在壓水堆核電站的事故分析中，有一類事故叫極限事故(第四類工況)，通常也稱其為“假想事故”，這些事故主要有主管道破裂(LOCA)，主蒸汽管道破裂(MSLB)，主給水管道破裂(LOFW)等。這些假想事故如果發(fā)生在安全殼內，會引發(fā)安注、安全殼噴淋的動作，最終從主系統(tǒng)中噴射出來的水、安注水、噴淋水都會進入安全殼底部，被收集在一個被稱為地坑的大水池中。為了維持堆芯的長期冷卻，當換料水池水位低低時就進入安注再循環(huán)工況，這時候冷卻堆芯的水源就來自于這個地坑。這個地坑中的水會混雜事故噴射、安全噴淋產生的各種雜質，為避免雜質進入堆芯，在循環(huán)泵入堆芯前需要進行過濾，說到過濾，就會有很多實際問題需要考慮并解決，本文就來談談安全殼地坑過濾器。

根據HAF102《核動力廠設計安全規(guī)定》，核電廠“為了在冷卻劑喪失事故中使燃料損失最少并限制裂變產物外溢，必須設置應急堆芯冷卻系統(tǒng)。所提供的冷卻必須保證堆芯冷卻保持足夠長的時間”。

國內核電廠的設計均響應HAF102的要求，在主冷卻劑系統(tǒng)發(fā)生失去冷卻劑事故(LOCA)時，應急堆芯冷卻系統(tǒng)將向堆芯注水并持續(xù)循環(huán)運行，以帶走堆芯的余熱和衰變熱，實現堆芯的長期冷卻，保持燃料包殼的完整性，防止燃料的損壞。為保證應急堆芯冷卻系統(tǒng)能夠正常運行，需要在安全殼底層設置地坑過濾器，過濾水中的各種碎片雜質，以保證LOCA后產生的大量雜質不會進入應急堆芯冷卻泵、閥門及堆芯等。

但是，碎片堆積在地坑過濾器上可能導致濾網的過度堵塞，將影響應急堆芯冷卻泵的凈正吸入壓頭(NPSH)，造成系統(tǒng)不能正常運行，進而影響堆芯冷卻的效果。美國核管會(NRC)在上世紀70年代開始注意到壓水堆安全殼地坑過濾器和沸水堆抑壓水池濾網的碎片堵塞問題。隨著研究的開展，1974 年6月，NRC發(fā)布管理導則RG 1.82 REV.0，對濾網的堵塞性能研究提出管理要求。在開展相關研究的基礎上，美國NEI(Nuclear Energy Institute)于2004年發(fā)布NEI 04-07(“Pressurized Water Reactor Sump Performance Evaluation Methodology”)提出了對壓水堆地坑過濾器性能進行評估的具體方法。

2.核電廠地坑過濾器性能評估要求

美國核管會(NRC)于2012年發(fā)布的RG1.82第4版對地坑過濾器性能評估的要求主要包括：(1) 盡量減少碎片對濾網的堵塞影響，確保濾網有足夠面積以保證應急堆芯冷卻泵有足夠的凈正吸入壓頭裕量，保證應急堆芯冷卻泵運行功能;(2) LOCA事故工況下，地坑過濾器可以確保應急堆芯冷卻系統(tǒng)能長期有效地建立低壓再循環(huán)冷卻功能(滿足10 CFR 50.46的相關準則);(3) 確保堆芯燃料得到充分冷卻，燃料包殼溫度在允許范圍內。

3.核電廠地坑過濾器性能評估

3.1地坑過濾器簡介及性能評估主要內容

核電廠通常在堆芯的下層-即反應堆廠房底層安裝了安全殼地坑過濾器，應急堆芯冷卻系統(tǒng)循環(huán)泵的入口安裝在地坑過濾器內。地坑過濾器結構如下圖所示：

LOCA事故發(fā)生過程中因LOCA噴射、廠房噴淋、高溫化學反應等可能會產生大量的碎片雜質。隨循環(huán)水流遷移傳輸，碎片在地坑過濾器逐漸堆積，可能造成濾網內外壓差過大，導致應急堆芯冷卻泵功能失效，從而影響到應急堆芯冷卻系統(tǒng)的低壓長期循環(huán)冷卻功能。因此，需要對安全殼地坑過濾器堵塞的性能進行評估。參照NEI 04-07，安全殼地坑過濾器堵塞的性能評估內容主要包括：碎片的產生(破口選取及可能的碎片總量統(tǒng)計)、遷移分析;碎片的特性分析;碎片堵塞濾網的壓頭損失分析;濾網水力性能分析;相關試驗驗證等。

