核電廠蒸汽發(fā)生器傳熱管破裂疊加安全閥卡開事故研究

賈玉強 陳路標(biāo)

（福建福清核電有限公司，福建 福清350318）

1 概述

從世界各國壓水堆核電廠的運行經(jīng)驗來看，蒸汽發(fā)生器傳熱管破裂事故（以下簡稱SGTR 事故）是發(fā)生頻率較高的事故之一。對于電功率為1000MW 的機組，其蒸汽發(fā)生器的傳熱管大約有5000 根，傳熱管的壁厚大約為1.0mm（M310 機組的蒸汽發(fā)生器為4474 根，壁厚1.09mm），非常薄弱，發(fā)生個別傳熱管破損的可能性是很大的。截至目前，國際上發(fā)生過5 次因蒸汽發(fā)生器傳熱管破裂導(dǎo)致的安注和緊急停堆。

對于SGTR 事故，不同的操縱員處理可能會產(chǎn)生不同的結(jié)果，有的可以較早終止泄漏，有的卻會造成蒸汽發(fā)生器滿溢，大量的放射性的水進入蒸汽管線，而蒸汽管線上的主蒸汽安全閥只是按照排汽設(shè)計的，對于水或者汽水混合物，安全閥的工作性能會變得很壞，它的回座的失效概率也會大大增加，根據(jù)PSA的報告所提供的資料，它的回座失效概率為10%。蒸汽管線穿過安全殼直接進入汽輪機廠房，這一事故工況旁路了安全殼，一回路放射性冷卻劑可以毫無阻擋地直接進入SG，進入主蒸汽管線、汽輪機、冷凝器，而且通過安全閥直接進入環(huán)境。

2 瞬變過程分析與研究

2.1 事故基本假設(shè)

表1 初始條件

表2 主蒸汽安全閥參數(shù)

本瞬態(tài)分析基于下列假設(shè)：

（1）在一次側(cè)向二次側(cè)泄漏量減小到零之前，破損蒸汽發(fā)生器滿水。

（2）該安全閥過水而失效并處于完全卡開狀態(tài)。

（3）對本特定事故，只有當(dāng)蒸汽發(fā)生器一、二次側(cè)和大氣的壓力達到平衡時破口流量才會終止。

（4）假定輔助給水電動泵或輔助給水汽動泵在啟動信號發(fā)出后最短時間內(nèi)啟動。輔助給水流量取最大值使蒸汽發(fā)生器更易滿水。

2.2事故發(fā)展序列

表3

（1）操作員開始干預(yù)，隔離破損蒸汽發(fā)生器的輔助給水，給水中斷，破損蒸汽發(fā)生器水位下降。但不斷有冷卻劑通過破口進入破損蒸汽發(fā)生器，一段時間后，破損蒸汽發(fā)生器水位又開始回升，破損蒸汽發(fā)生器將再次滿水，再次排水，直到破口流量中斷為止。

（2）安注投入后，一回路系統(tǒng)壓力回升，于是破口流量也隨之增加，導(dǎo)致破損蒸汽發(fā)生器滿水。隨后水進入蒸汽發(fā)生器蒸汽管線，此時安全閥進水并維持卡開狀態(tài)。大量水和蒸汽從卡開安全閥排放到大氣中。

2.3 事故分析

SGTR 事故發(fā)生后，由于冷卻劑從破口流向故障SG 二次側(cè)，故障SG 液位持續(xù)上升，一回路壓力下降，穩(wěn)壓器低壓力信號觸發(fā)反應(yīng)堆緊急停堆。研究顯示：一回路與二回路的壓差為7Mpa 時會導(dǎo)致大約每小時100t 的泄漏量。停堆后一回路壓力繼續(xù)下降，穩(wěn)壓器低- 低壓力信號觸發(fā)安注，高壓安注啟動對一回路進行補水。安注觸發(fā)后，輔助給水啟動，以最大的流量向SG 供水。故障蒸汽發(fā)生器二次側(cè)水位在輔助給水和一次側(cè)泄漏的雙重作用下液位迅速上升，達到滿水，SG 二次側(cè)壓力也跟著上升，SG 安全閥開啟。假定破損SG 安全閥卡開，引起一回路的降溫速率＞56℃/h。在相應(yīng)過冷度大于20℃且穩(wěn)壓器水位大于80%的條件滿足后，操縱員逐步停止安注泵運行，并將一臺以安注模式運行的上充泵轉(zhuǎn)為正常上充模式運行。由于破口處一、二次側(cè)還有壓差，破口流量還未終止。操縱員進一步采用噴淋降壓，使主回路壓力進一步降低，并維持破損SG 一、二次側(cè)的壓力平衡，只有當(dāng)一、二次側(cè)和大氣的壓力達到平衡時破口流量才會為零。由于安全閥一直處于開啟狀態(tài)，從安全閥不斷向外流出汽水混合物，故障SG 的液位持續(xù)下降。隨著溫度逐漸下降，汽水混合物全部變成液態(tài)，排放趨于穩(wěn)定。在整個事故過程中，堆芯沒有裸露。

