VVER 核電廠充排事故管理策略研究

彭歡歡

（中國核動力研究設計院 設計所，四川 成都 610000）

0 引言

超設計基準事故（BDBA）是由設計基準事故沒有考慮的始發(fā)事件引起的事故， 或者是設計基準事故疊加安全系統(tǒng)超出“單一故障”準則的故障，這些安全系統(tǒng)故障可能是由電廠工作人員的錯誤決定引起的。 應急運行規(guī)程是基于事件導向的， 或基于對引起事故的事件初始診斷。 對于超設計基準事故基于事件導向的應急運行規(guī)程不能恰當或有效地處理時，需要依據(jù)事故狀態(tài)的嚴重性和安全系統(tǒng)的可用性， 使用狀態(tài)導向規(guī)程以避免、限值或延緩堆芯損壞及后續(xù)放射性的釋放。

田灣電廠沿用了俄羅斯人開發(fā)的純事件導向的規(guī)程，其應對超出假想事件的能力較差，需要開發(fā)狀態(tài)導向規(guī)程，來處理超設計基準事故。

完全喪失給水、全廠斷電[1]等典型的高壓事故序列，二回路帶熱失效情況的下，一二回路傳熱惡化，一回路壓力升高，穩(wěn)壓器安全閥自動開啟，一回路冷卻劑通過穩(wěn)壓器安全閥喪失，堆芯水位逐漸下降。 在此過程中反應堆冷卻劑系統(tǒng)壓力始終維持在較高的狀態(tài)，堆芯沒有有效的冷卻措施，余熱無法順利導出，最終導致堆芯損傷。 此時可采取充排措施，緩解事故進程[2]。 對完全喪失給水之類安注可用的事故，充排的目的在于卸壓使安注注入，防止堆芯損壞；而全廠斷電，則主要是卸壓，為恢復電源爭取時間。

充排的時機十分關鍵， 充排過早會造成安全殼內不必要的污染，充排過晚可能無法緩解事故[3]。 且系統(tǒng)配置如安全閥開啟列數(shù)以及安注投入列數(shù)等也會影響事故進程從而影響充排時機，因此，需要對充排時機進行敏感性分析，對充排方案進行優(yōu)化，確定充排事故管理策略，為狀態(tài)導向規(guī)程的開發(fā)提供技術支持。

1 充排操作信號選取

為確定充排操作信號， 研究充排事故管理策略，選取完全喪失給水和全廠斷電事故進行分析。表1 和表2給出了完全喪失給水及全廠斷電事故不采取充排措施的事故進程。 從結果可以看出，在不采取充排措施的情況下，堆芯余熱無法導出，燃料包殼溫度分別在4 725 s和9 220 s 超過了1204℃限值，堆芯發(fā)生損壞。

表1 事件序列

表2 事件序列

根據(jù) M310 電廠 SPI/U/SPU 規(guī)程的經驗， 選取“堆芯出口溫度”這一參數(shù)作為執(zhí)行充排操作的指示信號。 那么，對于VVER 核電廠充排操作指示信號的選取，需要進行相應的分析。 根據(jù)VVER 核電廠完全喪失給水和全廠斷電事故分析結果， 圖1 和圖2 給出了VVER 電廠完全喪失給水及全廠斷電事故不采取充排措施情況下堆芯出口溫度、 燃料包殼溫度隨時間的變化。

圖1 各參數(shù)隨時間的變化（LOWF）

圖2 各參數(shù)隨時間的變化（SBO）

從圖中可以看出，對LOFW 事故，堆芯出口液體溫度約在3 140 s 達到飽和溫度（約355 ℃），隨后在很長一段時間（約1200 s）內都處于飽和狀態(tài)，直到4 340 s堆芯出口氣體溫度開始升高，形成過熱蒸汽，而此時堆芯燃料包殼溫度也迅速升高，在很短時間（400 s）內從飽和溫度升高到限值1 204 ℃。 對SBO 事故，堆芯出口液體溫度約在7 400 s 達到飽和溫度， 直到8 800 s 左右形成過熱蒸汽， 燃料包殼溫度在很短時間（420 s）內升至1 204 ℃。 雖然對不同的事故序列其事故進程存在一定的差異，但其堆芯出口冷卻劑維持飽和狀態(tài)的時間相當；燃料包殼最高溫度急劇升高到達到限值1 204 ℃的時間也相當。 說明堆芯出口溫度的變化能夠密切反應燃料包殼溫度的變化。