3.2 管道破口選取

根據電廠安全殼廠房內使用的材料，LOCA后可能形成的碎片主要包括以下類型：(1) 玻璃纖維類碎片(保溫材料);(2) 油漆涂料類碎片;(3) 化學反應產物;(4) 其他類碎片如灰塵雜物、設備標牌標簽、電纜、防火材料等。通常，破口處的噴射沖擊效應需要通過建立模型來計算分析其影響，以保守合理的得出各種材料產生的碎片。工程上，為得到可靠的碎片重量和數量，需要從理論上保守選取管道破口，并假定一個以噴射破口處為中心的球形區(qū)域ZOI(Zone of Influence)作為工程計算區(qū)域，分析時考慮LOCA的最大噴射影響等效作用于ZOI區(qū)域內各處。為合理對破口處產生碎片進行分析，首先需要選取合適破口位置，以取得最大堵塞效應的碎片。破口選擇應按如下原則進行：(1) 破口應在冷卻劑系統(tǒng)的主蒸汽管道或主給水管道，其假定ZOI區(qū)域將產生最大量的碎片源;(2) ZOI區(qū)域內將產生最多種類的碎片源的大破口;(3) 破口處在有最短到達地坑過濾器的路徑;(4) 有最大的潛在顆粒雜物與保溫材料重量比的中破口或大破口;(5) 產生大量纖維碎片(導致產生薄床效應引起壓頭大量損失)的破口;(6) 直徑小于2英寸的支管不考慮作為假定破口點。以上原則是基于以下兩個方面考慮：(1) 將有最大量的碎片遷移到地坑過濾器;(2) 有最差組合的碎片混合物(導致產生薄床效應或導致濾網壓頭最大損失)遷移到地坑過濾器。

3.3 碎片的產生

為建立模型研究LOCA噴射作用力產生的碎片，工程上考慮以破口為中心形成的球形計算區(qū)域作為破口影響區(qū)ZOI(Zone of Influence)，NEI 04-07推薦使用ANSI/ANS 58.2-1988標準來確定ZOI的半徑，即球形ZOI的半徑確定為管道內徑乘以一定系數(即：N*D，D為管道內徑)，而系數N根據管道介質的溫度、壓力、碎片類型的不同特性需選取不同數值。由于各種材料受到噴射影響碎裂成碎片所需的噴射壓力各不相同，因此針對各種不同材料需分別建立不同ZOI模型以計算不同材料在噴射作用下產生的碎片量和碎片尺寸。

3.3.1 玻璃纖維類碎片(保溫材料)

據統(tǒng)計，多數已運行電廠使用的保溫材料為鋁板固定的玻璃纖維類保溫材料，在研究中表明，破口處保溫材料碎裂形成的玻璃纖維類碎片是地坑過濾器性能評估中最重要的碎片類型之一，因為它產生的量非常大，另外它與顆粒類碎片形成一定的配比可能在地坑過濾器表面形成一種薄床效應(即由于濾網內外壓差過大將堆積在濾網上的碎片床壓實，使碎片床內部無空隙，水流無法通過)，造成非常高的壓差損失，進而嚴重影響到泵的運行性能。根據NEI 04-07SER Appendix I : ANSI/ANS Jet Model，通過使用MATLAB或者FORTRAN等商業(yè)數學軟件，輸入破口管道內部壓力、溫度和環(huán)境壓力，可以計算出玻璃纖維類保溫材料的ZOI半徑。

