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        模塊式小型堆功率運(yùn)行狀態(tài)單個(gè)控制棒束失控抽出事故研究

        2019-04-07 17:44:24辛素芳肖鵬黃慧劍邱志方王瑋陸祺任春明李沛穎
        科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào) 2019年31期

        辛素芳 肖鵬 黃慧劍 邱志方 王瑋 陸祺 任春明 李沛穎

        摘? ?要:本文對模塊式小型堆反應(yīng)堆功率運(yùn)行狀態(tài)單個(gè)控制棒束失控抽出事故進(jìn)行分析,研究模塊式小型堆在反應(yīng)性引入事故后堆芯的熱工安全性。對不同提棒速率、反饋系數(shù)工況的計(jì)算分析結(jié)果表明,對于模塊式小型堆來說,即使發(fā)生了功率運(yùn)行狀態(tài)單個(gè)控制棒束失控抽出事故,最小DNBR仍高于限值,燃料棒發(fā)生DNB的份額為0,滿足限值準(zhǔn)則的要求。事故發(fā)生后,可以根據(jù)操作規(guī)程將反應(yīng)堆帶入安全狀態(tài)。

        關(guān)鍵詞:模塊式小型堆? 控制棒束失控抽出? DNB

        中圖分類號(hào):TL329.2? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào):1674-098X(2019)11(a)-0187-03

        ACP100[1]是中核集團(tuán)研發(fā)的一種模塊式小型堆,達(dá)到第三代核電站相關(guān)要求。ACP100的核蒸汽供應(yīng)系統(tǒng)采用一體化布置,集成為一個(gè)反應(yīng)堆模塊,具有多重固有安全特性。

        ACP100反應(yīng)堆功率小,堆芯功率密度低,較低的堆芯功率密度使得事故后燃料及其包殼溫度較低,反應(yīng)堆具有更大的堆芯熱工安全裕量。本文對ACP100反應(yīng)堆反應(yīng)性引入事故的典型工況-功率運(yùn)行狀態(tài)單個(gè)控制棒束失控抽出事故-進(jìn)行分析,研究ACP100在反應(yīng)性引入事故后堆芯的熱工安全性。

        由于操作失誤或同時(shí)發(fā)生多個(gè)獨(dú)立的電氣或機(jī)械故障,可能導(dǎo)致控制棒束不受控地抽出。該事故只可能發(fā)生在下列兩種極不可能的工況:(1)操作員考慮到有棒組錯(cuò)列或一個(gè)棒束下落,把棒組控制切換為手動(dòng)模式,有意抽出單個(gè)控制棒束;(2)如果反應(yīng)堆以自動(dòng)控制模式運(yùn)行,幾個(gè)同時(shí)發(fā)生的電氣或機(jī)械故障可能導(dǎo)致一個(gè)控制棒組件抽出。以上多種情況組合發(fā)生的概率非常低,該事故為第III類工況(稀有事故)。

        單個(gè)控制棒束組件的持續(xù)抽出將使功率、溫度和熱通道因子增加。如不及時(shí)終止控制棒的失控抽出,功率失配以及隨之產(chǎn)生的反應(yīng)堆冷卻劑溫度上升將導(dǎo)致DNB的發(fā)生并可能損壞燃料包殼。根據(jù)III類工況的限值準(zhǔn)則,事故發(fā)生的限制結(jié)果允許出現(xiàn)輕微的燃料損壞。

        1? 反應(yīng)堆保護(hù)

        1.1 事故探測

        功率運(yùn)行時(shí)單個(gè)控制棒束抽出可由下列方法探測出來:

        —棒位指示器;

        —指示棒偏離其所在棒組的可視信號(hào)和聲響報(bào)警;

        —堆外核測量通道或堆芯出口熱電偶探測出的功率不對稱分布。

        1.2 反應(yīng)堆自動(dòng)保護(hù)

        根據(jù)模塊式小堆保護(hù)信號(hào)的設(shè)置情況,單個(gè)控制棒束抽出工況中,可采用的緊急停堆信號(hào)有:

        —功率量程中子注量率高;

        —反應(yīng)堆出口冷卻劑溫度高;

        —穩(wěn)壓器壓力高。

        2? 限制準(zhǔn)則與計(jì)算方法

        2.1 限值準(zhǔn)則

        該事故屬于第III類工況(稀有事故)。事故發(fā)生的限制結(jié)果允許出現(xiàn)輕微的燃料損壞,借鑒國內(nèi)外成熟的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn),事故的限制準(zhǔn)則為:

        發(fā)生DNB的燃料棒份額不高于5%。

        2.2 計(jì)算方法

        該事故的分析計(jì)算分以下幾步進(jìn)行:

        —由堆芯物理程序計(jì)算失控抽出的一束控制棒組件的價(jià)值以及相應(yīng)的堆芯徑向和軸向功率峰因子;

        —進(jìn)行熱工瞬態(tài)分析,得到瞬態(tài)中核功率、熱功率、反應(yīng)堆冷卻劑溫度和壓力的變化;

        —計(jì)算DNBR。

        3? 功率運(yùn)行狀態(tài)單個(gè)控制棒束失控抽出

        3.1 主要假設(shè)

        采用的假設(shè)應(yīng)使得到的最小DNBR值和發(fā)生DNB的燃料份額最為不利。

        3.1.1 初始工況

        以100%額定功率[1]作為初始工況分析該瞬態(tài)。

        為了使瞬態(tài)過程中DNB現(xiàn)象更不利,保守地采用如下的初始條件:

        — 初始反應(yīng)堆功率為滿額定功率加上最大的穩(wěn)態(tài)熱工測量誤差;

