華龍一號蒸汽發生器防滿溢設計驗證分析

鄭靜 顧蔚泉 郝祿祿

福建福清核電有限公司 福建福清 350318

蒸汽發生器傳熱管破裂事故（簡稱SGTR事故）是壓水堆設計基準事故：一根蒸汽發生器傳熱管發生完全雙端剪切斷裂引起破損兩端不可控噴放的事故，由于SGTR 發生頻率相對較高，RCC-P （1991年版）將SGTR 事故從IV 類事故變成Ⅲ類事故[1]。當核電廠發生SGTR事故時，含放射性的冷卻劑將通過破口進入蒸汽發生器二次側，一旦破損蒸汽發生器出現“滿溢”，將使蒸汽管道充水、易使安全閥密封損壞且放射性較高液態流出物將通過安全閥或釋放閥排放到大氣導致大量放射性釋放[2]。

華龍一號在設計上采用了破損蒸汽發生器防滿溢措施，增加事故后操縱員應對事故的時間，減少事故過程中人因失誤的影響。本文將重點對華龍一號防滿溢設計進行分析，首先確定主要假設和初始條件，構建計算分析模型，研究SGTR事故下蒸汽發生器滿溢最惡劣工況，并與福清5-6號機組PSAR安全分析結果進行對比分析，驗證華龍一號蒸汽發生器防滿溢設計的有效性。

1 蒸汽發生器主要防滿溢措施

防止SGTR事故下破損蒸汽發生器滿溢主要考慮以下因素：減小破口流量和輔助給水流量。華龍一號防滿溢設計采取以下措施：

（1）設置“蒸汽發生器水位高高疊加穩壓器水位低低”信號，觸發“緊急停堆”和“隔離高高水位所在蒸汽發生器的輔助給水”。

（2）采用中壓安注系統，降低安注泵關閉揚程，降低了一回路向二回路泄漏量。

（3）設置反應堆冷卻劑系統快速冷卻功能，以使中壓安注系統盡早投入運行。

（4）提高破損蒸汽發生器大氣釋放閥整定值，減少SGTR事故下放射性流出物釋放。

（5）設置安全級蒸汽發生器排污管線。

2 分析方法及主要假設

本文采用先進的兩相流熱工水力程序CATHARE2V1.3L開展SGTR事故下蒸汽發生器滿溢最惡劣工況分析。

2.1 運行點和初始條件

對于反應堆初始功率，5%NP工況下蒸汽發生器二次側初始水裝量較102%NP下蒸汽發生器二次側初始水裝量大，因此5%NP工況下破損蒸汽發生器更容易滿溢。因此，選取初始功率為5%NP工況，并分別對不考慮喪失廠外電（工況A）和考慮喪失廠外電（工況B）兩種工況進行分析。

為使給定時間內排放流出物質量最大，反應堆冷卻劑系統和蒸汽發生器二次側之間的壓差必須最大，初始條件需有利于增大一、二回路壓差；為了降低初始蒸汽壓力，假定反應堆冷卻劑初始平均溫度為額定值減去最大穩態控制范圍和測量誤差；穩壓器初始壓力為額定值加上最大穩態波動和測量誤差，假定SGTR事故安注系統盡快投入；穩壓器初始水位考慮不確定因素引起的升高，見表1。

2.2 單一故障

對于快速和手動冷卻階段，均假設可用大氣釋放閥中有一個大氣釋放閥開啟失效。

2.3 堆芯假設

堆芯功率在停堆前保持恒定，停堆后堆芯余熱（B+C項）考慮1.645σ偏差。

2.4 功能假設

表1 輸入參數和初始條件

蒸汽系統：假定冷凝器不能用。

安注系統：安注流量最大，相當于2臺中壓+2臺低壓安注泵運行流量。

主給水和輔助給水：主給水流量、溫度，與初始功率和一回路溫度相匹配。在主給水停運信號產生后，經過保守時間延遲后，主給水泵停運。假定輔助給水泵在信號發出后零延遲啟動，輔助給水流量和溫度取最大值。

化學容積控制系統：在操縱員干預之前，假設化容系統注入流量最大，下泄流量為最小。操縱員干預后，隔離上充流。穩壓器水位低信號產生后，隔離下泄流。在事故后期，當安注泵停運后，手動恢復下泄流[3]。

