穩壓器安全閥在核電廠嚴重事故中的有效性分析

賴建永 王保平 韓 冰 趙 禹 曾 濤

（中國核動力研究設計院核反應堆系統設計技術重點實驗室，四川 成都610041）

0 引言

1979年三里島核事故、1986年切爾諾貝利核事故說明，嚴重事故發生的概率雖然很低，但是不能排除發生的可能。特別是2011年3月11日因9級強震及其引發的海嘯導致發生的日本福島第一核電站7級核事故，再一次說明核安全設計僅以設計基準事故為限是不夠的，必須考慮嚴重事故的預防與對策。這也屬于核電領域中的墨菲定律現象。

1 嚴重事故管理

1.1 概述

嚴重事故分析表明[1]，全廠斷電（SBO）、蒸汽發生器傳熱管破裂（SGTR）、喪失全部給水（TLOFW）等事故下如果不采取緩解措施，將可能導致發生高壓熔堆，而堆芯熔融物的高壓噴射將導致安全殼直接加熱（DCH）。

目前，國際上普遍認為壓力容器下封頭失效時壓力容器內壓力不超過2.0 MPa可以有效地避免高壓熔堆，避免對安全殼完整性的嚴重威脅。壓力同期失效示意圖見圖1。

圖1 壓力容器失效圖

1.2 嚴重事故處理措施

目前，國際共識的嚴重事故管理對策為采用主動卸壓措施來降低嚴重事故工況下反應堆冷卻劑系統（RCS）的壓力，其中卸壓時間包括兩種窗口策略：

早期卸壓：在蒸汽發生器排空時開啟穩壓器安全閥卸壓；

晚期卸壓：在堆芯出口溫度超過650℃時開啟安全閥卸壓。

由于“晚期卸壓”可以使操縱員有更充足的時間啟動嚴重事故緩解措施，并延緩由于早期卸壓引起的堆芯水量流失，因此，國際上大多數電廠都采取“晚期卸壓”策略。

我國在役的M310型核電機組采用穩壓器安全閥（SRV/PORV）卸壓功能延伸來完成嚴重事故下的卸壓，避免高壓堆芯熔融物噴射。在事故發生后，當探測到堆芯出口溫度達到650℃后，產生報警信號，進入U1規程，操作員手動強制開啟穩壓器SRV/PORV進行事故卸壓，從而降低一回路系統壓力。

1.3 技術障礙

由于SRV/PORV的結構特性，采用其卸壓功能延伸來完成嚴重事故下的卸壓存在下列技術障礙：

（1）SRV/PORV先導箱在嚴重事故工況下的有效性；

（2）電磁驅動裝置的有效性、失電保持開啟狀態；

（3）可靠電源及時效性。

1.3.1 先導箱在嚴重事故工況下的有效性

SRV/PORV先導箱的設計溫度僅150℃，先導箱中的梭閥（見圖2和圖3）內設有多個不可替代的動密封件，其材料為非金屬（橡膠類）。因先導箱結構中采用了不能承受高溫、高劑量、抗老化性能有限的橡膠動密封件等易損件，易失效，相關分析表明，多相流（冷凝水、高溫水、汽水兩相流、蒸汽等）在SRV/PORV啟閉約100次后，先導箱將因高溫介質導入而損毀。雖然，供貨廠家提供的分析表明：先導箱將最終損毀在開啟狀態，但目前還沒有提供各零部件的可靠性及有關橡膠密封圈損毀后是否會導致先導箱介質流道堵塞等分析報告。

圖2 穩壓器安全閥運行原理圖

圖3 穩壓器安全閥先導箱梭閥結構圖

1.3.2 電磁驅動裝置的有效性

SRV/PORV電磁驅動裝置只經過了1E級的K1鑒定，不能確保電磁驅動裝置各組件在嚴重事故工況下的有效性，包括功能（啟閉動作）是否有效、性能是否可靠（位置指示器、電磁驅動裝置本體性能、控制及電源線纜等在嚴重事故工況下的有效性）、在嚴重事故工況下能否保證開啟梭閥的驅動力（驅動力的穩定性等）、如何克服電源喪失SRV/PORV自動關閉等問題。此外，電磁驅動裝置還存在能否長時間帶電運行、沒有持續帶負荷運行最長時間等問題。

