事故工況下堆芯冷卻控制功能分析

李連海

（江蘇核電有限公司，江蘇連云港 222042）

1 征兆導向事故規程的運行功能

在正常運行工況下，操縱員應嚴格遵守運行技術規范。當機組運行狀態偏離正常運行工況時，操縱員必須通過執行事故規程將反應堆帶到安全狀態。在事故情況下可能會出現操縱員的人為錯誤，或者是非單一設計基準事故，即疊加事件。具體到處于事件或者事故工況下的核電站，關注對象以核蒸汽供應系統（如主回路、蒸汽發生器）、安全殼和相關系統為主。核電站事故后運行包括以下3 個方面：

（1）過渡到退防模式，這是事故處理的總目標，以限制放射性釋放或限制機組惡化的風險。

（2）遵守安全要求，優先保護反應堆堆芯和安全殼。

（3）盡可能避免損壞發電生產設備，這是非優先要求。

因此，征兆導向法規程中設計了相應的控制策略，并應用于達成此目標。應用于過渡到退防模式及事故或事故工況下的控制策略一般分解為3 部分。

（1）觀察、監視發生的事情。辨別或診斷機組的物理狀態。

（2）作出應對決策，確定功能目標。

（3）確定具體行動，使用可用的手段或系統進行操作，以達到功能目標。具體地，征兆導向法采用六大安全功能表征核電站事故后機組狀態。也就是通過六大安全功能來“觀察、診斷、辨別”機組總的狀態（表1）。

表1 關鍵安全功能與多道屏障的關系

每個安全功能都對應一個功能目標，即安全控制功能。主要指作出“決策”、恢復或維持每個安全功能在安全水平內。功能目標的控制，根據六大安全功能測量參數的偏離情況選取。為避免恢復不同狀態時產生沖突，需要確定六大安全功能參數的控制具有不同的優先級。

最后的控制功能是“行動”，即功能目標控制的具體操作方法。為了將機組帶到安全狀態，首先使用的是最有效的操作手段（也是最常規的手段）。如果優先手段不可用，將使用替補手段（如正常噴淋不可用，則使用輔助噴淋）。征兆導向法規程總是按照有效性、使用方便性和常用性，以及引起的代價，決定各操作措施的使用順序。因此，機組運行狀態越惡化，所采取的措施也就越強硬。

2 堆芯冷卻控制功能分析

對于一回路而言，其關注的狀態參數為次臨界度（核功率）、一回路壓力和溫度（一回路飽和裕度）以及一回路水裝量。在事故處理過程中，堆芯冷卻根據事故分析區分為不同狀態。因此，在不同狀態中確定不同的安全功能目標優先級，并由此對應一個控制功能。目前堆芯冷卻控制功能如下。

通過測量堆芯出口溫度和過冷度，轉向不同的堆芯冷卻恢復導則：①堆芯冷卻惡化響應；②堆芯冷卻不足響應；③堆芯冷卻飽和響應。

2.1 堆芯冷卻惡化響應控制功能

2.1.1 控制功能概述

堆芯冷卻不足主要是由于一回路冷卻劑裝量減少或堆芯部分裸露。余熱排出能力不足情況下，衰變熱將導致燃料溫度上升，最終導致燃料損壞。為避免上述情況，應盡快恢復堆芯冷卻。

安注是恢復堆芯淹沒的最有效手段。如果不能建立安注流量，或不能有效恢復堆芯淹沒，操縱員采取措施，降低一回路壓力，以使中壓安注箱注入以及低壓安注系統注入。降低一回路壓力的實現方式包括二次側蒸汽發生器降溫降壓、穩壓器安全閥開啟等。另外，恢復堆芯冷卻的措施未起到預期效果時，可重啟主泵，實現暫時的堆芯冷卻。

2.1.2 堆芯冷卻惡化響應控制要點

當堆芯出口溫度大于650 ℃時，進入堆芯冷卻惡化響應。根據堆芯冷卻惡化響應恢復/重建策略的目標，主要操作包括以下3 個。

（1）建立向反應堆冷卻劑系統注水的安注。安注相關閥門位置應正確，安注泵已啟動，并核實通過安注管線向反應堆冷卻劑系統的注入流量。通過核實堆芯出口溫度以及壓力容器水位，以確定通過安注恢復堆芯冷卻及壓力容器水裝量的效果。

（2）二次側快速降壓。操縱員必須快速對反應堆冷卻劑系統降溫降壓，可通過在保證維持蒸汽發生器足夠給水流量的同時，通過汽輪機旁排系統，或打開大氣釋放閥降溫。在一回路系統壓力下降到1.5 MPa 時，或是安注箱水位接近排空時安注箱必須隔離。持續進行一回路系統快速降溫降壓，直至達到低壓安注壓頭。通過一回路壓力、堆芯出口溫度及壓力容器水位指示來反饋堆芯冷卻和壓力容器水裝量。