3.3.2油漆類碎片

由于油漆在水力噴射作用下剝落需要的水壓限值及噴射距離、時間等沒有準確的理論研究數據，NEI根據工程試驗情況給出的推薦值為1000psi。試驗中噴射油漆涂層的撕裂壓力大概為7000psi~8000psi，而壓水堆2250psi(15MPa)的壓力大概是噴射撕裂壓力的1/4，壓水堆發(fā)生大LOCA后，大約只有30秒左右的高壓噴射時間，30秒后噴射壓力降低，因此NEI的推薦值1000psi作為油漆的LOCA噴射撕裂壓力是保守的。同時NEI 04-07指出，油漆的脫落形成碎片不同于纖維類碎片的產生，僅考慮ZOI區(qū)域是不夠的，還需要考慮廠房內管道、設備表面的油漆和廠房地面、墻體涂刷的涂料在LOCA后反應堆廠房惡劣工況下，由于廠房噴淋和水淹沖刷浸泡造成脫落而形成碎片。為考慮ZOI外油漆涂料的產生，NEI定義了兩類油漆，一類為質量合格(qualified)的油漆涂料，即滿足設計基準事故性能要求(DBA-qualified)的油漆(包括有足夠的質保記錄證明)，其他則為非合格油漆涂料(unqualified)。對于安全殼廠房內各類油漆：(1) ZOI區(qū)域內的油漆，無論是否qualified，均考慮為將脫落的碎片;(2) ZOI區(qū)域外的油漆，如果為“qualified”，則考慮為不會成為潛在碎片;(3) ZOI區(qū)域外的油漆，如果為“unqualified”，則考慮為將脫落的碎片。

3.3.3 化學反應產物

LOCA后，由于安全殼廠房內特定的PH值、溫度環(huán)境條件，廠房內可能的各種化學藥劑可能與金屬元素或相互之間發(fā)生化學反應形成不溶解或腐蝕產物，對安全殼地坑過濾器形成堵塞或腐蝕，并且該類物質對應急堆芯冷卻泵的NPSH影響非常大。化學產物還可能對濾網下游部件造成影響或在燃料包殼表面沉積，造成燃料包殼溫度升高。這種化學效應的研究課題在國際上隨著安全殼地坑過濾器安全性能分析的推進，逐漸得到了高度的關注。核電廠通常需考慮化學效應的主要化學物質有鋁、硅酸鹽、混凝土、玻璃纖維保溫材料和廠房內使用的化學藥品等。考慮各種化學物質反應后形成的代表性產物有氫氧化鋁、鈉鋁硅酸鹽等。

3.3.4 其他潛在碎片源

其他類型的碎片源包括灰塵雜物、標牌標簽、電纜封堵材料等，需要通過到電廠進行踏勘調查以獲取潛在碎片量，NEI 02-01提供了壓水堆相關的取樣統(tǒng)計方法，該方法同樣適用于其他類型電廠。(1) 灰塵等雜物：通常通過取樣的方式進行保守性估算，需要對反應堆廠房內的樓面、墻體、電纜橋架、大型管道、泵和熱交換器等設備的水平和豎直面積進行保守估算，通過局部取樣再考慮整個廠房堆積的灰塵雜物。NEI 02-01中對各種設備或墻體的表面積有明確的計算方法，如圓形管道面積計算為表面積的50%，豎直墻面按10%計算面積;(2) 標牌標簽：對廠房內的各種標牌標簽進行統(tǒng)計，并按材質進行分類，如金屬材質、塑料材質、紙質等。

3.4 碎片遷移原理分析

對反應堆廠房內的碎片源和產生總量進行分析后，還需要對碎片進行傳輸遷移分析，根據NUREG/CR-6762標準方法，主要考慮如下四種方式：(1) 噴射沖刷(Blowdown)遷移：碎片通過破口噴射傳輸遷移;(2) 噴淋沖洗(Washdown spray)遷移：碎片在豎直方向(即廠房樓層之間)隨著噴淋和破口處水流沖洗傳輸遷移;(3) 水池充水(Pool fill-up)遷移：碎片在水平方向隨著噴淋和水流的沖洗到地坑;(4) 地坑再循環(huán)(Recirculation)遷移：碎片在安全殼廠房底層各處水流活躍區(qū)被應急堆芯冷卻系統(tǒng)循環(huán)水流水平方向帶動遷移。LOCA后產生碎片的遷移傳輸分析需要根據不同碎片類型確定不同的遷移比例，因此在遷移分析前，需要確定廠房內產生的各種碎片的特性，各種碎片的特性分析可以通過以下兩種方式確定：(1) 通過取樣分析每種碎片的特性和成分;(2) 通過保守考慮，假定每種碎片的特性和成分。根據NEI的保守推薦，纖維碎片的密度確定為62.4 lbm/ft3，該密度下的碎片將使纖維碎片歸入漂浮類碎片，該類物質易于移動，因此保守考慮纖維類碎片均100%遷移到地坑過濾器。油漆類及其他雜物類形成的顆粒碎片的密度推薦為100 lbm/ft3，在該密度下，大多數顆粒碎片將歸類為泥狀碎片。根據工程經驗和試驗表明：在水力噴射沖刷作用下，油漆的脫落主要原因是水力對涂層的磨蝕，因此油漆碎片的尺寸一般考慮為非常細的碎片，尺寸范圍大致為10μm~50μm。由于尺寸小，所以在碎片遷移傳輸分析中認為油漆的遷移率非常高，因此也考慮為100%遷移到地坑過濾器。