2 充排事故管理策略方案研究

充排事故管理策略，主要是確定合適充排時機，充排過早會造成安全殼不必要的污染（穩(wěn)壓器卸壓箱爆破后導致放射性的釋放）， 充排過晚可能無法緩解事故。 需要考慮以下幾個因素，得到最優(yōu)化的充排方案：

（1）適用于所有需要進行充排的事故。

對完全喪失給水和小LOCA 之類的安注可用，需防止堆芯損壞；對全廠斷電，需為恢復電源爭取時間。

（2）設備可靠性（系統(tǒng)配置）。

穩(wěn)壓器安全閥PROV 列數(shù)、安注列數(shù)等。

（3）人員可靠性。

操縱員時間窗口 （給操縱員留一定的時間裕量，減少人誤）。

根據(jù)上節(jié)的分析可知，LOFW 事故中， 堆芯出口液態(tài)水從達到飽和狀態(tài)約355 ℃到燃料包殼溫度超過限值1 204 ℃時間約為1 600 s；而SBO 事故堆芯出口液態(tài)水從達到飽和狀態(tài)約355℃到燃料包殼溫度超過限值1 204 ℃時間約為1800s。 通過計算分析，開一列安全閥大概需要2 600 s 才能將一回路壓力降低到7.9 MPa，開兩列安全閥大概需要1 200 s，開三列安全閥大概需要九百多秒。 開一列安全閥卸壓到7.9 MPa所需時間較長，卸壓能力可能不夠，影響事故的緩解。

下面對完全喪失給水和全廠斷電事故進行充排方案的熱工水力分析。

2.1 完全喪失給水充排方案

2.1.1 方案設計

對于完全喪失給水事故充排的目的是卸壓使安注及時注入，保守考慮一列高壓安注有效。 采用“堆芯出口溫度”作為充排的指示信號，選取堆芯出口冷卻劑過冷（340 ℃和 350 ℃）、飽和（355 ℃）、飽和到過熱之間（355 ℃后 10 min）、過熱（360 ℃）這五個時間點為充排信號，考慮操縱員診斷、執(zhí)行操作等時間延誤為2 min，打開安全閥進行充排，對應的充排時間見表3。 分別計算開啟一列、 兩列和三列安全閥情況下的事故進程，表4給出了各方案燃料包殼峰值溫度及對應時間。

表3 充排時間

2.1.2 事故分析結果

表4 分析結果

從分析結果可以看出，在只有一列高壓安注有效的情況下，只開啟一列安全閥，卸壓能力不足，安注未能及時注入，堆芯很快發(fā)生損壞；開啟兩列安全閥，堆芯出口溫度355 ℃后10 min（飽和到過熱之間）及360 ℃（過熱）”整定值充排的方案，由于卸壓過晚，安注未能及時注入，燃料包殼溫度超過限值，堆芯發(fā)生損壞；開啟三列安全閥，堆芯出口溫度360 ℃”整定值充排的方案，堆芯發(fā)生損壞；其他方案，安注及時注入冷卻堆芯，使燃料包殼溫度迅速降低，確保堆芯的完整性。

而“堆芯出口溫度355 ℃”整定值充排的方案，兩列安全閥開啟的情況，燃料包殼最高溫度雖未超過限值，也達到了1110.1 ℃的高溫，接近1 204 ℃的限值?？紤]一定的人員可靠性，該方案安全閥如果不能在整定值信號后2 min 內開啟，事故可能不能得到緩解。因此需要對操縱員操作時間窗口進行敏感性分析，在保證事故緩解成功的同時，還應給操縱員動作留有一定的裕量。

