核電廠大修期間蒸汽發生器U型管返水引發的安全風險及對策

萬超

(中核核電運行管理有限公司 浙江海鹽 314300)

0 引言

核電廠每運行一個燃料循環后需要進行大修工作，將使用過的乏燃料從壓力容器堆芯中取出來，裝入新的核燃料并對設備進行維護，為下一個燃料循環做好準備。核燃料裝卸操作需要開啟壓力容器大蓋，為保證堆芯核燃料的有效冷卻和生物屏蔽功能的實現，開蓋過程中反應堆一回路水位要保持在壓力容器法蘭面附近，水位過高或過低都會帶來安全風險[1-3]。核電廠大修期間，反應堆進入壓力容器法蘭面水位后，能夠觀察到明顯的蒸汽發生器U型管返水現象，給反應堆一回路水位控制造成困擾。在對秦山第二核電廠歷次大修中蒸汽發生器U型管返水情況進行分析后發現，蒸汽發生器U型管返水存在一定的規律性，返水過程和返水量與U型管中的水溫以及蒸汽發生器二次側排空操作有關聯。理清蒸汽發生器U型管返水的機理和引發的安全風險，制定出相應的對策，能極大地減輕操縱員的水位控制負擔，避免發生危及人員、設備和堆芯安全的執照運行事件，為核電廠大修安全提供助力。

1 蒸汽發生器U型管返水機理分析

核電廠蒸汽發生器的主要作用是將一回路水的熱量傳給二回路水，使其汽化推動汽輪發電機發電。蒸汽發生器蒸發段的下部是由倒置的U形管束構成，一回路水在管內流動，二回路水在管外汽化，傳熱過程如圖1所示。

圖1 反應堆傳熱過程示意

蒸汽發生器U型管返水實際上是U型管內吸附的一回路水逐步釋放出來的過程。由于U型管頂部沒有進氣點，在反應堆一回路排水過程中，U型管內的水排出的同時會在上部空間形成負壓，導致一部分水吸附在U型管內無法排出，在一定條件下，U型管內的壓力平衡被打破時，U型管內吸附的水就會排出，產生U型管返水現象。

U型管間歇性返水看似毫無規律，實則存在明確的原因和機理。以秦山第二核電廠307大修中蒸汽發生器U型管的返水情況為例，在反應堆一回路水位穩定在壓力容器法蘭面水位后，先后發生了2次蒸汽發生器U型管返水和1次U型管吸水現象，持續數小時。圖2是秦山第二核電廠307大修反應堆一回路的水位趨勢，可以看到由于蒸汽發生器U型管的返水和吸水現象，導致水位有3次明顯的波動過程。

圖2 307大修反應堆一回路水位趨勢

1.1 蒸汽發生器U型管內水體汽化引發返水

每次大修中，為更換核燃料，需要將一回路水位排低到壓力容器法蘭面位置，以便開啟壓力容器大蓋。到達要求水位停止排水后，一段時間內水位會持續上漲無法穩定，需要操縱員頻繁排水干預。水位上漲是U型管返水導致，但是U型管返水為何會持續一個多小時，返水量也遠大于U型管內形成負壓的理論排水量。結合工藝系統的實際運行情況進行分析后，發現蒸汽發生器U型管內水體汽化發生相變是造成返水的直接原因。圖2中第1次水位波動是蒸汽發生器U型管內水體汽化引發U型管返水導致。

大修中反應堆冷卻劑泵停運后，蒸汽發生器U型管就成為死管段，U型管內的水體溫度維持在50 ℃左右。在U型管內形成負壓的過程中，當壓力低于50 ℃水溫對應的飽和壓力時，U型管內水體會發生沸騰汽化，產生的蒸汽積聚到U型管上部空間后使壓力上升，促使U型管返水。在一回路排水停止后，由于汽化效應的存在，U型管仍然持續向一回路返水，直到U型管內達到氣液兩相平衡狀態后停止，此時U型管上部會形成一個與50 ℃水溫對應的飽和蒸汽空間。50 ℃溫度對應下的飽和蒸汽壓力決定了這一階段的返水量，由于每次換料大修工況相同，這一階段U型管返水量約為10 m3。

