尹莎莎，方華偉，秋穗正，黃 偉，陳志輝，田 野，田雅婧

(1.中國核動力研究設計院 核反應堆系統(tǒng)設計技術重點實驗室，四川 成都 610041；2.西安交通大學 核科學與技術學院，陜西 西安 710049)

自動卸壓系統(tǒng)(ADS)是為了在反應堆事故早期降低堆芯壓力，避免高壓熔堆[1]。除提供預防堆芯損壞的功能外，ADS還具有堆芯損壞的緩解功能：如ADS若不能成功實現(xiàn)系統(tǒng)早期卸壓，其延遲觸發(fā)(如在堆芯嚴重損壞和堆芯碎片落入反應堆壓力容器下腔室前觸發(fā))也能減輕或消除蒸汽發(fā)生器傳熱管和反應堆壓力容器可能的脆性斷裂。防止反應堆壓力容器破裂即能排除由壓力讓其失效有關的嚴重事故現(xiàn)象(如安全殼直接加熱、壓力容器破裂時大量氫氣燃燒的事件、壓力容器外蒸汽爆炸和堆芯混凝土反應等)，從而降低安全殼早期失效的可能性[2]。ADS將排出的氣體或流體的一部分噴入內(nèi)置換料水箱(IRWST)中，也減少了釋放到安全殼大氣中的裂變產(chǎn)物數(shù)量。

當反應堆發(fā)生事故時，ADS為冷卻劑系統(tǒng)的快速卸壓提供了保障，可使非能動堆芯冷卻系統(tǒng)內(nèi)的水順利地注入堆芯，帶走堆芯衰變熱，防止冷卻劑系統(tǒng)發(fā)生高壓熔堆事故[3]。但由于模塊化小型核反應堆(SMR)的結(jié)構設計不同于傳統(tǒng)大型分散式壓水堆，小型化和緊湊性的特點使小型核反應堆主回路的水裝量較小[4-6]。ADS在卸壓時伴隨的冷卻劑喪失可能對主回路水裝量產(chǎn)生較大影響，系統(tǒng)水裝量急劇減少，從而加快事故進程，不利于反應堆事故緩解[7-8]。因此本文對ADS各級降壓管線位置和閥門有效面積開展敏感性分析計算，提出ACP100反應堆卸壓閥門有效面積的優(yōu)化設計方案。

1 ADS簡介

目前，國內(nèi)外大部分SMR的非能動安全設計采用了縱深防御的原則[9-10]，ADS各級開啟的設計除具有多重觸發(fā)信號外，也具備手動觸發(fā)功能，從而可全方位保障核電站的安全。SMR的ADS通過逐級開啟自動卸壓閥門來實現(xiàn)一回路的可控卸壓，確保反應堆非能動堆芯冷卻系統(tǒng)準確注入，及時將一回路衰變熱帶走，從而保證反應堆安全[11-12]。

ADS主要由自動卸壓閥門、管道及儀表組成，其觸發(fā)可通過堆芯補水箱(CMT)的水位控制。當CMT的水位低于整定值(CMT水位低于67.5%)后，第1、2級ADS陸續(xù)開啟，每級系統(tǒng)按照最初設定的時間間隔開啟。當CMT水位繼續(xù)下降至較低水位(CMT水位低于20%)時，第3級ADS開啟，并持續(xù)對系統(tǒng)進行卸壓。閥門開啟的過程中，核電站的操縱員可人工進行第1級閥門的開啟，因此能有效控制冷卻劑系統(tǒng)的卸壓過程。ADS采用多級卸壓的方式(分為第1、2、3A、3B級)，每級均由兩套完全相同的系統(tǒng)組成，每條管線上均設有兩個閥門。前兩級ADS并聯(lián)連接在穩(wěn)壓器的頂部，最終卸壓至卸壓箱，3B級卸壓系統(tǒng)設置在穩(wěn)壓器波動管線上并靠近反應堆的壓力容器側(cè)，通過3B級卸壓系統(tǒng)將直接卸壓至安全殼環(huán)境。

