模塊式小型堆功率運行狀態(tài)單個控制棒束失控抽出事故研究

辛素芳 肖鵬 黃慧劍 邱志方 王瑋 陸祺 任春明 李沛穎

摘? ?要：本文對模塊式小型堆反應(yīng)堆功率運行狀態(tài)單個控制棒束失控抽出事故進行分析，研究模塊式小型堆在反應(yīng)性引入事故后堆芯的熱工安全性。對不同提棒速率、反饋系數(shù)工況的計算分析結(jié)果表明，對于模塊式小型堆來說，即使發(fā)生了功率運行狀態(tài)單個控制棒束失控抽出事故，最小DNBR仍高于限值，燃料棒發(fā)生DNB的份額為0，滿足限值準(zhǔn)則的要求。事故發(fā)生后，可以根據(jù)操作規(guī)程將反應(yīng)堆帶入安全狀態(tài)。

關(guān)鍵詞：模塊式小型堆? 控制棒束失控抽出? DNB

中圖分類號：TL329.2? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2019）11（a）-0187-03

ACP100[1]是中核集團研發(fā)的一種模塊式小型堆，達到第三代核電站相關(guān)要求。ACP100的核蒸汽供應(yīng)系統(tǒng)采用一體化布置，集成為一個反應(yīng)堆模塊，具有多重固有安全特性。

ACP100反應(yīng)堆功率小，堆芯功率密度低，較低的堆芯功率密度使得事故后燃料及其包殼溫度較低，反應(yīng)堆具有更大的堆芯熱工安全裕量。本文對ACP100反應(yīng)堆反應(yīng)性引入事故的典型工況-功率運行狀態(tài)單個控制棒束失控抽出事故-進行分析，研究ACP100在反應(yīng)性引入事故后堆芯的熱工安全性。

由于操作失誤或同時發(fā)生多個獨立的電氣或機械故障，可能導(dǎo)致控制棒束不受控地抽出。該事故只可能發(fā)生在下列兩種極不可能的工況：（1）操作員考慮到有棒組錯列或一個棒束下落，把棒組控制切換為手動模式，有意抽出單個控制棒束;（2）如果反應(yīng)堆以自動控制模式運行，幾個同時發(fā)生的電氣或機械故障可能導(dǎo)致一個控制棒組件抽出。以上多種情況組合發(fā)生的概率非常低，該事故為第III類工況（稀有事故）。

單個控制棒束組件的持續(xù)抽出將使功率、溫度和熱通道因子增加。如不及時終止控制棒的失控抽出，功率失配以及隨之產(chǎn)生的反應(yīng)堆冷卻劑溫度上升將導(dǎo)致DNB的發(fā)生并可能損壞燃料包殼。根據(jù)III類工況的限值準(zhǔn)則，事故發(fā)生的限制結(jié)果允許出現(xiàn)輕微的燃料損壞。

1? 反應(yīng)堆保護

1.1 事故探測

功率運行時單個控制棒束抽出可由下列方法探測出來：

—棒位指示器;

—指示棒偏離其所在棒組的可視信號和聲響報警;

—堆外核測量通道或堆芯出口熱電偶探測出的功率不對稱分布。

1.2 反應(yīng)堆自動保護

根據(jù)模塊式小堆保護信號的設(shè)置情況，單個控制棒束抽出工況中，可采用的緊急停堆信號有：

—功率量程中子注量率高;

—反應(yīng)堆出口冷卻劑溫度高;

—穩(wěn)壓器壓力高。

2? 限制準(zhǔn)則與計算方法

2.1 限值準(zhǔn)則

該事故屬于第III類工況（稀有事故）。事故發(fā)生的限制結(jié)果允許出現(xiàn)輕微的燃料損壞，借鑒國內(nèi)外成熟的設(shè)計經(jīng)驗，事故的限制準(zhǔn)則為：

發(fā)生DNB的燃料棒份額不高于5%。

2.2 計算方法

該事故的分析計算分以下幾步進行：

—由堆芯物理程序計算失控抽出的一束控制棒組件的價值以及相應(yīng)的堆芯徑向和軸向功率峰因子;

—進行熱工瞬態(tài)分析，得到瞬態(tài)中核功率、熱功率、反應(yīng)堆冷卻劑溫度和壓力的變化;

—計算DNBR。

3? 功率運行狀態(tài)單個控制棒束失控抽出

3.1 主要假設(shè)

采用的假設(shè)應(yīng)使得到的最小DNBR值和發(fā)生DNB的燃料份額最為不利。

3.1.1 初始工況

以100%額定功率[1]作為初始工況分析該瞬態(tài)。

為了使瞬態(tài)過程中DNB現(xiàn)象更不利，保守地采用如下的初始條件：

— 初始反應(yīng)堆功率為滿額定功率加上最大的穩(wěn)態(tài)熱工測量誤差;

— 反應(yīng)堆冷卻劑初始平均溫度為所分析運行工況下的名義值加上最大的穩(wěn)態(tài)控制帶和測量誤差;