2.5 控制和保護

SGTR事故發生后，蒸汽發生器水位上升到高高水位，由于P7信號，僅觸發主給水泵停運，主給水流量低信號啟動輔助給水泵。穩壓器水位不斷降低，蒸汽發生器水位高高和穩壓器水位低低符合觸發反應堆緊急停堆，隔離相應蒸汽發生器的輔助給水。穩壓器壓力低低（最小值）信號，導致中壓安注投入和快速冷卻開始。

2.6 操縱員動作

假設在反應堆緊急停堆后30分鐘操縱員開始動作，操縱員首先觀察流出蒸汽發生器的汽相劑量水平，冷凝器噴汽器或蒸汽發生器排污劑量水平，判明事故類別。根據蒸汽發生器水位上升、主給水流量下降，蒸汽發生器排污或蒸汽管線的劑量監測來確定破損蒸汽發生器。按照事故處理規程，調節破損蒸汽發生器大氣釋放閥整定值。通過冷卻一回路系統、停中壓安注和穩壓器噴霧降低一回路壓力來減少破損蒸汽發生器一次側向二次側的泄漏。

3 程序建模

3.1 建模

CATHARE2V1.3L建模包括一回路和二回路建模兩部分。一回路建模包括壓力容器部分和環路部分：壓力容器部分包括堆芯、下腔室、下降段、上腔室和上封頭等；環路模型包括熱管段、穩壓器波動管段、穩壓器、蒸汽發生器出入口腔室、傳熱管束、過渡段、冷卻劑泵、冷管段及破口模型等。二回路建模包括給水、給水管線、給水與循環水混合段、蒸汽發生器二次側下降段等。

3.2 調試

開展SGTR事故發生前反應堆穩定運行狀態的模擬分析，以驗證事故瞬態起始點與初始工況和假設分析所確定的工況一致。

調試結果如表2所示，環路流量和堆芯旁路流量的目標值與實際值相對誤差絕對值小于1%，3.1節建立的計算分析模型可用于SGTR事故分析。

表2 建模調試結果

3.3 計算結果

采用蒸汽發生器防滿溢主要措施后，SGTR事故下工況A和工況B事件序列如表3所示。SGTR事故發生后，在觸發反應堆保護信號前，破損蒸汽發生器水位快速上升。破損蒸汽發生器出現水位高高信號觸發主給水泵停運，主給水流量低信號觸發輔助給水泵啟動。蒸汽發生器水位高高和穩壓器水位低低符合觸發緊急停堆，隨之汽輪機跳機，并隔離破損蒸汽發生器輔助給水，隨后穩壓器壓力低低信號產生，安注啟動和快速冷卻開始。

表3 SGTR事件序列

圖1 破損SG汽水分離器底部以上水位（工況A）

圖2 破損SG汽水分離器底部以上水位（工況B）

圖3 破損SG汽水分離器底部以上水位

由圖1-2可知，工況B破口流量在破口出現后 2.10h 終止，工況B破損蒸汽發生器汽水分離器底部以上水位值比工況A水位值高，工況B為蒸汽發生器滿溢最惡劣工況。由圖4可知，在蒸汽發生器滿溢最惡劣工況下，破損蒸汽發生器汽水分離器底部以上水位值為 5.08m＜6m，未發生滿溢。

圖3為PSAR中SGTR事故下蒸汽發生器滿溢最惡劣工況分析結果，破損蒸汽發生器汽水分離器底部以上水位遠低于蒸汽發生器頂部，未發生滿溢。

以上分析結果顯示，本文對SGTR事故下蒸汽發生器滿溢最惡劣工況分析結果與PSAR安全分析結果一致，由此可驗證華龍一號蒸汽發生器防滿溢設計是有效的。

本文針對華龍一號機組防滿溢措施，基于合理方法和主要假設采用CATHARE2V1.3L，研究了破損蒸汽發生器滿溢最惡劣工況，并與PSA結果進行對比，得出以下結論：①SGTR事故考慮喪失廠外電工況下蒸汽發生器更易發生滿溢，為蒸汽發生器滿溢最惡劣工況；②在蒸汽發生器滿溢最惡劣工況下，破損蒸汽發生器汽水分離器底部以上水位低于破損蒸汽發生器頂部，未發生滿溢；③華龍一號機組蒸汽發生器防滿溢措施是有效的，合理可行。