本文介紹了 NNSA、IAEA 和 NRC 對(duì)反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)調(diào)試的相關(guān)要求, 結(jié)合 NRC 對(duì)首堆試驗(yàn)的要求和核電廠運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)反饋, 確定了華龍一號(hào)反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)調(diào)試設(shè)計(jì)的總體思路。接著, 介紹了部件試驗(yàn)、系統(tǒng)試驗(yàn)和首堆試驗(yàn)的試驗(yàn)階段和主要試驗(yàn)內(nèi)容。通過(guò)實(shí)施以上試驗(yàn), 可以驗(yàn)證 “華龍一號(hào)” 反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)和部件的性能符合設(shè)計(jì)和安全要求。
“華龍一號(hào)” 是在充分吸取我國(guó)三十余年核電研究、設(shè)計(jì)、制造、建造和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,根據(jù)日本福島核事故經(jīng)驗(yàn)反饋和國(guó)內(nèi)外最新核安全要求,通過(guò)實(shí)施一系列重要的安全設(shè)計(jì)和技術(shù)改進(jìn),由我國(guó)研發(fā)并具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的三代核電機(jī)組。
“華龍一號(hào)” 反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng) (以下簡(jiǎn)稱(chēng)RCS系統(tǒng)) 與 M310機(jī)組相比,堆芯裝載的燃料組件由157組增加到177組, 蒸汽發(fā)生器換熱面積由5430m2增大到6494m2,采用全新的穩(wěn)壓器波動(dòng)管布置方式等,在保證堆芯安全裕量的前提下,進(jìn)一步提高了核電廠的安全性、先進(jìn)性和經(jīng)濟(jì)性。因此, 有必要對(duì) RCS 系統(tǒng)的調(diào)試進(jìn)行研究與設(shè)計(jì),以驗(yàn)證系統(tǒng)和部件的性能符合設(shè)計(jì)和安全要求。
1 系統(tǒng)調(diào)試要求
1.1 國(guó)內(nèi)法規(guī)和導(dǎo)則要求
國(guó)家核安全局 (NNSA) 發(fā)布的 HAF103 規(guī)定了核電廠調(diào)試應(yīng)包括驗(yàn)證工作所必需的全部試驗(yàn),以驗(yàn)證建成的核動(dòng)力廠滿足安全分析報(bào)告和設(shè)計(jì)要求, 并沒(méi)有對(duì) RCS 系統(tǒng)調(diào)試做相關(guān)規(guī)定[1]。HAD103/02規(guī)定了核電廠調(diào)試的階段劃分,以及每個(gè)調(diào)試階段執(zhí)行的主要試驗(yàn)項(xiàng)目, 但未對(duì) RCS系統(tǒng)調(diào)試做具體介紹[2]。
1.2 國(guó)外核安全導(dǎo)則要求
國(guó)際原子能機(jī)構(gòu) (IAEA) 發(fā)布的 No.SSG-28和美國(guó)核管會(huì) (NRC) 發(fā)布的 RG1.68 從總體上介紹了核電廠在不同調(diào)試階段執(zhí)行的主要試驗(yàn)內(nèi)容,同樣未對(duì) RCS 系統(tǒng)調(diào)試做具體介紹。但是,RG1.68將根據(jù)聯(lián)邦法規(guī)第10 章第52 部分設(shè)計(jì)的新反應(yīng)堆的構(gòu)筑物、系統(tǒng)或部件相關(guān)的新設(shè)計(jì)特點(diǎn)的全新的、獨(dú)特的或者特殊的試驗(yàn)定義為首堆試驗(yàn)[3,4], “華龍一號(hào)”RCS 系統(tǒng)首堆試驗(yàn)研究和設(shè)計(jì)主要依據(jù)這個(gè)規(guī)定進(jìn)行。
