本文通過對我國自主知識產(chǎn)權(quán)三代非能動壓水堆(國和一號) 與國內(nèi)成熟運(yùn)行的核電機(jī)組(CPR1000) 在無運(yùn)行人員干預(yù)和有運(yùn)行人員干預(yù)情況下的SGTR 事故演變過程進(jìn)行對比，提出了二者在反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)(RCS) 降溫降壓手段、蒸汽發(fā)生器狀態(tài)管理、主泵狀態(tài)、放射性后果、破損蒸汽發(fā)生器傳熱管(SG) 降壓方式等方面的不同， 以及二者放射性釋放可能性的差異。這種對比分析便于運(yùn)行人員在事故中采取更有針對 性的干預(yù)措施，以使干預(yù)效果更加有效。
蒸汽發(fā)生器傳熱管破裂 (SGTR) 事故是壓水堆可能發(fā)生的最重要的事故之一[1]。由于SGTR 事故對反應(yīng)性、堆芯余熱導(dǎo)出、放射性包容均有影響，所以，我們對SGTR 事故的有效干預(yù)非常重要。目前，我們對CPR1000 機(jī)組SGTR 事故的處理有比較豐富的實踐經(jīng)驗和數(shù)據(jù) (包括模擬機(jī)驗證)。 本文通過對國和一號與CPR1000 SGTR 事故的處理過程進(jìn)行比較，使運(yùn)行人員更好地理解三代非能動核電廠專設(shè)安全設(shè)施的特點(diǎn)，以增強(qiáng)干預(yù)的有效性。
1 無操縱員干預(yù)的事故過程
SGTR 事故不只限于一根或多根傳熱管的斷裂[2]，也包括引起持續(xù)性泄漏的倒U 形管的破裂。一旦發(fā)生SGTR 事故， 第 2 道安全屏障就失去了完整性。安全分析報告僅考慮單個蒸汽發(fā)生器中 1 根傳熱管完全斷裂的情況，因為在安全分析中認(rèn)為一根傳熱管完全斷裂已經(jīng)足夠保守。
1. 1 CPR1000 的SGTR 典型事故過程
發(fā)生SGTR 事故后，化容系統(tǒng)不能補(bǔ)償破口泄漏流量，一回路水裝量開始減少，穩(wěn)壓器水位與一回路壓力下降。控制系統(tǒng)自動調(diào)節(jié)破損SG 的給水流量以維持水位在窄量程整定值。由于有泄漏，破損SG 給水流量減小。
凝汽器抽真空排氣放射性監(jiān)測器、SG 排污放射性監(jiān)測器和主蒸汽管道放射性監(jiān)測器 (見表1) 的報警指示：“二回路系統(tǒng)放射性增加”。反應(yīng)堆因穩(wěn)壓器壓力低而停堆 (也可能由超溫ΔT 觸發(fā))[3]。穩(wěn)壓器水位下降導(dǎo)致上充增大，壓力降低使通斷加熱器投入，緩解了水位和壓力的下降。
穩(wěn)壓器壓力低引發(fā)安注，安注可以補(bǔ)償泄漏流量，使一回路壓力與水位回升。這對堆芯冷卻有利，但不利于終止泄漏。
安注觸發(fā)主給水隔離，輔助給水啟動。
如果失去廠外電， 凝汽器則無法保證真空，因此， 蒸汽發(fā)生器無法向冷凝器排放蒸汽，而SG 壓力上升，導(dǎo)致大氣排放閥或者主蒸汽安全閥打開。安注繼續(xù)向一回路連續(xù)注入高 濃度硼水。高壓安注可以恢復(fù)一回路水裝量， 但是如果操縱員不干預(yù)，不停運(yùn)安注泵，會使一回路壓力大于二回路，且一回路壓力無法降 低，破口流量無法減小。
1. 2 國和一號的SGTR 典型事故過程
國和一號的SGTR 事故初期現(xiàn)象與CPR1000 機(jī)組類似，但是由于專設(shè)安全設(shè)施的差異，會導(dǎo)致以下幾點(diǎn)不同：
