核電廠蒸汽發生器傳熱管破裂疊加安全閥卡開事故研究

賈玉強 陳路標

（福建福清核電有限公司，福建 福清350318）

1 概述

從世界各國壓水堆核電廠的運行經驗來看，蒸汽發生器傳熱管破裂事故（以下簡稱SGTR 事故）是發生頻率較高的事故之一。對于電功率為1000MW 的機組，其蒸汽發生器的傳熱管大約有5000 根，傳熱管的壁厚大約為1.0mm（M310 機組的蒸汽發生器為4474 根，壁厚1.09mm），非常薄弱，發生個別傳熱管破損的可能性是很大的。截至目前，國際上發生過5 次因蒸汽發生器傳熱管破裂導致的安注和緊急停堆。

對于SGTR 事故，不同的操縱員處理可能會產生不同的結果，有的可以較早終止泄漏，有的卻會造成蒸汽發生器滿溢，大量的放射性的水進入蒸汽管線，而蒸汽管線上的主蒸汽安全閥只是按照排汽設計的，對于水或者汽水混合物，安全閥的工作性能會變得很壞，它的回座的失效概率也會大大增加，根據PSA的報告所提供的資料，它的回座失效概率為10%。蒸汽管線穿過安全殼直接進入汽輪機廠房，這一事故工況旁路了安全殼，一回路放射性冷卻劑可以毫無阻擋地直接進入SG，進入主蒸汽管線、汽輪機、冷凝器，而且通過安全閥直接進入環境。

2 瞬變過程分析與研究

2.1 事故基本假設

表1 初始條件

表2 主蒸汽安全閥參數

本瞬態分析基于下列假設：

（1）在一次側向二次側泄漏量減小到零之前，破損蒸汽發生器滿水。

（2）該安全閥過水而失效并處于完全卡開狀態。

（3）對本特定事故，只有當蒸汽發生器一、二次側和大氣的壓力達到平衡時破口流量才會終止。

（4）假定輔助給水電動泵或輔助給水汽動泵在啟動信號發出后最短時間內啟動。輔助給水流量取最大值使蒸汽發生器更易滿水。

2.2事故發展序列

表3

（1）操作員開始干預，隔離破損蒸汽發生器的輔助給水，給水中斷，破損蒸汽發生器水位下降。但不斷有冷卻劑通過破口進入破損蒸汽發生器，一段時間后，破損蒸汽發生器水位又開始回升，破損蒸汽發生器將再次滿水，再次排水，直到破口流量中斷為止。

（2）安注投入后，一回路系統壓力回升，于是破口流量也隨之增加，導致破損蒸汽發生器滿水。隨后水進入蒸汽發生器蒸汽管線，此時安全閥進水并維持卡開狀態。大量水和蒸汽從卡開安全閥排放到大氣中。

2.3 事故分析

SGTR 事故發生后，由于冷卻劑從破口流向故障SG 二次側，故障SG 液位持續上升，一回路壓力下降，穩壓器低壓力信號觸發反應堆緊急停堆。研究顯示：一回路與二回路的壓差為7Mpa 時會導致大約每小時100t 的泄漏量。停堆后一回路壓力繼續下降，穩壓器低- 低壓力信號觸發安注，高壓安注啟動對一回路進行補水。安注觸發后，輔助給水啟動，以最大的流量向SG 供水。故障蒸汽發生器二次側水位在輔助給水和一次側泄漏的雙重作用下液位迅速上升，達到滿水，SG 二次側壓力也跟著上升，SG 安全閥開啟。假定破損SG 安全閥卡開，引起一回路的降溫速率＞56℃/h。在相應過冷度大于20℃且穩壓器水位大于80%的條件滿足后，操縱員逐步停止安注泵運行，并將一臺以安注模式運行的上充泵轉為正常上充模式運行。由于破口處一、二次側還有壓差，破口流量還未終止。操縱員進一步采用噴淋降壓，使主回路壓力進一步降低，并維持破損SG 一、二次側的壓力平衡，只有當一、二次側和大氣的壓力達到平衡時破口流量才會為零。由于安全閥一直處于開啟狀態，從安全閥不斷向外流出汽水混合物，故障SG 的液位持續下降。隨著溫度逐漸下降，汽水混合物全部變成液態，排放趨于穩定。在整個事故過程中，堆芯沒有裸露。

