超临界轻水堆安全系统设计

1、超临界轻水堆安全系统设计Yuki ISHIWATARI1, Yoshiaki OKA, Seiichi KOSHIZUKA,Akifumi YAMAJI，Jie LIU（日本东京大学）本文描述高温超临界压力轻水堆(Super LWR)的安全系统设计概念，该堆具有向下流动的水棒。因为该堆是没有水位和冷却剂循环的直流冷却系统，所以其基本安全要求是保持堆芯的冷却剂流量，而轻水堆(LWR)的基本安全要求则是保持冷却剂装量。对这种堆来说， “从冷段供给冷却剂”和“在热段排出冷却剂”是必要的。直流冷却系统的优点是反应堆卸压会导致堆芯冷却剂流动并冷却堆芯。向下流动的水棒加强了这种效应，因为顶部水室和水棒就像

2、一个反应堆压力容器内的安注箱一样将其水装量供给堆芯。Super LWR 的安全系统设计参考了LWR的安全系统并考虑到它自身的特点和安全原则。“冷却剂供给”由高压辅助给水系统和低压堆芯注入系统来保持，“冷却剂排出”则由安全释放阀和自动卸压系统来保持。Super LWR 配备有两套独立的停堆系统：紧急停堆系统和备用液体控制系统。本研究所确定的容量和动作条件将用于安全分析中。关键词：直流冷却循环，超临界压力，向下流水棒，安全原则，安全系统设计I. 引言超临界压力水冷堆（SCWR）的设计概念已由东京大学进行了研究。与轻水堆(LWR)相比，SCWR 的优点是反应堆系统简单、反应堆和汽轮机系统紧凑、热效率

3、高。典型的SCWR设计的堆芯特性与沸水堆(BWR)和压水堆(PWR)的堆芯特性比较见表1。在超临界压力下不发生沸腾。由于堆芯焓升高和采用无再循环的直流循环方式，因此堆芯冷却剂流量比LWR小得多。堆芯流量与电功率的比值大约是BWR的1/10或者PWR的1/12。SCWR 的冷却系统与BWR、PWR和超临界火电厂(FPP)的冷却系统比较见图1。SCWR采用了和FPP一样的直流冷却系统。SCWR 的安全原则不同于LWR，LWR具有冷却剂循环系统和水位。SCWR 的安全系统设计和安全分析需要考虑这些特点。SCWR 有高温热堆型（称为Super LWR或 SCLWR-H）和高温快堆型（称为SCFR-H）

4、。Super LWR 目前主要在东京大学进行研究，其燃料组件的横截面见图2。因为Super LWR 的堆芯流量比LWR低很多，所以在燃料棒之间需考虑狭窄的间隙，以便为排热保持高的冷却剂流速。目前的设计间隙是1.0mm。由于堆芯上部燃料通道内的冷却剂密度相当大的降低，燃料组件含有许多中子慢化用的方形水棒。这种布置是由于均匀的子通道面积可获得均匀的慢化。采用向下流的水棒系统是为了达到更高的冷却剂出口温度，并使轴向慢化剂密度分布更加均匀。在反应堆压力容器（RPV）内的冷却剂流动见图3。在目前的设计中，30的冷却剂流量流到堆顶水室再向下通过控制棒导向管流入水棒，在底部水室与来自于下降腔的冷却剂混合，然

5、后向上流经燃料通道。表1 堆芯特性比较 SCWR BWR PWR压力 (MPa) 25 7.2 15.7热/电功率 (MW) 2,740/1,200 3,293/1,137 3,411/1,180热效率(%) 43.8 34.5 34.6堆芯入口/出口温度(_C) 280/500 216/286 289/325堆芯流量 (kg/s) 1,420 13,400 16,700主蒸汽流量(kg/s) 1,420 1,780 1,860堆芯流量/电功率 (kg/s/MW) 1.18 11.8 14.2主蒸汽流量/电功率 (kg/s/MW) 1.18 1.57 1.58图1 电厂系统比较图2 Super

6、 LWR（热堆）的燃料组件图3 在RPV内的冷却剂流在过去的研究中进行过SCFR-H 的安全分析。SCFR-H采用如图4所示的不带水棒的稠密栅六角形燃料组件。结果表明流动异常是最重要的事件，因为在直接冷却系统中“给水失流”会立即导致“堆芯冷却剂失流”。在SCFR-H 的研究中，安全原则和安全系统设计没有详细考虑。因为Super LWR 的电厂系统几乎和SCFR-H 的相同，所以SCFR-H 的瞬态和事故序列可作为Super LWR 安全分析的参考。然而，由于Super LWR 具有向下流的水棒，预期它的特性会不同于SCFR-H。许多水棒作为一个热阱预期会缓解堆芯加热。由于冷却剂装量很大的顶部水