(1) 穩(wěn)壓器壓力低或穩(wěn)壓器低2 水位信號將觸發(fā)“S”信號，啟動堆芯補(bǔ)水箱 (CMT) 和熱交換器 (PRHR)，自動關(guān)閉正常給水，停運(yùn)反應(yīng)堆冷卻劑泵，穩(wěn)壓器電加熱器斷電。SG 窄量程低水位信號觸發(fā)啟動給水流量，并控制SG 水位在程序水位。
(2) 停堆后， CMT 和 PRHR 投入運(yùn)行。PRHR 投入運(yùn)行以及啟動給水流量、CMT 含硼流量， 化學(xué)容積控制系統(tǒng) (CVS) 導(dǎo)出衰變熱，可以減少SG 的蒸汽產(chǎn)量和旁排至冷凝器的蒸汽量，在喪失廠外電源工況下，可減少向大氣的蒸汽排放量。CVS 和CMT 流量的注入將穩(wěn)定 RCS 壓力和穩(wěn)壓器水位，RCS 壓力將趨于一個平衡值，總的注射流量和破口流量相等 (如圖1 所示)。
1. 3 事故發(fā)展的不同
如果控制不當(dāng)，國和一號高壓安注系統(tǒng)的注入將導(dǎo)致一回路無法降壓并持續(xù)向破損SG 灌水，破損SG 被灌滿，放射性液體通過大氣排放閥、SG 安全閥、冷凝器排氣系統(tǒng)、SG 排污系統(tǒng)等排放到環(huán)境[4]。
雖然國和一號的保護(hù)設(shè)計降低了對人為干預(yù)的要求，但是當(dāng)CMT 啟動后是否會引起注入過量和穩(wěn)壓器安全閥開啟的問題還需后續(xù)驗證，對高壓安注的快速控制依然是可以借鑒的控制關(guān)鍵點(diǎn)。
另外，CMT 水位可能會下降，甚至可能導(dǎo)致自動泄壓系統(tǒng)(ADS) 動作[5]，這是國和一號機(jī)組必須考慮的風(fēng)險。
2 運(yùn)行人員干預(yù)過程
2. 1 CPR1000 的運(yùn)行人員干預(yù)過程
CPR1000 的運(yùn)行人員干預(yù)過程如圖2 所示。
對于事故發(fā)生后的短期分析， 我們不考慮上充、下泄、噴淋等對事故的緩解作用。但對于事故后的長期分析，以上因素都對事故的緩解起到了關(guān)鍵作用[6]。
(1) SG 破損的信號包括：某臺SG 窄量程水位非預(yù)期的上升，主蒸汽管道放射性監(jiān)測器、
SG 排污管道放射性監(jiān)測器或SG 取樣放射性高報警。確認(rèn)破損SG 后，運(yùn)行人員隔離該蒸汽發(fā)生器以實現(xiàn)終止泄漏。蒸汽發(fā)生器傳熱管斷裂事故是同時失去第二和第三道屏障的事故，如果運(yùn)行人員不能隔離破損的蒸汽發(fā)生器而持續(xù)向安全殼外流失冷卻劑，在換料水箱無水前不能將機(jī)組帶到冷停堆工況，將導(dǎo)致堆芯熔化。
(2) 在蒸汽發(fā)生器傳熱管斷裂事故的情況下，高壓安注系統(tǒng) (HHSI) 的首要作用是補(bǔ)償喪失的一回路冷卻劑，保持一回路的水裝量。特別是在事故時，蒸汽發(fā)生器大氣排放閥或主蒸汽安全閥發(fā)生卡開的情況下，相當(dāng)于直接在安全殼外發(fā)生一回路破口事故，安注最終可以避免堆芯熔化。此外，安注系統(tǒng)注入的含硼水向堆芯引入了負(fù)反應(yīng)性，可以緩解緊急停堆失效的后果。
(3) 高壓安注停運(yùn)后， 通過二回路冷卻， 飽和裕度滿足要求后，電廠可通過正常噴淋或輔助噴淋降壓，尋求壓力平衡。通過控制故障蒸汽發(fā)生器的排污流量，穩(wěn)定二次側(cè)的壓力， 直到一、二次側(cè)壓力平衡[7]。
