核電廠安全殼噴射碎片問題研究

郭丹丹，向文娟，王高陽

（上海核工程研究設(shè)計(jì)院有限公司，上海 200233）

核電廠發(fā)生失水事故后生成的碎片材料會(huì)進(jìn)入應(yīng)急堆芯冷卻系統(tǒng)、噴淋系統(tǒng)以及反應(yīng)堆堆芯，從而造成安全殼濾網(wǎng)的堵塞問題，影響長期冷卻功能的執(zhí)行。美國核管會(huì)從1979年開始關(guān)注壓水堆核電廠安全殼濾網(wǎng)的設(shè)計(jì)問題，其階段性地對(duì)濾網(wǎng)提出新的設(shè)計(jì)要求，并發(fā)布一系列法規(guī)規(guī)范要求來確保濾網(wǎng)設(shè)計(jì)是安全可靠的，從而確保事故后電廠的安全運(yùn)行。國家核安全局也在國核安發(fā)［2012］52號(hào)文“關(guān)于開展運(yùn)行核電廠安全殼地坑濾網(wǎng)改造的通知”中要求國內(nèi)在役電廠完成濾網(wǎng)設(shè)計(jì)改造，從而提高核電廠的安全性。目前國內(nèi)針對(duì)噴射碎片的研究主要以保溫材料為對(duì)象進(jìn)行了分析和試驗(yàn)。

安全殼內(nèi)碎片與濾網(wǎng)堵塞問題的關(guān)鍵技術(shù)包括上游分析技術(shù)、濾網(wǎng)設(shè)計(jì)技術(shù)以及下游分析技術(shù)，具體的研究?jī)?nèi)容包括碎片噴射技術(shù)研究、化學(xué)效應(yīng)研究、碎片遷移技術(shù)研究、堆芯內(nèi)外下游效應(yīng)分析和試驗(yàn)技術(shù)研究。本文重點(diǎn)研究碎片噴射問題，以提供體系性的指導(dǎo)方法供各堆型核電廠參考使用。

1 碎片源項(xiàng)材料研究

根據(jù)參考文獻(xiàn)［1-5］，隨著研究的不斷深入，安全殼內(nèi)的碎片源項(xiàng)材料已從保溫材料擴(kuò)展到安全殼內(nèi)所有可能生成碎片的材料，詳見表1。

表1 RG1.82對(duì)碎片源項(xiàng)材料的規(guī)定Table 1 Definition of Debris Source Material in RG1.82

根據(jù)碎片的產(chǎn)生方式，可將碎片分為潛在碎片（安全殼內(nèi)固有碎片）、化學(xué)碎片和噴射碎片三類，潛在碎片可通過安全殼現(xiàn)場(chǎng)踏勘的方法來確定數(shù)量和類型，化學(xué)碎片可通過試驗(yàn)和分析的方法來確定數(shù)量和類型，此兩種碎片的評(píng)估方法較通用和確定。本文主要以某核電廠為例研究噴射碎片。

核電站在高能管道破口事故后會(huì)在一定區(qū)域內(nèi)造成噴射從而使得該區(qū)域內(nèi)的材料破裂成噴射碎片，此過程中需要考慮的管道特性、影響區(qū)域確定以及材料是否生成碎片的篩選原則是本節(jié)研究的重點(diǎn)。

1.1 高能管道確定

根據(jù)核電站設(shè)計(jì)工程經(jīng)驗(yàn)，可以基于以下準(zhǔn)則確定流體系統(tǒng)內(nèi)的高能管道。

（1）管道公稱直徑大于DN25。

（2）系統(tǒng)運(yùn)行溫度高于93.3℃或運(yùn)行壓力高于1.9 MPa

（3）系統(tǒng)運(yùn)行溫度高于93.3℃或運(yùn)行壓力高于1.9 MPa的時(shí)間大于系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間的2%且不少于電廠運(yùn)行時(shí)間的1%。

高能管道包含并延伸至由高能管道支管上的第一道隔離閥。基于上述原則，梳理出安全殼內(nèi)的高能管道。

1.2 影響區(qū)域確定

根據(jù)參考文獻(xiàn)［1-5］，隨著研究的不斷深入，影響區(qū)域的外形從錐形改成了球形，并且影響區(qū)域的直徑也從定值（7倍破口直徑）改成了隨材料破壞壓力變化的值。

根據(jù)參考文獻(xiàn)［6］和［7］，美國核管會(huì)基于壓水堆電廠的典型工況確定的各種保溫材料的影響區(qū)域見表2。

表2 典型材料影響區(qū)域Table 2 Zone of Influence of Typical Material

目前核電廠設(shè)計(jì)中保守可采用29D的影響區(qū)域（即影響區(qū)域的球體半徑與破口直徑的比值L/D為29），現(xiàn)實(shí)可采用4D的影響區(qū)域。本文認(rèn)為也可比較材料的破壞壓力與其所處位置處的滯止壓力來判斷材料是否會(huì)被破壞成碎片。

1.3 碎片源項(xiàng)材料確定

以某電廠為例，本文總結(jié)了幾種典型的碎片源項(xiàng)材料是否會(huì)生成碎片的篩選原則，詳見表3。不同的材料根據(jù)其特性以及核電站破口事故的特性可以采用直接排出、破壞壓力比對(duì)、噴射試驗(yàn)等方法來確定是否生成碎片。