7、室和水棒位于堆芯上游（见图3），因此预期它们会减轻流动异常。虽然已进行了Super LWR 的初步安全分析，但还没有开展安全系统的详细设计。本文的目的是描述Super LWR 的安全原则和还未公布的安全系统设计。基于本文的在超临界压力条件下的瞬态和事故分析在文献11中描述。基于本文的失水事故分析将在下一篇报告中描述。 图4 SCFR-H（快堆）的燃料组件II. 安全原则直流冷却系统的优势是卸压可有效冷却堆芯。卸压期间的冷却剂流动见图5。启动自动卸压系统（ADS）就导致堆芯冷却剂流动。向下流的水棒系统增强了这种效应，因为在顶部水室和水棒中的低温水将通过堆芯流到ADS。图6和图7表示了卸压过程的一

8、个范例，这是由Super LWR下泄分析程序计算得到的。在该计算中，两台给水泵在3秒时关闭，同时8个ADS中的7个打开，紧急停堆和主蒸汽阀（MSIV）信号释放。尽管给水已失流，但卸压期间仍然维持了堆芯冷却剂流量。由于向下流的水棒系统，在卸压期间流到堆芯的冷却剂来源不仅是底部水室和下降腔，而且还有顶部水室和水棒，这在本研究中称为“压力容器内安注箱”。堆芯冷却剂流量随着ADS流量而变化，后者因压力、温度和质量的变化而振荡。在ADS启动后，反应堆功率因流量增加而立即上升，然后由于沸腾和紧急停堆而下降。最热的包壳温度没有从初始值上升，因为功率与流量的比值保持了与上述的一致。在卸压之后，衰变热由低压堆芯

9、注入系统（LPCI）带出。图5 卸压期间的冷却剂流动 图6 卸压特性算例（流量和功率）LWR 具有冷却剂循环系统，如象图1所示的BWR的再循环系统和PWR 的一次系统。LWR 的基本安全要求是保持冷却剂装量，以便通过强迫循环或自然循环维持堆芯冷却。保持冷却剂装量是通过维持BWR 的RPV 水位和PWR 稳压器水位来实现的。图7 卸压特性算例（压力和包壳温度）直流冷却系统没有冷却剂循环系统，在超临界压力运行期间不存在水位。上面描述的卸压特性表明，只要维持堆芯冷却剂流量，减少冷却剂装量不会威胁直接冷却系统的安全。对于Super LWR 来说不需要控制水装量。Super LWR 的基本安全要求是维持

10、堆芯冷却剂流量。因为直流冷却系统具有冷却剂入口和出口，所以堆芯冷却剂流量依靠“保持从冷段的冷却剂供给”和“保持在热段的冷却剂出口开放”来维持。对于直流冷却的Super LWR，“给水失流”和“反应堆冷却剂失流”是相同的。BWR具有再循环，在RPV内的冷却剂装量大。PWR有二回路系统，在蒸汽发生器(SG)中有大的冷却剂装量。因此，Super LWR 的给水比LWR更重要。在本文中，为了与LWR相区别，Super LWR 的“给水流”、“给水系统”和“给水泵”分别描述为“主冷却剂流”、“主冷却剂系统”和“反应堆冷却剂泵(RCP)”。由于是直流冷却系统，因此在稳态的主冷却剂流量等于堆芯冷却剂流量和主

11、蒸汽流量。III. 电厂和安全系统Super LWR 的电厂和安全系统见图8。为了保证Super LWR 的安全，以下三个功能是重要的：（1）保持冷却剂从冷段供给，（2）保持热段的冷却剂出口开放，（3）停堆。功能（1）和（2）符合“保持堆芯冷却剂流量”的安全原则。针对这些功能设计的安全系统参数总结在表2中。针对这三个安全功能的电厂和安全系统描述如下。图8 Super LWR 的电厂和安全系统1 冷却剂供给Super LWR 有两条主冷却剂管线。额定运行采用两台50机组容量的汽动RCP，这样使得电厂能够获得比采用电动RCP 更高的净热效率。为了反应堆的启、停冷却和汽动RCP 的备用，配备了两台2