— 初始穩(wěn)壓器壓力為名義值減去最大穩(wěn)態(tài)波動值和測量誤差;

— 初始反應(yīng)堆冷卻劑流量為熱工設(shè)計流量。

3.1.2 初因事件和功能假設(shè)

該瞬態(tài)開始于棒開始抽出時，研究了8步/分和72步/分兩種提棒速度。為使事故后果更惡劣，假設(shè)反應(yīng)堆處于手動控制模式。

3.1.3 與堆芯相關(guān)假設(shè)

出于保守考慮，采用所有循環(huán)燃耗壽期最不利的堆芯功率分布，且假定在瞬態(tài)過程中功率分布不發(fā)生改變。

并考慮大、小反饋效應(yīng)，即慢化劑密度系數(shù)和燃料溫度系數(shù)采用所有循環(huán)燃耗壽期內(nèi)最大或最小值（絕對值）。

3.1.4 控制與保護系統(tǒng)

不考慮蒸汽排放系統(tǒng)動作，因為蒸汽排放會增加排熱，從而增加了DNBR裕量。假定穩(wěn)壓器壓力控制（噴淋和卸壓閥）能工作。

反應(yīng)堆保護由功率量程中子注量高或反應(yīng)堆出口溫度高或穩(wěn)壓器壓力高緊急停堆信號進行保護，其它保護方式被禁止，并假定最大價值控制棒束卡在完全抽出位置。

3.2 事故進程與結(jié)果分析

3.2.1 事故進程分析

當(dāng)反應(yīng)性反饋較大時，引入的反應(yīng)性被反饋效應(yīng)所補償，反應(yīng)堆功率上升幅度較小，同時由于反應(yīng)性反饋較大，冷卻劑的溫度上升幅度較小，即使控制棒完全提出，可能仍不會觸發(fā)保護信號。

當(dāng)向堆內(nèi)引入的反應(yīng)性比較緩慢（提棒速率8步/分）時，反應(yīng)性被反饋效應(yīng)所補償，反應(yīng)堆功率上升較慢，相比之下，穩(wěn)壓器壓力和冷卻劑平均溫度的上升幅度較大，將由反應(yīng)堆出口冷卻劑溫度高和穩(wěn)壓器壓力高緊急停堆信號提供反應(yīng)堆保護。

當(dāng)向堆內(nèi)引入的反應(yīng)性較快（提棒速率72步/分）時，如果反饋效應(yīng)不能完全補償引入的反應(yīng)性，反應(yīng)堆功率將快速增長，最后達到功率量程中子注量率高緊急停堆整定值，觸發(fā)緊急停堆。

表1給出了模塊式小型堆功率運行狀態(tài)單個控制棒束失控抽出過程，最大、最小提棒速率，最大、最小反饋四種工況的計算分析中觸發(fā)的保護信號。

對于工況2，由于觸發(fā)保護信號時冷卻劑的溫度、壓力較高，其事故后果最惡劣。圖1、圖2和圖3給出了工況2事故過程中核功率、冷卻劑溫度和穩(wěn)壓器壓力隨時間變化的曲線。

3.2.2 結(jié)果分析

（1）最大反饋效應(yīng)。

當(dāng)慢化劑和多普勒系數(shù)取最大絕對值時，控制棒束抽出后溫度的上升限制了核通量增加。反應(yīng)堆穩(wěn)定在與初始工況相似的熱流密度、溫度和壓力值下。整個瞬態(tài)過程中，與DNB有關(guān)的熱工水力狀況比小反應(yīng)性反饋效應(yīng)時要有利得多， DNBR總是在限值之上。

（2）最小反饋效應(yīng)。

當(dāng)反應(yīng)性引入速率較慢時，反應(yīng)堆冷卻劑溫度和壓力上升幅度較大，最小偏離泡核沸騰比顯著下降。

最小DNBR的工況是8步/分提棒-小反饋，為1.95。所有工況下，發(fā)生DNB的份額均為0%。

4? 結(jié)語

本文針對模塊式小堆功率運行狀態(tài)單個控制棒束失控抽出事故進行了事故起因和事故后果分析。分析結(jié)果表明，單個控制棒束抽出發(fā)生的幾率是極為微小的。即使發(fā)生，最小DNBR仍高于限值，燃料棒發(fā)生DNB的份額為0。在緊急停堆后，可以根據(jù)操作規(guī)程使反應(yīng)堆進一步冷卻降溫至安全狀態(tài)。對于未觸發(fā)緊急停堆的工況，也可以根據(jù)操作規(guī)程將反應(yīng)堆帶入安全狀態(tài)。

參考文獻

[1] 宋丹戎，秦忠，程慧平，等.ACP100模塊化小型堆研發(fā)進展[J].中國核電，2017（2）：172-177.

[2] 朱繼洲.核反應(yīng)堆安全分析[M].第1版.西安：西安交通大學(xué)出版社，2004.8（2011.3重印）.