2.4 SGTR 事故處理策略

對于單一的SGTR 事故，操縱員的干預措施主要目的是盡可能的限制放射性釋放和避免SG 的滿溢。包括如下幾項：

（1）判別并完全隔離破損的SG 的給水側和蒸汽側。

（2）對一回路進行降溫降壓，使其壓力降為幾乎與破損的SG 的蒸汽壓力相等。

（3）對一回路繼續降溫降壓直到余熱排出系統投運。

（4）降溫到90℃以下，降壓到0.1Mpa 左右。

2.5 SGTR 疊加安全閥卡開的處理策略

（1）SGTR 疊加安全閥卡開的工況已經超出了基于單一故障假設的SGTR 事故處理程序，需要考慮疊加故障后新增的風險以便將事故控制在安全狀態。采用極限事故處理程序UI 程序的首要的保護目標是保護堆芯。

（2）一回路系統通過破口直接與大氣相通（原因是破損蒸汽發生器安全閥卡開），當一回路系統壓力下降到大氣壓力時，破口流量終止。

（3）根據事故后運行總原則，啟動高壓安注泵，總的目的是保證堆芯安全；SGTR 事故規程以對蒸汽發生器傳熱管破裂事故的診斷和對一回路水裝量評估的狀態導向準則為基礎；高壓安注泵啟動或停運的準則為冷卻劑飽和溫度裕量、穩壓器水位或堆芯出口溫度。

（4）使用可用的SG 以最大的速率冷卻，速率可以不受56℃/h 的限制。

（5）當滿足余熱排出系統投入條件時，操作員投入余熱排出系統，并維持反應堆冷卻劑系統以56℃/h 的速率降溫。

（6）若三臺SG 均不可用，且反應堆冷卻劑過熱30℃或堆芯溫度超過355℃，這種情況要求操縱員重新打開放射性最低的SG 進行降溫冷卻。投運低放射性的SG 可以避免打開穩壓器卸壓管線以“充排”模式運行（這相當于增加了反應堆冷卻劑的破口事故，從而使事故進一步惡化），并使安全殼維持在正常狀態（如果安全殼內的狀況還沒有降級）。此外，投運輕微污染的SG可使放射性釋放后果為最小。

（7）只要低壓安注泵在運行，一回路系統壓力就不可能降到0.1 MPa，一回路向二回路的泄漏就會存在。因此，利用余熱排出系統加快一回路的冷卻是非常重要的。

（8）當反應堆冷卻劑系統溫度足夠低（TRIC<90℃）后，停低壓安注泵，破口流量終止，反應堆冷卻劑系統維持足夠的飽和溫度裕量。

圖2 SGTR 事故疊加安全閥卡開的處理策略

3 結論

（1）蒸汽發生器傳熱管破裂事故需要操縱員及時正確進行干預，隔離故障蒸汽發生器，盡快終止泄漏，阻止放射性物質向二回路擴散，這是防止和避免安全閥卡開造成帶水排放的重要預防措施。

（2）一旦故障SG 滿水，應及時將故障蒸汽發生器的排污流量調至最大，使用非故障SG 加快降溫，從而使一回路壓力降低，這樣可以延緩和緩解安全閥卡開的時間和后果。

（3）只要低壓安注泵在運行，一回路系統壓力就不可能降到0.1MPa，一回路向二回路的泄漏就會存在。因此，利用余熱排出系統加快一回路的冷卻是非常重要的。

（4）一旦安全閥卡開，利用一臺SG 和余熱排除系統降溫到90℃是最關鍵的操作。