(4) 在輔助給水失效和主給水不可用的情況下，操縱員使用充-排 (Feed-Bleed) 方式冷卻堆芯，使安注系統(tǒng)補(bǔ)償經(jīng)穩(wěn)壓器泄壓閥排放的冷卻劑。
(5) 電廠后撤到余熱排出系統(tǒng)投運(yùn)的停堆狀態(tài)，根據(jù)維修等實際情況決定后續(xù)工作。
2. 2 國和一號運(yùn)行人員干預(yù)過程
國和一號的運(yùn)行人員干預(yù)過程如圖3 所示。
2. 2. 1 識別并隔離破損SG
破損的SG 可通過相應(yīng)SG、主蒸汽管道、液體取樣放射性升高或SG 水位不可控升高等信號識別。在某些工況下，受影響的SG 可通過蒸汽流量與給水流量的失配報警或SG 水位異常信號輕易識別。若發(fā)生更大破口的傳熱管破裂事故，停堆后的SG 水位會顯著升高。若受影響的SG 不能很快識別，規(guī)程會指導(dǎo)操縱員進(jìn)行其他步驟操作，評估電廠狀態(tài)，包括檢查RCS 補(bǔ)水狀態(tài)和多重失效，以及用于恢復(fù)供電設(shè)備等。
破管SG 一旦被確認(rèn)， 運(yùn)行人員應(yīng)將其隔離，限制放射性釋放，并為終止泄漏做準(zhǔn)備。受影響的SG 水位高于U 形管時，運(yùn)行人員應(yīng)停止向其供水，并檢查用于縱深防御的自動啟動 非安全系統(tǒng)是否具有合適的狀態(tài)。
2. 2. 2 啟動RCS 冷卻
破損的SG 隔離后，開始對 RCS 進(jìn)行冷卻， 如果沒有其他故障，可采用正常冷卻速率 (無需開始快速冷卻)，依據(jù)見表2。如傳熱管破裂疊加其他故障，發(fā)生超設(shè)計基準(zhǔn)事故，則需要加快對RCS 的冷卻速率，以維持RCS 裝量且不觸發(fā)ADS。
好的SG 排汽不可用，則投入PRHR。如完好的SG 和 PRHR 均不可用(可能性極小)，則通過ADS 系統(tǒng)和非能動安注系統(tǒng)進(jìn)行RCS 冷卻。
2. 2. 3 RCS 降壓并恢復(fù)水裝量
破損SG 被隔離后，E-3 規(guī)程指導(dǎo)操縱員執(zhí)行恢復(fù)操作，以降低 RCS 壓力、減小破口泄漏，并恢復(fù)穩(wěn)壓器水位。事故初始階段，反應(yīng)堆冷卻劑泵由CMT 觸發(fā)信號停運(yùn)，故應(yīng)采用輔助噴淋或ADS 第一級閥門降壓。
操縱員降低 RCS 壓力直至穩(wěn)壓器水位恢復(fù)。自然循環(huán)條件下，壓力容器上封頭或破損SG 傳熱管區(qū)域可能存在氣泡。由于RCS 降壓將導(dǎo)致穩(wěn)壓器水位迅速升高，故穩(wěn)壓器達(dá)到高水位后停止降壓，避免一回路變成水實體 (降壓依據(jù)見表3)。
2. 2 .4 終止CMT 注射流量
RCS 過冷度建立且水裝量恢復(fù)后，不再需要CMT 注入時，操縱員應(yīng)隔離CMT。(CMT 終止準(zhǔn)則見表4)
2.2.5冷卻至冷停堆狀態(tài)
當(dāng)RCS 壓力與破損SG 壓力平衡，一次側(cè)向二次側(cè)泄漏終止，所有直接安全問題已經(jīng)解決時，操縱員應(yīng)執(zhí)行一系列操作，將RCS 持續(xù)冷卻至冷停堆狀態(tài)。這些操作包括將二次側(cè)污染物擴(kuò)散降至最小，必要時啟動主泵，確保均勻的冷卻劑溫度和硼濃度。操縱員根據(jù)電廠狀態(tài)評估選擇最好的SGTR 事故后冷卻方式。這些操作措施取決于核電廠系統(tǒng)的可用性以及核電廠進(jìn)一步維修和運(yùn)行計劃。
