核電廠無源啟動概率安全分析初步研究

鄒志強 張 明 蔣朱敏 張 航 王小吉

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

0 引言

核電廠無源啟動是指反應堆在無外加中子源的條件下，利用核燃料鈾238自發(fā)裂變和（α，n）衰變而不斷自發(fā)釋放的中子作為核反應堆的啟動中子源，完成反應堆啟動的技術。目前，世界上采用反應堆無源啟動的主要是CANDU重水堆和俄羅斯研發(fā)的VVER核電廠[1]。在M310型機組嘗試使用無外加中子源啟動方式是田灣核電5、6號機組探索的新啟動方式。對于田灣核電5、6號機組來說，無源啟動和有源啟動相比，主要的差別在于啟動過程中，堆芯次臨界度較深時，堆外源量程探測器無法測得有效的計數(shù)，為此無源啟動在稀釋達臨界的過程中采用比有源啟動更低的稀釋速率，使得反應堆可以安全可控地達到臨界狀態(tài)。

啟動過程的安全分析主要關注啟動提棒過程完成后，從一回路含硼冷卻劑開始稀釋、稀釋停止后攪混以及提棒達臨界的過程中，不同始發(fā)事件引發(fā)的將反應堆加速帶入臨界或超臨界狀態(tài)過程中的風險。本文從概率安全分析（PSA）的角度對有無外加中子源的堆芯臨界過程中可能存在的風險進行比較分析，從始發(fā)事件、事件序列以及系統(tǒng)等方面說明有無外加中子源對啟動過程PSA分析后果的影響。

1 無源啟動對始發(fā)事件的影響

1.1 啟動過程及時間窗口

借鑒M310反應堆的有源啟動臨界程序，田灣5、6號機組無源啟動達臨界的步驟可采用與有源啟動類似的過程，采用“提棒—稀釋”或“提棒—稀釋—提棒”方式：即首先將所有停堆棒組和功率補償棒組提出堆芯，R棒組提至指定棒位。然后經(jīng)大流量快速稀釋和小流量慢速稀釋。當?shù)箶?shù)計數(shù)率達到規(guī)定值或硼濃度與理論計算的臨界硼濃度的差值小于預定值時，停止稀釋并進行一回路硼酸攪混，反應堆可能在硼濃度攪混均勻過程中達到臨界。如果反應堆未達到臨界，則逐步提出R棒趨近臨界。如果R棒組提至咬量位置堆芯仍未臨界，則將R棒組插回到提棒前的棒位上，重復小流量稀釋、停止稀釋、攪混、提棒過程，直到堆芯達到臨界。

由啟動達臨界的過程可知，無源啟動和有源啟動的差別最有可能是在稀釋速率不同而引起的。稀釋速率不同會導致硼稀釋所用的時間不同。硼稀釋所需時間的事件可用下式進行計算：

其中，t為硼稀釋所需時間，M為稀釋流量，V為一回路冷卻劑體積，C1為稀釋前的硼濃度，C2為稀釋后的硼濃度。

有無外加中子源的啟動過程的主要區(qū)別在于規(guī)定的稀釋速率有區(qū)別，假設有源啟動和無源中規(guī)定的快速稀釋流量均為約20m3/h。當達到小流量稀釋的范圍時，有源啟動的小流量稀釋速率約為6m3/h，無源自動的小流量稀釋速率為5m3/h。

由式（1）可以計算出田灣5&6號機組首次臨界過程中，無源啟動稀釋達臨界所需要的時間預計為8.7小時，假設攪混和提棒過程約消耗3個小時的時間，無源啟動過程總的時間窗口預計為11.7小時，有源啟動達臨界所需要的時間預計為11.5小時。由此可見，無源啟動過程中，由于采用了較小的稀釋流量，導致無源啟動的時間窗口延長了0.2小時。由此可見，無源啟動和有源啟動的時間窗口差距不是很大。在實際的稀釋過程中，操作員甚至可以采用相同的稀釋速率進行稀釋，這樣計算的啟動時間窗口則不存在本質差別。

1.2 堆芯損壞狀態(tài)的定義

在通常的PSA分析中，堆芯損壞通常指堆芯的燃料棒出現(xiàn)實質性的損壞如因高溫而過度氧化引起的破損等。在啟動過程PSA分析時，主要關注反應堆正常啟動操作過程中導致過度引入正反應性的事件發(fā)生后反應堆是否能夠成功停堆。因此假設堆芯損壞定義為：始發(fā)事件導致過度引入正反應性后未能有效終止，反應堆發(fā)生超臨界后堆芯未能及時重返次臨界。無源啟動和有源啟動的堆芯損壞狀態(tài)的定義是相同的。