（3）重啟主泵或打開穩壓器安全閥。通過投運主泵，形成兩相強迫流動經過堆芯，暫時冷卻堆芯。如果主泵能夠持續運行且有可用的熱阱，即使單相蒸汽的強迫流動有時也能冷卻堆芯。

需要注意的是，由于在執行該策略的過程中，安全殼內氫氣濃度可能升高，當氫氣體積濃度超過3.5%時，要求操縱員及時與技術支持中心人員溝通并采取措施。

2.2 堆芯冷卻不足響應控制功能

2.2.1 控制功能概述

堆芯冷卻不足響應用于應對由于一回路冷卻劑喪失而導致的堆芯冷卻不足。當主泵未運行時，堆芯冷卻不足的表現為堆芯部分裸露。如果主泵在運行，堆芯存在進一步惡化的可能，需要停運主泵。上述工況下均要求操縱員恢復主系統水裝量。

恢復安注是恢復主系統水裝量和堆芯冷卻的最有效手段。如果不能建立中壓安注或不能有效恢復堆芯冷卻，則要求操縱員采取措施，降低主系統壓力以使中壓安注箱和低壓安注注入。主系統降壓通過二次側降壓實現，二次側降壓的同時應注意避免一次側過快的冷卻，導致熱沖擊等問題。

2.2.2 堆芯冷卻不足響應控制要點

當堆芯出口溫度低于650 ℃，且堆芯出口過冷度高于20 ℃時，如果堆芯出口溫度在362～650 ℃，進入堆芯冷卻不足響應。根據堆芯冷卻不足響應恢復/重建的目標，其主要操作包括以下兩個。

（1）建立向反應堆冷卻劑系統注水的安注。應確定安注相關閥門位置正確，安注泵已啟動，并核實通過安注管線向反應堆冷卻劑系統注入流量。通過核實堆芯出口溫度以及壓力容器水位，以確定通過安注恢復堆芯冷卻及壓力容器水裝量的效果。

（2）二次側快速降壓。操縱員必須快速對反應堆冷卻劑系統降溫降壓，在保證維持蒸汽發生器足夠給水流量時，可通過蒸汽旁排大氣或旁排冷凝器，來實現對反應堆冷卻劑系統的冷卻降溫。在一回路系統壓力下降到1.5 MPa（g）時，或安注箱水位接近排空時，必須隔離安注箱。持續進行一回路系統快速降溫降壓，直至達到低壓安注壓頭。通過堆芯出口溫度及壓力容器水位指示反饋安注箱和/或低壓安注恢復堆芯冷卻和壓力容器水裝量的效果。

2.3 堆芯冷卻飽和響應控制功能

2.3.1 控制功能概述

堆芯冷卻飽和響應用于應對由于不同原因而導致的堆芯冷卻飽和工況。飽和狀態的堆芯意味著堆芯冷卻已經很危險，在該工況下，應該采用合適的操作，防止堆芯冷卻進一步惡化。

重點關注當主回路系統由于喪失水裝量而導致堆芯冷卻接近飽和。在補水不足情況下，持續下降的水裝量將導致堆芯出現裸露。本策略重點關注該工況。操縱員啟動安注并核實是否存在主回路開口，導致主回路水裝量的減少。

堆芯飽和有可能是由于喪失二次側熱阱，或喪失余排系統。這兩種工況都會導致主回路溫度的上升。在觸發本策略對應的黃燈工況前，喪失二次側熱阱會先觸發關鍵安全功能狀態樹紅燈工況。對于喪失余熱排出，則要求執行余熱排出系統故障規程。

2.3.2 堆芯冷卻飽和響應控制要點

當堆芯出口溫度低于650 ℃，且堆芯出口過冷度高于20 ℃時，如果堆芯出口溫度低于362 ℃，進入堆芯冷卻飽和響應。根據堆芯冷卻飽和響應恢復/重建的目標，其主要操作有以下兩個。

（1）建立向反應堆冷卻劑系統注水的安注，以維持RCP 的過冷度。操縱員必須將安注閥門狀態配置正確，啟動安注泵，并核實安注向RCP 注入的流量。

（2）核實RCP 的排放途徑。操縱員必須關閉或隔離任何開啟的穩壓器安全閥，或任何其他RCP 排放途徑。

3 結論

（1）事故情況下堆芯冷卻存在冷卻惡化、冷卻不足和冷卻飽和等3 種工況，需要識別和采取必要控制方法予以緩解。

（2）研究采取的控制手段要點明確，方法有效，對于確保機組安全作用明顯。

（3）征兆導向事故規程控制策略的3 個關鍵步驟，對于事故響應正確有效。