2. 3 干預(yù)手段的差異
我們可以借鑒 CPR1000 運(yùn)行人員的干預(yù)思路控制機(jī)組、限制冷卻劑流失和放射性物質(zhì)釋放。在事故過程中，機(jī)組狀態(tài)的走向也是基本一致的，如在自動保護(hù)系統(tǒng)動作之前有序停堆、降低堆芯功率，從而減少需通過蒸汽發(fā)生器排出的功率，有助于減少從斷裂的傳熱管漏出的反應(yīng)堆冷卻劑在二次側(cè)汽化，降低對二回路造成重大污染的風(fēng)險。
但是由于專設(shè)安全設(shè)施的不同，操縱員在響應(yīng)方面也有很大不同，這是需要關(guān)注的。在更為嚴(yán)重的情況下，二次側(cè)卸壓補(bǔ)水策略和一次側(cè)卸壓補(bǔ)水策略是CPRl000 核電廠中常用的事故緩解策略[8]
2. 3. 1 前期降溫手段
國和一號可使用完好的SG 降溫，但當(dāng)CMT 和PRHR 同時投入時，PRHR 帶走部分熱量，可以減少SG 的蒸汽產(chǎn)量和旁排的蒸汽量。不依賴SG 也可以導(dǎo)出余熱，全廠失電也不會導(dǎo)致放射性泄漏至安全殼。
2. 3. 2 降壓手段
國和一號在反應(yīng)堆冷卻劑裝量和 RCS 過冷度滿足要求后終止CMT，CMT 啟動會使主泵停運(yùn)，即使電源正常也需要使用輔助噴淋降壓， 必要時可使用 ADS 手動卸壓。CPR1000 快速確認(rèn)安注，水裝量與過冷度滿足要求后，轉(zhuǎn)上充下，恢復(fù)操作將主泵重新啟動，應(yīng)重新使用正常噴淋方式降壓。
操縱員可使用ADS 第1 級閥門以可控方式降低RCS 壓力，但其不屬于安全相關(guān)功能，應(yīng)盡量避免頻繁操作，減少閥門失效的可能性。
2. 3. 3 放射性后果
在 CPR1000 機(jī)組中，操縱員必須迅速控制安注，避免穩(wěn)壓器安全閥開啟時間過長，同時還要控制好放射性SG 的壓力與水位，防止蒸汽發(fā)生器滿溢，帶水排放。SG 防止?jié)M溢的關(guān)鍵在于操縱員干預(yù)的效果上。
國和一號非能動的CMT 注入，穩(wěn)壓器液位高 2 對 CVS 補(bǔ)水隔離，防止一回路壓力額外升高，頂開穩(wěn)壓器安全閥。操縱員通過保護(hù)關(guān)閉穩(wěn)壓器電加熱器，以及由SG 高水位信號隔離化容控制系統(tǒng)和啟動給水流量，終止破口流量和向大氣的蒸汽釋放。因此，操縱員需要關(guān)注SG 滿溢保護(hù)動作的有效性， 防止蒸汽發(fā)生器滿溢，帶水排放。
2. 3. 4 主泵狀態(tài)差異
在電源未出現(xiàn)問題的情況下，CPR1000 主泵繼續(xù)運(yùn)行，維持強(qiáng)迫循環(huán)，有利于上封頭的冷卻。
在CMT 啟動后，國和一號主泵不運(yùn)行。
主泵停運(yùn)時，流進(jìn)壓力容器上封頭的流量很小。在RCS 冷卻過程中，活性區(qū)流體溫度已經(jīng)顯著降低，但上封頭流體溫度仍相對較高。隨著RCS 進(jìn)一步降壓，上封頭流體可能形成氣泡。上封頭的氣泡進(jìn)入穩(wěn)壓器，導(dǎo)致穩(wěn)壓器水位迅速升高。穩(wěn)壓器可能在幾分鐘內(nèi)滿溢。因此，操縱員在降壓過程中要注意此風(fēng)險，關(guān)注上封頭溫度，避免穩(wěn)壓器水實體，通過ADS 閥門排出液體。
2. 3. 5 SG 狀態(tài)管理
