直接注入管線失水事故非能動安全系統運行特性研究

黃志剛，張 妍，魯曉東，彭傳新，昝元鋒，卓文彬，閆 曉

(中國核動力研究設計院 中核核反應堆熱工水力技術重點實驗室，四川 成都 610213)

目前第3代先進核反應堆中，普遍引入了非能動安全技術，設計的非能動安全系統用于緩解失水事故(LOCA)的危害性，及時冷卻堆芯，防止事故進一步惡化[1]。發生設計基準事故時，非能動安全系統按照設計要求及時啟動投入運行是緩解事故危害最可靠的重要途徑。對于非能動安全系統，目前國內外針對相關的應用對象已開展了大量的綜合性能試驗研究，并將研究結果應用于安全設計[2-11]。從福島事故后主要核大國的行動來看，吸取事故經驗教訓，促進非能動安全系統的可靠性研究，提高先進堆的安全水平將是一項長期持續的工作。

美國西屋公司的IRIS和AP600/AP1000[2]、韓國的APR1400[3]、歐洲的SWR1000[4-5]、俄羅斯的WWER1000均采用非能動技術提高反應堆的安全性，一些中小型反應堆如美國的MASLWR和韓國的SMART也采用了非能動安全系統和自然循環冷卻方法，這些反應堆在研發和設計過程中針對非能動安全系統開展了大量的試驗研究，重點關注和研究反應堆在LOCA階段非能動應急堆芯冷卻系統的行為特性[12-15]。

中國核動力研究設計院提出的小型模塊式反應堆ACP100也采用非能動安全系統設計方案，非能動安全系統主要由非能動應急堆芯冷卻系統、非能動余熱排出系統和自動卸壓系統等組成。為滿足工程應用和設計分析驗證要求，已對波動管和直接注入(DVI)管線LOCA開展了系列試驗研究[6-7]。本文主要根據DVI管線LOCA試驗研究，分別分析高壓、中壓和低壓安注系統以及長期再循環系統的運行特性，探索系統運行中的相互影響規律，評估非能動安全系統對堆芯的冷卻效果。

1 試驗裝置

非能動安全系統綜合試驗裝置是針對中國核動力研究設計院提出的小型模塊式反應堆ACP100建立的綜合性能裝置，主要系統配置如圖1所示，該裝置以多級雙向比例分析方法為主，采用全高度、等溫和等壓的設計方案，功率和容積按1/37.6縮比的方式建設，主要包括一回路系統、二回路系統、非能動應急堆芯冷卻系統(包括高壓安注、中壓安注和低壓安注)、自動卸壓系統、長期再循環系統和輔助系統等。

圖1 試驗回路主要系統流程圖

高壓安注系統包括2個系列，每個系列包括1臺堆芯補水箱(CMT)、1個壓力平衡管線、1個注入管線、1臺隔離閥及相應的參數測量裝置等。CMT設計布置位置高于壓力容器，CMT進口通過壓力平衡管與反應堆冷卻劑系統相連通，出口管通過壓力容器DVI管線與反應堆壓力容器下降段環腔相連通。在發生LOCA后，系統壓力下降到12 MPa時觸發高壓安注系統投入，安注管線隔離閥自動開啟，CMT依靠重力作用自動向壓力容器注水，壓力平衡管線滿水時，則以水循環方式注入；若壓力平衡管線接管處水裝量減少，出現汽腔，則以蒸汽補償方式注入，通過自然循環方式，CMT能在長時間內提供相對高流量的安注。

中壓安注系統包含2個系列，每個系列包括1臺安注箱(ACC)、1個注入管線、1臺止回閥及相應的參數測量裝置等。在正常條件下，ACC內有2/3體積的水、1/3體積的氮氣且壓力設置為6 MPa。發生LOCA后，注入管線壓力下降到6 MPa時觸發中壓安注系統投入，安注管線止回閥自動開啟，ACC依靠氮氣蓄能自動向壓力容器注水，ACC能在短時間內提供很大流量的安注。

低壓安注包含2個相同的系列，2個系列共用低壓安注水箱，低壓安注水箱安裝位置高于壓力容器，在系統充分泄壓后，低壓安注系統投入，通過低壓安注水箱與壓力容器之間的位差驅動注水。

高壓、中壓和低壓安注系統注入管線均最終連接到壓力容器DVI接管上，冷卻劑最終均通過DVI接管注入壓力容器，安注過程不依賴于泵等能動部件，均設計為非能動方式。長期再循環系統則由地坑水箱、安全殼模擬體等組成。裝置主要設計參數與原型比例列于表1。