2.1.3 操縱員時間窗口

充排操作完成所需的時間應該包括診斷、執(zhí)行操作的時間以及措施起作用的時間。 從人員可靠性分析的角度，在保證事故緩解成功的前提下，還應使操縱員有充足的時間窗口執(zhí)行操作。

選取以“堆芯出口溫度350 ℃和355 ℃”整定值為充排信號，計算操縱員充排時間窗口。 分別計算開啟兩列和三列安全閥，一列、兩列及四列高壓安注投入情況下，操縱員進行充排操作的時間窗口，分析結果見表5 和表6。

表5 時間窗口（350 ℃）

表6 時間窗口（355 ℃）

計算結果表明，以“堆芯出口溫度350 ℃”整定值為充排信號，除只有一列高壓安注有效，兩列安全閥有效的情況， 操縱員必須在10 min 之內完成充排操作，其他情況下，操縱員都有25 min 完成操作來緩解事故進程。 而以“堆芯出口溫度355 ℃”整定值為充排信號，對于只有一列高壓安注有效，兩列安全閥有效的情況， 根據(jù)計算結果， 充排信號5 min 后開啟安全閥，燃料包殼溫度都超過了1 204 ℃限值，操縱員執(zhí)行充排的時間窗口不到5 min。

2.2 全廠斷電充排方案

2.2.1 方案設計

全廠斷電事故充排的目的是對一回路卸壓，使安注箱注入，為恢復電源爭取時間。 以“堆芯出口溫度”350 ℃、355 ℃、355 ℃后 10 min 和 360 ℃整定值作為充排指示信號，同樣考慮操縱員診斷、執(zhí)行操作等時間延誤為2 min，打開安全閥進行充排，對應的充排時間見表7。 分別計算開啟一列、兩列和三列安全閥，在一列、兩列及四列安注箱有效情況下的事故進程。 分析結果表明，與完全喪失給水事故一樣，一列安全閥卸壓能力不足，堆芯很快損傷，表8 給出了兩列和三列安全閥開啟情況下不同方案堆芯損壞時間。

表7 充排時間

2.2.2 事故分析結果

表8 分析結果

圖3 燃料包殼溫度隨時間變化（3PROV-1ACC）

圖4 燃料包殼溫度隨時間變化（2PROV-2ACC）

從敏感性分析結果來看，對開啟兩列安全閥，只有一列安注箱有效的情況，安注箱注入時間過晚，燃料包殼溫度迅速升高超過限值， 該充排方案基本起不到緩解事故的作用。 對 “堆芯出口溫度”355 ℃后10 min 和360 ℃進行充排的方案中， 開啟三列安全閥（一列安注箱有效）和開啟兩列安全閥（兩列安注箱有效）的情況，燃料包殼溫度第一次溫升就超過了限值1 204 ℃，如圖3 和圖4 所示。

四列安注箱有效的情況，在“堆芯出口溫度360 ℃”整定值信號進行充排，開啟兩列PROV，堆芯能維持完好狀態(tài)的時間最長（15 712 s），即4 個多小時。

3 結論

通過對VVER 電廠完全喪失給水和全廠斷電事故充排事故管理策略的分析研究，得到以下結論：

（1）一列安全閥的卸壓能力不足，安注未能及時注入，堆芯熔化，必須保證兩列及以上安全閥成功開啟才能卸壓到安注或安注箱可以注入的壓力；

（2）綜合考慮不同因素，建議以“堆芯出口溫度350℃”整定值作為充排操作信號，此時操縱員有較長的時間執(zhí)行操作，減少人誤；

（3）對全廠斷電事故，根據(jù)系統(tǒng)配置優(yōu)化充排時機，堆芯可保持完好狀態(tài)約4 小時，操縱員應盡快恢復電源緩解事故。