坎杜-6核電廠失電事故下重水濃度降級分析

□韓 雨

坎杜-6重水堆核電廠與輕水壓水堆核電廠的主要區別在于因使用天然鈾作為核燃料，要求冷卻劑必須是高純度的重水。如果重水純度下降，輕者會影響機組運行的經濟性，重者會導致堆芯不能正常臨界。坎杜-6重水堆核電廠只有在失去全部三、四級電源事故下才會導致主系統重水濃度降級，本文針對該失電事故展開分析。坎杜-6重水堆核電廠四級和三級電源配置簡圖如圖1所示。

圖1 坎杜-6核電廠四級和三級電源配置簡圖

一、主系統重水濃度降級分析

(一)事故的主要影響。一是自動觸發停堆；二是主系統失去強迫循環，由自然循環持續帶走堆芯衰變熱；三是主系統失去裝量補充，因主系統冷卻，主系統壓力隨之下降。當主系統壓力降低到4Mpa(g)左右，高壓安注系統輕水開始注入堆芯，引起主系統重水濃度的降級；四是蒸汽發生器失去主給水系統補水，自動降壓邏輯觸發后，應急給水系統或噴淋水箱能夠提供補水；五是電廠不間斷UPS電源設計上1小時后用完。因此，在其耗盡之前，需啟動電廠應急電源系統，以維持堆芯衰變熱的排出和重要參數的監視及控制。

(二)主系統重水濃度降級分析。

1.蒸發器降溫導致主系統重水濃度降級。根據電廠失去四級和三級電源應急運行規程，事故30分鐘后開始降溫操作。隨著蒸發器二次側降溫，主系統壓力也隨之下降。當主系統壓力降低到4Mpa(g)左右，安注輕水就會注入主系統，從而導致其重水濃度的降級。之后，隨著事故進程，主系統壓力逐漸降低。根據電廠內部技術報告評估，在全廠失電事故下，主系統壓力將降低到2.96Mpa(g)。

2.主系統重水濃度降級分析計算。根據熱工建模的計算結果，當主系統壓力為2.96Mpa(g)時，安注系統注入主系統的輕水約為25.7噸。同時由電廠重水管理系統查詢結果，功率運行時機組主系統和穩壓器的重水裝量約147噸。假設事故下穩壓器液位降低到0.8米時操縱員手動隔離后穩壓器內重水裝量為1噸，則重水降級計算采用主系統重水裝量為146噸。假設重水和輕水均勻混合，輕水分子量取18，重水分子量取20，主系統裝量146噸為純重水，則主系統壓力降低到2.96Mpa(g)時主系統重水濃度C1計算如下：

C1=N0/( N0+N1)

=[NaX(1.46E+08÷20)]÷[NaX(1.46E+08÷20+2.57E+07÷18)]

≈83.6%atm

其中：

N0為主系統正常運行裝量重水的分子數;

N1主系統壓力降低到2.96 Mpa(g)時高壓安注系統注入主系統的輕水分子數；

Na 阿伏加德羅常數。

如果按照機組重水升級系統的升級能力或從國外應急采購新的高純重水，再進行主系統重水裝量的整體置換，保守估計核電廠需停運4個月，根據電廠每天的發電量等進行經濟核算，估計經濟損失在十億元以上。

二、避免主系統重水濃度降級的策略分析

(一)策略實施準則。

1.主泵密封完整性準則。根據福島核事故后坎杜-6重水堆核電廠全廠失電事故的分析，主泵密封失去注入流和設冷水后成為威脅主系統完整性的薄弱環節。一旦主泵密封因主系統高壓高溫而失效，則會造成主系統完整性破壞和重水的泄漏。根據國外技術單位的分析，在全廠失電事故下，如果蒸發器二次側不進行降溫降壓，那么主系統壓力將維持在大約9Mpa(g)。而主泵軸封在壓力為15.5Mpa(2,250psi)和溫度315℃(600℉)條件下測試8小時后能保持其完整性。

2.避免主系統重水濃度降級的主系統壓力準則。根據模擬機事故驗證，當主系統的壓力降低到4Mpa(g)時，高壓安注輕水開始注入主系統。同時，根據電廠設計文件，安注高壓水箱正常水位10.1米液面標高為105.82米，主系統進出口集管標高為112.5米，假設高壓安注氣箱壓力為高壓報警值4.41Mpa(g),則事故下主系統降壓至4.34Mpa(g)時高壓安注輕水開始注入主系統。因此，確定避免主系統重水濃度降級的準則：事故下主系統壓力能夠維持大于4.4Mpa(g)。

(二)避免事故下主系統重水濃度降級的策略。事故下主系統壓力值是由重水液體的容積、穩壓器中重水蒸汽容積及其膨脹和汽液界面的能量和物質交換而得到。其過程遵循質量平衡方程、能量平衡方式和動量平衡方程。主系統重水液體的容積由主系統各部分不同溫度的重水所決定，可以分成如下四部分：一是堆芯入口至堆芯出口部分，該部分為重水升溫部分；二是堆芯出口至蒸發器入口部分，該部分為高溫重水部分；三是蒸發器入口至蒸發器出口部分，該部分為重水降溫部分；四是蒸發器出口至堆芯入口部分，該部分為低溫重水部分。

以上四部分，由于重水溫度的不同，對應的密度也不同，四部分重水容積之和得出主系統重水液體所占的容積也不同。因此，可以通過控制主系統各部分重水溫度來控制主系統的壓力。主系統各部分溫度控制的越高，則主系統的壓力也就越高，越可以避免主系統重水濃度的降級。

因此，以主泵密封完整性準則為前提，把通過蒸發器二次側降溫降壓并控制在較高的壓力，防止主系統壓力降低至4.4Mpa(g)，作為避免主系統重水濃度降級的策略。該策略的方法是不再根據規程要求對蒸發器二次側降壓到接近大氣壓，而是控制蒸汽發生器二次側降溫降壓后的壓力。蒸汽發生器二次側壓力控制越高，其對應的飽和溫度就越高，這樣控制的主系統溫度也就越高，越能延緩主系統壓力下降的速度。

根據坎杜-6重水堆核電廠熱工模型分析計算的結果，如果控制蒸汽發生器二次側壓力1.5Mpa(a)時，事故后8小時內，主系統壓力能夠維持在6.1Mpa(a)以上，能夠保證避免安注輕水的注入而導致的主系統重水濃度的降級。控制蒸汽發生器二次側壓力1.5Mpa(a)時主系統出口集管壓力變化曲線如圖2所示。

圖2 SG壓力控制在1.5Mpa(a)時主系統出口集管壓力變化曲線

三、結論和建議

(一)結論。一是失去全部三、四級電源事故將導致主系統重水濃度降低約20%，經濟損失十億人民幣以上；二是控制蒸汽發生器二次側壓力1.5Mpa(a)以上，事故后8小時內，主系統壓力能夠維持在6.1Mpa(a)以上，能夠保證避免安注輕水的注入而導致的主系統重水濃度的降級；三是策略使電廠在失去三、四級電源事故下避免主系統重水濃度降級的響應干預時間從0.5小時提升到8小時。

(二)建議。一是電廠技改保證蒸汽發生器二次側壓力1.5Mpa(a)以上的蒸發器補水能力；二是電廠技改或規程優化保證蒸汽發生器二次側壓力能夠控制在1.5Mpa(a)；三是增加模擬機相應的事故場景并定期組織電廠人員演練。