1.2 蒸汽發生器二次側排空操作引起U型管返水

U型管第1次返水過程結束后，一回路水位趨于穩定，一段時間后突然開始了第2次水位波動，蒸汽發生器二次側排空操作打破了U型管內原已形成的平衡狀態是此次U型管返水的直接原因。圖2中反應堆第2次水位波動是由于蒸汽發生器二次側排空操作導致。

秦山第二核電廠蒸汽發生器二次側排空采用壓空加壓排水的方式，隨著蒸汽發生器內壓空壓力的逐步升高，壓空溫度也會上升。當蒸汽發生器二次側排水到U型管頂部露出水面后，壓空和U型管直接接觸，兩者之間存在溫差時產生熱交換，破壞了U型管內的平衡狀態造成U型管向一回路返水。

圖3是蒸汽發生器充壓空示意，如果把蒸汽發生器充氣過程做為一個開口系統來分析，在U型管裸露之前，U型管內外側之間還沒有熱交換，蒸汽發生器可以看成是一個絕熱容器；蒸汽發生器排水時間較長，可以假設一段時間內容積不變；壓空充入蒸汽發生器后留在里面，忽略充入氣體的動能和位能，結合理想氣體狀態方程的微分形式，根據開口系統熱力學第一定律能量表達式，可以推導出蒸汽發生器二次側充壓空過程中壓空壓力與溫度的關系式為

圖3 蒸汽發生器充壓空示意

(1)

式中，P1為蒸汽發生器中初始壓力，大氣壓；P2為U型管露出水面時的壓空壓力，0.6 MPa；T1為初始溫度，50 ℃；κ為空氣系數，1.4；Tc為充入蒸汽發生器的壓空溫度，常溫25 ℃；T2為U型管露出水面時蒸汽發生器內的壓空溫度。可以計算出，T2=399.15 K，即126 ℃。隨著壓力上升，壓空溫度有明顯升高。

當高溫壓空和U型管接觸時會向U型管內水體放熱，如果沒有U型管上部蒸汽空間的存在，水的比焓大，比體積隨溫度變化很小，不足以引發U型管返水，前一階段返水過程中形成的蒸汽空間則使得U型管返水成為了可能。蒸汽從U型管外的高溫壓空吸收熱量后，升溫膨脹導致壓力上升，破壞了原有的平衡狀態，使得U型管向一回路返水。同時，與蒸汽相接觸部分的水體升溫汽化后，也從U型管外壓空吸收熱量，升溫膨脹使得壓力進一步升高，推動U型管繼續向一回路返水，直到U型管蒸汽空間內外側溫差減小到傳熱過程停止后，返水結束。這一階段蒸汽發生器U型管向一回路的返水量取決于高溫壓空能夠提供的熱量。由于每次大修工況相同，這一階段的返水量約為9 m3。

1.3 蒸汽發生器二次側卸壓操作導致U型管吸水

蒸汽發生器二次側水排空后要將二次側壓力卸到大氣壓，卸壓時壓空溫度降低，對U型管內蒸汽產生冷卻作用使得體積收縮壓力降低，一回路水在大氣壓的作用下注入U型管中。圖2中反應堆第3次水位波動是由于蒸汽發生器二次側卸壓操作導致。如果把蒸汽發生器卸壓看成一個剛性絕熱容器的放氣過程，假設卸壓過程中U型管內外側之間沒有熱交換，根據理想氣體絕熱過程關系式

(2)

式中，T1為壓空卸壓前溫度；T2為卸壓后溫度。代入卸壓前壓力0.6 MPa，卸壓后為大氣壓，空氣系數κ=1.4，可以得出，卸壓前后壓空溫度的關系為T2=0.599T1，卸壓過程中壓空有明顯的降溫過程。當這個溫度低于U型管一次側蒸汽的溫度時，必然會導致U型管一次側蒸汽冷卻收縮，壓力降低從一回路吸水，吸水量取決于壓空卸壓過程中從U型管內蒸汽吸收的熱量，每次大修蒸汽發生器二次側卸壓工況相同，因此每次卸壓過程的吸水量約為5 m3。

2 蒸汽發生器U型管返水引發的安全風險

核電廠大修期間，一回路水位到達壓力容器法蘭面水位區間后，要穩定水位進行開啟壓力容器大蓋的操作，這也是核燃料卸載前要完成的重要操作，此時由于蒸汽發生器U型管返水會引發一系列的安全風險，對大修工作人員和設備安全都造成威脅。

