張磊 曲莎

中國中原對外工程有限公司 北京 100044

1 介紹

為了確定核電廠嚴(yán)重事故條件下的適當(dāng)決策，核電廠響應(yīng)分析對于獲取安全和風(fēng)險邊際至關(guān)重要。由于熱力學(xué)的影響，裂變產(chǎn)物在不同事故下的釋放情況復(fù)雜，因此，在嚴(yán)重事故中研究裂變產(chǎn)物在安全殼內(nèi)的行為是必不可少的。在LOCA期間，氣態(tài)形式的放射性碘是最重要的源核素之一，因?yàn)樗哂懈叻磻?yīng)性、高裂變產(chǎn)率、環(huán)境流動性。本文介紹一種分析模型對反應(yīng)堆建筑物內(nèi)的空氣中氣態(tài)碘進(jìn)行模擬的方法，用于研究元素碘的物理行為。

2 模擬方法

2.1 壓水反應(yīng)堆的特征

雙回路壓水反應(yīng)堆冷卻系統(tǒng)，包括一個反應(yīng)堆壓力容器，兩個冷卻劑回路，兩個蒸汽發(fā)生器和一個連接在其中一個回路中的穩(wěn)壓器。輕水用作反應(yīng)堆的冷卻劑和慢化劑。二回路包括主給水系統(tǒng)、主蒸汽系統(tǒng)等。關(guān)鍵堆芯安全設(shè)備系統(tǒng)包括緊急堆芯冷卻系統(tǒng)，余熱排出系統(tǒng)和應(yīng)急給水箱等[1]。反應(yīng)堆堆芯包含69個控制棒組件和177個燃料組件。每個組件中有208個燃料棒。堆芯燃料棒長度為3.66米，其中反應(yīng)堆容器的高度為12.42米，含水量為113.55立方米?？刂瓢粲葾g-Ln-Cd組成，濃度分別為85%Ag，10%In和5%Cd。燃料棒外徑為1.092厘米，而燃料棒間距為1.443厘米。燃料芯塊的總體實(shí)質(zhì)尺寸與標(biāo)準(zhǔn)燃料芯塊的尺寸相同。

2.2 嚴(yán)重事故的假設(shè)

本文考慮了嚴(yán)重事故情況下的LOCA損失，高壓噴射系統(tǒng)和低壓噴射系統(tǒng)等無法使用等情況。由于閥門故障，應(yīng)急儲水箱也被認(rèn)為不可用。在LOCA期間，安全殼的大氣溫度和壓力由蒸汽產(chǎn)生速率、冷卻速率和系統(tǒng)的幾何形狀決定。在LOCA之后不久，預(yù)計安全殼的溫度達(dá)到80℃，壓力達(dá)到7.533Pa[2]。

2.3 數(shù)學(xué)建模

介紹在安全殼內(nèi)釋放的半動力學(xué)模型碘活性，以研究在嚴(yán)重事故情況下的內(nèi)含碘行為。數(shù)學(xué)模型是一組耦合線性方程。這些線性方程只是容器內(nèi)體積活度增益和體積活度損失差異的平衡方程。體積活動的增加是由于受損燃料中碘的持續(xù)釋放和自由表面的再懸浮。另一方面，體積活動的損失是由于自然衰變、再循環(huán)過濾，通過噴霧系統(tǒng)去除，從容器中泄漏，以及沉積在壁和自由表面上的碘損失。因此，該模型需考慮由于自然衰變而去除碘的衰減常數(shù)，在容納表面上的碘沉積而導(dǎo)致的損失項(xiàng)，噴霧的損失，通過再循環(huán)過濾的損失，由于排氣系統(tǒng)泄漏導(dǎo)致的損失[3]。

液滴收集效率需考慮元素碘的氣相傳質(zhì)系數(shù)、液相傳質(zhì)系數(shù)、安全殼空氣中的液滴暴露時間、液滴蒸汽中的碘擴(kuò)散系數(shù)、液滴直徑、擴(kuò)散元素碘的分子量、液體水的粘度等。