1.3 始發(fā)事件清單的分析過程

參考同類型電廠的PSA分析始發(fā)事件清單是常用的始發(fā)事件分析方法。田灣5、6號機組最終安全分析報告“核電廠一級PSA始發(fā)事件清單”作為確定始發(fā)事件的主要方法，在此基礎上結合工程評價來確定本工程PSA始發(fā)事件。

參考田灣5、6號機組的POSB工況（包含啟動過程）下的一級PSA內部事件始發(fā)事件清單，選取對無源啟動過程中對反應性引入速率有影響的事件見表1[2]。

表1田灣5、6號機組啟動PSA的始發(fā)事件篩選（POSB）

基于表1的事件清單，篩選出適用于啟動過程PSA的始發(fā)事件。另外，無論是無源啟動或是有源啟動過程中都存在發(fā)生極小破口失水事故（LOCA）（破口尺寸小于9.5mm）的可能性，在始發(fā)事件中增加極小LOCA。此外，本文也額外考慮了由于應急硼注入系統(tǒng)及反應堆化容系統(tǒng)（RCV）硼稀釋引起的失控均勻硼稀釋，即硼稀釋包括了失控均勻硼稀釋和非均勻硼稀釋兩個子始發(fā)事件。一回路瞬態(tài)主要考慮了會過度引入正反應性的失控提棒、燃料組件誤裝事件。彈棒事故是由于控制棒驅動機構耐壓殼機械損壞，導致一回路冷卻劑喪失，RCV注入除鹽水增加，導致正反應性引入率增加。

參考一級PSA內部事件始發(fā)事件的頻率以及相關數(shù)據(jù)庫，給出啟動過程PSA考慮的始發(fā)事件頻率，始發(fā)事件頻率可以使用如下公式計算：

其中，為啟動過程始發(fā)事件頻率，

為參考的始發(fā)事件頻率，為啟動過程時間，參考的始發(fā)事件所在工況的時間。

可以看出，由于啟動時間窗口的不同，無源啟動PSA分析始發(fā)事件頻率比有源啟動PSA分析始發(fā)事件頻率高約2%。始發(fā)事件頻率篩除了頻率小于1E-8的始發(fā)事件類，包括界面LOCA、控制組件彈出和蒸汽管道破裂疊加蒸汽發(fā)生器傳熱管斷裂三類事件。得到啟動過程PSA的始發(fā)事件初步清單。

在確保風險分析的完備性基本得到保證的前提下，需要對已確定的始發(fā)事件進行適當?shù)姆纸M，以減少事件樹與故障樹分析的工作量，這是PSA分析的通常做法。無源啟動和有源啟動的始發(fā)事件分組沒有區(qū)別，經(jīng)分組后確定的始發(fā)事件分組詳見表2。

表2 啟動PSA的始發(fā)事件分組

2.小LOCA小破口穩(wěn)壓器安全閥破口事故過程中引入正反應性的過程類似小破口事故，歸并入小LOCA 2根傳熱管斷裂3.極小LOCA極小破口 破口尺寸在同一范圍，事故過程類似，歸并為極小LOCA 3.不可隔離蒸汽管道破口安全殼內大破口安全殼外主蒸汽隔離閥上游處大破口事故特征為不可隔離的蒸汽管道破口，歸并為不可隔離的蒸汽管道破口安全殼內小破口 事故被安全殼內大破口包絡5.可隔離蒸汽管道破口安全殼外主蒸汽隔離閥下游處大破口事故特征為可隔離的蒸汽管道破口，歸并為可隔離的蒸汽管道破口安全殼外小破口 事故被安全殼外大破口包絡6.瞬態(tài)一回路瞬態(tài)二回路瞬態(tài)事故過程正反應性引入率增加的過程類似失控均勻硼稀釋7.硼稀釋失控非均勻硼稀釋 事故進程中正反應性引入的過程與均勻硼稀釋不同