(1)人員遭受放射性水污染

反應堆壓力容器大蓋開啟操作需要將反應堆水位維持在10.73～10.93 m的水位區間，該水位離11 m的壓力容器法蘭結合面很接近，當蒸汽發生器U型管向一回路返水時，若操縱員干預不及時，放射性水就可能從壓力容器法蘭面溢出，易造成工作人員放射性傷害，反應堆水位離法蘭結合面非常接近，增大了返水過程中對一回路水位進行控制的難度。

(2)設備遭受腐蝕

核電廠采用硼酸作為反應性控制手段，反應堆一回路冷卻劑中含有硼酸溶液，當反應堆冷卻劑從壓力容器法蘭面溢出時會對法蘭、螺栓、螺孔造成腐蝕，對設備長期安全運行構成威脅。

(3)水位過低違反運行技術規范要求，導致電廠安全水平降級

運行技術規范是在機組正常運行期間，確保公眾與工作人員的安全必須遵守的最低技術規則，只有嚴格遵守這些規則才能保證機組在整個運行期內的安全。蒸汽發生器U型管向一回路返水時，若操縱員控制不當，水位低于技術規范要求時，將導致電廠安全水平降級。

(4)水位低于反應堆余熱排出系統要求的運行水位，導致設備損壞

大修期間反應堆堆芯產生的剩余發熱需要通過余熱排出系統來冷卻排出，余熱排出系統正常運行對反應堆一回路水位有要求。蒸汽發生器U型管向一回路返水時，若操縱員控制不當導致水位低于余熱排出系統運行的最低要求水位時，將可能導致設備汽蝕損壞。

(5)堆芯失去冷卻，危及堆芯安全

蒸汽發生器U型管返水過程中，操縱員需要將U型管返水排出，保持一回路水位穩定。若操縱員操作不當導致反應堆一回路水位過低，在極端情況下，余熱排出系統完全損壞，排熱功能完全喪失，將導致堆芯失去冷卻，危及到反應堆堆芯安全。

3 蒸汽發生器U型管返水引發的安全風險對策

分析并明確了蒸汽發生器U型管返水的原因和返水量，針對蒸汽發生器U型管返水引發的安全風險制定如下對策：

(1)合理調整大修工序，避免壓力容器法蘭面溢水

在反應堆壓力容器開大蓋期間，法蘭面緊固螺栓松開后，蒸汽發生器U型管返水時，放射性水有可能從法蘭面溢出污染人員和腐蝕設備。為規避風險，大修工作中將壓力容器開大蓋的操作調整到蒸汽發生器二次側排空操作完成后再進行。蒸汽發生器二次側排空后，U型管返水過程結束，反應堆一回路水位保持穩定，此時開啟壓力容器大蓋就不會再有溢水的風險。

(2)卸壓操作前抬高一回路水位，防止水位低于技術規范要求

蒸汽發生器二次側的卸壓操作會產生U型管吸水效應，導致一回路水位降低，操縱員補水不及時可能導致水位低于技術規范要求，降低電廠安全水平，卸壓操作前抬高一回路水位，可以防止水位低于技術規范帶來的安全風險。大修中蒸汽發生器卸壓導致的U型管吸水量約為5 m3，將一回路水位抬高到12 m，即可避免卸壓過程中水位低于10.73 m的技術規范水位帶來的安全風險。

(3)制定合理控制方案，防范盲目干預導致的水位過低風險

操縱員對一回路水位控制過程中的盲目干預是導致水位過低的主要原因。為防范水位過低帶來的安全風險，根據蒸汽發生器U型管返水的原因和返水量，可以制定具有明確針對性的控制方案。壓力容器大蓋不開啟的情況下，放射性水溢出的風險已經消除，干預的緊迫性大大降低，操縱員進行水位控制時應著重防止干預過當導致水位過低。進行干預時的水位值可以適當提高，對一回路進行排水穩定水位時可以采取少量多次的方式，防止排水過量。

4 結語

核電廠大修期間蒸汽發生器U型管返水引發的安全風險是核電廠每次大修都要面對和解決的難題。蒸汽發生器U型管內水體汽化和蒸汽發生器二次側排空操作是造成蒸汽發生器U型管返水的直接原因。根據蒸汽發生器U型管返水的機理，通過制定合理的對策，能夠有效避免由此帶來的一系列安全風險，對核電廠大修安全具有重要意義。