3.5 水位分析

對濾網的水力性能分析還需要對LOCA事故后廠房內的水位進行分析。根據電廠結構特點，LOCA事故后，核電廠安全殼底層的水可能來源于以下幾種系統(tǒng)功能的冷卻水。(1) 安全殼廠房噴淋產生的輕水;(2) 應急堆芯冷卻系統(tǒng)注入主系統(tǒng)的輕水;(3) 主系統(tǒng)冷卻劑回路的水。

3.6 應急堆芯冷卻泵NPSH分析

為了維持應急堆芯冷卻循環(huán)泵的正常運行，應急堆芯冷卻低壓循環(huán)系統(tǒng)必須維持應急堆芯冷卻泵的凈正吸入壓頭NPSHr，由于濾網的堵塞，造成濾網內外有一定的壓差損失△H，因此系統(tǒng)所提供的壓頭NPSHa必須大于泵的NPSHr和濾網內外的壓差△H之和，即NPSHa>NPSHr+△H。將NPSHa-NPSHr的差值定義為系統(tǒng)提供的凈正吸入壓頭裕量NPSHmargin，則：NPSHa-NPSHr=NPSHmargin通常的，NPSHa可以通過以下計算得出：NPSHa=Hatm+Hstatic-Hloss-Hvapor------------------ 公式3-1上述公式中：Hatm為安全殼廠房內大氣壓力Hstatic為應急堆芯冷卻泵高差及水位形成的靜壓頭Hloss為應急堆芯冷卻吸入口管道、濾網、部件、設備形成的壓差損失Hvapor為應急堆芯冷卻流體飽和氣壓公式3-1中的各項壓力值均需要考慮溫度的變化，按上述公式并結合泵的出廠性能曲線可以確定NPSHmargin。由于濾網內外的壓差△H不能超過NPSHmargin，因此理論計算中將NPSHmargin減去干凈濾網所形成的壓差，最終得出廠房內碎片堵塞濾網的壓頭損失限值，該限值將用作濾網的性能評估基礎。

4.試驗驗證

地坑過濾器除了進行性能評估，還需要開展相關試驗驗證。試驗主要以濾網的縮小比例模塊進行水力試驗驗證，完成后還需要開展安全分析來論證地坑過濾器的下游效應，確保新設計濾網滿足NRC RG 1.82的安全要求。下游效應主要包括測量穿透濾網的碎片量，碎片對下游閥門、熱交換器、應急堆芯冷卻泵等部件的磨損，以及在燃料包殼沉積導致的局部溫度升高等論證內容。

4.1 水力驗證試驗

水力驗證試驗需要建立一系列試驗裝置，模擬應急堆芯冷卻系統(tǒng)循環(huán)運行的工況，確定試驗參數，并保守考慮投入試驗回路中的碎片類型、數量及投放程序以確定保守可信的試驗數據。

4.1.1 試驗裝置

典型的試驗裝置包括以下幾套系統(tǒng)：(1) 模擬安全殼底層水池系統(tǒng)或模擬堆芯燃料通道;(2) 模擬應急堆芯冷卻低壓循環(huán)水力系統(tǒng);(3) 試驗濾網;(4) 控制和監(jiān)測系統(tǒng)。試驗包括總碎片堵塞壓損試驗、薄床試驗、碎片穿透試驗等。為了獲取正確的試驗數據，試驗參數必須符合應急堆芯冷卻系統(tǒng)運行的特點，選擇合適的循環(huán)水溫、流量，在布置試驗裝置時，需要布置加熱器、流量計、循環(huán)泵等主要設備裝置。下圖是壓損試驗裝置及壓損試驗曲線：