始發(fā)事件的頻率主要根據(jù)一級PSA內部事件始發(fā)事件的頻率經(jīng)過啟動過程的時間窗口進行折算，由于無源啟動和有源啟動的時間窗口不同，其始發(fā)事件頻率存在差異，無源啟動在確定始發(fā)事件的頻率時，采用較長的時間進行折算，本文中無源啟動PSA分析的時間窗口為11.7小時，有源啟動時間窗口考慮為11.5小時。由此折算得到的始發(fā)事件的頻率見表3。

表3 啟動PSA的始發(fā)事件頻率

2 無源啟動對事件序列分析的影響

第1節(jié)始發(fā)事件分析得到了7類始發(fā)事件。本節(jié)分析無源啟動過程對啟動過程PSA分析的影響。

在反應堆即將達臨界或更早的時刻發(fā)生中破口失水事故后，上充流量將自動增大，以最大上充速率向一回路注入清水，加大反應性引入速率。由于中子注量率較低“穩(wěn)壓器低壓力”停堆信號閉鎖。安注由“安全殼高壓”信號或穩(wěn)壓器壓力低觸發(fā)，安注信號觸發(fā)高壓安注向一回路注入硼水，反應堆得以保持次臨界。安注信號引起停堆信號，控制棒插入堆芯后，反應堆可以保持次臨界狀態(tài)。如果高壓安注未能成功注入，當一回路壓力持續(xù)降低到安注箱向反應堆注入硼水后，反應堆得以保持次臨界。從中LOCA事故的進程來看，無源啟動和有源啟動過程中，事故后的事故進程和響應并無區(qū)別，事件樹題頭和成功準則也無區(qū)別。

在小破口失水事故發(fā)生時，初始進程與大破口類似，在一回路壓力降低到安注箱投入以前，源量程中子注量率停堆信號觸發(fā)停堆，此時控制棒落入堆芯，RCV上充泵的吸入口自動切換到換料水箱。小LOCA事故無源啟動和有源啟動過程中的事件樹相同。極小LOCA事故后，安注系統(tǒng)不會觸發(fā)，由源量程中子注量率停堆信號觸發(fā)停堆，無源啟動和有源啟動過程中的事件樹相同。

在蒸汽管道破口事故序列分析中，根據(jù)破口是否可以隔離分為兩類。破口隔離后，反應堆二次側冷卻將終止，對反應性的影響也會終止。如果隔離失敗，則和破口不可隔離的事故進程類似，通過高壓安注注入或安注信號引起的停堆或者源量程中子注量率停堆信號觸發(fā)停堆。在此過程中無源啟動和有源啟動過程中的事件樹也相同。

瞬態(tài)與極小LOCA的事故進程類似，無源啟動和有源啟動過程中的事件樹相同。硼稀釋事故主要是指非均勻硼稀釋過程，如果發(fā)生主泵由于主外電源喪失而停運，產(chǎn)生防硼誤稀釋保護信號，將RCV上充泵的吸入口自動切換到換料水箱，否則只能通過操縱員識別事故，并通過手動隔離稀釋源，切換上充泵到換料水箱。在此過程中無源啟動和有源啟動過程中的事件樹也是相同的。

3 無源啟動對系統(tǒng)分析的影響

根據(jù)第2節(jié)的事件序列分析，無源啟動和有源啟動過程的事件樹題和成功準則是相同的。表4給出事件樹題頭的失效準則。無源啟動和有源啟動的失效準則相同，在反應堆保護系統(tǒng)、化容系統(tǒng)、安注系統(tǒng)等系統(tǒng)分析時，無源啟動與有源啟動過程也不存在區(qū)別。

表4 啟動過程事件樹題頭、失效準則

4 結論

（1）田灣5、6號機組采用無源啟動和有源啟動，對于啟動過程PSA分析來講，始發(fā)事件清單是相同的，始發(fā)事件頻率的區(qū)別主要表現(xiàn)為啟動過程的時間窗口導致的差別。

（2）無源啟動和有源啟動PSA中的事件序列沒有區(qū)別。

（3）在系統(tǒng)分析的要求中，無源啟動和有源自動對反應堆保護系統(tǒng)、化容系統(tǒng)、安注系統(tǒng)等系統(tǒng)分析的要求沒有區(qū)別。

（4）無源啟動PSA定量化結果（CD頻率）比有源啟動PSA結果因始發(fā)事件頻率升高而略有增長，根據(jù)始發(fā)事件頻率的估算，無源啟動PSA的CD頻率增長約2%，無源啟動和有源啟動PSA定量化結果應處于同一量級的水平。