12、5机组容量的电动RCP。和FPP 一样，提供了一台除气器以维持RCP 的入口压力。在RCP 不可用的情况下，冷却剂的供给就靠安全系统来提供。作为主冷却剂系统的备用，配备了三个系列的汽动辅助给水系统(AFS)。它们也具有堆芯隔离冷却系统(RCIC)的功能，因为像BWR 的RCIC一样，主蒸汽是从MSIV 的上游抽取的。初始水源是冷凝水贮存箱，它和BWR 的RCIC 一样可自动地转换到抑压水池。应当注意，Super LWR 的AFS 不同于PWR 设置在二回路系统的AFS。单列AFS 的容量是额定流量的4，这是在超临界压力下考虑单一故障排出衰变热确定的。为AFS 的备用和破管后的堆芯再淹没提供了三

13、个系列电动LPCI。它们也具有余热排除系统(RHR)的功能。与BWR一样，水源是抑压水池。如果失去厂外电源，则由应急柴油发动机(E/G) 向LPCI/RHR 供电。LPCI 的容量是由考虑单一故障下大破口失水事故(LOCA)的堆芯再淹没而确定的。目前的设计容量为每系列300kg/s，这大约是额定流量的25。单列RHR 可有效排出衰变热。2.冷却剂排出直流冷却系统的冷却剂排出由MSIV、主闸阀、透平控制阀和透平旁通阀保持。它们与BWR 的相类似。在热段阀门关闭的情况下（例如透平旁通故障或MSIV 关闭后的透平跳闸），与BWR一样，由安全释放阀（SRV）提供冷却剂排出并缓解压力。SRV也有和BWR

14、 一样的ADS 功能。Super LWR 有两条主蒸汽管线。和ABWR 一样，每条管线上都配置了4个SRV。SRV 的总数是ABWR 的一半，因为主蒸汽管线的数量也是一半。在目前的设计中，在25MPa下通过单个SRV/ADS 的排泄流量是额定流量的20。3.反应堆停堆 和BWR 一样，Super LWR 有两个独立的停堆系统：反应堆紧急停堆系统和备用液体控制系统（SLCS）。紧急停堆的反应性价值由堆芯设计研究来确定，它要考虑在卡棒准则的条件下满足停堆裕量超过1dk/k。对于安全分析，要采用10dk/k。 SLCS是为备用停堆提供的。为冷停堆所需的水箱容积和硼浓度的估计与ABWR 相同。IV.

15、安全系统启动1. 异常等级异常等级与安全系统启动之间的关系见表3。它涉及到堆芯冷却剂流动所需的“冷却剂供给”和“冷却剂出口”的功能异常。当主冷却剂流量等级低时，冷却剂供给减少就会被察觉到。随后取决于异常等级，反应堆紧急停堆， AFS和ADS/LPCI 启动。在等级1（90）反应堆紧急停堆，然后在等级2（20）AFS 启动。等级3（6）意味着衰变热不能在超临界压力下排出，因此反应堆要卸压。当压力等级高时，冷却剂出口关闭就会被察觉到。在等级1（26.0MPa）反应堆紧急停堆，然后在等级2（26.2MPa）SRV 启动。SRV 的定值与正常运行压力的比值小于ABWR, 因为在Super LWR 中的

16、运行压力高，其堆芯压力的相对变化量比ABWR 的更小。然而“高压”紧急停堆定值与正常运行压力的比值是保守地和ABWR 的一样，因为在加压瞬态下紧急停堆不重要。当压力等级低时，阀门异常打开和管道破裂就会被探测到。如果压力从超临界降低到亚临界，燃料棒表面将发生烧干，导致包壳温度快速上升。因此，最好是避免堆芯压力接近临界压力。在目前的设计中，ADS 在等级2（23.5MPa）启动，这大约是临界压力（22.1MPa）的106。在快速卸压期间，尽管发生了烧干，但由于堆芯流量大，就阻止了包壳温度的上升（见第II章）。在压力降低的异常情况（例如LOCA）下，由于因水密度的降低而引入了负反应性，因此反应堆紧急