1.3 核電廠運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)反饋
美國(guó) Trojan 核電廠于1988 年發(fā)現(xiàn)穩(wěn)壓器波動(dòng)管出現(xiàn)預(yù)料之外的位移和彎曲, 調(diào)查發(fā)現(xiàn)是由于設(shè)計(jì)中未考慮波動(dòng)管熱分層引起的。為此, NRC 先后發(fā)布88-08和88-11公告, 要求所有在役或在建核電廠必須對(duì)穩(wěn)壓器波動(dòng)管熱分層進(jìn)行分析論證,確保其結(jié)構(gòu)完整性[5,6]。
1.4 調(diào)試階段劃分
參考國(guó)內(nèi)外核電廠調(diào)試實(shí)踐, 結(jié)合核安全導(dǎo)則 HAD103/02要求,核電廠調(diào)試分為三個(gè)主階段和十一個(gè)階段,具體見(jiàn)表1。

2.RCS系統(tǒng)調(diào)試總體介紹
分析 NNSA、IAEA 和 NRC 對(duì)系統(tǒng)調(diào)試相關(guān)要求后,結(jié)合國(guó)內(nèi)外核電廠系統(tǒng)調(diào)試實(shí)踐和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)反饋, 將華龍一號(hào) RCS 系統(tǒng)調(diào)試分為部件試驗(yàn)、系統(tǒng)試驗(yàn)和首堆試驗(yàn)三個(gè)組成部分。其中,部件試驗(yàn)包括閥門(mén)、儀表、儀控通道、主泵和穩(wěn)壓器等設(shè)備的單體試驗(yàn); 系統(tǒng)試驗(yàn)包括水壓試驗(yàn)、綜合試驗(yàn)、調(diào)節(jié)試驗(yàn)、流量測(cè)量試驗(yàn)和性能試驗(yàn)等;首堆試驗(yàn)包括堆內(nèi)構(gòu)件流致振動(dòng)試驗(yàn)、波動(dòng)管溫度監(jiān)測(cè)試驗(yàn)和 RCS自然循環(huán)載熱試驗(yàn)。
3 部件試驗(yàn)
3.1 閥門(mén)試驗(yàn)
在 A0階段執(zhí)行, 主要是檢查閥門(mén)限位開(kāi)關(guān)運(yùn)行和閥桿行程,檢查閥門(mén)的失效位置和無(wú)效信號(hào),測(cè)量閥門(mén)動(dòng)作時(shí)間,驗(yàn)證閥門(mén)功能滿足技術(shù)要求。對(duì)于嚴(yán)重事故快速卸壓閥, 還需檢查流體通道的流通性。
3.2 儀表試驗(yàn)
3.2.1 水位測(cè)量?jī)x表
在 A1.2階段,通過(guò)可視水位計(jì)給出三個(gè)不同點(diǎn)的水位定值以校核水位通道, 并通過(guò)改變系統(tǒng)水位來(lái)檢查水位定值以及定值觸發(fā)的預(yù)期動(dòng)作(報(bào)警產(chǎn)生、消失和聯(lián)鎖等), 從而驗(yàn)證水位測(cè)量通道的完整性。在 A2.1 階段穩(wěn)壓器充水、排水和汽腔形成過(guò)程中, 對(duì)水位測(cè)量通道進(jìn)行相互校準(zhǔn)。 3.2.2 壓力測(cè)量?jī)x表在 A2.1階段,通過(guò)使用標(biāo)準(zhǔn)的壓力表或壓力模擬器給出三個(gè)不同點(diǎn)的壓力定值以校核壓力通道,并通過(guò)改變系統(tǒng)壓力來(lái)檢查壓力定值以及定值觸發(fā)的預(yù)期動(dòng)作 (報(bào)警產(chǎn)生、消失和聯(lián)鎖等),從而驗(yàn)證壓力通道的完整性。 