全廠失電工況下PRHR冷卻分析及運行風險

郭恩良

三門核電有限公司 浙江臺州 317112

福島事故主要是地震海嘯使電廠失去所有交流電源（SBO），衰變熱無法排出，先后發生氫氣爆炸和核泄漏。事故發生后，安全分析對核電廠在SBO事故下安全性能提出了更高的要求。AP1000設計中通過重力、自然循環等非能動的自然驅動力，將堆芯余熱和安全殼熱量排出。主冷卻劑系統的PRHR是非能動系統的重要組成部分，事故時通過PRHR自然循環導出衰變熱，確保安全。

1 系統介紹

非能動余熱排出系統包括非能動余熱排出熱交換器（PRHR HX）、管道、閥門和儀表。PRHR HX布置在安全殼內換料水箱（IRWST）中，以水箱的水作為冷卻介質。PRHR HX和反應堆之間存在位差和溫差，由此產生反應堆冷卻劑的自然循環壓頭[1]。

2 事故場景模擬

采用三門核電一號模擬機模擬SBO事故下，PRHR投入及失效兩種進程的動作序列、瞬態響應及堆芯冷卻分析。

場景一：PRHR投入

假設電廠事故前100%功率水平運行，一、二回路運行參數及設備正常。其事故變化及進程如下：

發生SBO后，主泵轉速降低使反應堆停堆，一回路由蒸汽發生器帶出的熱量減少，且蒸汽發生器內的液位快速下降。一回路平均溫度上漲，導致一回路的壓力也上升，隨著蒸汽發生器內的窄量程水位持續下降到低2（21%），由于失電導致啟動給水泵無法啟動，觸發PRHR動作。

PRHR投入對一回路有很明顯的冷卻效果，由于傳熱管內積存的冷卻劑溫度較低，初始流量較大。之后隨著自然循環的注入，流量減小并趨近于較小的流量值，IRWST的水溫穩步上升，一回路溫度和壓力逐漸減小，進入較穩定的冷卻階段。

隨著PRHR投入，IRWST內的水將沸騰，蒸汽排入安全殼，安全殼內的壓力達到高2（42.75kPa）時，觸發PCS動作，大氣作為最終熱阱。

模擬場景小結：SBO事故下，PRHR有效投入的工況，與安全分析中喪失正常給水疊加失去交流電源工況相似。事故發生后，PRHR排熱功率與堆芯衰變熱可以相互匹配，使一回路進入長期冷卻過程，最終保持在安全停堆狀態。

場景二：PRHR失效

假設電廠在事故前運行在100%功率水平上，一、二回路運行參數及設備正常，但PRHR出口閥門不能正常開啟。其事故變化及進程如下：

初始階段趨勢及進程與場景一相同，但PRHR觸發后由于PRHR出口閥無法開啟，PRHR未投運。一回路熱量主要依靠蒸汽發生器及大氣釋放閥排出。隨著SBO時間延長，儀用空壓機無法啟動，壓空壓力降低導致CMT動作，CMT內大量較冷的含硼水靠重力注入堆芯，使溫度和壓力降低，穩壓器的液位和堆芯功率降低，堆芯進入較穩定的冷卻過程。但由于喪失熱阱，在CMT內冷水注入后，一回路平均溫度和壓力將回升，直至觸發ADS，對一回路泄壓，最終在ACC、IRWST等安注水源共同作用下維持堆芯淹沒。

場景小結：SBO事故下，PRHR失效的工況對比正常投運，一回路的壓力和溫度都顯著升高，DNBR降低，使運行工作點更加靠近PTLR限制的曲線，給安全運行帶來挑戰。穩壓器內的水位長時間保持在較高水位，給穩壓器的安全閥運行帶來風險，一旦系統波動，可能出現安全閥帶水排放，導致穩壓器安全閥回座不嚴密，給后續恢復操作帶來嚴重影響[2]。

3 PRHR 運行風險

從上可知PRHR的投運對事故發展有十分重要的緩解作用。而PRHR出口氣動隔離閥的故障成為了運行中不可忽視的風險點，應盡量將故障風險降至最低，而定期的預防性維修是降低閥門故障概率的關鍵。當前存在以下風險點，具體如下：

3.1 工作頻度的分級

目前三門核電預防性維修是按照設備可靠性平臺來執行。PRHR HX出口氣動閥按照當前設備可靠性平臺中設備分組為CLS，即設備分級為關鍵設備（C），工作頻度低（L），工作環境惡劣（S）。對于兩個出口閥門，是調節類型的閥門，按照氣動閥頻度定義，這兩個閥門應定為工作頻度高。另外雖然閥門處于常關狀態，但是在應急停堆時可作為調節閥操作，不能簡單的只依據閥門處于常關狀態定義為工作頻度低（L）。

設備分級決定維修策略，工作頻度低L與工作頻度H的預防維修周期分別為3C（3個燃料循環）和2C（2個燃料循環）。按照3C維修策略，則近五年才對閥門進行一次維修或更換，如按照2C標準，則三年進行一次維修或更換，而標準的不同將導致故障概率的不同。

3.2 PM 模板的使用

目前三門核電采用統一的PM模板進行預防性維修劃分，沒有根據核安全、技術成熟度、工業安全及重要經濟性予以相應的等級提升。PRHR出口氣動隔離閥為制造廠家首次制造，該公司無前例可循。而該閥門故障誤開將直接導致反應堆誤停堆，在需要閥門開啟時故障將導致電廠瞬態得不到緩解，極大的增加了運行風險，該閥門屬于極其重要的地位。

基于以上分析，建議對于PRHR出口氣動隔離閥的預防性維修按照1C（一個燃料循環）進行預防性維修，可大大降低PRHR出口閥的故障概率，即降低PRHR失效的風險，提升電廠核安全，保證電廠經濟效益[3]。

4 結語

在SBO工況下PRHR投入能在發生全廠失電時有效的緩解一回路參數的惡化，建立穩定的冷卻過程，對堆芯安全十分關鍵。通過分析三門核電對于PRHR預防性維修的工作存在的風險點，提出了改進建議，從工作頻度分級及PM模板兩方面討論提出提高PRHR出口閥的預防性維修頻率，以降低閥門失效概率，提高PRHR的正常投運可靠性。