        — 反應(yīng)堆冷卻劑初始平均溫度為所分析運(yùn)行工況下的名義值加上最大的穩(wěn)態(tài)控制帶和測量誤差;

        — 初始穩(wěn)壓器壓力為名義值減去最大穩(wěn)態(tài)波動(dòng)值和測量誤差;

        — 初始反應(yīng)堆冷卻劑流量為熱工設(shè)計(jì)流量。

        3.1.2 初因事件和功能假設(shè)

        該瞬態(tài)開始于棒開始抽出時(shí),研究了8步/分和72步/分兩種提棒速度。為使事故后果更惡劣,假設(shè)反應(yīng)堆處于手動(dòng)控制模式。

        3.1.3 與堆芯相關(guān)假設(shè)

        出于保守考慮,采用所有循環(huán)燃耗壽期最不利的堆芯功率分布,且假定在瞬態(tài)過程中功率分布不發(fā)生改變。

        并考慮大、小反饋效應(yīng),即慢化劑密度系數(shù)和燃料溫度系數(shù)采用所有循環(huán)燃耗壽期內(nèi)最大或最小值(絕對值)。

        3.1.4 控制與保護(hù)系統(tǒng)

        不考慮蒸汽排放系統(tǒng)動(dòng)作,因?yàn)檎羝欧艜?huì)增加排熱,從而增加了DNBR裕量。假定穩(wěn)壓器壓力控制(噴淋和卸壓閥)能工作。

        反應(yīng)堆保護(hù)由功率量程中子注量高或反應(yīng)堆出口溫度高或穩(wěn)壓器壓力高緊急停堆信號(hào)進(jìn)行保護(hù),其它保護(hù)方式被禁止,并假定最大價(jià)值控制棒束卡在完全抽出位置。

        3.2 事故進(jìn)程與結(jié)果分析

        3.2.1 事故進(jìn)程分析

        當(dāng)反應(yīng)性反饋較大時(shí),引入的反應(yīng)性被反饋效應(yīng)所補(bǔ)償,反應(yīng)堆功率上升幅度較小,同時(shí)由于反應(yīng)性反饋較大,冷卻劑的溫度上升幅度較小,即使控制棒完全提出,可能仍不會(huì)觸發(fā)保護(hù)信號(hào)。

        當(dāng)向堆內(nèi)引入的反應(yīng)性比較緩慢(提棒速率8步/分)時(shí),反應(yīng)性被反饋效應(yīng)所補(bǔ)償,反應(yīng)堆功率上升較慢,相比之下,穩(wěn)壓器壓力和冷卻劑平均溫度的上升幅度較大,將由反應(yīng)堆出口冷卻劑溫度高和穩(wěn)壓器壓力高緊急停堆信號(hào)提供反應(yīng)堆保護(hù)。

        當(dāng)向堆內(nèi)引入的反應(yīng)性較快(提棒速率72步/分)時(shí),如果反饋效應(yīng)不能完全補(bǔ)償引入的反應(yīng)性,反應(yīng)堆功率將快速增長,最后達(dá)到功率量程中子注量率高緊急停堆整定值,觸發(fā)緊急停堆。

        表1給出了模塊式小型堆功率運(yùn)行狀態(tài)單個(gè)控制棒束失控抽出過程,最大、最小提棒速率,最大、最小反饋四種工況的計(jì)算分析中觸發(fā)的保護(hù)信號(hào)。

        對于工況2,由于觸發(fā)保護(hù)信號(hào)時(shí)冷卻劑的溫度、壓力較高,其事故后果最惡劣。圖1、圖2和圖3給出了工況2事故過程中核功率、冷卻劑溫度和穩(wěn)壓器壓力隨時(shí)間變化的曲線。

        3.2.2 結(jié)果分析

        (1)最大反饋效應(yīng)。

        當(dāng)慢化劑和多普勒系數(shù)取最大絕對值時(shí),控制棒束抽出后溫度的上升限制了核通量增加。反應(yīng)堆穩(wěn)定在與初始工況相似的熱流密度、溫度和壓力值下。整個(gè)瞬態(tài)過程中,與DNB有關(guān)的熱工水力狀況比小反應(yīng)性反饋效應(yīng)時(shí)要有利得多, DNBR總是在限值之上。

        (2)最小反饋效應(yīng)。

        當(dāng)反應(yīng)性引入速率較慢時(shí),反應(yīng)堆冷卻劑溫度和壓力上升幅度較大,最小偏離泡核沸騰比顯著下降。

        最小DNBR的工況是8步/分提棒-小反饋,為1.95。所有工況下,發(fā)生DNB的份額均為0%。

        4? 結(jié)語

        本文針對模塊式小堆功率運(yùn)行狀態(tài)單個(gè)控制棒束失控抽出事故進(jìn)行了事故起因和事故后果分析。分析結(jié)果表明,單個(gè)控制棒束抽出發(fā)生的幾率是極為微小的。即使發(fā)生,最小DNBR仍高于限值,燃料棒發(fā)生DNB的份額為0。在緊急停堆后,可以根據(jù)操作規(guī)程使反應(yīng)堆進(jìn)一步冷卻降溫至安全狀態(tài)。對于未觸發(fā)緊急停堆的工況,也可以根據(jù)操作規(guī)程將反應(yīng)堆帶入安全狀態(tài)。

        參考文獻(xiàn)

        [1] 宋丹戎,秦忠,程慧平,等.ACP100模塊化小型堆研發(fā)進(jìn)展[J].中國核電,2017(2):172-177.

        [2] 朱繼洲.核反應(yīng)堆安全分析[M].第1版.西安:西安交通大學(xué)出版社,2004.8(2011.3重印).

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