3.2.3 溫度測(cè)量?jī)x表在 A2.1和 B1.2 階段四個(gè)溫度平臺(tái), 依據(jù)供貨商提供的數(shù)據(jù)表校驗(yàn)所有溫度計(jì); 在 A2.1和 B1.2 階段額定熱停堆狀態(tài)下, 檢查溫度計(jì) GD 校準(zhǔn)模塊及 ΔT/Tavg加法器 GD 校準(zhǔn)模塊的輸出在主控室的讀數(shù),以確保臨界前溫度測(cè)量通道的可用性; 在 C 階段 75%FP 平臺(tái)對(duì)加法器 GD 校準(zhǔn)模塊進(jìn)行預(yù)校準(zhǔn)并在100%FP 平臺(tái)進(jìn)行最終校準(zhǔn)。
3.3 通道試驗(yàn)
在 A0 階段, 通過(guò)傳感器和執(zhí)行器性能試驗(yàn),檢查接線正確性、相關(guān) DCS 硬件/軟件組態(tài)正確性和通道模擬試驗(yàn), 驗(yàn)證儀表和控制通道; 通過(guò)執(zhí)行器和接觸器性能試驗(yàn), 檢查信號(hào)處理正確性、IIC/BUP/ECP 狀態(tài)指示和控制正確性、就地報(bào)警指示正確性,驗(yàn)證邏輯控制通道。
3.4 主泵試驗(yàn)
在 A0階段,檢查電機(jī)潤(rùn)滑油系統(tǒng), 檢查和調(diào)節(jié)電機(jī)用冷卻水, 驗(yàn)證電機(jī)的機(jī)械和電氣參數(shù),驗(yàn)證相關(guān)報(bào)警及聯(lián)鎖。在 A1.1 階段檢查主泵軸封注入系統(tǒng)、停車(chē)密封系統(tǒng)和應(yīng)急軸封系統(tǒng),檢查軸封的高壓泄露和低壓泄漏參數(shù), 檢查和調(diào)節(jié)高壓冷卻器的設(shè)冷水量,驗(yàn)證相關(guān)報(bào)警及聯(lián)鎖,確認(rèn)主泵在冷態(tài)水壓試驗(yàn)和熱態(tài)性能試驗(yàn)期間的運(yùn)行正常。
3.5 穩(wěn)壓器及卸壓箱試驗(yàn)
在 A1.1階段,將穩(wěn)壓器充滿水后進(jìn)行通斷式電加熱器通電試驗(yàn),測(cè)量單組電加熱器供電后的輸出功率, 同時(shí)檢查比例式電加熱器的性能。在 A1.2階段,通過(guò)改變卸壓箱水位和壓力, 驗(yàn)證水位和壓力測(cè)量通道的正確性, 通過(guò)卸壓箱水位變化測(cè)量噴淋和疏水流量滿足設(shè)計(jì)要求。
4 系統(tǒng)試驗(yàn)
4.1 水壓試驗(yàn)
在 A1.1階段,通過(guò)對(duì)反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)和相關(guān)系統(tǒng)的高壓部分執(zhí)行1.3倍設(shè)計(jì)壓力的水壓試驗(yàn),檢查壓力容器密封環(huán)、管道、閥門(mén)、焊縫、法蘭等連接處的滲漏情況和壓力表的指示情況,驗(yàn)證系統(tǒng)的密封性能。
4.2 綜合試驗(yàn)
4.2.1 主設(shè)備支承間隙測(cè)量
在 A2.1 階段熱停堆工況穩(wěn)定120h 后, 通過(guò)測(cè)量蒸汽發(fā)生器上、下部水平支承間隙, 確定調(diào)整墊片厚度;通過(guò)調(diào)整調(diào)節(jié)螺柱, 將穩(wěn)壓器上部水平支承間隙調(diào)整至設(shè)計(jì)理論值; 通過(guò)測(cè)量蒸汽發(fā)生器、波動(dòng)管阻尼器和彈簧支吊架、蒸汽發(fā)生器和主泵阻尼器相對(duì)冷態(tài)安裝的位置, 驗(yàn)證實(shí)測(cè)值與理論值的符合性。
在 B1.2 階段熱停堆工況穩(wěn)定120h 后, 通過(guò)測(cè)量蒸汽發(fā)生器上、下部水平支承間隙和穩(wěn)壓器上部水平支承間隙, 驗(yàn)證實(shí)測(cè)值滿足設(shè)計(jì)要求。