無遏制表面上的表面活性也具有增益項(xiàng)和損失項(xiàng)，需考慮表面活度的變化率。影響變化率的因素包括碘在自由表面上的沉積速率，重新懸浮碘。在核電廠正常運(yùn)行期間，自由表面和空氣中的標(biāo)稱活動量可以忽略。因此可忽略事故進(jìn)展的初始表面活動。核電站常規(guī)操作引起的安全殼空氣中的標(biāo)稱空氣活動通過吹掃和清潔系統(tǒng)不斷清理。因此，與意外釋放的活動相比，這種空中活動可以忽略不計。因此，初始意外釋放體積空氣傳播活動可以通過燃料釋放部分、冷卻劑釋放部分及堆芯損傷等因素來表達(dá)。

本文假設(shè)只有10%-20%的活動是隨著事故的進(jìn)展而立即活動。在混合冷卻劑與混合速率之后，剩余的活動在封閉空氣中傳播。作為時間的函數(shù)，活動通過受損燃料的冷卻劑不斷進(jìn)入密閉空氣。因此，損傷燃料是一種連續(xù)的來源，有助于遏制空氣中的活動。因?yàn)椋?dāng)LOCA啟動時，泄漏率瞬間達(dá)到非常高的值，因此，隨著抽吸釋放，該冷卻劑活動立即在空氣中傳播。即使具有如此高的泄漏率，也只能有20%-25%的總冷卻劑損失。

2.4 計算方法

模型需對如下方面進(jìn)行考慮：體內(nèi)碘容納活動：需評估在反應(yīng)堆安全殼正常條件下的碘的空氣傳播體積活度，即沒有噴霧的正常排氣和再循環(huán)速率；堆芯損傷效果：需模擬安全殼內(nèi)碘的體積活動的堆芯損傷效應(yīng)；瞬時釋放效果：LOCA是由于冷卻液管道的不受控制的泄漏造成的，冷卻劑爆發(fā)釋放導(dǎo)致放射性碘立即逃逸，需模擬安全殼內(nèi)碘的體積活度以獲得各種瞬時爆發(fā)釋放值；混合率對碘活性的影響：需模擬各種混合速率的延遲堆芯釋放，其通過冷卻劑有助于空氣傳播的體積活動，碘在水中具有復(fù)雜的化學(xué)性質(zhì)；泄漏率的影響：抑制壓力顯著影響碘活性的量化，由于蒸汽和氫氣的產(chǎn)生，安全殼中的壓力升高，這可能導(dǎo)致安全殼泄漏增加，因此，需模擬不同排氣率值的碘的體積活度；再循環(huán)率的影響：模擬了安全殼內(nèi)碘的體積活度，以獲得90%的再循環(huán)過濾效率的各種再循環(huán)值；噴射流量對安全殼容積活動的影響；再循環(huán)過濾器效率對體積活動的影響：在傳統(tǒng)的壓水堆安全殼設(shè)計中，安全殼清洗和清潔系統(tǒng)與炭過濾器一起使用。炭過濾器可有效收集元素碘，并且收集碘的效率為99.9%。然而木炭本質(zhì)上是吸濕的，其效率隨時間降低。在事故期間，還產(chǎn)生蒸汽，其引導(dǎo)碘流動導(dǎo)致收集效率降低，因此需模擬碘對各種過濾效率值的空氣傳播活動；噴霧液滴對碘活性的影響：在LOCA期間，安全氣氛溫度開始上升，并在幾分鐘內(nèi)達(dá)到80℃。噴霧系統(tǒng)的驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)是隨著溫度和壓力的升高而激活的。此外，噴霧收集效率還取決于容納空氣的溫度，因?yàn)樗Q于碘（元素和有機(jī)物）的擴(kuò)散。

3 結(jié)語

本文介紹了一種半容量動力學(xué)模型，用于動態(tài)研究安全殼內(nèi)釋放的元素碘的體積活度，對模擬LOCA期間安全殼內(nèi)釋放的碘活性的研究提供一種參考。