1.3.3 可靠電源及時效性

確保在嚴重事故工況下電磁驅動裝置電源的可靠性是該技術的又一關鍵技術。目前沒有查到國際上的相關技術資料。

1.4 應對嚴重事故的有效性分析

我國在役的M310型核電機組穩壓器安全閥基本都采用了法國SEBIM公司的SRV/PORV先導閥，因該閥已經具備手動啟閉功能，滿足嚴重事故工況下手動開啟條件，具備排汽、排水以及汽水混合物的能力。所以，目前我國在役的M310型核電機組設計技術，均擬采用穩壓器安全閥卸壓功能延伸來執行嚴重事故工況下一回路卸壓功能。

根據上文分析，為保證SRV/PORV在嚴重事故下完成卸壓，提出下列幾點改進措施：

（1）保證主閥的有效性；

（2）保證先導箱的有效性；

（3）改進電磁驅動裝置；

（4）改進電源。

1.4.1 保證主閥的有效性

SRV/PORV主閥活塞腔中活塞環及閥桿導向結構件（見圖4）均采用了石墨基材料，基本不會出現卡滯現象，不受環境溫度、壓力、濕度、放射性劑量等參數影響。因此SRV/PORV主閥的結構設計、材料選擇等均能保證其在嚴重事故工況下的有效性。

圖4 穩壓器安全閥主閥結構

1.4.2 保證先導箱的有效性

嚴重事故工況下安全殼內的環境條件對先導箱的影響很小，如在嚴重事故工況下先導箱的外部環境溫度為安全殼內環境溫度，其不超過180℃（155～180℃），所以，主要考慮先導箱內部高溫介質對其有效性的影響。

SRV/PORV每啟閉一次消耗冷凝罐中低溫介質約0.1 L，先導箱冷凝罐實際容積為9.2 L，大約能啟閉100次。根據嚴重事故及概率安全評價專業的分析，從事故發生后安全閥第一次啟跳一直到堆芯出口溫度達到650℃進入U1規程操作人員手動啟動該閥，該閥啟跳次數小于20次，第二組安全閥啟跳次數少于2次，其間單組安全閥消耗水量小于2 L，而先導箱冷凝罐容積為9.2 L。因此，在嚴重事故工況下，操作人員手動強制開啟該閥時先導箱處于有效狀態。

1.4.3 保證電磁驅動裝置的有效性

電磁驅動裝置是主動式遠程干預該閥的唯一方式，改進電磁驅動裝置的主要要求如下：

（1）為保證在嚴重事故工況下能手動開啟并能提供足夠的驅動力；

（2）為減少在嚴重事故工況下對可靠電源的依賴性，當喪失電源的工況下，能可靠地保持失去電源前的啟閉狀態；

（3）經過嚴重事故工況試驗鑒定。

目前，法國EDF與SEBIM聯合研制了新型電磁驅動裝置（見圖5）并已完成了嚴重事故工況下的試驗鑒定。該新型電磁驅動裝置主要改進為，在喪失電源或安全殼內電纜惡化情況下，必須具備保持原有狀態的功能。所以，法國EDF與SEBIM閥供貨廠家聯合研制的新型電磁驅動裝置具有斷電保持位置狀態（解決了斷電關閥問題），還可通過滾珠式線控傳動裝置（柔性軸）驅動先導箱

圖5 新型電磁驅動裝置結構圖

此外，該新型電磁閥驅動裝置也滿足了系統改進的如下要求：

（1）不改變安全閥正常啟閉功能和強制開閉功能；

（2）不增加非正常開啟風險；

（3）在正常運行工況下，不增加持續開啟的風險；

（4）減少對現有設計的影響，保持原有接口及運行機理；

（5）降低人因影響風險。

在操作人員主動干涉時，只須保證在U1規程執行初期短時供電，后期可由電磁驅動裝置的永磁體來保持其開啟狀態，后期電源狀態不會影響其開啟狀態。

1.4.4 提高可靠電源保障時間

目前，采用的電磁驅動裝置要求可靠電源供給時間一直保持至事故末期（PRV下封頭熔穿前，不小于3 h）。若采用改進的電磁驅動裝置，在操作人員手動開啟安全閥后就可不考慮為其供電的要求，這將降低在嚴重事故工況下對可靠電源的依賴性，但開啟時間（事故序列分析時間）發生時間小于且近2 h，所以，其可靠電源保障時間也至少需要2 h，或者其供電時間窗口應保證該閥的啟動時間段一致。

2 結語

我國M310型核電機組采用國際上新型電磁驅動裝置進行技術改進，可提高現有M310型核電機組應對嚴重事故的可用性及有效性，從而提高核電站應對嚴重事故的能力。