4.2.2 管道和支架驗(yàn)證
在 A2.1階段系統(tǒng)充水且處于冷態(tài)時(shí)確定管道位移測(cè)量參考點(diǎn),在180 ℃和291.7 ℃溫度平臺(tái)測(cè)量管道位移,驗(yàn)證測(cè)量值與理論值偏差在設(shè)計(jì)范圍內(nèi);在 A2.1階段系統(tǒng)充水且處于冷態(tài)時(shí)調(diào)整并檢查支吊架和阻尼器,以確定支吊架的正確性,在180 ℃和291.7 ℃溫度平臺(tái)目視檢查支吊架,驗(yàn)證支吊架的機(jī)械性能符合要求。
4.2.3 熱損失測(cè)量
在 A2.1階段, 通過(guò)測(cè)量蒸汽發(fā)生器、穩(wěn)壓器、主管道、波動(dòng)管、主泵泵殼和輔助管道保溫層外表面溫度,以及環(huán)境溫度和流體溫度, 計(jì)算保溫層實(shí)際熱損失,驗(yàn)證與理論熱損失偏差在設(shè)計(jì)允許范圍內(nèi)。
4.3 調(diào)節(jié)試驗(yàn)
4.3.1 穩(wěn)壓器連續(xù)噴霧調(diào)節(jié)試驗(yàn)
在 A2.1和 B1.2階段熱停堆平臺(tái),通過(guò)停運(yùn)通斷式電加熱器和噴霧閥,用比例式電加熱器調(diào)節(jié)反應(yīng)堆維持在熱停堆工況,測(cè)量穩(wěn)壓器的熱損失,計(jì)算連續(xù)噴霧流量;然后使調(diào)整比例式電加熱器至50%輸出,手動(dòng)調(diào)節(jié)噴霧閥維持穩(wěn)定的熱停堆工況,將噴霧閥擋塊鎖定在試驗(yàn)結(jié)束的位置。
4.3.2 穩(wěn)壓器電加熱和噴霧效率試驗(yàn)
在 A2.1和 B1.2階段熱停堆平臺(tái),通過(guò)斷開(kāi)所有電加熱器、全開(kāi)噴霧閥,驗(yàn)證實(shí)際的噴霧效率在設(shè)計(jì)限值內(nèi);通過(guò)觸發(fā)通斷式電加熱器、關(guān)閉噴霧閥,驗(yàn)證實(shí)際的加熱效率在設(shè)計(jì)限值內(nèi)。
4.3.3 穩(wěn)壓器安全閥組件功能試驗(yàn)
在 A2.1階段, 系統(tǒng)壓力約為3.4 MPa 時(shí),通過(guò)調(diào)節(jié)系統(tǒng)壓力開(kāi)啟和關(guān)閉穩(wěn)壓器安全閥, 測(cè)量閥門(mén)開(kāi)啟和關(guān)閉時(shí)間,驗(yàn)證閥門(mén)的低溫超壓保護(hù)功能;系統(tǒng)壓力約為14.5 MPa時(shí), 通過(guò)調(diào)節(jié)系統(tǒng)壓力打開(kāi)安全閥, 保持開(kāi)啟直到隔離閥關(guān)閉,檢查各個(gè)閥位的所有報(bào)警, 驗(yàn)證安全閥開(kāi)啟時(shí)間和實(shí)際卸壓梯度在設(shè)計(jì)限值內(nèi)。
4.4 流量測(cè)量試驗(yàn)
4.4.1 反應(yīng)堆冷卻劑流量驗(yàn)證試驗(yàn)
在 A1.1、A2.1和 B1.2階段的四個(gè)工況下,通過(guò)測(cè)量主泵電機(jī)的功率和主泵進(jìn)出口壓差, 采用主泵電功率與揚(yáng)程、流量的關(guān)系式確定每條環(huán)路的流量,驗(yàn)證環(huán)路的流量和反應(yīng)堆壓力容器的流量大于所要求的最小流量。
4.4.2 反應(yīng)堆冷卻劑流量惰性試驗(yàn)
在B1.2階段, 通過(guò)停運(yùn)三臺(tái)主泵使反應(yīng)堆冷卻劑強(qiáng)迫循環(huán)流量喪失,確定環(huán)路冷卻劑流量的下降趨勢(shì)大于設(shè)計(jì)限值, 同時(shí)驗(yàn)證主泵轉(zhuǎn)速、進(jìn)出口壓差和環(huán)路流量低等整定值。
4.4.3 根據(jù)熱平衡計(jì)算反應(yīng)堆冷卻劑流量