2.4 SGTR 事故處理策略

對于單一的SGTR 事故，操縱員的干預(yù)措施主要目的是盡可能的限制放射性釋放和避免SG 的滿溢。包括如下幾項：

（1）判別并完全隔離破損的SG 的給水側(cè)和蒸汽側(cè)。

（2）對一回路進行降溫降壓，使其壓力降為幾乎與破損的SG 的蒸汽壓力相等。

（3）對一回路繼續(xù)降溫降壓直到余熱排出系統(tǒng)投運。

（4）降溫到90℃以下，降壓到0.1Mpa 左右。

2.5 SGTR 疊加安全閥卡開的處理策略

（1）SGTR 疊加安全閥卡開的工況已經(jīng)超出了基于單一故障假設(shè)的SGTR 事故處理程序，需要考慮疊加故障后新增的風(fēng)險以便將事故控制在安全狀態(tài)。采用極限事故處理程序UI 程序的首要的保護目標(biāo)是保護堆芯。

（2）一回路系統(tǒng)通過破口直接與大氣相通（原因是破損蒸汽發(fā)生器安全閥卡開），當(dāng)一回路系統(tǒng)壓力下降到大氣壓力時，破口流量終止。

（3）根據(jù)事故后運行總原則，啟動高壓安注泵，總的目的是保證堆芯安全；SGTR 事故規(guī)程以對蒸汽發(fā)生器傳熱管破裂事故的診斷和對一回路水裝量評估的狀態(tài)導(dǎo)向準則為基礎(chǔ)；高壓安注泵啟動或停運的準則為冷卻劑飽和溫度裕量、穩(wěn)壓器水位或堆芯出口溫度。

（4）使用可用的SG 以最大的速率冷卻，速率可以不受56℃/h 的限制。

（5）當(dāng)滿足余熱排出系統(tǒng)投入條件時，操作員投入余熱排出系統(tǒng)，并維持反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)以56℃/h 的速率降溫。

（6）若三臺SG 均不可用，且反應(yīng)堆冷卻劑過熱30℃或堆芯溫度超過355℃，這種情況要求操縱員重新打開放射性最低的SG 進行降溫冷卻。投運低放射性的SG 可以避免打開穩(wěn)壓器卸壓管線以“充排”模式運行（這相當(dāng)于增加了反應(yīng)堆冷卻劑的破口事故，從而使事故進一步惡化），并使安全殼維持在正常狀態(tài)（如果安全殼內(nèi)的狀況還沒有降級）。此外，投運輕微污染的SG可使放射性釋放后果為最小。

（7）只要低壓安注泵在運行，一回路系統(tǒng)壓力就不可能降到0.1 MPa，一回路向二回路的泄漏就會存在。因此，利用余熱排出系統(tǒng)加快一回路的冷卻是非常重要的。

（8）當(dāng)反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)溫度足夠低（TRIC<90℃）后，停低壓安注泵，破口流量終止，反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)維持足夠的飽和溫度裕量。

圖2 SGTR 事故疊加安全閥卡開的處理策略

3 結(jié)論

（1）蒸汽發(fā)生器傳熱管破裂事故需要操縱員及時正確進行干預(yù)，隔離故障蒸汽發(fā)生器，盡快終止泄漏，阻止放射性物質(zhì)向二回路擴散，這是防止和避免安全閥卡開造成帶水排放的重要預(yù)防措施。

（2）一旦故障SG 滿水，應(yīng)及時將故障蒸汽發(fā)生器的排污流量調(diào)至最大，使用非故障SG 加快降溫，從而使一回路壓力降低，這樣可以延緩和緩解安全閥卡開的時間和后果。

（3）只要低壓安注泵在運行，一回路系統(tǒng)壓力就不可能降到0.1MPa，一回路向二回路的泄漏就會存在。因此，利用余熱排出系統(tǒng)加快一回路的冷卻是非常重要的。

（4）一旦安全閥卡開，利用一臺SG 和余熱排除系統(tǒng)降溫到90℃是最關(guān)鍵的操作。