。圖10給出了推薦運行的范圍，為了保證RHR有足夠的裕量，推薦核電廠運行在圖中的綠色區域，首次從理論上給出了最惡劣停堆工況(只有一列換熱器可用)安全運行的界限，幫助操縱員進行判斷。

圖8　工況5.1一回路壓力Fig.8　Pressure of the primary system in Case5.1

圖9　工況5.1一回路溫度Fig.9　Temperature of the primary system in Case 5.1

圖10　停堆工況推薦運行范圍Fig.10　Proposed range of the shutdown operation

主泵堆芯出口溫度/℃一列RHR換熱能力/MW對應的停堆時間/h有1臺主泵運行901917.9801538.8701191.4所有主泵停運701446.2631191.460(設計值)10120.7507274.74031 017.6

3　結論

本文選取停堆工況下主泵開始運行及上充誤開啟導致的冷態超壓事故和系統故障始發的未預期溫度變化事故，針對操縱員降壓操作進行了計算。得到以下結論：

1)在停堆工況下主泵開始運行導致的冷態超壓，通過停主泵和開啟下泄的操作可以降低一回路壓力，保證反應堆冷卻劑系統壓力在規定的限值以內；

2)在停堆工況下上充誤開啟導致的冷態超壓，只停主泵無法降低一回路的壓力，通過開啟下泄可以降低一回路壓力，保證反應堆冷卻劑系統壓力在規定的限值以內；

3)在下泄不可用時，通過過剩下泄可以降低一回路的壓力，保證反應堆冷卻劑系統壓力在規定的限值以內；

4)WCC或WES系統故障造成RHR換熱器二次側入口溫度升高時，通過調整RHR的流量可以一定程度上重新控制一回路的溫度和壓力，若無法穩定一回路的溫度和壓力，說明RHR的冷卻能力不足，需要檢查WCC和WES系統的故障，恢復WCC母管的溫度才能重新控制一回路的溫度和壓力；

5)為了保證RHR有足夠的裕量，本文還給出了一個推薦運行范圍，給出停堆后一回路的冷卻劑溫度與時間的關系，首次從理論上給出了最惡劣停堆工況(只有一列換熱器可用)安全運行的界限。