ADS投入的觸發(fā)信號：CMT水位低于67.5%，第1級自動卸壓開啟；第1級自動卸壓開啟后延時70 s，第2級自動卸壓開啟；CMT水位低于20%，第3A級自動卸壓開啟；第3A級自動卸壓開啟后延時70 s，第3B級自動卸壓開啟。本文計算中暫不考慮閥門動作時間，假設各級ADS閥門在觸發(fā)信號后立即打開。

2 MELCOR程序系統(tǒng)建模

MELCOR是一完整的第2代系統(tǒng)性程序，是由美國Sandia國立實驗室為美國核管會開發(fā)的PSA和嚴重事故分析程序[13]，能模擬輕水堆的嚴重事故進程及主要現(xiàn)象，并能計算放射性核素的源項及其釋放后果。計算范圍主要包括：反應堆一回路系統(tǒng)、二回路系統(tǒng)以及安全殼內(nèi)的熱工水力響應、反應堆堆芯熔化過程、燃料性能、不凝氣體作用等。程序由不同的模塊組成，各模塊分別代表不同的反應堆系統(tǒng)及不同的物理熱工現(xiàn)象。模塊化的結(jié)構使計算程序使用非常靈活，用戶可根據(jù)各自的計算要求來調(diào)用、添加不同的計算模塊。根據(jù)問題的復雜程度，逐漸添加相應的模塊可方便程序的調(diào)試使用，同時使研究內(nèi)容更加接近實際情況，各模塊的順序也可根據(jù)實際情況靈活調(diào)整[14]。

本文基于MELCOR程序，對SMR進行建模，主要包括一回路系統(tǒng)、二回路系統(tǒng)及非能動堆芯冷卻系統(tǒng)等(圖1)。一回路系統(tǒng)包括壓力容器、堆芯、穩(wěn)壓器、主冷卻劑泵、上升段及下降段、蒸汽發(fā)生器換熱區(qū)、相應管線及閥門；二回路系統(tǒng)包括蒸汽發(fā)生器套管區(qū)、主給水及主蒸汽控制體邊界、相應管線及閥門。本文不考慮非能動安全殼冷卻系統(tǒng)，僅針對非能動堆芯冷卻系統(tǒng)建模，非能動堆芯冷卻系統(tǒng)包括CMT、安注箱(ACC)、ADS、余熱排出換熱器、IRWST、相應管線及閥門。

圖1 SMR系統(tǒng)節(jié)點劃分Fig.1 Nodalization of SMR system

3 結(jié)果分析

3.1 ADS正常運行計算

利用MELCOR程序模擬SMR全場斷電觸發(fā)的嚴重事故進程。事故發(fā)生后，一回路主泵惰轉(zhuǎn)，反應堆緊急停堆，二回路主給水中斷。由于二回路熱阱的逐漸消失，一回路的溫度和壓力不斷上升。非能動安全系統(tǒng)隨之投入，隨著自然循環(huán)的進行，CMT內(nèi)的溫度逐漸升高，水位開始下降，當水位下降到整定值，相應的ADS被逐級觸發(fā)，部分冷卻劑通過卸壓閥不斷流失，堆芯逐漸裸露，包殼溫度升高。隨包殼溫度的升高，包殼失效，放射性物質(zhì)開始泄漏，堆芯逐漸熔化、坍塌。模型部分初始條件與參數(shù)列于表1。