17、停堆的时间并不重要。通常，紧急停堆信号应该在应急堆芯冷却系统（ECCS）信号之前发出。由于这个关系，低压紧急停堆定值是在ADS/LPCI的定值以上，目前的设计为24.0MPa。2. 紧急停堆系统Super LWR 的紧急停堆信号表示在图9中。像ABWR 一样，每个信号都采用4个独立探测器的“4取2”逻辑。大多数信号的选取都参考了ABWR 和PWR。用于ABWR 和PWR两种堆的信号是“压力高”、“中子通量高”和“地震加速度大”。信号“反应堆周期短”、“透平控制阀快速关闭”、“干井压力高”、“MSIV关闭”和“主闸阀关闭”取自于ABWR。“主冷却剂流量低”、“压力低”和“ECCS启动”取自于PW

18、R。 图9 紧急停堆信号因为主冷却剂流量对直流冷却系统很重要，因此“RCP跳闸”本身就添加到了紧急停堆信号。RCP跳闸的探测假定是类似于PWR 的“RCP 转速低。因为失去从冷凝器到除气器的冷却剂供给会由于RCP 入口压力低导致RCP 延时跳闸，所以“冷凝泵跳闸”加入了紧急停堆信号，以便在RCP 跳闸前使反应堆功率降低。当失去场外电源时，由于透平跳闸或“冷凝泵跳闸”， 紧急停堆信号由“透平控制阀快速关闭”发出。在目前的设计中，“失去厂外电源”本身也加入到了紧急停堆信号，因此，在“失去厂外电源”瞬态下预期有三种紧急停堆信号。在目前的设计中，所有信号的停堆延时都是0.55s，这是在ABWR 设计中

19、除“水位低”（注意Super LWR 没有水位）信号延时以外最长的延时。紧急停堆反应性曲线见图10。采用了和PWR 相同的曲线，因为控制棒驱动机构与PWR 从堆芯顶部插入控制棒的情况类似。反应性绝对值大于PWR，因为PWR 具有化学补偿控制。Super LWR 配置了不同的紧急停堆系统，因为在NRC 的法规(10CFR 50.62)中，要求LWR 必须设计独立于现有停堆系统（从探头输出到控制棒电源中断）的紧急停堆系统。图10 停堆反应性曲线3.AFS由于AFS 的功能是在由RCP 提供的冷却剂供给不可用的情况下保持主冷却剂流量，因此它的启动信号应该由RCP 自身的异常或主冷却剂流量减少来触发。

20、所以，AFS 的启动信号采用了“RCP 跳闸”和“主冷却剂流量低等级2（20）”。“失去厂外电源”、“冷凝泵跳闸”、“透平控制阀快速关闭”、“主闸阀关闭”和“MSIV关闭”也用于AFS 信号，因为这些异常在延时后也会引起RCP 跳闸。参考ABWR 的汽动RCIC，确定AFS 启动的时间序列。在ABWR 的安全分析中，RCIC 启动的延迟时间保守地假定为30s（即在启动信号之后30s流量达到全容量的相同值）。Super LWR 的AFS 还没有进行详细设计。用于安全分析的启动曲线见图11，延迟时间取为32s。假定收到信号后的30s 内AFS 流量为0。 图11 AFS 启动特性4.SRV释放阀功

21、能（这里SRV 由外力打开和关闭）的启动类似于ABWR，见表4。第一个开启定值（26.2MPa）相应于压力高等级2。SRV 也有像ABWR 一样的安全阀功能。当系统压力大到足以压缩弹簧时阀门就打开。定值列在表5中。因为安全阀的功能是释放阀的备用，所以安全阀功能的最低定值（27.0MPa）高于释放阀功能的最高定值（26.8MPa）。5. MSIV、ADS 和 LPCISuper LWR 的MSIV 功能和ABWR 的相同，因为这两种堆都是没有二次系统的直接循环。触发信号取自于ABWR：“压力低（等级2）”或者“失去冷凝器真空”或者“主蒸汽管线放射性高”。MSIV 的特性和ABWR 的相同，见图12。在安全分析中，没有考虑信号的延迟时间，这样给出的堆芯流量更保守（更小）。 图12 MSIV 的关闭特性对于ABWR，ADS 执行的功能是降低堆芯压力，以便使冷却剂能够从低压ECCS 供给。“水位低”和“干井压力高”采用“与”逻辑得到ADS 信号，以便防止误动。在等待低压ECCS启动的信号30s后ADS 启动，因为ADS 在没有冷却剂供给的情况下启动将减少RPV 内的冷却剂装量。对于Super LWR，ADS 执行的功能是在卸压期间促使堆芯冷却剂流动和在堆芯由LPC/RHR冷却期间保持冷却剂出口。触发