在CPR1000 中，當(dāng)3 臺SG 因放射性都被隔離時，如果機(jī)組狀態(tài)尚未降溫降壓至正常余熱排出系統(tǒng)投運(yùn)的狀態(tài)，那么操縱員只能從已經(jīng)被隔離的SG 中重新選擇解除1 個或多個SG，重新通過帶有放射性的SG 帶走余熱。
在國和一號中，非能動余熱排出系統(tǒng)作為SG 的后備， 沒有必要重新啟用已經(jīng)被隔離的SG。PRHR 運(yùn)行即可保證充分的冷卻。如果不存在完好的SG 且PRHR 也未運(yùn)行，操縱員將轉(zhuǎn)至FR-H.1 規(guī)程，觸發(fā)ADS 第1~3 級閥門，建立熱阱，RCS 降壓，減小并最終終止SG 傳熱管泄漏。
2. 3. 6 停止降壓的區(qū)別
在 CPR1000 機(jī)組中，當(dāng)達(dá)到一回路和二回路的壓力平衡后，操縱員進(jìn)行同步降壓、冷卻 和后撤。而在國和一號中，操縱員應(yīng)維持 RCS 壓力低于破損SG 壓力，使破損SG 回流至RCS。但是，過多的回流可能導(dǎo)致穩(wěn)壓器滿溢，不利 于操縱員控制 RCS 壓力。因此，RCS 降壓需在穩(wěn)壓器汽空間足夠的條件下進(jìn)行。當(dāng)穩(wěn)壓器液位大于 59%，或過冷度大于 11℃，或 RCS 小于破損的SG 壓力時，操縱員就停止降壓。
破損的SG 壓力控制是通過RCS 冷卻和清水倒流形式實現(xiàn)的。當(dāng)RCS 壓力降至破損的SG 壓力以下時，冷卻劑發(fā)生回流，即二次側(cè)向一次側(cè)的回流。破損的SG 蒸汽膨脹降低了壓力，同時，促進(jìn)了蒸汽與低溫金屬的接觸和冷凝，進(jìn)一步降低破損SG 壓力。
回流通過E-3 規(guī)程主冷卻劑環(huán)路中包含的降壓步驟實現(xiàn)。第二種降壓方式是使用破損的SG 的排污系統(tǒng)。破損的SG 液體通過排污管線排出，蒸汽體積膨脹，SG 壓力降低。第三種方式是從破損SG 釋放蒸汽。破損SG 蒸汽釋放至主蒸汽集管或通過大氣釋放閥排出。后兩種方式可能導(dǎo)致再次從一次側(cè)向二次側(cè)泄漏，RCS 壓力降低。第一種降壓方式可以避免受污染的蒸汽向環(huán)境的排放。
3 結(jié)語
國和一號為SGTR 事故的處理提供了自動保護(hù)措施，包括反應(yīng)堆停堆、非能動余熱排出熱交換器投入、堆芯補(bǔ)水箱注入、關(guān)閉穩(wěn)壓器電加熱器、由SG 水位高2 信號或SG 水位高與反應(yīng)堆停堆信號相符隔離化學(xué)容積系統(tǒng)補(bǔ)水和啟動給水系統(tǒng)，這些措施確保不需要操縱員的干預(yù)就能依靠非能動安全系統(tǒng)在破損蒸汽發(fā)生器滿溢之前終止破口流量[9]，并將RCS 系統(tǒng)長期保持在穩(wěn)定狀態(tài)下。這些保護(hù)系統(tǒng)還可以防止SG 發(fā)生滿溢[10]，并將廠外放射性劑量控制在設(shè)計基準(zhǔn)SGTR 事故所允許的范圍內(nèi)。
CPR1000 機(jī)組對于SGTR 的干預(yù)積累了豐富的經(jīng)驗，也培養(yǎng)了大量的運(yùn)行人才，如果這些運(yùn)行人員將來從事國和一號機(jī)組的運(yùn)行相關(guān)工作，其經(jīng)驗與策略是值得吸收和借鑒的，但是也需要注意國和一號在專設(shè)方面的差別，這樣可以使干預(yù)更加有效。
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