表3 典型碎片源項(xiàng)材料篩選原則Table 3 Screening Principle of Typical Debris Source Material

2 碎片噴射試驗(yàn)研究

基于第1章的研究結(jié)果，碎片源項(xiàng)材料噴射試驗(yàn)是目前比較切實(shí)可行的解決某些噴射碎片定量分析的方法。本文重點(diǎn)研究噴射理論以及噴射試驗(yàn)方案方面的問題。

2.1 噴射理論研究

根據(jù)參考文獻(xiàn)［7］的要求和參考文獻(xiàn)［8］的方法，基于以下4個(gè)步驟計(jì)算假想破口的自由膨脹噴射力，分析結(jié)果見表4。

表4 噴放滯止壓力敏感性分析Table 4 Jet Stagnation Pressure Sensitivity Analysis

（1）如ANSI/ANS 58.2-1988附錄B所推薦的，使用Henry-Fauske模型計(jì)算過冷水噴放臨界流質(zhì)量流速。

（2）根據(jù)ANSI/ANS 58.2-1988的附件B和假想的工況，計(jì)算初始和穩(wěn)態(tài)壓力。

（3）根據(jù)ANSI/ANS 58.2-1988的附件C的1.1節(jié)，確定噴射外邊界和區(qū)域。

（4）根據(jù)ANSI/ANS 58.2-1988的附件D，確定等壓線。

噴射力分析結(jié)果表明滯止壓力與破口尺寸無關(guān)，這與參考文件［9］和［10］的結(jié)果也一致。噴射試驗(yàn)時(shí)應(yīng)確保L/D值一致。分析結(jié)果表明溫度越低，滯止壓力越大，因此噴射試驗(yàn)時(shí)應(yīng)選取溫度較低處的破口參數(shù)。

2.2 噴射試驗(yàn)方案研究

國外已開展了各種噴射試驗(yàn)，試驗(yàn)介質(zhì)、參數(shù)都有很大的差別，本文提出一種通用的噴射試驗(yàn)方案方法。碎片源項(xiàng)材料的噴射破壞壓力僅關(guān)乎材料的性能而不是關(guān)于噴射的性能，因此從經(jīng)濟(jì)性角度考慮可采用壓縮空氣作為試驗(yàn)介質(zhì)，只要空氣噴射能產(chǎn)生與高溫高壓水等同的滯止壓力即可。

基于參考文獻(xiàn)［7］的經(jīng)驗(yàn)，在相同L/D處的空氣噴射產(chǎn)生的滯止壓力比高溫高壓水產(chǎn)生的滯止壓力小40%，因此在采用空氣噴射時(shí)，應(yīng)在熱工分析大破口最大質(zhì)量流量工況對(duì)應(yīng)的穩(wěn)壓器壓力曲線的基礎(chǔ)上考慮40%的裕量作為本試驗(yàn)的試驗(yàn)?zāi)；瘻?zhǔn)則。

根據(jù)不同的噴嘴尺寸、儲(chǔ)罐體積和壓力，采用Flowmaster軟件建立噴放模型進(jìn)行敏感性分析，模型圖見圖1，根據(jù)表5的工況修改圖1的儲(chǔ)罐壓力和容積參數(shù)，并對(duì)管道尺寸開展敏感性分析。根據(jù)分析結(jié)果確定合適的試驗(yàn)臺(tái)架參數(shù)，最終試驗(yàn)臺(tái)架的性能參數(shù)見圖2，此方法選取的臺(tái)架能滿足噴射試驗(yàn)的試驗(yàn)?zāi)；瘻?zhǔn)則。

圖1 空氣噴射試驗(yàn)分析模型Fig.1 Analysis Model of Air Jet Test

表5 空氣噴射試驗(yàn)方案分析結(jié)果比較Table 5 Comparison of Analysis Result of Air Jet Test Scheme

圖2 空氣噴射試驗(yàn)臺(tái)架性能參數(shù)Fig.2 Performance parameter of Air Jet Test Facility

3 結(jié)論

本文基于法規(guī)規(guī)范的要求，在充分研究國外試驗(yàn)和分析技術(shù)的基礎(chǔ)上，提出了碎片噴射技術(shù)相關(guān)的碎片源項(xiàng)材料確定和碎片噴射試驗(yàn)方案技術(shù)，主要結(jié)論如下：

（1）安全殼內(nèi)的所有材料都可能是碎片源項(xiàng)材料，可采用直接排除、破壞壓力比對(duì)、噴射試驗(yàn)等方法來確定噴射造成的碎片數(shù)量和類型。

（2）破口噴射后的滯止壓力與破口尺寸無關(guān)，噴射試驗(yàn)時(shí)應(yīng)確保L/D值一致。分析結(jié)果表明溫度越低，滯止壓力越大，因此噴射試驗(yàn)時(shí)應(yīng)選取溫度較低處的破口參數(shù)。

（3）可保守采用空氣噴射的方法來開展噴射試驗(yàn)，空噴試驗(yàn)臺(tái)架的儲(chǔ)罐體積、噴嘴尺寸和初始?jí)毫ε浜线x取后能滿足驗(yàn)收準(zhǔn)則要求。