按照發(fā)生全廠斷電時的事故邏輯對全廠斷電事故進行分析計算，初步計算ADS的相關參數(shù)列于表2。計算結(jié)果如圖2所示。

表1 模型部分初始條件與參數(shù)Table 1 Initial condition and parameter of model

表2 ADS正常運行的事故計算進程Table 2 Sequence of accident for ADS normal operation

圖2 各參數(shù)隨時間的變化Fig.2 Parameter vs. time

全廠斷電事故發(fā)生后，一回路主泵惰轉(zhuǎn)，反應堆緊急停堆，二回路主給水中斷。由于二回路熱阱的喪失，一回路的溫度和壓力不斷上升，當其壓力超過穩(wěn)壓器卸壓閥的整定值(17 MPa)時，卸壓閥打開。隨后CMT被觸發(fā)，一回路形成新的自然循環(huán)，CMT中的水隨著自然循環(huán)的不斷進行，溫度逐漸升高，水位逐漸下降。當CMT水位下降到整定值ADS被觸發(fā)，冷卻劑隨著自動卸壓管線不斷流失，CMT水位下降的速率加快，最終CMT排空。同時隨著ADS的作用，主回路壓力下降到整定值ACC被觸發(fā)，向堆芯提供補水，維持堆芯溫度一段時間。但隨著事故進程的發(fā)展，主回路冷卻劑以水蒸氣的形式一直不斷從自動卸壓管線流失，最終，使堆芯逐漸裸露，包殼溫度升高。當包殼溫度升高至1 273.15 K 時[15]，包殼失效，放射性物質(zhì)開始泄漏，堆芯逐漸融化、坍塌。

從圖2a可知，開始的燃料溫度符合由于反應堆停堆導致的熱負荷迅速降至衰變熱。最初失去主回路的強迫循環(huán)并不會導致反應堆燃料溫度升高，因二次側(cè)剩余的給水還能作為熱阱維持堆芯溫度一段時間。從圖2b可知，在2 866 s CMT被觸發(fā)，新形成的自然循環(huán)能維持堆芯溫度不升高將近10 h。當一回路壓力下降到整定值，ACC被觸發(fā)，其流量如圖2c所示。然而隨著冷卻劑從ADS流失，約34 000 s開始，堆芯開始裸露，燃料溫度逐漸升高。隨著自然循環(huán)的進行，CMT內(nèi)的溫度逐漸升高，水位開始下降，當水位下降到整定值(CMT水位低于67.5%)，約38 995 s開始相應ADS被逐級觸發(fā)(圖2d)，隨冷卻劑系統(tǒng)的水蒸氣被排放到卸壓箱，主回路溫度有小幅下降。隨后溫度不斷升高，鋯包殼與水或蒸汽相互作用，引發(fā)強烈的放熱反應。

通過分析ADS的流量(圖3)，可看出，在ADS3A和ADS3B中大量的一回路冷卻劑流出，其中ADS3B最高時的流量達53 kg/s，而相對的水蒸氣流量卻很小。因此ADS的不合理布置可能會導致一回路冷卻劑過分喪失，進而造成堆芯裸露。

通過以上計算結(jié)果可看到在發(fā)生全廠斷電事故時，依靠非能動安全系統(tǒng)可建立穩(wěn)定的自然循環(huán)，將堆芯衰變熱有效帶走，由于ADS的作用，一回路系統(tǒng)壓力會下降到較低的值，保證在發(fā)生堆芯熔化時，主回路系統(tǒng)的壓力足夠低，以此避免了高壓熔堆事故所帶來的風險，但由于通過ADS有大量的主回路冷卻劑喪失，因此加速了堆芯熔化的進程，同樣也會帶來加速嚴重事故進程的風險。

圖3 ADS流量Fig.3 Flow rate of ADS

因此研究ADS各級卸壓管線的位置和閥門卸壓有效面積是非常必要的，下面從各級卸壓管線位置和各級閥門有效面積兩方面的相關參數(shù)的考慮，進行敏感性分析，研究不同ADS參數(shù)對SMR發(fā)生嚴重事故后的事故進程的影響，為小型核反應堆的嚴重事故預防和緩解提供有效的依據(jù)和參考。

3.2 ADS各級閥門有效面積計算

通過上述全廠斷電事故的分析發(fā)現(xiàn)，ADS3A/B級閥門在事故進程中，冷卻劑喪失比較嚴重，因此對ADS布置位置及卸壓閥門有效面積進行了敏感性分析計算，并將計算結(jié)果與正常設計的ADS卸壓面積的計算結(jié)果進行對比，表3列出相關事故序列的計算結(jié)果對比。

表3 ADS3A/B級閥門不同有效面積及布置位置計算結(jié)果對比Table 3 Result for different areas and positions of ADS3A/B