表1 裝置(M)與原型(P)主要參數比例對照

試驗裝置采集參數主要包括溫度、壓力、流量和水位等。其中在電加熱堆芯模擬體進出口、CMT筒體、ACC筒體和安注管線等位置均設置了溫度測點；在壓力容器筒體上下端、CMT筒體、ACC筒體和安注管線不同位置均設置了壓力測點；在高壓、中壓、低壓和再循環安注管線均設置有流量測點；在CMT、ACC、低壓安注水箱等設備上設置有水位測點。溫度信號采用Ⅰ級精度的鎧裝熱電偶測量，最大誤差為1.02 ℃；壓力采用0.05級的智能式壓力變送器測量，最大誤差為0.21%；流量采用0.5級精度的文丘里流量計測量，最大誤差為1.03%；水位采用0.05級的智能式壓差變送器測量，最大誤差為0.21%。

2 試驗工況

DVI管線LOCA研究包括事故后短期性能試驗和長期再循環試驗，本文主要針對DVI管線發生14 mm破口LOCA試驗開展分析，試驗一回路系統初始狀態為額定功率穩定運行，安全殼初始壓力為0.2 MPa，試驗中DVI管線破口發生位置在第1系列的高壓安注和中壓安注注入接管與壓力容器連接處，稱該系列為破損環路，另一側則稱為完整環路。

3 試驗結果分析

根據試驗工況的要求，開展了DVI管線破口試驗研究，破口發生后，由于冷卻劑喪失，一回路系統壓力自動下降。在壓力下降到12 MPa以下時觸發高壓安注投入運行，CMT向壓力容器注水，在壓力下降到6 MPa以下時觸發中壓安注投入運行，ACC自動向壓力容器注水，系統充分泄壓后低壓安注投入運行。安注系統的投入與系統自動降壓過程有關，在達到相應的壓力信號后自動觸發投入，表2為DVI管線14 mm破口尺寸對應的主要事件和試驗記錄的觸發時間。其中，t=0 s為發生破口時間(下同)。

表2 DVI破口工況事件序列

3.1 高壓安注試驗結果

破口發生后2 000 s內2臺CMT壓力隨時間的變化示于圖2，由于CMT頂部壓力平衡管線和壓力容器直接相連，因此破口發生過程中，完好側(CMT2)的壓力變化趨勢與一回路壓力變化一致，而對于破損側(CMT1)，t=35.5 s高壓安注系統投入運行前，CMT1的壓力變化趨勢與一回路壓力變化一致，高壓安注系統啟動后，高壓安注管線1#出口與破口處相通，CMT1壓力則快速下降，由于破損側中壓注入系統的作用，壓力下降到4 MPa附近又逐漸恢復到與CMT2數值、趨勢均相當的情況。圖2中3條虛線分別表示破口發生后完好側高壓、中壓和低壓安注系統的啟動時刻，后文中圖示均按此處理。

圖2 CMT出口壓力時程

CMT出口管線流量隨時間的變化示于圖3。高壓安注系統啟動后，破損側流量迅速上升至26 t/h，而后在30 s內由于1#中壓安注系統的抑止作用，該流量下降至19 t/h，當1#高壓安注管線略大于1#中壓注入管線的出口壓力時，破損側高壓安注流量又逐漸漲回至25.5 t/h，隨著一回路系統壓力的下降，破口滯止點壓力減小，相應的臨界流量逐漸減小，破損側高壓安注流量逐漸減小直至CMT1排空。完好側高壓安注系統啟動后，流量迅速上升至2.7 t/h，同樣地，在約100 s內由于2#中壓安注系統的抑止作用，2#高壓安注流量減小為0，直至2#中壓安注系統完成安注后，該流量又逐漸漲回到3.2 t/h，而后隨著CMT2進出口溫差逐漸縮小，蒸汽-水循環驅動力逐漸下降，2#高壓安注流量緩慢下降。

圖3 CMT出口管線流量時程

CMT水位隨時間的變化示于圖4，高壓安注系統啟動后，破損側CMT的水位迅速下降，約3 min完全排空，而完好側高壓安注系統啟動后則分別經歷約1 min的水-水循環和其后的蒸汽-水循環2個階段。