4.1.2 試驗參數及方案

試驗需根據堆型特點，選擇合適的試驗參數，確定試驗方案。以堵塞壓頭損失試驗為例，在試驗前，需根據實際確定的碎片總量，按照一定比例投入試驗回路中，并根據應急堆芯冷卻低壓循環(huán)階段的設計參數確定試驗水溫和流量。以上所有碎片按試驗規(guī)程添加后，最終測量的壓差值必須小于應急堆芯冷卻泵運行的NPSHmargin。

4.2 下游效應分析

下游效應主要分堆內效應和堆外效應分析，堆內效應主要為碎片沉積導致的局部燃料包殼溫度升高;堆外效應分析主要針對雜質碎片通過濾網后，對下游部件造成堵塞和磨損的效應進行分析和評估。

4.3 其他水力分析

在應急堆芯冷卻系統(tǒng)循環(huán)運行時，地坑過濾器入口處可能存在的沖刷效應、氣穴空泡效應和漩渦現象會導致空氣吸入應急堆芯冷卻泵的入口，在泵出入口壓力改變時由于體積縮脹，會降低應急堆芯冷卻泵的運行性能，導致產生噪音，造成振動和汽蝕，嚴重時會造成泵運行失效;同時漩渦現象還可能造成更多的碎片被吸入濾網下游造成下游堵塞。因此對地坑過濾器的性能評估還必須包括相關的漩渦、沖刷水力分析和試驗。漩渦形成的主要作用力有重力、黏滯力和表面張力，從形成漩渦的原因分析，歸納起來有3個方面的因素：(1) 地坑過濾器上游的水流條件，包括水流行進流速的大小、方向、環(huán)流強度等;(2) 地坑過濾器附近的局部流態(tài)，一般取決于地坑過濾器布置構造的特點與邊界條件;(3) 地坑過濾器自身的水力學條件，包括水流進入地坑過濾器流量、流速以及濾網淹沒深度。由于是否形成漩渦的理論分析比較困難，實際應用中一般通過模擬試驗確認是否有漩渦現象發(fā)生，是否產生沖刷效應及氣穴現象。

5.思考和建議

從美國核管會于上世紀70年代第一次發(fā)布管理導則RG 1.82 REV.0至今，已有近40年的歷史，RG 1.82的最新版本也升版為第四版，隨著研究技術進步，地坑過濾器的研究也在逐漸深入。目前國際上對碎片沉積在燃料包殼導致的局部溫升相關的研究和試驗還在持續(xù)開展，各種堆芯的分析方案也不盡相同。在實際工作中，地坑過濾器的設計及選型還需要考慮如下因素：

5.1 大面積碎片的堵塞效應

目前各電廠普遍采用結構較為復雜的濾網以在有限的空間內盡量安裝較大過濾面積的濾網，濾網的表面一般為非平板型。這樣水流經濾網時，一般會從公共的局部空間通過再分流進入濾孔，然而有些輕而面積大的碎片，如大型標牌，可能會貼在濾網的表面，造成公共的局部空間被堵塞，濾網通流面積會大為減少，NEI的分析方法中對此提出了考慮一定比例的標牌面積參數，但如何驗證該比例的合理性，還待進一步研究以確定。

5.2 薄床效應

在碎片堵塞濾網的過程中，隨著碎片的逐漸堆積，碎片在濾網上會形成碎片床，碎片床會因玻璃纖維及其他顆粒類物質的一定配比而壓實從而導致碎片床沒有空隙，水流無法通過，導致壓差急劇增加。在實際的試驗驗證過程中，由于濾網結構不同，目前沒有確切的理論可以給出一定會產生薄床效應的碎片類型配比，因此需要通過大量的試驗來驗證，使得試驗周期大大延長，如何通過大量試驗來分析得出一個有效的確定值或者范圍是值得我們思考的問題。

5.3 水力試驗的適用性

基本所有類型的核電廠在開展濾網的水力試驗過程中，均采用比例試驗的方法來完成水力試驗。由于電廠反應堆廠房空間的限制，普遍各類型的地坑過濾器都采用較為復雜結構的濾網模塊共同組裝成為整體濾網。在實際的水流循環(huán)過程中，水流狀態(tài)會非常復雜，同時大量碎片的堵塞會造成各種不確定的效應產生，如何將單體模塊的水力試驗保守推廣到整體濾網的水力效應，需要對漩渦、水力沖刷等水力分析進行更深入的研究，才能確定最佳的水力試驗方案。