注：ADS1-2為增加了1級與ADS1級并列的自動降壓系統(tǒng)，余同

圖4示出了減小面積后不同工況中ADS3A級卸壓閥門的流量。由圖中可看出，減小閥門面積對冷卻劑從卸壓閥門流失有明顯效果，閥門越小冷卻劑的流量也就越小，但考慮到ADS本身的卸壓作用，ADS3A級閥門應在保證蒸汽流量的前提下盡可能減少冷卻劑喪失。

圖4 ADS3A流量Fig.4 Flow rate of ADS3A

面積減小50%的工況計算結(jié)果中蒸汽流量與正常工況接近，同時水的流量在峰值時只有正常工況的1/7，因此與正常工況相比面積減小50%的工況在保證了ADS的卸壓作用時能有效減少冷卻劑喪失。如圖5所示，過多地減小ADS3A級卸壓閥門有效面積，可能會導致堆芯蒸汽不能及時排出，堆芯溫度提前升高，與正常工況相比反而加速了反應堆嚴重事故進程。

從圖5反應堆堆芯水位也可看出，ADS3A面積減小75%的工況是最早發(fā)生堆芯完全裸露的，這主要是因為ADS3A卸壓閥門面積過小，蒸汽不能及時從卸壓閥排出，在一回路中剩余的熱量相對更多，加速了蒸發(fā)，從而較早發(fā)生堆芯完全裸露。

圖5 堆芯溫度和堆芯水位(ADS3A級卸壓分析)Fig.5 Temperature and water level of core (analysis for ADS3A)

圖6 ADS3B流量Fig.6 Flow rate of ADS3B

圖6為ADS3B卸壓閥流量。對比幾組面積減小ADS3B級閥門的工況計算結(jié)果發(fā)現(xiàn)，從正常工況到面積減小50%，卸壓閥中水的流量減小并不是很多，而只有面積減小75%的工況中卸壓閥中水的流量明顯較其他工況小。同時從卸壓閥蒸汽流量分析，面積減小50%和75%的兩組工況，在40 000～60 000 s之間，面積減小75%的工況較面積減小50%的工況蒸汽流量略小，但從60 000 s之后，這兩組工況的蒸汽流量趨勢基本相似，因此結(jié)合減少冷卻劑流量喪失的要求，本文建議選取ADS3B級卸壓閥門面積減小75%的工況作為系統(tǒng)優(yōu)化方案。

圖7示出關于ADS3B卸壓面積修改時的堆芯溫度和堆芯水位。由圖可看出，ADS3B面積減小75%的工況堆芯水位下降較其他幾組工況滯后，即堆芯發(fā)生裸露的情況較其他工況遲，對嚴重事故進程而言，堆芯淹沒是十分重要的，因此本文建議選擇ADS3B級卸壓閥門面積減小75%的工況作為系統(tǒng)優(yōu)化方案。

圖7 堆芯溫度和堆芯水位(ADS3B級卸壓分析)Fig.7 Temperature and water level of core (analysis for ADS3B)

4 結(jié)論

從計算結(jié)果對比分析可得出，減小ADS3A卸壓閥門有效面積對事故進程起到明顯緩解作用，其中減小面積25%和50%堆芯碎片淬火時間、下封頭失效時間和堆芯內(nèi)熔融物滯留時間均有明顯延長。當ADS3A卸壓閥有效面積減小50%時，包殼開始損壞時間和正常工況的相近，但下封頭失效時間也較正常工況推遲了約32 000 s。因此本文建議將ACP100反應堆ADS3A級卸壓閥門面積減小50%的工況作為系統(tǒng)優(yōu)化設計方案。

對ADS3B級閥門，本文同樣進行了增加閥門級數(shù)和減小閥門有效卸壓面積的計算，從計算結(jié)果可看出，閥門面積減小75%和50%兩組工況的計算結(jié)果十分相近，即事故進程非常相似，通過對比詳細計算結(jié)果，面積減小75%的工況的包殼開始損壞的時間較面積減小50%的共延后了約1 h，對于下封頭失效時間，面積減小75%的工況較正常工況延長了約25 000 s，因此本文建議選取ADS3B級卸壓閥門面積減小75%的工況作為系統(tǒng)優(yōu)化設計方案。