在C 階段30%、50%、75%、87% 和100%FP 五個(gè)功率平臺(tái), 通過(guò)熱平衡計(jì)算得到每條環(huán)路流量,驗(yàn)證環(huán)路流量在熱工設(shè)計(jì)流量和機(jī)械設(shè)計(jì)流量之間,反應(yīng)堆壓力容器的流量在3 倍熱工設(shè)計(jì)流量和3倍機(jī)械設(shè)計(jì)流量之間。
4.5 性能試驗(yàn)
4.5.1 蒸汽發(fā)生器出口蒸汽濕度測(cè)量
在 C2階段與參考平均溫度對(duì)應(yīng)的出口蒸汽壓力下,采用示蹤法通過(guò)測(cè)定蒸汽發(fā)生器出口蒸汽和流過(guò)汽水分離裝置后的疏水液相中所帶出的示蹤劑濃度確定蒸汽發(fā)生器出口蒸汽濕度, 以驗(yàn)證蒸汽品質(zhì)滿足設(shè)計(jì)要求。
4.5.2 額定熱功率輸出試驗(yàn)
在C2階段,通過(guò)測(cè)量蒸汽發(fā)生器二次側(cè)進(jìn)、出口之間的焓差確定機(jī)組的額定熱功率, 從而檢驗(yàn)電廠的性能滿足設(shè)計(jì)要求。
4.5.3 蒸汽發(fā)生器設(shè)計(jì)裕度試驗(yàn)
在 C2階段,通過(guò)降低一回路平均溫度將蒸汽發(fā)生器出口蒸汽壓力調(diào)整值6.8 MPa (對(duì)應(yīng)環(huán)路流量等于最佳估算流量,10% 堵管情況下蒸汽發(fā)生器出口蒸汽的最小壓力), 測(cè)量蒸汽發(fā)生器的額定熱輸出功率和蒸汽含濕量, 從而驗(yàn)證蒸汽發(fā)生器在設(shè)計(jì)堵管率的情況下所提供的蒸汽品質(zhì)仍可滿足設(shè)計(jì)需求。
5 首堆試驗(yàn)
根據(jù) RG1.68 對(duì)首堆試驗(yàn)的要求和核電廠運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)的反饋,確定華龍一號(hào)首堆試驗(yàn)項(xiàng)目為堆內(nèi)構(gòu)件流致振動(dòng)試驗(yàn)、波動(dòng)管溫度監(jiān)測(cè)試驗(yàn)和RCS自然循環(huán)載熱試驗(yàn)。
5.1 堆內(nèi)構(gòu)件流致振動(dòng)試驗(yàn)
?國(guó)家核安全局頒發(fā)的華龍一號(hào)建造許可證要求福清業(yè)主按照 RG1.20原型類(lèi)開(kāi)展堆內(nèi)構(gòu)件流致振動(dòng)堆內(nèi)實(shí)測(cè)工作。首先建立華龍一號(hào)1∶1 反應(yīng)堆流場(chǎng) CFD 模型, 通過(guò)分析預(yù)計(jì)堆內(nèi)構(gòu)件在熱態(tài)功能試驗(yàn)期間因一回路冷卻劑流動(dòng)而產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)響應(yīng)和振動(dòng)熱性。然后基于1∶5 比例模型試驗(yàn)和預(yù)分析結(jié)果,在吊籃、堆芯板和堆內(nèi)測(cè)量導(dǎo)向結(jié)構(gòu)等位置布置16 個(gè)加速度計(jì)、32 個(gè)應(yīng)變計(jì)和3個(gè)壓力傳感器進(jìn)行堆內(nèi)實(shí)測(cè)。
在 A2.1階段升、降溫不同工況下, 測(cè)量主泵啟動(dòng)瞬態(tài)、穩(wěn)定運(yùn)行和停運(yùn)瞬態(tài)下堆內(nèi)構(gòu)件的流致振動(dòng)響應(yīng);在熱停堆工況下進(jìn)行240h 耐振考驗(yàn)試驗(yàn);在 A2.1階段試驗(yàn)結(jié)束后對(duì)堆內(nèi)構(gòu)件進(jìn)行全面檢查。
