船用压水堆堆舱泄压措施研究

船用压水堆堆舱泄压措施研究

压水核反应堆通常在正常运行中处于高温高压状态。当进程中传输的压极限发生破裂时，隧道的冷却器将继续丧失，并使网络系统处于危险之中。这种事故被称为“失业事故（也称为破口事故）”。事故后,一方面冷却剂不断从一回路系统流失,将导致系统冷却剂水装量减少,堆芯冷却条件恶化,严重时将危及堆芯安全。另一方面,冷却剂将大量流入安全壳内,造成安全壳内压力和温度的升高。有别与电站堆型有大容量的安全壳和较完善的安全壳冷凝系统,受船体结构限制,船用核动力装置只能以小容量的堆舱结构来实现安全壳的部分功能。一旦发生失水事故,带有一定放射性的高温、高压冷却剂如果释放到堆舱,将导致堆舱温度压力快速升高,威胁设备安全和堆舱完整性;压力一旦超过设计限值,堆舱完整性将遭到破坏,对相邻舱室乃至水体及大气环境造成放射性污染。基于上述原因,对于船用核动力装置来说,需要对失水事故下的舱室压力响应情况进行深入研究,分析各种可能的舱室压力缓解手段,为船用核动力装置的专设安全设施的设计工作提供指导。1堆舱泄压措施由于船舶(如:核动力破冰船、核动力商船等)在航行和停靠码头时对排放有很高的要求,因此一旦发生破口事故,通过将堆舱与外界大气或者海水联通的直接排放泄压方式将是不可接受的。在这种背景下,船用核动力装置堆舱的泄压方式将与核电站安全壳的泄压方式类似。现阶段核电站安全壳泄压手段主要有安全壳喷淋、泄压箱和过滤排放这3种常规手段。3种堆舱泄压措施结构流程如图1所示,其中泄压箱中充有一定的常温水并装有冷凝器,这样可以实现一定的过滤冷凝功能。由于船上空间布置受限,这3种泄压措施的缓解效能会打折扣。其中喷淋系统受到的制约相对较小,可以提供较大的流量。泄压箱和过滤排水系统受到的制约较大,尤其是泄压箱的容积会受到很大的限制。为了深入研究某型船用核动力装置失水事故下的舱室压力响应情况和泄压手段的有效性,本文将选择以上3种堆舱泄压措施来进行对比研究,计算分析其在失水事故下的缓解效能。2事故建模方法本文以通用的系统热工水力最佳估算程序为基础,研究分析不同破口尺寸下系统主要参数的响应及不同干预措施的缓解效果,给出不同事故序列下主要后果,为确定专设安全设施设计方案提供参考。具体研究思路与方法如下:1)以国际通用的系统热工水力最佳估算程序RELAP5/MOD3.2为基础,对该型核动力装置反应堆及主回路系统进行热工水力建模,建模过程确保模型分析的精度要满足工程分析的需要,并适当照顾计算的效率。2)依据该型核动力装置的设计和运行参数,确定核动力装置事故分析的初始工况、一回路主系统可能发生破裂的位置及当量尺寸,作为事故分析的初始条件。3)模拟堆舱时不采用通常设定为压力边界的方法,用一个或者若干相邻的控制体来模拟堆舱,其总体积与堆舱实际体积一致。由于船用堆的堆舱空间远小于核电站安全壳,堆舱内的空间延迟效应基本可以忽略,基于该建模方法可在破口事故下,较为准确模拟堆舱压力和温度的变化。4)喷淋流量、泄压箱容器、泄压箱内冷凝器功率及过滤排放流量取理想设计值。5)分析事故后事件时间序列和主要参数的响应曲线,确定事故下堆舱压力峰值和时间。给出各种缓解措施下堆舱压力的响应特性,分析其缓解效果,为设计人员提供参考依据。3主管道/冷段破口用量1)计算方案本研究选择100%额定功率为事故前的运行工况,假设破口主要发生在主管路靠近压力容器入口侧(冷端)和靠近压力容器出口侧(热端)。计算方案如下:方案(1):主管道冷段破口,破口当量直径为主管路直径的10%;方案(2):主管道热段破口,破口当量直径为主管路直径的10%;方案(3):主管道冷段破口,破口当量直径为主管路直径的7.5%;方案(4):主管道热段破口,破口当量直径为主管路直径的7.5%;方案(5):主管道冷段破口,破口当量直径为主管路直径的4.5%;方案(6):主管道热段破口,破口当量直径为主管路直径的4.5%。2)基本假设(1)系统低压触发停堆信号有效;(2)各级安注系统能够正常投入;(3)不考虑余热排出系统;(4)堆舱喷淋、泄压箱和大气过滤排放均由堆舱高压信号(堆舱压力高于某阈值)触发后自动开启。4无泄压减缓措施下的堆舱压力针对6种计算方案分别计算了5种不同的缓解模式:(1)无堆舱压力缓解措施;(2)通过堆舱喷淋缓解堆舱压力升高;(3)通过泄压箱缓解堆舱压力升高;(4)通过泄压箱和与其相连的过滤排放系统缓解堆舱压力升高;(5)通过堆舱喷淋、泄压箱和过滤排放3种措施联合缓解堆舱压力升高。模拟计算时间为破口发生时刻到事故发生后2h,相应的计算结果如表1和图2~图7所示。由计算结果可见,在无任何泄压缓解措施的情况下,冷端破口下的堆舱压力超限更快,这主要是因为冷端破口的破口流量更大。从部分计算方案的无缓解措施下的结果曲线可见,方案1的堆舱压力并不是一直上升,在事故的中后期会快速下降。这主要是由于低压安注的投入后大量低温安注水通过破口泄入舱室,舱室内的蒸汽被其冷凝,从而起到了缓解堆舱压力上升的作用。而其他方案由于破口尺寸较小或者破口位置的原因,低压安注系统均未能投入,堆舱压力始终维持上升趋势。以上结果表明大流量的低安注投入后,对堆舱泄压的作用比较明显。由于受船体布置限制,泄压箱容积过小,其对缓解堆舱压力上升作用非常有限。即使在4.5%的主管路尺寸破口下,通过泄压箱也无法避免堆舱超压。对比分析发现,对于破口事故而言,堆舱喷淋是最有效的堆舱泄压手段。其他泄压措施的泄压效果均远不如堆舱喷淋。如果根据泄压效果排序,可有:堆舱喷淋>过滤排放>泄压箱。结合对比组合模式可以发现,组合模式下的泄压效果也仅仅是略好与堆舱喷淋。5堆舱泄压措施根据本文的分析结果可以看出,对于船用反应堆主回路系统承压边界破裂引发的失水事故,冷却剂将不断流失,可造成堆舱压力快速升高,突破堆舱承压限值,威胁其他舱室安全。而且在大中尺寸破口下,堆舱的压力响应非常快,基本没有可供人员干预准备的时间,因此建议考虑布置能够自动响应的专设堆舱泄压设施。