核電廠安全殼噴射碎片問題研究

郭丹丹，向文娟，王高陽

（上海核工程研究設計院有限公司，上海 200233）

核電廠發生失水事故后生成的碎片材料會進入應急堆芯冷卻系統、噴淋系統以及反應堆堆芯，從而造成安全殼濾網的堵塞問題，影響長期冷卻功能的執行。美國核管會從1979年開始關注壓水堆核電廠安全殼濾網的設計問題，其階段性地對濾網提出新的設計要求，并發布一系列法規規范要求來確保濾網設計是安全可靠的，從而確保事故后電廠的安全運行。國家核安全局也在國核安發［2012］52號文“關于開展運行核電廠安全殼地坑濾網改造的通知”中要求國內在役電廠完成濾網設計改造，從而提高核電廠的安全性。目前國內針對噴射碎片的研究主要以保溫材料為對象進行了分析和試驗。

安全殼內碎片與濾網堵塞問題的關鍵技術包括上游分析技術、濾網設計技術以及下游分析技術，具體的研究內容包括碎片噴射技術研究、化學效應研究、碎片遷移技術研究、堆芯內外下游效應分析和試驗技術研究。本文重點研究碎片噴射問題，以提供體系性的指導方法供各堆型核電廠參考使用。

1 碎片源項材料研究

根據參考文獻［1-5］，隨著研究的不斷深入，安全殼內的碎片源項材料已從保溫材料擴展到安全殼內所有可能生成碎片的材料，詳見表1。

表1 RG1.82對碎片源項材料的規定Table 1 Definition of Debris Source Material in RG1.82

根據碎片的產生方式，可將碎片分為潛在碎片（安全殼內固有碎片）、化學碎片和噴射碎片三類，潛在碎片可通過安全殼現場踏勘的方法來確定數量和類型，化學碎片可通過試驗和分析的方法來確定數量和類型，此兩種碎片的評估方法較通用和確定。本文主要以某核電廠為例研究噴射碎片。

核電站在高能管道破口事故后會在一定區域內造成噴射從而使得該區域內的材料破裂成噴射碎片，此過程中需要考慮的管道特性、影響區域確定以及材料是否生成碎片的篩選原則是本節研究的重點。

1.1 高能管道確定

根據核電站設計工程經驗，可以基于以下準則確定流體系統內的高能管道。

（1）管道公稱直徑大于DN25。

（2）系統運行溫度高于93.3℃或運行壓力高于1.9 MPa

（3）系統運行溫度高于93.3℃或運行壓力高于1.9 MPa的時間大于系統運行時間的2%且不少于電廠運行時間的1%。

高能管道包含并延伸至由高能管道支管上的第一道隔離閥。基于上述原則，梳理出安全殼內的高能管道。

1.2 影響區域確定

根據參考文獻［1-5］，隨著研究的不斷深入，影響區域的外形從錐形改成了球形，并且影響區域的直徑也從定值（7倍破口直徑）改成了隨材料破壞壓力變化的值。

根據參考文獻［6］和［7］，美國核管會基于壓水堆電廠的典型工況確定的各種保溫材料的影響區域見表2。

表2 典型材料影響區域Table 2 Zone of Influence of Typical Material

目前核電廠設計中保守可采用29D的影響區域（即影響區域的球體半徑與破口直徑的比值L/D為29），現實可采用4D的影響區域。本文認為也可比較材料的破壞壓力與其所處位置處的滯止壓力來判斷材料是否會被破壞成碎片。

1.3 碎片源項材料確定

以某電廠為例，本文總結了幾種典型的碎片源項材料是否會生成碎片的篩選原則，詳見表3。不同的材料根據其特性以及核電站破口事故的特性可以采用直接排出、破壞壓力比對、噴射試驗等方法來確定是否生成碎片。

表3 典型碎片源項材料篩選原則Table 3 Screening Principle of Typical Debris Source Material

2 碎片噴射試驗研究

基于第1章的研究結果，碎片源項材料噴射試驗是目前比較切實可行的解決某些噴射碎片定量分析的方法。本文重點研究噴射理論以及噴射試驗方案方面的問題。

2.1 噴射理論研究

根據參考文獻［7］的要求和參考文獻［8］的方法，基于以下4個步驟計算假想破口的自由膨脹噴射力，分析結果見表4。

表4 噴放滯止壓力敏感性分析Table 4 Jet Stagnation Pressure Sensitivity Analysis

（1）如ANSI/ANS 58.2-1988附錄B所推薦的，使用Henry-Fauske模型計算過冷水噴放臨界流質量流速。

（2）根據ANSI/ANS 58.2-1988的附件B和假想的工況，計算初始和穩態壓力。

（3）根據ANSI/ANS 58.2-1988的附件C的1.1節，確定噴射外邊界和區域。

（4）根據ANSI/ANS 58.2-1988的附件D，確定等壓線。

噴射力分析結果表明滯止壓力與破口尺寸無關，這與參考文件［9］和［10］的結果也一致。噴射試驗時應確保L/D值一致。分析結果表明溫度越低，滯止壓力越大，因此噴射試驗時應選取溫度較低處的破口參數。

2.2 噴射試驗方案研究

國外已開展了各種噴射試驗，試驗介質、參數都有很大的差別，本文提出一種通用的噴射試驗方案方法。碎片源項材料的噴射破壞壓力僅關乎材料的性能而不是關于噴射的性能，因此從經濟性角度考慮可采用壓縮空氣作為試驗介質，只要空氣噴射能產生與高溫高壓水等同的滯止壓力即可。

基于參考文獻［7］的經驗，在相同L/D處的空氣噴射產生的滯止壓力比高溫高壓水產生的滯止壓力小40%，因此在采用空氣噴射時，應在熱工分析大破口最大質量流量工況對應的穩壓器壓力曲線的基礎上考慮40%的裕量作為本試驗的試驗模化準則。

根據不同的噴嘴尺寸、儲罐體積和壓力，采用Flowmaster軟件建立噴放模型進行敏感性分析，模型圖見圖1，根據表5的工況修改圖1的儲罐壓力和容積參數，并對管道尺寸開展敏感性分析。根據分析結果確定合適的試驗臺架參數，最終試驗臺架的性能參數見圖2，此方法選取的臺架能滿足噴射試驗的試驗模化準則。

圖1 空氣噴射試驗分析模型Fig.1 Analysis Model of Air Jet Test

表5 空氣噴射試驗方案分析結果比較Table 5 Comparison of Analysis Result of Air Jet Test Scheme

圖2 空氣噴射試驗臺架性能參數Fig.2 Performance parameter of Air Jet Test Facility

3 結論

本文基于法規規范的要求，在充分研究國外試驗和分析技術的基礎上，提出了碎片噴射技術相關的碎片源項材料確定和碎片噴射試驗方案技術，主要結論如下：

（1）安全殼內的所有材料都可能是碎片源項材料，可采用直接排除、破壞壓力比對、噴射試驗等方法來確定噴射造成的碎片數量和類型。

（2）破口噴射后的滯止壓力與破口尺寸無關，噴射試驗時應確保L/D值一致。分析結果表明溫度越低，滯止壓力越大，因此噴射試驗時應選取溫度較低處的破口參數。

（3）可保守采用空氣噴射的方法來開展噴射試驗，空噴試驗臺架的儲罐體積、噴嘴尺寸和初始壓力配合選取后能滿足驗收準則要求。