圖4 CMT水位時程

3.2 中壓安注試驗結果

2個系列ACC的水裝量變化如圖5所示。中壓安注采用氮氣蓄能驅動，運行相對簡單，破損側中壓安注管線(1#)接入口在高壓安注管線1#的上游，因此破口發生后，依靠1#中壓注入管線接口和破口位置大壓差克服止回閥的壓差啟閉要求，t=2 s時，破損側中壓安注系統自動投入，開始排水，水裝量逐漸減少，在破口發生35.5 s時，高壓安注投入運行，CMT1注入管線隔離閥開啟，由于CMT和ACC共用注入管線，且破口位置設置在靠近壓力容器位置的DVI管線處，所以CMT1注入管線隔離閥開啟后，CMT筒體內高壓介質通過注入管線從破口向外排放，使得ACC1注入管線與DVI管線接管處的壓力從1.4 MPa升高到3.3 MPa，ACC1筒體和注入管線接管之間的壓差減小，ACC1排水減緩，這種情況一直持續到1級和2級自動卸壓系統啟動后，一回路系統卸壓加快，ACC1排水速率再次加快，直到排空。完好側ACC2的情況與破口側ACC1有所區別，從t=104 s觸發ACC2投入后，ACC2水位持續下降。

圖5 ACC水容積時程

3.3 低壓安注試驗結果

低壓安注流量隨時間的變化示于圖6，與高壓安注及中壓安注系統不同的是，低壓安注系統中，1#和2#低壓安注管線共用低壓安注水箱作為安注冷卻水源，t=435 s，通過3A級自動卸壓系統信號觸發低壓安注系統投入，而后在保證低壓投入不會造成回流的前提下，在t=553 s開啟低壓安注閥，1#、2#低壓安注系列順利投入，通過低壓安注水箱與壓力容器之間的高差驅動注水，低壓安注投入后建立了穩定的安全注入流量，2個系列的低壓安注流量分別達2.62 t/h和2.7 t/h。

圖6 低壓安注流量時程

3.4 一回路系統參數

堆芯模擬體進出口溫度和壓力隨時間的變化示于圖7，破口發生后由于冷卻劑喪失系統快速卸壓，約200 s時系統壓力下降到2 MPa以下，之后在1 MPa下持續約200 s，在自動卸壓系統投入運行后系統壓力降低到0.3 MPa。在事故后期，自動卸壓系統的及時投入可有效降低一回路系統的壓力，使得低壓安注能盡快投入，及時向堆芯注水冷卻。在破口剛發生的70 s內，堆芯模擬體進口溫度略有上升，但遠低于飽和溫度，70～553 s低壓安注系統投入前，堆芯模擬體進口溫度隨壓力下降而逐漸降低，低壓安注系統投入后，堆芯模擬體進口溫度逐漸低于飽和溫度，至2 000 s時，過冷度已大于30 ℃。破口發生后，堆芯模擬體出口溫度和對應壓力下的飽和溫度一致，隨飽和溫度逐漸下降。在t=105 s時，出口溫度維持在280 ℃，而后由于自動卸壓系統投入，且系統卸壓有利于安注注入，出口溫度繼續下降，低壓安注系統啟動后，對堆芯模擬體起到了明顯的冷卻作用，至2 000 s時，堆芯模擬體出口已有6 ℃的過冷度。

圖7 堆芯模擬體溫度和壓力時程

3.5 長期再循環性能

在破口發生后約7.5 h，系統運行進入長期再循環階段。長期再循環階段的系統流量變化如圖8所示。由于長期再循環通過堆坑取水，主要滿足事故后長期運行階段堆芯衰變熱的導出，因此在長期再循環建立初期系統流量略有波動，之后趨于穩定，約為90 kg/h。

圖8 長期再循環流量時程

4 結論

1) DVI管線14 mm破口LOCA條件下，由于破口側DVI管線失水，注入管線壓力快速下降，破口側的ACC先啟動，在系統壓力降低到12 MPa時CMT注入管線隔離閥開啟，CMT與破口側DVI注入管線連通，使得ACC與DVI接管位置壓力升高，減緩了ACC排空速度。完好側的CMT先于ACC啟動，在ACC啟動時，CMT注入受到抑制，在ACC注入完成后，CMT注入再次恢復。

2) 低壓安注系統啟動前，堆芯模擬體出口溫度逐漸下降，但接近飽和溫度，堆芯模擬體進口溫度大多存在至少5 ℃的過冷度，低壓安注系統啟動后，對堆芯模擬體產生明顯的冷卻效果，堆芯模擬體出口溫度亦逐漸出現明顯的過冷度。

3) 發生LOCA后，高壓安注系統能在卸壓全過程通過非能動方式為系統提供冷卻劑注入，中壓安注系統能在系統壓力下降到6 MPa后的較短時間為系統提供大流量的冷卻劑注入，在系統充分卸壓后低壓安注系統可提供長時間的較低流量冷卻劑注入，通過高壓、中壓和低壓安注系統配合運行，實現LOCA后全程均有冷卻劑注入壓力容器冷卻堆芯。

4) DVI管線破口LOCA發生7.5 h內，能啟動并形成較為穩定的長期再循環流動，持續導出堆芯衰變熱，確保一回路系統溫度和壓力不再升高。