比較堆內(nèi)實(shí)測(cè)結(jié)果和預(yù)分析值, 如果測(cè)量的結(jié)構(gòu)部件的振動(dòng)應(yīng)力在預(yù)分析值內(nèi), 則實(shí)測(cè)結(jié)果合格;如果實(shí)測(cè)結(jié)果超過(guò)預(yù)分析值, 應(yīng)分析原因并評(píng)價(jià)對(duì)堆內(nèi)構(gòu)件結(jié)構(gòu)完整性的影響; 同時(shí), 熱態(tài)功能試驗(yàn)后對(duì)堆內(nèi)構(gòu)件的檢查結(jié)果應(yīng)滿足檢查大綱的要求。
5.2 波動(dòng)管溫度監(jiān)測(cè)試驗(yàn)
基于 CFD 理論分析結(jié)果, 在穩(wěn)壓器波動(dòng)管不同位置布置13 組溫度傳感器, 每組傳感器沿波動(dòng)管半截面均勻布置。根據(jù)不同位置熱分層現(xiàn)象的差異,采用三種傳感器布置方案。在預(yù)計(jì)熱分層現(xiàn)象明顯的位置,布置7 支溫度傳感器; 在預(yù)計(jì)熱分層現(xiàn)象較弱的位置,布置5 支溫度傳感器;在預(yù)計(jì)不會(huì)出現(xiàn)熱分層現(xiàn)象的位置, 布置1 支溫度傳感器用于監(jiān)測(cè)。
在 A2.1階段,實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并記錄13組溫度傳感器的數(shù)據(jù),同時(shí)記錄穩(wěn)壓器壓力和水位、反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)環(huán)路流量和溫度、上充和下泄流量等運(yùn)行數(shù)據(jù)。如果某一位置不同傳感器的最大溫差<35 ℃, 表明試驗(yàn)結(jié)果滿足預(yù)期; 如果最大溫差≥35 ℃, 則由設(shè)計(jì)院依據(jù)記錄的溫度和運(yùn)行數(shù)據(jù)做進(jìn)一步評(píng)價(jià)。
5.3 RCS自然循環(huán)載熱試驗(yàn)
為了驗(yàn)證堆芯衰變熱能夠通過(guò) RCS 自然循環(huán)由蒸汽發(fā)生器帶出, 在 B3 階段3%FP 功率水平 (模擬堆芯衰變熱) 穩(wěn)定運(yùn)行30 分鐘, 按照運(yùn)行規(guī)程手動(dòng)停運(yùn)三臺(tái)主泵,維持反應(yīng)堆功率水平在試驗(yàn)初始值,監(jiān)測(cè)反應(yīng)堆入口溫度、穩(wěn)壓器壓力、水位和蒸汽發(fā)生器水位變化趨勢(shì)無(wú)異常。測(cè)量的反應(yīng)堆壓力容器出口溫度過(guò)冷度變化趨勢(shì)能夠收斂,且>16.3 ℃;反應(yīng)堆壓力容器進(jìn)出口溫差變化趨勢(shì)能夠收斂,且>37 ℃;堆芯出口溫度過(guò)冷度變化趨勢(shì)能夠收斂,且>8 ℃,表明通過(guò)RCS自然循環(huán)能夠持續(xù)穩(wěn)定帶走堆芯衰變熱。
6 總 結(jié)
本文通過(guò)研究國(guó)內(nèi)外核安全法規(guī)和導(dǎo)則對(duì)RCS系統(tǒng)調(diào)試的相關(guān)要求, 結(jié)合核電廠系統(tǒng)調(diào)試實(shí)踐和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)反饋, 確定了華龍一號(hào) RCS 系統(tǒng)的主要調(diào)試項(xiàng)目。這些調(diào)試項(xiàng)目作為機(jī)組調(diào)試大綱的一部分內(nèi)容通過(guò)了國(guó)家核安全局的審評(píng),在華龍一號(hào)執(zhí)行以上試驗(yàn), 能夠驗(yàn)證 RCS 系統(tǒng)和部件的性能符合設(shè)計(jì)和安全要求, 從而保障華龍一號(hào)核電機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行。

